包穎,申佩佩,陳海珍
(1.寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院,浙江 寧波 315041; 2.寧波市遙感應(yīng)用中心,浙江 寧波 315041;3.寧波市阿拉圖數(shù)字科技中心,浙江 寧波 315041)
在全國(guó)城市建設(shè)飛速發(fā)展的背景下,城市熱環(huán)境已成為城市生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題之一[1]。熱島效應(yīng)是城市熱環(huán)境特征的集中體現(xiàn),是指城市地表大氣溫度高于周邊區(qū)域溫度的現(xiàn)象[2,3]。城市熱島效應(yīng)的加劇,不僅會(huì)對(duì)城市和周邊生態(tài)環(huán)境帶來負(fù)面影響,還會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅[4]。因此,客觀全面掌握城市熱島效應(yīng)的歷史規(guī)律和現(xiàn)狀,并根據(jù)發(fā)展規(guī)律提出有效措施,對(duì)于城市生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、創(chuàng)建高效城市運(yùn)營(yíng)機(jī)制、創(chuàng)建和諧健康的人居環(huán)境有著重要的意義。
近幾十年,遙感技術(shù)因其覆蓋范圍廣、成本低和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于城市熱島效應(yīng)的研究[1,5,6]。城市熱島效應(yīng)的遙感監(jiān)測(cè),是在熱紅外遙感數(shù)據(jù)獲取城市地表溫度(Land Surface Temperature,LST)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的,Landsat、MODIS、ASTER和HJ-1 IRS等數(shù)據(jù)均為常用的數(shù)據(jù)源[7~9]。在實(shí)際應(yīng)用中,Landsat數(shù)據(jù)因其較高的空間分辨率和成熟的理論方法被廣泛地應(yīng)用于城市和小區(qū)域的城市熱島效應(yīng)研究:如朱文娟等[10]基于ETM+影像,分別利用單窗算法和單通道算法實(shí)現(xiàn)了南京市地表溫度反演;聶芹等[11]基于TM/ETM+影像和單通道算法,實(shí)現(xiàn)了上海市1997年~2010年的熱島效應(yīng)分析;李軍等[12]利用Landsat 8OLI/TIR影像和劈窗算法研究了重慶市主城的熱島效應(yīng)。
寧波市地處我國(guó)海岸線中段,是我國(guó)東南沿海重要的港口城市,在城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速的同時(shí)城市環(huán)境問題也日漸突出。目前,針對(duì)寧波市的長(zhǎng)時(shí)間序列的熱島效應(yīng)研究較少,且研究?jī)?nèi)容和深度也有待深化。因此,本研究以寧波市為研究區(qū),采用多時(shí)相的Landsat數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)寧波市LST反演,獲取城市熱島強(qiáng)度,并在此基礎(chǔ)上分析1987年~2015年間寧波市熱島強(qiáng)度空間格局變化,為寧波市海綿城市和生態(tài)文明建設(shè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策依據(jù)。
寧波市地處東經(jīng)120°55′~122°16′,北緯28°51′~30°33′之間,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,地勢(shì)西南高東北低。全市包括海曙區(qū)、江北區(qū)、鎮(zhèn)海區(qū)、北侖區(qū)、鄞州區(qū)、奉化區(qū)、余姚市、慈溪市、寧??h和象山縣六區(qū)兩市兩縣(如圖1所示)。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展,寧波市呈現(xiàn)“一核兩翼,兩帶三灣”的多節(jié)點(diǎn)市域空間格局。
圖1 研究區(qū)示意圖
根據(jù)《寧波市城市規(guī)劃史》當(dāng)代寧波規(guī)劃的各階段,結(jié)合USGS(http://glovis.usgs.gov/)實(shí)際數(shù)據(jù)獲取情況,分別選取包括1987年、1998年、2007年和2015年的夏季Landsat影像數(shù)據(jù)作為熱環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)源,其中1987年~2010年使用的是Landsat5數(shù)據(jù),2015年使用的是Landsat8數(shù)據(jù),各年份使用數(shù)據(jù)的條帶號(hào)均為118/39和118/40;同時(shí),獲取2015年寧波全市 0.5 m空間分辨率的航飛DOM影像和寧波市行政區(qū)劃分別作為幾何校正和裁剪數(shù)據(jù)源;此外,從中國(guó)氣象官方網(wǎng)站下載當(dāng)日的氣象數(shù)據(jù)作為L(zhǎng)ST反演的輔助數(shù)據(jù)。
對(duì)于Landsat光學(xué)影像,進(jìn)行校正(輻射校正、幾何校正和大氣校正)、拼接、裁剪等。其中,輻射校正根據(jù)影像中對(duì)應(yīng)的輻射校正參數(shù)實(shí)現(xiàn);幾何校正通過2015年DOM影像實(shí)現(xiàn),且誤差控制在1個(gè)像元內(nèi);大氣校正則是基于ENVI中FLAASH大氣校正模型實(shí)現(xiàn)。而針對(duì)Landsat熱紅外影像,首先根據(jù)頭文件將原始影像的DN值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度,隨后將輻射強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為輻射亮溫,獲取影像的亮度溫度。
熱島強(qiáng)度的獲取是在估算LST的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。由于Landsat 5只有單個(gè)熱紅外波段,因此為了增強(qiáng)結(jié)果的可比性,本研究選取單窗算法不同年份LST的反演[13]。
在預(yù)處理獲取不同年份亮溫和反射率影像基礎(chǔ)上,根據(jù)單窗算法,求得大氣透射率、大氣平均作用溫度和地表比輻射率,就可實(shí)現(xiàn)LST反演,具體公式為[13]:
(1)
其中,Ts為地表溫度(K);a6和b6為回歸系數(shù),當(dāng)?shù)乇頊囟仍?℃~70℃時(shí),a6=67.3551,b6=0.458606;T6為輻射亮溫(K);Ta為大氣平均作用溫度(K);C6和D6為中間變量,可通過以下公式求得:
C6=ε6τ6
(2)
D6=(1-τ6)[1+(1-ε6)τ6]
(3)
其中ε為地表比輻射率,τ為大氣透射率;ε與植被覆蓋度相關(guān),根據(jù)不同地表類型可分別計(jì)算獲??;τ在對(duì)應(yīng)溫度和水汽含量范圍內(nèi),與大氣水汽含量呈線性關(guān)系,可通過線性公式計(jì)算[13,14]。
此外,根據(jù)不同季節(jié)模擬研究獲得大氣平均作用溫度Ta,計(jì)算公式分別為:
中緯度夏季平均大氣:
Ta=16.011+0.92621T0
(4)
中緯度冬季平均大氣:
Ta=19.2704+0.91118T0
(5)
其中T0為近地溫度,從中國(guó)氣象官方網(wǎng)資料中獲取。
對(duì)不同年份LST進(jìn)行歸一化處理計(jì)算熱島強(qiáng)度,并利用武鵬飛等[15]提出的熱島等級(jí)劃分,來獲取寧波市的熱島強(qiáng)度分布情況。
(6)
利用IDL語言實(shí)現(xiàn)單窗算法LST計(jì)算,得到1987年~2015年間LST空間分布如圖2所示。
從溫差來看,寧波市夏季LST空間差異明顯,各年份夏季最高值均分布于40℃以上,最低值分布在14℃~17℃之間,從LST較高的城市建成區(qū)到溫度較低的水體LST差異可達(dá)30℃以上。從下墊面類型來看,寧波市各年份高LST主要集中分布于三江片和其他區(qū)縣(市)主城區(qū),其次是周邊農(nóng)村區(qū)域,林地LST較種植作物的農(nóng)田區(qū)域低,水體LST最低,LST的空間差異主要是各下墊面類型的熱特性差異所致。從空間分布來看,對(duì)于高LST區(qū),1998年以前基本集中在各區(qū)縣(市)主城區(qū),1998年以后,隨著寧波市不透水面的增加,高LST區(qū)域范圍不斷沿著寧波市城市發(fā)展向外擴(kuò)展。增加最迅速的為三江口片、各區(qū)縣(市)主城區(qū)、大榭開發(fā)區(qū)、杭州灣新區(qū)、鎮(zhèn)海煉化和慈溪-余姚高速沿線等區(qū)域;并且隨著時(shí)間變化,上述地區(qū)高溫范圍逐年向外擴(kuò)展,城區(qū)的高溫地區(qū)主要呈現(xiàn)出片狀發(fā)散的空間分布特征,余姚和慈溪區(qū)域呈現(xiàn)出沿高速公路的“帶狀”發(fā)展模式,到2015年,寧波市地表溫度高值區(qū)的空間發(fā)展趨勢(shì)基本符合寧波市提出以三江口片寧波市區(qū)為核心的“一核兩翼,兩帶三灣”的多節(jié)點(diǎn)市域空間格局。
圖21987年~2015年寧波市地表溫度空間分布圖
結(jié)合圖2和圖3可知,寧波市熱島具有較強(qiáng)的區(qū)域性,熱島強(qiáng)度空間分布趨勢(shì)與LST空間分布趨勢(shì)類似,植被和水體等LST較低的區(qū)域多為綠島區(qū),不透水面覆蓋較多的城鎮(zhèn)化發(fā)達(dá)區(qū)域多為強(qiáng)熱島區(qū)和極強(qiáng)熱島區(qū)。1987年和1998年,寧波市熱島分布集中于三江口片和其他區(qū)縣(市)主城區(qū),熱島呈連片分布且集中,呈現(xiàn)聚集狀;而2007年以后,由于寧波市明確提出走可持續(xù)發(fā)展的新型城市化道路,城鎮(zhèn)化體系更為完備,城市內(nèi)部景觀綠化增多,城區(qū)熱島相較于1987年以前較為分散,大多集中在建筑密度高、開發(fā)密度高或工業(yè)區(qū)等區(qū)域,城市內(nèi)部老城區(qū)和其他區(qū)域熱島等級(jí)相對(duì)較低。
圖31987年~2015年寧波市熱島空間分布圖
圖4 1987年~2015年寧波市強(qiáng)熱島疊加分布圖
統(tǒng)計(jì)寧波市近30年強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域面積,如圖4和表1所示,并分別計(jì)算各階段面積年變化率。1987年~2015年間,寧波市強(qiáng)熱島區(qū)域面積逐年增加,從1987年的 125.87 km2增加到了2015年的 477.97 km2,強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域變化率先增加后降低。其中,1987年~1998年,寧波市強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域面積增加微弱,主要由各自主城區(qū)向外擴(kuò)展,增加速率為 0.94km2/a;1998年~2007年,強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域面積變化率達(dá)到四個(gè)階段中的最高值,為 28.27km2/a,這一階段隨著寧波市城鎮(zhèn)化快速發(fā)展,城市逐漸向高速沿線、北侖工業(yè)區(qū)和鄞州杭州灣開發(fā)區(qū)新城等擴(kuò)張,混凝土建筑和柏油路等不透水面增多,阻斷了地面水分增加,熱島效應(yīng)日漸凸顯;2007年~2015年,寧波市城市規(guī)劃逐漸轉(zhuǎn)型發(fā)展,強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域面積雖有一定增加,但增長(zhǎng)速率逐漸降低,為 10.91 km2/a。
本研究運(yùn)用1987年~2015年間的Landsat影像、單窗算法開展寧波市近30年LST的估算和熱島強(qiáng)度提取是可行的,結(jié)果是可靠的。
(1)近30年寧波市LST和強(qiáng)熱島分布面積逐年增加,夏季全市熱島效應(yīng)明顯,同時(shí)全市熱島具有較強(qiáng)的區(qū)域性,熱島強(qiáng)度空間分布趨勢(shì)與不透水面等下墊面空間分布趨勢(shì)類似,植被和水體等LST較低的區(qū)域多為綠島區(qū),不透水面覆蓋較多的城鎮(zhèn)化發(fā)達(dá)區(qū)域多為強(qiáng)熱島區(qū)和極強(qiáng)熱島區(qū)。
(2)1998年以前寧波市各行政區(qū)熱島基本呈現(xiàn)單個(gè)熱島聚集的狀態(tài),而隨著近些年寧波市對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的重視,2007年以后各行政區(qū)城區(qū)內(nèi)熱島逐漸分散,形成多個(gè)小次級(jí)熱島。
(3)近30年寧波市強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域面積逐年增加,近30年增加了 352.10 km2,強(qiáng)熱島和極強(qiáng)熱島區(qū)域變化率先增加后降低,在1997年~2007年間變化率達(dá)到最大,為 28.27 km2/a,后續(xù)增加速率逐漸降低。