鄔 丹，鄒 凱，楊 波

（1.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081；2.益陽市桃江縣國土資源局，湖南 益陽 413400）

基于RS與GIS的長沙市城市熱島影響因子分析

鄔 丹1，鄒 凱2，楊 波1

（1.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081；2.益陽市桃江縣國土資源局，湖南 益陽 413400）

基于RS和GIS技術(shù)，以Landsat-7 ETM+為數(shù)據(jù)源,綜合利用遙感熱紅外影像進行地表溫度反演與熱島強度提取。結(jié)果表明，長沙下墊面熱島效應(yīng)的空間分布與延展和城市建成區(qū)的外圍基本相符，人口密集、建筑物較多之地?zé)釐u效應(yīng)明顯，河流、湖泊及公園等地?zé)釐u相對較弱。結(jié)合緩沖區(qū)分析、疊置分析等技術(shù)，提取熱島最強與最弱區(qū)域周圍500 m范圍內(nèi)的城市用地類型，分析其相關(guān)關(guān)系，得出的結(jié)論是:水體與綠地具有緩解城市熱島的作用，城市建設(shè)用地與裸地加劇城市熱島效應(yīng)。

長沙市；RS；GIS；熱島效應(yīng)；影響因子

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)處理

長沙市位于北緯27°51' ～28°40'，東經(jīng)111°53'～114°5'。全市土地總面積1.18萬km2，其中市區(qū)面積1 938 km2。到2010年，長沙市建成區(qū)面積已達320 km2，全市城市化率為67.7%[1-9]。

本文采用2006-11-01長沙市Landsat-7 ETM+數(shù)據(jù)（軌道號：123/41），圖像質(zhì)量好，清晰無云，并經(jīng)過幾何精校正（RMS＜1）。

圖1 長沙市土地利用分類結(jié)果圖

參考中國科學(xué)院的中國土地資源分類系統(tǒng)[10]，結(jié)合長沙市土地利用的特點，將其分為5大類(如圖1）：林地，城市建設(shè)用地，水體，裸地，耕地。利用最大似然比分類法進行土地利用分類，精度達到本次研究的要求，如表1。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演與熱島強度提取

首先，將像元灰度值DN轉(zhuǎn)化為輻射亮度值：

表1 長沙市2006年土地利用分類誤差矩陣/像元數(shù)/個

式中，La為輻射亮度，單位是該波段灰度值分別為255和1時所對應(yīng)的光譜輻射率。第六波段光譜輻射率低增益和高增益分別是單位將其代入式（1），計算出輻射亮度La：

式中，La為輻射亮度；T1為亮度溫度。對于ETM+數(shù)據(jù)由于亮度溫度和真實地表溫度差異較大（＞5 ℃）[11]，應(yīng)將T1轉(zhuǎn)化為真實地表溫度：

式中，T2為真實地表溫度；ε為地表發(fā)射率。根據(jù)不同地物比輻射率值的差異，利用NDVI[12]和MNDWI[13,14]（改進的歸一化水體指數(shù)）構(gòu)造決策分類樹，將土地利用類型分為植被、水體、裸地和建設(shè)用地（圖2）。其中水體比輻率為0.995[15]，植被比輻射率為0.986[15]，農(nóng)閑時期的耕地沒有植被覆蓋，其比輻射率與裸地和建筑用地相似，近似看作0.970[16-18]。通過亮溫-地表溫度轉(zhuǎn)換，溫度反演精度在2 ℃左右[15]。

圖2 決策樹分類

熱島強度反映的是鄉(xiāng)村與城市之間溫度的相對概念，以平均溫度為因子能較好地反映熱島強度[19]：

式中，UHI為熱島強度；T2為地表溫度；T為平均溫度。

2.2 緩沖區(qū)分析與疊置分析

緩沖區(qū)分析即給定一個空間對象或集合后確定它們的鄰域,鄰域的大小由鄰域半徑R決定，d為歐氏距離或其他距離。對于給定對象A[20]：

疊置分析是將代表不同主題的數(shù)據(jù)層面進行疊置，產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)層綜合了原來2個或多個層面要素所具有的屬性[20]。

3 結(jié)果分析

3.1 長沙市熱島情況分析

依據(jù)式（1）～（5）得到長沙市溫度反演圖（圖3），最高溫度22.9 ℃，最低溫16.2 ℃，平均溫度18.5 ℃。據(jù)式（6）得到長沙市熱島強度，將其均分為10個等級（圖 4），1～10代表熱島強度逐漸增大。

1）長沙下墊面熱島效應(yīng)的空間分布和城市建成區(qū)的外圍基本相符。

2）城市熱島的熱場強度不均勻,其峰值往往是具有高強度熱源的工業(yè)區(qū)或大型公共場所，如長沙高橋大市場、長沙火車站、汽車站、五一廣場商業(yè)區(qū)等人口數(shù)量大且密集區(qū)域，熱輻射較大，熱島效應(yīng)較明顯。

3）湘江上的沙洲以及江邊的沙灘由于砂石裸露，在太陽輻射下升溫快，在反演圖上亮度值明顯較高。此外像黎托與繞城高速和長沙大道相鄰，發(fā)展建設(shè)過程中裸地面積廣，熱島效應(yīng)也較明顯。

4）岳麓山、南郊公園、烈士公園各類綠化較好地的亮度值相對較低，熱輻射較小，在圖4中基本屬于1、2級，城市熱島效應(yīng)不明顯。

5）由圖4可看出，水域周圍一定范圍內(nèi)溫度相對偏低，如湘江、望月湖、烈士公園的年嘉湖等都有此現(xiàn)象，其周圍地段熱島效應(yīng)不明顯，屬于熱輻射較小區(qū)。

圖3 長沙市LS-7ETM+地表溫度反演結(jié)果圖

圖4 長沙市熱島強度分級圖

3.2 影響因子分析

太陽對城市下墊面的輻射強度是均勻的，但因為下墊面的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)不同而導(dǎo)致了區(qū)域亮溫的差異[21,22]。因此下墊面性質(zhì)差異是影響城市熱島的最主要因素。根據(jù)長沙市實際情況，分別對長沙城市熱島最強/最弱區(qū)（圖4中的第10級和第1級）建立半徑為500 m的緩沖區(qū)，與長沙市土地利用圖進行疊置。分別對熱島最強區(qū)域與最弱區(qū)域進行緩沖分析與疊置分析（表1、表2），得出如下結(jié)論：

城市建設(shè)用地：圖5a中城市建設(shè)用地遠遠大于圖5b, 其所占總用地比例高達43.2%。說明城市建設(shè)用地加劇了城市熱島。長沙市城中高大的建筑物、磚石、水泥路面吸收太陽輻射強，同時由于城市人車數(shù)量多，開發(fā)建設(shè)較密集，城市上空有大氣污染覆蓋層吸收地面長波輻射,地面不易冷卻，熱島效應(yīng)明顯。

裸地：長沙市的裸地一般是指枯水期的河灘和裸露的地面，圖5a中裸地占了緩沖區(qū)內(nèi)總用地的11.97%。在道路寬且多的地區(qū)熱傳導(dǎo)與對流效應(yīng)明顯，由于白天吸收熱量多，晚上放熱快，使得近地面空氣被加熱，為城市熱島提供了基礎(chǔ)。

林地：空間布局上形成一定規(guī)模的綠地能更好地緩解城市熱島,即綠地的規(guī)模效應(yīng)[23]。圖5b中林地所占比例高達33.53%，谷山、岳麓山等聚集的樹林對城市熱島效應(yīng)的緩解作用好,其周圍氣溫低于城區(qū)，說明林地對城市熱島效應(yīng)具有緩解作用。

耕地：耕地一般屬于綠地，但根據(jù)實驗結(jié)果圖5a耕地所占比例略高于圖5b。由于實驗采用的是11月份的數(shù)據(jù)，屬于農(nóng)閑期，收割后的耕地基本沒有植被覆蓋，使得其熱力性質(zhì)接近于裸地，這個時期的耕地對于緩解城市熱島效應(yīng)作用不明顯。

水體：由于長沙市內(nèi)水域面積小，圖5a與圖5b中水體比例相差不大，在圖5b中可明顯看出水體周圍的城市用地溫度相對較低，城區(qū)內(nèi)的多個低溫中心主要分布在城市中幾個較大的湖區(qū)及其周邊地區(qū)，如咸嘉湖、年嘉湖等。水體可在局部區(qū)域中改善氣候狀況，緩解城市熱島。

此外，城市熱島效應(yīng)是多種因素共同作用的結(jié)果，根據(jù)城市盛行風(fēng)向以及城市地形地勢，合理設(shè)置城市街道可以形成良好的通風(fēng)走廊，有利于熱量的散失；城市工業(yè)園區(qū)的污染物、煙塵排放量多，合理布局工業(yè)園區(qū)，控制大氣污染，也能緩解城市熱島效應(yīng)。

圖5 長沙市UHI最強與最弱緩沖區(qū)內(nèi)土地利用類型圖

表2 長沙市熱島最強緩沖區(qū)土地利用類型像元統(tǒng)計

表3 長沙市熱島最弱緩沖區(qū)土地利用類型像元統(tǒng)計

4 結(jié) 語

本文基于LS-7ETM+數(shù)據(jù)，采用遙感與GIS技術(shù)，對長沙市熱島分布情況和影響因子進行分析，結(jié)論如下：

1）長沙市熱島分布情況和城市建成區(qū)較為一致且與其下墊面的不同用地類型有很大關(guān)聯(lián)，建設(shè)用地及裸地的熱島效應(yīng)強，水體與綠地對城市熱島有緩解作用。

2）利用地表參數(shù)反演能有效地研究城市熱島效應(yīng)。通過緩沖區(qū)與疊置分析能較準(zhǔn)確直觀地反映城市熱島的影響因子。

日后研究可從以下幾個方面展開：

1）對城市熱島的研究是根據(jù)地面溫度來分析的，在有風(fēng)情況下，地表溫度與大氣溫度有一定差別，可以嘗試尋求更好的解決方法。

2）影響長沙市熱島的因子很多，且影響過程較為復(fù)雜，日后可多角度深入探討，以求更準(zhǔn)確地進行描述。

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P237.9

B

1672-4623（2015）01-0065-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.022

鄔丹，碩士，研究方向為遙感與GIS應(yīng)用。

2014-01-21。

項目來源：國家自然科學(xué)基金面上資助項目（41171342）；省高校創(chuàng)新平臺開放基金資助項目（10K042）；湖南省重點學(xué)科資助項目。