基于LANDSAT地表温度的上海城市热岛时空格局分析

曹璐+++张苗+++黄昊

摘 要：利用1997年和2002年的Landsat TM/ETM影像数据，提取了上海地区的地表温度，分析研究了上海的城市热岛效应的时空格局变化。结果表明，低温区的面积从1997年到2002年的比例明显下降，分布更分散；次低温区面积增加，分布呈现出明显的多中心格局；温度等级高的地区主要是人口密集和人类活动频繁的区域。

关键词：上海；城市热岛；时空格局

越来越多的人口涌入城市，受到广泛关注的城市化是当今世界上重要的社会、经济现象之一。城市热岛作为城市化产生的一个显著后果，也逐渐成为城市研究的焦点。城市化，就是把自然景观改变成人工景观的过程，同时也改变了城市地表的物理特性。地表温度是改变最明显的，这对于城市生态环境的研究至关重要。城市下垫面类型和性质直接影响地表温度的上升和下降，城市景观的高度异质性导致下垫面的特性差异很大，是研究城市地表温度的挑战。通过气象观测数据进行分析是传统的研究手段，受到人力物力、下垫面差异、时间尺度和观测数据的多种影响，存在很多困难。相比传统的方法相比，利用卫星遥感技术，能够获取大范围、多时相的数据，是研究城市生态环境的重要手段，具有广泛的应用性。定量提取地表温度、植被指数和其他表征地表特性的指数，可利用不同的遥感传感器获取的遥感数据，能够为城市热岛的研究提供大量的、准确的数据。

城市的土地利用和土地覆盖能够影响着地表辐射的吸收和释放，其中的每个组成部分都受到周围环境的影响，有独特的辐射、湿度、热能及空气动力学的性质。对地表温度影响最大的因素之一是植被，植被的性质和数量是影响太阳辐射在显热和潜热通量间的分配的因素，造成植被覆盖区和裸地之间地表温度的差异。城市中的人工景观逐渐代替自然景观，比例不断提高的不透水面，成为影响地表温度的又一重要组成部分。

随着我国的经济快速发展，不断加快的城市化进程，迅速增加的城市建设区域面积，改变了城市的规模和空间格局。上海，是中国城市化程度最高的城市，正面临着各种问题，如物候反常、大气污染、对人体健康的危害等，都是城市热岛效应带来的。对于上海的可持续发展和生态城市的建设，这些问题将是很大的阻碍。因此，为寻找造成城市热岛的原因，科学地指导上海的城市规划、建设和环境改善，利用遥感技术研究上海城市热岛的时空格局变化趋势，具有非常积极的意义。

1 数据和方法

1.1 数据来源

文章使用的数据分别是1997年04月11日和2002年08月23日获取的两个时相的Landsat TM/ETM影像数据。其中1997年影像为TM数据，2002年影像为ETM数据。

Landsat4、Landsat5机载TM传感器，1982年发射。Landsat5每16天覆蓋全球一次，包含7个波段影像。其中波段1-5和7的空间分辨率为30米，波段6（热红外波段）的空间分辨率为120米。Landsat7于1999年发射，携带增强型主题成像仪（ETM+），影像包括8个波段，其中1-5和7波段的空间分辨率是30米，波段6的空间分辨率是60米，波段8的空间分辨率是15米。

1.2 数据预处理

分别将1997年04月11日和2002年08月23日的影像数据进行几何校正到WGS84NUTM51的投影坐标系中，再分别在每个时相的影像数据中将研究区域提取出来。为了能够对不同类型、不同空间和不同时间的遥感影像数据进行定量比较，将图像的DN值经过辐射定标，转换成辐射强度，再转换成大气层顶反射率。

1.3 研究方法

城市中的地表温度受到其表面组合和空间复杂性的影响，而这些组分通常比TM/ETm传感器的分辨率小，就存在一个像元里有多个土地利用类型，即混合像元的问题。植被-不透水面-土壤（V-I-S）模型是1995年由Ridd提出的，模型指出城市中的土地利用可认为是由植被、不透水面和土壤以不同的比例组成的。在V-I-S概念模型的基础上，通过最小噪音分离、纯净像元指数计算、选取端元等线性光谱分解的方法提取出不透水面盖度和植被盖度图；再结合利用热红外波段计算研究区内的地表温度；将计算得到的地表温度数据划分等级，再对图像进行叠加计算，由所得图像来分析城市热岛的时空变化特征。

2 结果分析

2.1 城市热岛空间分布特征

由两个时相影像数据计算所得的地表温度统计最大值、最小值、均值和标准差。

两个时相的数据获取时间分别为4月11和8月23日，分别属于春季和夏季，而不同季节间的温度范围有显著差别，这会影响到对地表温度的直接比较和分析，故需要对温度数据做标准化处理。公式： a=（T-Tmin）（Tmax-Tmin）

式中a是经过标准化后的温度值，T表示反演得到的地表温度，Tmax和Tmin分别表示未标准化的地表温度最大值和最小值。将数据标准化处理后，地表温度的取值范围为0-1，1表示地表温度最大值，0表示地表温度最小值，再比较不同时间获取的数据。图1为经过标准化处理后的地表温度分布图。

温度数据经过标准化后，不同季节间的地表温度可以直接进行对比分析。将地表温度数据分为四个等级，得到四个温度区间：0-0.25为低温区，0.25-0.5为次低温区，0.5-0.75为次高温区，0.75-1为高温区。这样的划分可以更加直观地表现出地表温度在空间和时间上的动态变化，经过划分等级后的地表温度图如图2。

由图2可看出，1997年的温度等级图中，在黄浦江两岸的外环线内主要是次高温区和高温区，这里是城市的中心地带，面积并不大；次低温区的分布表现出在城市的中心地带向外扩展，较多分布在现在的浦东，有少面积分布在在金山，奉贤，松江各区的中心；松江、青浦和嘉定等这些范围内有大面积的农田，存在较多面积的低温区。从2002年的温度分级图中可看出，高温区和次高温区的面积有逐渐增加的趋势，并且分布呈现出明显的多中心格局；较高温区分布的区域主要是人口众多的繁华地带。由以上两个时相的数据显示，温度等级有所提升的区域为居住人口众多，社会、经济活动频繁的地带。而研究区的城市发展呈现出多中心扩展的趋势。城市的空间布局、人为热的排放和植被覆盖等多种因素综合影响城市热岛效应的空间格局。

2.2 城市热岛时间变化特征

为了能够对1997年到2002年间的城市中不同温度等级的变化进行定量分析，对每个温度等级所占的面积比例进行统计，如图3。

图3显示出，1997年，低温区的面积达到了40%，而到了2002年，低温区的面积所占比例明显减少，次低温区的面积增加的比例达到30%，呈现出明显的增加趋势。由于文章是等距划分了标准化后的地表温度等级，导致每个温度分级的比重不均匀，两个年份的次高温区和高温区的面积都比较少，但是变化非常明显。2002年低温区的面积比例相比1997年明显下降，次低温区和次高温区的面积比例有所上升。

3 结束语

城市化就是一个人口向城市空间聚集和改变城市环境的过程，而城市化程度越高的区域热岛效应越显著，城市的面积在不断扩大，并且有向四周扩散的趋势。

根据上文中的1997年和2002年两个时相的地表温度数据可以看出：热岛效应增强的地区主要是上海的城市中心地带，这些地带受热岛效应影响的面积持续增加，是与城市的发展密切相关的。基于整个研究区域来分析，城市热岛的分布并不只是集中在发展历史已久的城市中心，而是表现出多中心的分布格局，以城市中心地带外围的多个中心为起点向四周扩展开来。这样的发展趋势反映出在研究区内，城市的发展在早期有很强向心力的单一中心发展到后期的多中心的格局，传统中心区的功能作用被不断削弱，城市的发展从多个中心向外扩展。

根据图中的土地利用类型来看，城市中具有明显降温作用的是绿地，较低温度的地区通常都覆盖有植被，植被在一定程度上缓解了城市热岛效应。可是位于中心地带的绿地面积都比较小，并且分布并不集中，表现出分散的状态，对于整个研究区域的城市热岛效应的减弱作用不显著。

城市的热岛效应的时空格局在不同的时期具有不同的特点，并且伴随城市化发展的趋势。相关研究指出，文章研究区域在1990年到2000年期间，城市的形态表现出中心城区、卫星城、郊区城镇及沿交通干道分布的“多核-多轴”的多边形的分布模式，上海的中心城区面积在2000年以后，增长的幅度减缓，郊区的城市化地区面积增幅显著。与文章中的结果是一致的。

参考文献

[1]徐涵秋.利用改进的归一化差异水体指数（MNDWI）提取水体信息的研究[J].遥感学报，2005，9（005）：589-595.

[2]戴曉燕，张利权，过仲阳，等.上海城市热岛效应形成机制及空间格局[J].生态学报，2009，29（007）：3995-4004.

[3]康文星，吴耀兴，何介南，等.城市热岛效应的研究进展[J].中南林业科技大学学报，2011，31（1）：70-76.

[4]谢苗苗，王仰麟，付梅臣.城市地表温度热岛影响因素研究进展[J].地理科学进展，2011，30（1）.

[5]葛伟强，周红妹，杨引明，等.基于遥感和GIS的城市绿地缓解热岛效应作用研究[J].要感技术与应用，2006，21（005）：432-435.

[6]曹璐.城市地表温度热岛遥感定量反演及其时空格局[D].上海：华东师范大学，2011.