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基于遥感技术的黔中山原地区热效应研究

作者：陈爱民

来源：《绿色科技》2016年第24期

摘要：指出了城市化效应是一个随着城市化进程而日显重要的环境问题，而热效应是城市化效应的主要特征之一，是城市化对局地气候影响最典型的表现。以典型山原城市西秀区作为城市地面热场环境研究对象，分析了地形因子与热环境的关系、植被与热环境的关系、典型地物与热环境的关系、水体与热环境的关系，结果表明：海拔高度对温度的影响是比较大的，坡向和坡度对温度也有较明显的影响，石漠化等级越高、地表温度越高，城区地表平均温度比城郊结合部高，城郊结合部地表平均温度比乡村镇高，各水库的平均温度相差不大，但容量大或面积大的水库最低温度相对较低，受污染的水体比未受污染的水体地表平均温度高。 关键词：热效应；3S技术；地表温度；Landsat8；时空分布 中图分类号：X16

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）24-0061-06 1 引言

对于热效应的研究，传统方法是使用地面气象站提供的气象相关资料数据进行，由于种种原因，这种方法受到人力物力的限制。随着3S技术的发展和应用，特别是热红外遥感的出现，弥补了传统方法采用气象站数据研究的不足，能够全面有效地探测到不同土地利用类型的温度特征，近年来热红外遥感已成为热效应研究中的最主要的手段。 2 材料与方法 2.1 研究内容和方法

本研究利用中高分辨率的新型遥感图像Landsat8数据，选取最符合实际的地表温度反演算法，结合ENVI和ArcGIS软件进行地表温度反演，并分析反演精度。然后根据反演出的地表温度（LST）分析西秀区热岛效应的时空分布特征，研究热岛效应的驱动力，最后以遥感技术与地理信息系统技术为主要手段，结合统计学方法揭示西秀区城市热效应特点。 2.2 技术路线

本研究的技术路线图如图1。 3 地表温度反演

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3.1 遥感数据预处理 3.1.1 辐射定标

将传感器输出图像的灰度值（DN值）转化为有物理意义的辐射亮度值或反射亮度值（反射率）[1]，消除或修正辐射误差而引起的影像畸变。据已有的研究，对于Landsat8 TIRS的两个热红外波段，TIRS 10位于较低的大气吸收区，其大气透过率值高于TIRS 11，更适合于单波段的地表温度反演。辐射定标公式如下： 3.3 精度验证

选用2013年9月29日数据进行地面近似温度反演精度检验，2013年9月29日图像参数显示图像获的取格林威治时间是03时24分05.69秒，换算为北京时间为11时24分05.69秒，取近似值为11时24分。当日地面实测气温最高为25.2℃、最低为15.8℃。根据西秀区经纬度推算出日出时间在6点左右，由于大气对太阳辐射的折射作用，太阳辐射照射到地表的实际时间有一定程度的提前。根据气温日变化规律最低温一般出现在日出前后，因此最低温时刻近似取为5时30分，最高温时刻近似取为14时。

根据以上信息，2013年9月29日landsat8遥感影像获取时气温计算式为： 15.8+25.2-15.82+15.8+25.2-15.82×sin32π+11.4-5.514-5.5×π=21.06

西秀区2013年9月29日landsat8地面近似温度反演数据城区平均温度为20.91 ℃，与地面气温21.06 ℃相差0.15 ℃，达到利用单窗算法进行地面近似温度反演误差小于1.5 ℃的精度要求（覃志豪 2003）。 4 热场空间分布

根据反演结果，本研究首先统计出地表温度最大值为32 ℃、最小值为10 ℃、平均值20.9 ℃和标准差为2.3。 4.1 高温区与低温区分布

从地表温度分级图2可以看出，西秀区高温区、极高湿区主要分布在中心城区（西航办事处、华西办事处、东关办事处）和郊区部分地区的裸地（幺铺镇、宋旗镇、七眼桥镇、大西桥镇等）。高温区主要地类为建筑用地和裸地，建筑用地主要由高层密集建筑、水泥道路、机场、学校；低温工主要分布在中心城区的部分水库和南部的龙宫镇、新场乡、岩腊乡、甘堡林场、鸡场乡、杨武乡还有北部蔡官镇的部分村的林地和河流水库。 4.2 温度与面积分布特征

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温度的像元个数的多少可直接反映温度分布面积大小，图3温度与面积分布，表示了地面近似温度反演图像中以像元值（温度）为样本的分布情况，说明极低温区和极高温区面积较少、中温面区积多，平均温度集中在20℃，温度面积服从正态分布。 5 热效应驱动力

本文引入了热效应贡献度（Hi）、热单元权重指数（D1）和区域热单元权重指数（D2）等概念[4-7]。

所谓热效应贡献度指数（Hi）是指不同温度的地类对区域平均温度的影响，即对区域热环境的贡献，计算公式如下：

式中Tij为地类i中高于区域平均温度的第j个像元的温度，Ta0表示成像时区域的平均温度，ni为地类i中温度高于区域平均温度的像元数量，N表示区域土地面积，Hi′为初始热效应贡献度。

热单元权重指数D1表示高于平均温度的地块面积在本土地利用类型中所占的比重，区域热单元权重指数D2表示高于平均温度的地块面积占区域土地总面积的比重是，计算方法如下：

D1=（ni/Ni）×100% D2=（ni/N） ×100% Ni表示地类i的面积。

表1是不同地类热环境的影响指数，通过比较发现西秀区热效应贡献度最大的是裸地，导致此现象的原因除了裸地面积是所有下垫面的面积最大的外，主要还与裸的物理性质有很大关系，裸地主要是岩石裸露率较高的土地，岩石主要为石灰岩和白云质砂岩，一般来说，温度越高，热导率越低；其次是建筑用地，由于建筑群、道路、工业区、商业区、机场以及特殊的建筑材料所致，人类活动和工业污染引起的大气污染也是不容忽视的因素；第三是林地，林地热贡献度和区域热单元指数并不是很高；水体是热效应贡献度最小。

从不同土地利用类型的热单元权重指数D1来看，水体、建筑用地和裸地温度超过平均温度的地块较多，林地次之；区域热单元权重指数D2表明裸地、林地中高于平均温度的地块占区域总面积的比重较大，其次是建筑用地，然后是水体。 5.1 地形因子与热环境的分析

西秀区具有极其复杂的地形，城市大部分地区都处在地势起伏的中山丘陵地带，这一特殊的地形特征对城市热岛时空演化分布特征产生一定的影响。本研究利用研究区域的数字高程模