烏魯木齊市熱島效應(yīng)與景觀格局研究

馬術(shù)

摘 要：利用1990年、1998年、2006年和2014年的Landsat影像，采用大氣校正法反演烏魯木齊市地表溫度，分析了地表溫度、蔓延度指數(shù)、均勻度指數(shù)和多樣性指數(shù)等景觀格局指數(shù)的變化特征。結(jié)果表明：不同地表覆蓋類型的地表溫度有所差異，冷島效應(yīng)反作用于熱島效應(yīng);由蔓延度指數(shù)、均勻度指數(shù)和多樣性指數(shù)可以得出4個(gè)年份溫度景觀的破碎化程度、復(fù)雜化程度和分布格局變化情況。

關(guān)鍵詞：大氣校正法;景觀格局;熱島;烏魯木齊市

Abstract：Landsat images in 1990，1998，2006 and 2014 were used to retrieve the surface temperature of Urumqi by atmospheric correction method.The change characteristics of landscape pattern index such as surface temperature，spreading degree index，evenness index and diversity index were analyzed.The results show that the cold island effect reacts on the heat island effect when the surface temperature is different for different types of land cover.According to the spread index，uniformity index and diversity index，the fragmentation degree，complexity degree and distribution pattern change of the temperature landscape in the four years.

Key words：Atmospheric correction method;Landscape pattern;Heat island effect;Urumqi

1 引言

景觀格局的變化會(huì)對(duì)生態(tài)平衡造成影響，城市景觀格局影響著城市環(huán)境。目前，可以通過(guò)遙感手段研究城市景觀格局，景觀格局指數(shù)是指標(biāo)之一。通過(guò)景觀格局指數(shù)，可以更直接地了解景觀格局的分布情況以及特點(diǎn)，為更好地研究與熱島效應(yīng)之間的關(guān)系提供可靠、科學(xué)的數(shù)據(jù)。本文研究了烏魯木齊市地表溫度及冷島效應(yīng)的時(shí)空格局，以期為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

烏魯木齊是新疆首府，位于天山北部和準(zhǔn)噶爾盆地南緣，位于86°37′E～88°58′E，42°45′N～44°08′N。屬中溫帶干旱氣候，年平均降水量194mm，春、秋季短，冬、夏季較長(zhǎng)，季節(jié)分布不均，熱量和濕度變化劇烈，晝夜溫差較大，逆溫層出現(xiàn)在冬季。最溫暖的7月平均氣溫為25.7℃，1月份最冷，平均氣溫為-15.2℃，年平均氣溫7.2℃，年平均日照時(shí)數(shù)2645.3h。由于烏魯木齊位于42°45′N～44°08′N，夏天太陽(yáng)較高，地處內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，再加上城市熱島效應(yīng)的影響，天氣炎熱，極端溫度達(dá)到47.8℃。

3 材料與方法

3.1 數(shù)據(jù)處理 遙感數(shù)據(jù)分別為1990年、1998年和2006年的Landsat5數(shù)據(jù)，以及2014年的Landsat8數(shù)據(jù)，并結(jié)合烏魯木齊市氣象局監(jiān)測(cè)站實(shí)測(cè)的烏魯木齊市1990—2014年氣溫?cái)?shù)據(jù)，相關(guān)的統(tǒng)計(jì)年鑒，烏魯木齊市行政矢量圖等其他資料[1]。

3.1.1 幾何校正 本研究執(zhí)行幾何校正處理，使用圖像到圖像配準(zhǔn)方法。

3.1.2 輻射定標(biāo) 防止輻射畸變的影響，準(zhǔn)確反映地物信息，減少誤差。

3.1.3 大氣校正 減少或消除傳感器接收太陽(yáng)輻射時(shí)的干擾。

3.1.4 圖像融合 在ENVI中使用Image Sharpening-Gam-Schmidt Pan Sharpening工具進(jìn)行圖像融合，先選擇低分辨率的多光譜影像（MultiSpectral），后選擇高分辨率的全色影像（Panchromatic）。

3.1.5 圖像拼接 在ENVI中，將完成預(yù)處理的影像使用Mosaicking-Seamless Mosaic工具進(jìn)行拼接。

3.1.6 圖像裁剪 取得規(guī)范的烏魯木齊市邊界圖，獲取準(zhǔn)確的裁剪圖。裁剪后烏魯木齊市影像如圖1所示。

3.2 研究方法

3.2.1 大氣校正法 去除大氣對(duì)地表熱輻射產(chǎn)生的誤差，把熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的地表溫度。計(jì)算公式如下：

式中，透過(guò)率[τ]，大氣向上輻射亮度[L↑]和大氣向下輻射亮度[L↓]，這3個(gè)參數(shù)可以在NASA官方網(wǎng)站中信息獲得。烏魯木齊市圖像的成像時(shí)間為2016年7月28日04：50、圖像的中心緯度為86.6833E、43.7667N，氣壓為800hPa，相對(duì)濕度為39%，得到的大氣參數(shù)透過(guò)率[τ]為0.7，大氣向上輻射亮度[L↑]為1.29，大氣向下輻射亮度[L↓]為0.75。[Ts]用普朗克公式獲得[4]：

3.2.2 熱島強(qiáng)度指數(shù) 計(jì)算公式如式下：

式中，[TR]表示某點(diǎn)熱島強(qiáng)度指數(shù)，[Ti]代表某點(diǎn)地表真實(shí)溫度（單位：℃），[Ta]表示該區(qū)域的平均地表真實(shí)溫度（單位：℃）。

3.2.3 熱島分級(jí) 根據(jù)式（4）反演的熱島強(qiáng)度指數(shù)將其分為5個(gè)等級(jí)，分別為冷島、低熱島、中等熱島、強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島。等級(jí)劃分如表1所示。

3.2.4 景觀格局指數(shù) 景觀格局指數(shù)如表2所示。

4 結(jié)果與分析

4.1 烏魯木齊市地表溫度分布特征 利用大氣校正法，最終反演出烏魯木齊市1990年、1998年、2006年、2014年4期地表溫度，如圖2所示。

4.2 熱島強(qiáng)度 根據(jù)研究區(qū)的熱島強(qiáng)度指數(shù)，分級(jí)后的熱島分級(jí)如圖3所示。

利用ENVI統(tǒng)計(jì)工具將4期熱島分級(jí)圖進(jìn)行變化檢測(cè)，可以得到每個(gè)熱島區(qū)的轉(zhuǎn)化面積分布，其結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，1990年的強(qiáng)冷島區(qū)、低熱島區(qū)、中等熱島區(qū)、強(qiáng)熱島區(qū)、極強(qiáng)熱島區(qū)的百分比分別為63.00、10.00、5.80、20.10、1.10，熱島效應(yīng)不明顯;但到了1998年，熱島效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，5個(gè)熱島分級(jí)分別為25.71、7.31、2.37、60.10、4.51，強(qiáng)熱島區(qū)面積比例擴(kuò)大很多，這體現(xiàn)了市城市化進(jìn)程加快;到2006年，5個(gè)等級(jí)所占百分比分別為17.70、11.70、7.39、62.21、1.00，熱島進(jìn)一步加強(qiáng)，且熱島等級(jí)呈現(xiàn)兩極分化的趨勢(shì)，即冷島和強(qiáng)熱島所占百分比增大，中間區(qū)域的比例減小，這也說(shuō)明了熱島效應(yīng)的加重。從圖2和圖3可以看出，冷島抑制熱島。

4.3 景觀分布格局 1990年的CONTAG較高、SHEI較高、SHDI最高，故1990年破碎化程度較高，各斑塊復(fù)雜程度高且分布較均勻，說(shuō)明1990年的分布格局最復(fù)雜，各土地類型分布差異大，土地分類明顯;1998年CONTAG較高、SHEI和SHDI較低，說(shuō)明破碎化程度較高，各溫度斑塊復(fù)雜程度低且分布較分散;2006年CONTAG最低、SHEI最高、SHDI最低，說(shuō)明2006年的破碎化程度最低，各溫度斑塊復(fù)雜程度最低且分布較均衡;2014年CONTAG最高、SHEI最低、SHDI較高，說(shuō)明2014年破碎化程度最高，各溫度斑塊復(fù)雜程度較高且分布分散[5-6]。

5 結(jié)論

采用大氣校正法反演研究區(qū)的地表溫度，基于Landsat5和Landsat8數(shù)據(jù)驗(yàn)證了LST反演精度。在此基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)地表溫度和景觀類型指數(shù)的時(shí)空格局進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

（1）不同地表覆蓋類型的地表溫度不同，1990—2014年熱島效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)，冷島抑制熱導(dǎo)。

（2）2006年SHEI達(dá)到最大，表明2006年各溫度斑塊的均勻程度比1990、1998和2014年高，主要因?yàn)樘馗邷貐^(qū)的斑塊面積增加，各溫度斑塊分布較均勻。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)編：張宏民）