基于遥感的武汉市下垫面类型对城市热岛效应影响研究

胡峻瑄

摘 要 改革开放以来，我国城市化进程不断加快，随之而来的城市热岛效应也愈加严重。利用遥感手段，可以对城市进行大面积的同步观测，具有时效性优势，同时具有很强的综合性与可比性，有利于城市热岛效应的研究。本文利用Landsat 8遥感影像，利用大气校正法对中国“四大火炉”之一的武汉市2013年夏季的遥感影像进行了地表温度反演，结合GlobalLand30全球30m遥感地表类型分类产品，将武汉市分为了人造地表、水体与湿地、植被三类地表类型，定量分析了不同下垫面类型对城市热岛效应的影响。温度反演结果显示人造地表有最高的平均温度，达40.5℃，植被为33.9℃，水体和湿地为31.2℃，即人造地表对温度有较强的升温作用，植被、水体与湿地有明显的降温作用。本文可为城市规划、环境保护、旧城改造、宜居城市建设等项目中提供一定参考价值。

关键词 武汉市；城市热岛；下垫面类型；遥感；Landsat8

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0047-03

彭少麟等[1-2]提出，城市热岛是由于城市下垫面性质的改变等原因使城市温度明显高于郊区，形成类似高温孤岛的现象；李延明等[3]也同样指出城市热岛效应与城市下垫面密切相关。目前研究人员对城市下垫面类型会对城市热岛效应产生影响已成共识。

因此，本题目拟通过遥感影像，研究相同光照条件下，城市地表温度与下垫面种类之间的联系，定量分析不同下垫面种类对城市热岛效应的影响。本文基于Landsat 8遥感影像，利用大气校正法对中国“四大火炉”之一的2013年武汉市夏季遥感影像进行了地表温度反演，结合GlobalLand30全球30m遥感地表类型分类产品，将武汉市分为了人造地表、水体与湿地、植被三类地表类型，定量分析了不同下垫面类型对城市热岛效应的影响。

1 研究区域与研究数据

1.1 研究区域

武汉是我国华中地区的特大工业城市，人口超过1 000万，经过多年的工业化、城市化建设，城市下垫面类型发生了巨大变化。同时武汉也是中国“四大火炉”之一，由于地理、气候等因素，造成夏季气温异常炎热（见图1）。而城市热岛会使温度更高，严重危害室外工作者身体健康，也使得城市宜居程度下降。因此有必要研究武汉市的城市热岛现象，在城市规划中最大程度降低城市热岛效应造成的影响。

1.2 研究数据

本文选用美国陆地卫星Landsat 8遥感数据对武汉市热岛效应进行地表温度反演和定量解译。本文所用数据为Landsat 8第4波段、第5波段和第10波段，综合数据可用性、云量等因素，本文选取了2013年7月31日拍摄的遥感影像。

因为本文的目的是研究不同下垫面类型对城市热岛效应的影响，因此需要得到地表类型，本文采用的是全球30m地表分类产品GlobalLand30。数据产品生产所用数据为2009、2010、2011年全球各地遥感数据共一万余景，其中数据以2010年数据为主，共将全球地表分为了10个类型，分别是耕地、森林、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久积雪。

2 研究方法

本文中首先使用大气校正法[4]对Landsat 8热红外波段进行地表温度反演。

大气校正法首先估计大气对地表热辐射的影响，然后把这部分大气影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去，从而得到地表热辐射强度，再把这一热辐射强度转化为相应的地表温度。

得到地表温度分布图后，裁剪GlobalLand30全球30m地表类型分类产品，得到对应范围的武汉市地表类型分类产品。并提取对应各种地表类型的范围，对反演得到的地表温度图进行裁剪，得到每种地表类型的温度图，然后分析每种地表类型的地表温度分布范围。

观察武汉市地表类型分类数据可知，武汉市存在的地表类型为森林、人造地表、草地、水体、湿地、裸地、耕地这7种，其中森林有1 090 033像素点，人造地表717 184像素点，草地316 203像素点，水体1 316 117像素点，湿地97 902像素点，裸地11 234像素点，耕地5 774 895像素点。其中一个像素点为30m见方的地表。

裸地的数量最小，并且地表分类图为2010年数据，地表温度图为2013年数据，中间土地类型可能发生变化，因此，忽略裸地类型，而根据热力学特性，将某些地表类型合并，将类型划分为植被（森林/草地/耕地）、人造地表、水体和湿地三种类型。

3 结果与分析

使用上述遥感数据与地表温度反演方法对武汉市进行地表温度反演，反演结果如图2所示。

如图2所示，暖色调为温度较高的区域，冷色调为温度较低的区域，从图像粗略分析来看，可以看到非常明显的城市热岛效应，即市中心温度相比郊区温度高的现象存在。下面结合GlobalLand30 全球30m地表分类数据对武汉市的下垫面类型与地表温度之间的关系进行分析。

利用提取得到的植被（森林/草地/耕地）、人造地表、水体和湿地三种类型相对应的地表范围对温度图进行裁剪，得到温度分布如3图所示。

对上述三种地表类型的温度分布图进行直方图统计，得到温度及其分布模式如图4所示。

对图4数据进行求温度均值，人造地表平均温度为40.533 5℃，植被平均温度为33.98℃，水体和湿地平均温度為31.19℃。

综合可知，不同的地表类型在城市热岛中起到的作用不同，其中人造地表的温度最高，平均温度高达40.5℃；植被次之，为33.9℃；水体和湿地最低，为31.2℃。

4 结论

结合上述的结果与分析可知，不同的地表类型在城市热岛中起到的作用不同，人造地表会对城市起到升温作用，在例子中的平均温度高达40.5℃，且与另两种地表类型的平均温度相差高达7℃；植被、水体和湿地起降温作用，两者在例子中的平均温度分别为33.9℃和31.2℃。

因此，在武汉市的城市规划中，要减少城市热岛效应的影响，建议增加植被、水体和湿地的面积，两者均对城市热岛效应有较好的缓解作用。若综合考虑成本及可行性等因素，增加植被（植树、种草）成为一个可行度很高的方案。

参考文献

[1]赵英时.美国中西部沙山地区环境变化的遥感研究[J].地理研究，2001，20（2）：213-219.

[2]彭少麟，周凯，叶有华，等.城市热岛效应研究进展[J].生态环境学报，2005，14（4）：574-579.

[3]李延明，郭佳，冯久莹.城市绿色空间及对城市热岛效应的影响[J].城市环境与城市生态，2004（1）：1-4.

[4]郑伟，曾志远.遥感图像大气校正方法综述[J].遥感信息，2004（4）：66-70.endprint