基于衛(wèi)星影像的連云港市熱島效應分析*

張博宇，王 曉，楊敬華，周海波，陳佳星

（江蘇海洋大學 海洋技術與測繪學院，江蘇 連云港222005）

引言

城市熱島效應（Urban Heat Island）是指城市因大量的人工發(fā)熱、建筑物和道路等高蓄熱體及綠地減少等因素，造成城市“高溫化”。由于城市建筑群密集、柏油路和水泥路面比郊區(qū)的土壤、植被具有更大的吸熱率和更小的比熱容，使得城市地區(qū)升溫較快，并向四周和大氣中大量輻射，造成了同一時間城區(qū)氣溫普遍高于周圍的郊區(qū)氣溫，高溫的城區(qū)處于低溫的郊區(qū)包圍之中，如同汪洋大海中的島嶼，人們把這種現象稱之為城市熱島效應[1-2]。近年來，孟凡超等[3]研究了單次極端溫度過程中城市熱島對建筑負荷的影響，梁錦等[4]研究了高反照率屋頂對城市熱島及空調能耗的影響，王東東等[5]研究了近十年南京市區(qū)的熱島效應變化，林道光等[6]研究了湖南婁底市區(qū)不同時間段熱島效應的變化。胡江波等[7]研究了2009-2018 漢中市區(qū)熱島的變化，朱浩等[8]以岳陽為例，研究了長江中游水網地區(qū)的城市熱島效應，張澤等[9]基于MODIS 影像研究了呼和浩特市熱島效應和植被覆蓋率的關系，沈中健等[10]研究了1996-2017年閩三角城市群區(qū)域熱島時空格局演化分析，周義昌等[11]研究了2009-2019年肇慶城市熱島效應變化特征，顏廷凱等[12]進行了基于WRF/UCM數值模擬的嚴寒地區(qū)城市熱島效應研究。

上述文章以地區(qū)或城市研究了在城鎮(zhèn)化進程中，熱島的變化，以及熱島效應對周圍環(huán)境的影響，研究的成果對中國城鎮(zhèn)化進程的推動和節(jié)能減排的提高有著巨大的意義，本文以連云港市區(qū)為研究對象，研究了近20年來，連云港市區(qū)熱島的變化，并對其成因進行了分析。

1 數據簡介

1.1 研究區(qū)域簡介

連云港，古稱“海州”，江蘇省地級市。海域6677 平方公里。因面向連島、背倚云臺山，又因海港，得名連云港。位于中國沿海中部，東瀕黃海，屬溫帶季風氣候，東部與朝鮮、韓國、日本隔海相望，西與徐州市、宿遷市相連，南部與淮安市和鹽城市毗鄰，北至西北與山東省日照市、臨沂市相鄰，下轄3個區(qū)、3個縣，總面積7615 平方公里。2017年常住人口451.84 萬人。

連云港位于中國沿海中部，江蘇省東北部，處于北緯33°59′～35°07′、東經118°24′～119°48′之間。東瀕黃海，與朝鮮、韓國、日本隔海相望，北與山東日照市接壤，西與山東臨沂市和江蘇徐州市毗鄰，南連江蘇宿遷市、淮安市和鹽城市。東西最大橫距約129 千米，南北最大縱距約132 千米。土地總面積7499.9 平方千米，水域面積1759.4 平方千米，市區(qū)建成區(qū)面積120 平方千米。境內山海齊觀，平原、大海、高山齊全，河湖、丘陵、灘涂、濕地、海島俱備。地勢由西北向東南傾斜，形如一只飛向海洋的彩蝶。地貌基本分布為西部崗嶺區(qū)、中部平原區(qū)、東部沿海區(qū)和云臺山區(qū)四大部分。西部丘陵海拔100米～200米。中部平原海拔3米～5米，主要是山前傾斜平原、洪水沖積平原及濱海平原3 類，總面積5409 平方千米。擁有耕地面積3797.9 平方千米。東部沿海主要是約700 平方千米鹽田和480 平方千米灘涂。云臺山脈屬于沂蒙山的余脈，有大小山峰214 座，其中云臺山主峰玉女峰海拔624.4米，為江蘇省最高峰。連云港有云臺山、錦屏山、馬陵山、羽山等山脈。連云港有標準海岸線162 千米，21個島嶼，其中東西連島為江蘇第一大島，面積7.57 平方千米，基巖海岸為江蘇省獨有。

1.2 數據來源

1984年3月，世界上第一顆光學對地衛(wèi)星Landsat-5發(fā)射。Landsat-5 搭載了兩個載荷的成圖儀，一個是專題制圖儀，另外一個是多光譜成像儀，2013年，Landsat-8發(fā)射升空，Landsat-5 也逐漸退出了歷史舞臺。Landsat-8同樣搭載了兩個制圖儀，分別是OLI 和TIRS。Landsat-5影像有多個波段，并且第六個波段是熱紅外波段，其感應到的主要的能量來源是地球表面的物體散發(fā)出來的熱輻射，因此，利用這個波段的數據可以反演地表溫度。在最新的Landsat-8 數據中，由于成圖儀的更新，原來的獲取地表溫度的波段也發(fā)生了變化，分成了兩個通道獲取，分別是第10 通道和第11 通道。

1.3 數據介紹

本文涉及的數據包括Landsat-5、Landsat-8，主要利用Landsat-5 的TM6 波段，Landsat-8 的band10 來反演地表溫度。選擇時相相近，含云量低，影像清晰的圖幅于http：//earthexplore.usgs.gov/進行下載，涉及的帶號為120_36，所選用的數據如表1。

表1 數據展示

2 實驗和評價標準

2.1 實驗

首先對數據進行大氣校正處理，然后在ENVI 中選擇使用Radiometric Correction 計算條帶的輻射亮度，隨后使用band math 工具計算NDVI，植被覆蓋率，地表輻射率，黑體輻射亮度，最后利用公式（1）反演地表溫度。

2.2 熱島分級標準

表2 局地熱島強度等級劃分標準

熱島強度是對某個城市城郊氣溫差異的一趨勢性的大概的表達，只有地表溫度不能具體地看出局部的熱島效應的特征，為得到某一靶向目的地的熱島效應的強度和特征，可以將整個區(qū)域的每一個像元的溫度值加起來，計算整個區(qū)域的溫度平均值，將其作為標準代入計算以反映靶向目的地的熱島強度。

其中，IUHILOCAL是靶向目的地的熱島強弱程度，Tskin是靶向目的地的溫度，Tmean是整個研究區(qū)域的地表溫度的平均值。根據ENVI 中的Compute Statistics 得到Tmean，對城市熱島效應的強度按照表2 所示劃分標準，分為無、弱、中等、強、極強這五個等級進行劃分，利用ENVI 中的Color Slice 工具實現，選擇合適的顏色帶表示不同強度的熱島，統(tǒng)計各級強度熱島所占面積比例。

3 實驗結果

本文選取2000、2002、2013、2016年的衛(wèi)星影像作為實驗素材，利用ENVI 和ArcGIS 等分析工具，對連云港市進行了科學分析，得出連云港市的熱島分布圖，實驗結果如圖1、圖2、圖3、圖4 所示。

圖1 連云港2000年熱島效應圖

圖2 連云港2002年熱島效應圖

圖3 連云港2013年熱島效應圖

圖4 連云港2016年熱島效應圖

4 結論

4.1 從時間上分析

觀察圖1 到圖4，不難發(fā)現，連云港市區(qū)的熱島有擴大趨勢。在圖中可以明顯看出，圖中部位置的高亮區(qū)域增加。對比地圖可以發(fā)現，增加的區(qū)域為連云港海州區(qū)。根據公開的資料顯示，1992年才成立海州區(qū)。2000年以后是中國城鎮(zhèn)化進展最快最明顯的時候。海州區(qū)從2000年到2017年，修建了大量的建筑物，完成了人口的城鎮(zhèn)化。但是，很明顯可以看出來，城鎮(zhèn)化導致了熱島效應。

4.2 從空間上分析

從空間上可以看出來，熱島主要出現城區(qū)，港口，以及工業(yè)區(qū)。

4.3 野外熱島

分析圖2、圖3，除了城區(qū)以外，在野外也出現了大量的高溫區(qū)域。這種現象的成因如下：

本次實驗所選的所有數據，均為夏季數據（即6/7/8月），在夏季田地里面種有大量的小麥、水稻和玉米。大片作物的中心區(qū)域，往往較為悶熱。所以導致了在野外出現了大量的高溫區(qū)域。