熱島效應季節(jié)動態(tài)隨城市化進程演變的遙感監(jiān)測

1、1818生態(tài)環(huán)境學報第18卷第5期(2009年9 月)生態(tài)環(huán)境學報 2009, 18(5): 1817-1821Ecology and Environmental Sciences1818生態(tài)環(huán)境學報第18卷第5期(2009年9 月)1818生態(tài)環(huán)境學報第18卷第5期(2009年9 月)熱島效應季節(jié)動態(tài)隨城市化進程演變的遙感監(jiān)測趙小鋒，葉紅中國科學院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點實驗室，福建廈門361021摘要：作為城市特有的一種環(huán)境問題，熱島效應動態(tài)發(fā)展變化的規(guī)律是城市熱島研究的基礎工作。遙感技術在城市熱島動態(tài)變化監(jiān)測方面的有用性已經(jīng)得到了證實。然而當前城市熱島遙感研究基本都取少數(shù)幾景進行

2、對比分析，這使得遙感在城市熱島時空動態(tài)監(jiān)測方面不能充分發(fā)揮作用。采用50景長時間序列Landsat TM和ETM+ SLC-on/off影像，采取定性和定量分析相結(jié)合的方法，使用熱島強度、熱島范圍等指標和熱島顯著區(qū)的概念對廈門市1987- 2008年20年間熱島季節(jié)動態(tài)隨城市化進程演變的趨勢進行分析，結(jié)果表明：廈門城市熱島在2003、2004年之后已由春夏秋擴展到冬季，且冬季熱島的高等級斑塊在數(shù)量、個體面積和總面積上均有明顯增長趨勢。引起這種變化的原因還需要進一步研究和分析。1818生態(tài)環(huán)境學報第18卷第5期(2009年9 月)基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(40901218);中國科

3、學院知識創(chuàng)新工程青年人才領域前沿項目(0714061d30, 0714151d40)作者簡介：趙小鋒(1981年生)，男，助理研究員，博士，主要從事數(shù)字城市與環(huán)境信息方面的研究工作。E-mail: xfzhao收稿日期：2009-08-24關鍵詞：城市熱島；季節(jié)動態(tài)；城市化；遙感；監(jiān)測 中圖分類號：X16文獻標識碼：A文章編號:近50年來，全球城市化進程不斷加快，由其 引發(fā)的城市環(huán)境和氣候變化，已經(jīng)引起了全世界 的廣泛關注 。美國能源部報告表明，美國大城市市區(qū)的日常氣溫比周圍郊區(qū)高3.34.4 ,C 紐約最高可達到8.0 C 2。在我國，隨著20世紀80年 代以來城市化進程的顯著加快，城市熱島

4、現(xiàn)象日 趨嚴重，北京市熱島強度可達4.7 C 3，上海20世紀90年代后城郊溫差呈鋸齒狀上升趨勢，城郊溫差增溫率為 0.23 C 1C)af4。城市化進程中不透 水表面和人為熱排放的增加等因素導致了城市熱 島的產(chǎn)生5-7。它降低城市環(huán)境的舒適性，給人們 工作、生活乃至于身體健康帶來不利影響，其研 究越來越成為城市環(huán)境、城市氣候、城市規(guī)劃與 管理等領域所關注的熱點。熱島效應動態(tài)變化規(guī)律是城市熱島研究的基 礎工作。掌握熱島變化規(guī)律，有利于制定相應的城 市規(guī)劃和管理策略，削減熱島效應造成的不良影 響。目前這方面的研究主要有兩種手段：一是通過 一定時間序列氣象臺站數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析來研究氣 溫熱島(Atm

5、ospheric Urban Heat Island)，例如黃良美 等8分析了南京市四種下墊面氣溫日變化規(guī)律及城 市熱島效應動態(tài)，王郁等9研究了近10年來北京夏 季城市熱島的變化及其環(huán)境效應，郭軍等10分析了近40年天津市四季氣溫變化特征及其與城市化的 關系等；二是使用遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度研究地溫 熱島(Surface Urban Heat Island)，例如孫颯梅等11 用2000年4月、9月和12月TM影像分析了廈門 城市熱島的季節(jié)變化，徐涵秋等12用1989年6月15日和2000年4月18日TM影像分析了廈門城市1674-5906 (2009) 05-1817-05熱島隨城市化的變化,

6、楊英寶等13、閆峰14等分別 用MODIS影像分析了南京和上海城市熱島的季節(jié) 變化。與氣象臺站數(shù)據(jù)相比，遙感數(shù)據(jù)價格相對昂 貴，處理成本高，一般難以進行長時間序列的應用 分析，現(xiàn)有相關研究基本都取少數(shù)幾景進行對比， 這使得遙感在城市熱島時空動態(tài)監(jiān)測方面不能充 分發(fā)揮作用。2009年3月1日起，美國地質(zhì)調(diào)查局 地球資源觀測與科學中心(the Uni ted States Geological Survey Earth Resources Observati on and Science Center, USGS/EROS )實行 “ USGS品返還政 策” 一些存檔遙感數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡免費下載，

7、 包括資源衛(wèi)星Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)，這為長時間 序列遙感監(jiān)測提供了便利，使得城市熱島的長時間 序列時空動態(tài)研究成為現(xiàn)實。本文將使用該數(shù)據(jù)監(jiān) 測熱島效應季節(jié)動態(tài)隨城市化進程的演變趨勢。1數(shù)據(jù)與方法1.1 研究區(qū)廈門市地處閩東南沿海，是我國最早建立的經(jīng) 濟特區(qū)之一。改革開放以來，經(jīng)濟的迅速發(fā)展加快 了廈門的城市化進程，使得廈門城市擴展迅猛，建 成區(qū)面積由1989年的34.01 km 2增加到2000年的 94.25 km2 15 ,2007 年更是達到 180 km2 16，比 1989 年增加了 4倍多，土地利用發(fā)生了巨大的變化；與 此同時，城市熱島的空間范圍也逐漸擴大12，從而對

8、城市發(fā)展和居民生活產(chǎn)生了重要的影響。研究區(qū) 范圍如圖1所示。城市熱島形成機理較為復雜，城市形態(tài)、產(chǎn) 業(yè)結(jié)構、區(qū)域氣候等都會對熱島效應發(fā)展變化造 成影響。目前城市熱島的遙感研究基本都是針對圖1 研究區(qū)2007年TM影像Fig.1 2007 TM image of the research area單個城市進行，缺乏不同類型城市之間的對比研 究。本文從廈門入手，研究沿海城市的熱島效應， 為進一步通過對比分析總結(jié)沿海城市熱島效應特 征與規(guī)律，以及與內(nèi)陸城市熱島進行比較研究奠 定堅實的基礎。1.2數(shù)據(jù)本文使用的遙感數(shù)據(jù)是來自USGS以及自身積累的廈門市 Landsat TM/ETM+影像50景，軌道

9、號為117/43，其中包括1987 2007年間Landsat 5 TM 影像 7 景，1999 2002 年間 Landsat 7 ETM+ SLC-on 影像 14 景，2003 2008 年間 Landsat 7 ETM+ SLC-off影像29景。所謂 SLC-off影像是指 2003年3月31日Landsat 7號衛(wèi)星的掃描線糾正器 (Sca n Line Corrector, SLC)出現(xiàn)異常停止工作后所 獲取的ETM+影像，其特征是影像邊緣出現(xiàn)縫隙條 帶(gaps)導致信息量損失 20%，而SLC-on影像則 是出現(xiàn)故障之前正常獲取的ETM+影像。雖然SLC-off影像有信息損失

10、，其可用性早由USGS進行了評估17,作為存檔數(shù)據(jù)依然具有巨大的應用價 值。圖 2 給出了 2003 年 9 月 18 日 Landsat 7 ETM+ SLC-off影像的示例。圖2 ETM+ SLC-off影像示例Fig.2 An example of ETM+ SLC-off image所有影像均采用 WGS-84橢球和基準面，精糾 正到UTM投影坐標系(N50帶)，并使用廈門市域 邊界矢量數(shù)據(jù)切出研究區(qū)范圍。在數(shù)據(jù)質(zhì)量方面要 求各影像在廈門市建成區(qū)范圍內(nèi)無霧霾，大氣可見 度高，但允許個別影像有少許散碎云斑。實際工作 證明，后者并不影響城市熱島的定性分析。1.3 方法SLC-off影像的

11、處理是本文的關鍵。此類影像 理想條件下可通過 Gap-filled方法進行彌補，但實 際效果非常有限。原因在于Gap-filled方法要求用于填充的影像必須相近，地表變化不大，無云，實 際工作中很難獲得理想的填充影像，不理想的填充 反而會帶來異常條帶。另外，Gap-filled填充的結(jié)果 很多時候也只能把縫隙減小，未必能完全彌合。更 為關鍵的一點是，城市熱島研究建立在地表溫度定 量反演的基礎上，Gap-filled方法填充前使用的直方 圖匹配對于土地利用等非定量遙感應用來說非常 有用，而對于定量遙感反而可能導致沒有科學依 據(jù)、難以解釋的溫度奇異值的出現(xiàn)?；谏鲜隹紤]，本研究不對SLC-off影

12、像進行條帶去除和縫隙填充等預處理，而是直接用于反演 地表溫度，并定性分析進行城市熱島季節(jié)動態(tài)隨城 市化演變趨勢。研究中發(fā)現(xiàn)，縫隙的寬度小于多數(shù) 熱島景觀斑塊的尺寸，這說明該思路具有可行性。 作為對定性分析的必要補充，使用TM和ETM+SLC-on數(shù)據(jù)對2002年和2007年1月的冬季熱島變 化進行了定量分析。1.3.1地表溫度反演使用TM和ETM+熱波段反演地表溫度。對 于TM,熱波段是6波段；對于有兩個熱波段的 ETM+,這里使用的是62波段，該波段適用于海灣 等低反射率地區(qū)。首先使用公式(1 )將DN轉(zhuǎn)化 為輻射亮度，然后利用公式(2)將輻射亮度轉(zhuǎn)化為亮度溫度(Tb ,單位為K):Lx =

13、 Gain 入?DN 入 + Bias 入(1)Tb= K(2)ln( 1 + 1)L x這里-是輻射亮度，Gain x是該轉(zhuǎn)換函數(shù)的斜率，Bias x是截距，兩者均可在TM/+ETM 影像自帶的元數(shù)據(jù)中獲得。K2是定標常數(shù)2,對于TM取值為1 260.56,對于ETM+取值為1 282.71 ; K1是定標常 數(shù)1,對于TM取值607.76 ,對于ETM+取值 666.0918。按照相關研究慣例，由于城市熱島研究 的是溫度的相對差異而非絕對值，沒有對亮度溫度 進行大氣糾正而直接將其等同于地表溫度。1.3.2 熱島顯著區(qū)城市熱島是城市溫度高于周邊郊區(qū)的現(xiàn)象。事趙小鋒等：熱島效應季節(jié)動態(tài)隨城市化

14、進程演變的遙感監(jiān)測1819實上，城市地區(qū)溫度通常都比附近郊區(qū)要高，因此 從絕對意義上，熱島效應對于城市而言是普遍存在 的，有城市就有熱島。少數(shù)周邊自然條件特殊的城 市例外，如拉斯維加斯、烏魯木齊19等。真正構 成環(huán)境問題甚至自然災害的是具有一定強度和規(guī) 模的熱島效應，也就是一些文獻中所描述的 有明顯熱島效應”。這里將有無明顯熱島效應定義為 有一個或以上的熱島顯著區(qū)。熱島顯著區(qū)（UHI Area of Significanee, UAS） 是 為進行定性分析而定義的概念。UAS是城市建成區(qū) 中滿足如下條件之一的片區(qū)：（1）擁有3個以上（含 3個）2.25 ha （即5X5像素）大小，具有一定空間

15、 相鄰性和聚集度的高級（5 6級）熱島景觀斑塊； （2）擁有一個面積 22.5 hm2以上的4級景觀斑塊。 其中熱島斑塊等級劃分方法是：首先根據(jù)公式（3）使用反演得的地表溫度計算相對地溫R,其中丁是建成區(qū)中第i個像素的地表溫度值,Ta是研究區(qū)陸 域平均地表溫度。然后根據(jù)R值進行閾值分割，劃分熱島斑塊等級，其中所使用的閾值如表1所示。Tui - Ta(3)Ta表1熱島等級劃分中所使用的閾值Table 1Thresholds used in UHI gradesR值范圍熱島斑塊等級代表意義< 01無0.0000.005 2弱0.0000.010 3中等0.0100.015 4強0.0150.

16、020 5很強> 0.0206極強1.3.3熱島強度和熱島范圍用來定量表征城市熱島的兩個基本參數(shù)。這里 熱島強度定義為建成區(qū)中所有像素與研究區(qū)陸域平 均溫度的最大差值，即I = Max （Tui - Ta）。熱島范 圍定義為建成區(qū)中所有高于陸域平均溫度的像素集 合，即建成區(qū)中滿足 AT =Tui - Ta >0的空間范圍。 2結(jié)果與討論根據(jù)對所有 TM/ETM+熱影像處理的結(jié)果，以 及前文所做的定義，表 2給出了 1987 2008年相 關月份是否存在顯著城市熱島現(xiàn)象的定性分析結(jié) 果。從該表中可以看出，直到2002年，冬季的1月和12月份，廈門不存在明顯的城市熱島，這符 合孫颯梅等

17、11 “ 2000年廈門城市熱島主要在4 9月間，冬季不明顯”的結(jié)論。自2003 2004年起， 廈門冬季熱島顯著出現(xiàn)，高等級斑塊也顯示出了逐 年增大和增多的趨勢。這說明隨著廈門城市化進程 的發(fā)展，城市熱島在季節(jié)上由春夏秋向冬季延伸，表2 1987 2008年間50景TM/ETM熱影像城市熱島顯著性分析結(jié)果Table 2 UHI significance derived from 50 TM/ETM+images during 1987 2008年份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月1987N1992N1993Y1997N1999丫 丫2000NYYY2001YYY2002

18、NYYYN2003YYY2004YY丫 丫YY2005YYY2006YYY丫 丫Y2007YYYYYY2008YYYYYYy有顯著熱島，'r無顯著熱島。一年中熱島出現(xiàn)的頻率呈上升趨勢。進一步取轉(zhuǎn)折點 （2003/2004）前后兩組影像進 行對比分析，1月取2002年1月2日ETM+ SLC-on 和2007年1月8日TM 影像，12月取2002年12 月 4 日 ETM+ SLC-on 和 2008 年 12 月 20 日 ETM+ SLC-off影像。表3給出了 1月份兩景影像相關參 數(shù)的比較，圖3給出了兩景影像熱島等級分類結(jié)果。表3兩景1月影像熱島主要參數(shù)Table 3 Main

19、parameter values of two January images日期熱島強熱島范熱島占 建成區(qū) 比例/%4級斑塊5級斑塊6級斑塊度廠C圍 /km2面積/hm2面積/hm2面積/hm22002-01-027.08 83.176.49201.716.62.32007-01-0810.64161.489.34 1876.0 396.8136.9由表3可知，按照通常意義上的定量指標，例 如熱島強度和熱島范圍來考察，2002年已經(jīng)出現(xiàn)冬 季熱島無疑。然而由于其高級斑塊（4、5、6級）總 面積不大，更重要的是在空間形態(tài)上零星散布，不 成規(guī)模，在最有潛力發(fā)展成為 UAS的杏林和機場地 區(qū)都是3級

20、斑塊占據(jù)絕對優(yōu)勢。因此 2002年沒有 UAS，未發(fā)生顯著的城市熱島現(xiàn)象。而 2007年除了 在所有定量指標上都有很大增長以外，還形成了杏 林、新陽、海滄、機場、港口5個UAS，熱島效應非常明顯，但其UAS并不位于市中心，而是沿海岸 線分布的工業(yè)區(qū)和機場、港口等大型基礎設施。12月的兩景由于 2008年12月20日ETM+ SLC-off影像存在條帶和信息損失，不宜直接進行定 量比較分析。但從圖 4給出的熱島斑塊等級分類來 看，相對于2002年12月影像，2008年12月20日 在杏林、新陽和機場的 UAS非常明顯，因此 2002 年12月無明顯熱島而2008年12月則熱島效應顯著。趙小鋒等：

21、熱島效應季節(jié)動態(tài)隨城市化進程演變的遙感監(jiān)測1821趙小鋒等：熱島效應季節(jié)動態(tài)隨城市化進程演變的遙感監(jiān)測1821圖3 2002年和2007年兩景1月影像熱島斑塊等級分類Fig.3 UHI patch grade maps of two January images in 2002 and 2007趙小鋒等：熱島效應季節(jié)動態(tài)隨城市化進程演變的遙感監(jiān)測1821趙小鋒等：熱島效應季節(jié)動態(tài)隨城市化進程演變的遙感監(jiān)測1821圖4 2002年和2008年兩景12月影像熱島斑塊等級分類Fig.4 UHI patch grade maps of two December images in 2002 and 2

22、008趙小鋒等：熱島效應季節(jié)動態(tài)隨城市化進程演變的遙感監(jiān)測1821趙小鋒等：熱島效應季節(jié)動態(tài)隨城市化進程演變的遙感監(jiān)測1821另外，對比可以發(fā)現(xiàn)，無論 1月還是12月，5 年前后高等級熱島斑塊大小、數(shù)目都顯示出明顯增 加趨勢。不僅僅這兩組影像，事實上所有整個1月、 12月甚至2月影像處理結(jié)果都顯示出了這樣的趨 勢。引起這種變化的原因需要進一步進行深入的研 究和分析。3結(jié)論本文應用 50景長時間序列Landsat TM 和ETM+SLC-o n/off影像數(shù)據(jù)，采取定性和定量分析 相結(jié)合的方法，對廈門市1987 2008的20年間城 市熱島季節(jié)動態(tài)隨城市化進程演變的趨勢進行了 分析，結(jié)果表明：廈

23、門城市熱島在2003/2004年之后，已經(jīng)擴展到冬季，且冬季熱島的高等級斑塊無論在數(shù)量、個體面積和總面積上都有明顯增加趨 勢。引起這種變化的原因需要進行進一步的認真研 究和詳細分析。致謝：感謝黃少鵬研究員在本研究中給予的支持。參考文獻:1 . GRIMM N B, FAETH S H, GOLUBIEWSKI N E, et al. Globalchange and the ecology of citiesJ. Scienee, 2008, 319: 756-760.2 . GEDZELMAN S D, AUSTIN S, CERMAK R, et a1. Mesoscale aspects

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