基于衛(wèi)星遙感的福州市近10年城市熱島效應(yīng)時(shí)空特征分析

彭繼達(dá)，張春桂

(福建省氣象科學(xué)研究所，福州 350008)

福州市是福建省省會(huì)城市，同時(shí)也是閩南地區(qū)金融、科技、商貿(mào)的中心及重要的交通樞紐。近年來(lái)，福州市城市化速度穩(wěn)步加快，城市與人口規(guī)模顯著擴(kuò)大?！陡Ｖ菔谐鞘锌傮w規(guī)劃(2011—2020年)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《總體規(guī)劃》)中提出福州市中心城區(qū)發(fā)展方向與空間布局按照“東拓南進(jìn)，面江向?！钡某鞘邪l(fā)展方向，拉開(kāi)城市框架，同時(shí)向周邊新店、荊溪、上街、南嶼和南通等區(qū)域適度擴(kuò)展。2020年是《總體規(guī)劃》收官之年，歷經(jīng)10年規(guī)劃發(fā)展，福州城市與人口規(guī)模顯著擴(kuò)大，特別是城市下墊面結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)變化顯著，原先的自然地表被人造地表如水泥、瀝青等所替代，從而導(dǎo)致城鄉(xiāng)地表熱力特性的改變，再加上四周環(huán)山的地形特點(diǎn)，城市熱島效應(yīng)日益加劇。

遙感研究城市熱島需要熱紅外數(shù)據(jù)，目前最常用也是最典型的是陸地資源衛(wèi)星Landsat遙感影像數(shù)據(jù)的熱紅外波段和MODIS地表溫度產(chǎn)品。相關(guān)研究顯示[1-5]，MODIS數(shù)據(jù)具有歷史存檔時(shí)間長(zhǎng)、空間覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用相對(duì)較廣泛。AQUA、TERRA雙星聯(lián)合每天對(duì)地觀測(cè)4次，高時(shí)間分辨率觀測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯。Landsat遙感影像數(shù)據(jù)也具有長(zhǎng)時(shí)間歷史存檔數(shù)據(jù)(Landsat5于1984年發(fā)射)，相比MODIS而言具有更高分辨率，對(duì)小尺度地表溫度分布刻畫(huà)的更為準(zhǔn)確。隨著長(zhǎng)樂(lè)區(qū)、閩侯縣和福清市等地區(qū)的協(xié)同發(fā)展，以往城市熱島效應(yīng)研究多集中于福州市部分主城區(qū)，已無(wú)法滿(mǎn)足福州市城市發(fā)展新格局的要求；因此，選取福州市為研究區(qū)，基于Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，反演地表溫度，評(píng)估城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度，開(kāi)展城市熱島的時(shí)空對(duì)比研究。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

研究所用衛(wèi)星影像下載自美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)官網(wǎng)(https://glovis.usgs.gov/)。綜合考慮衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，選取Landsat5的TM(主題成像儀)影像數(shù)據(jù)和Landsat8的OLI(陸地成像儀)/TIRS(熱紅外傳感器)影像數(shù)據(jù)。此外，為避免不同季節(jié)性差異及云的影響，僅對(duì)福州市夏季的少云影像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，分別選取了2010年9月13日的Landsat5和2020年7月22日的Landsat8影像作為研究數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

Landsat衛(wèi)星影像輻射定標(biāo)是使用衛(wèi)星定標(biāo)參數(shù)將衛(wèi)星接收到的計(jì)數(shù)值(DN值)轉(zhuǎn)化為輻射亮度的過(guò)程，是遙感信息定量化的前提與基礎(chǔ)。Landsat衛(wèi)星影像定標(biāo)利用增益和偏移值，建立DN值與地面反射光譜值之間的相互關(guān)系。Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)定標(biāo)公式為

L=GD+B。

(1)

式中：L為表觀輻射亮度，單位為W/(m2·sr·μm )；D為衛(wèi)星載荷觀測(cè)值；G為定標(biāo)斜率，B為定標(biāo)截距，G和B單位均為W/(m2·sr·μm)。利用計(jì)算出的表觀輻射亮度，根據(jù)以下公式計(jì)算表觀反射率

(2)

式中：ρ是表觀反射率，為無(wú)量綱；π為無(wú)量綱數(shù)學(xué)常數(shù)；h是日地之間距離，為天文單位；E是波段太陽(yáng)輻照度，單位為W/(m2·sr·μm)；θ是太陽(yáng)天頂角，單位為°。

Landsat衛(wèi)星在發(fā)射和接收電磁輻射的過(guò)程中，常受到大氣的影響，從而影響傳感器接收的數(shù)據(jù)。一般通過(guò)大氣校正的方式來(lái)消除大氣中水汽、CO2、O3和O2等大氣分子和氣溶膠散射對(duì)地物反射率的影響。目前，常用的大氣校正方法有輻射傳輸模型法、暗黑像元法、統(tǒng)計(jì)學(xué)模型法等。本研究采用FLASSH大氣校正法對(duì)影像進(jìn)行大氣校正，該方法基于MODTRAN4+輻射傳輸模型，可以有效地去除大氣中水汽、氣溶膠散射效應(yīng)，同時(shí)基于像素級(jí)的校正，矯正目標(biāo)像元和鄰近像元交叉輻射的“鄰近效應(yīng)”[6]。

對(duì)Landsat遙感影像數(shù)據(jù)分別進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正處理，得到地表真實(shí)反射率，并以典型地物植被為例，對(duì)比大氣校正前后植被的光譜曲線(xiàn)，可以看到大氣校正去除了部分大氣的影響，特別是在可見(jiàn)光和近紅外波段，使得校正后的植被光譜呈現(xiàn)出真實(shí)的植被光譜曲線(xiàn)特征(圖1)。

圖1 Landsat8的OLI影像大氣校正前后典型植被光譜曲線(xiàn)

1.3 研究方法

1.3.1 Landsat影像反演植被覆蓋度 歸一化植被指數(shù)(NDVI)是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度最佳指示因子，主要利用綠色植物強(qiáng)吸收可見(jiàn)光紅波段(0.6～0.7 μm)和高反射近紅外波段(0.7～1.1 μm)的特點(diǎn)對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)。NDVI值區(qū)間為-1～1，負(fù)值表示地面覆蓋為水、雪等，0表示巖石或裸土等，正值表示有植被覆蓋，且隨著植被覆蓋度增加而增大[7-10]。Landsat5 TM衛(wèi)星影像的3、4通道波段對(duì)應(yīng)紅光波段反射率(Xred)和近紅外波段反射率(Xnir)；Landsat8 OLI衛(wèi)星影像的4、5通道波段反射率分別對(duì)應(yīng)Xred和Xnir。NDVI(用Indvi表示)計(jì)算公式為

(3)

利用NDVI和像元二分模型原理計(jì)算植被覆蓋度[11]。像元二分模型原理是假設(shè)影像上一個(gè)像元的反射率可分為純植被部分反射率和非植被部分反射率兩部分，則任一像元的反射率可以表示為植被覆蓋部分與非植被覆蓋部分的線(xiàn)性加權(quán)之和。根據(jù)像元二分模型原理，將任一像元的NDVI值表示為由有植被覆蓋部分地表與無(wú)植被覆蓋部分地表組成的形式，因此，植被覆蓋度可表示為

(4)

式中：Fv為植被覆蓋度，無(wú)量綱；Isoil為完全是裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，Iveg則代表完全由植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。根據(jù)整幅影像上NDVI的灰度分布，以0.50%置信度截取NDVI的上下限閾值分別近似代表Iveg和Isoil。

1.3.2 地表比輻射率計(jì)算 根據(jù)城市熱島監(jiān)測(cè)的地表比輻射率特征，基于混合像元法計(jì)算地表比輻射率。將福州下墊面類(lèi)型分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面3種類(lèi)型。計(jì)算公式如下

ε=FvRvεv+(1-Fv)Rmεm+d。

(5)

其中：ε為地表比輻射率；Rv為植被的溫度比率，Rv=0.933 2+0.058 5Fv；εv和εm分別為植被輻射率和建筑物輻射率，取經(jīng)驗(yàn)值；Rm為建筑地表的溫度比率，Rm=0.988 6+0.128 7Fv；d為自然表面的幾何分布與內(nèi)部反射效應(yīng)而引起的發(fā)射率比例，其取值由植被覆蓋度的組成決定[12-13]。

1.3.3 地表溫度反演 目前，使用較多的地表溫度(LST)反演方法主要有輻射傳輸方程法、劈窗算法、單通道算法和多通道算法。本研究采用輻射傳輸方程法反演LST[14-15]，即

(6)

式中：B(T)為普朗克黑體光譜輻射亮度，Lsensor為傳感器接收到的熱紅外光譜輻射亮度，Latm↓和Latm↑分別為大氣下行輻射亮度和大氣上行輻射亮度，輻射亮度單位均為W/(m2·sr·μm)；T為地表溫度(℃)；τ為大氣透射率，無(wú)量綱。Latm↓、Latm↑和τ可通過(guò)NASA所屬網(wǎng)站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)獲得。

地表溫度T可以用普朗克公式的函數(shù)獲取，即

(7)

式中，K1、K2系數(shù)可由影像頭文件數(shù)據(jù)得到。

1.3.4 城市熱島強(qiáng)度計(jì)算 城市熱島效應(yīng)評(píng)估通常采用熱島強(qiáng)度(S)進(jìn)行表征[16-19]，計(jì)算公式可表示為

(8)

其中，Si為衛(wèi)星遙感圖像上第i個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的熱島強(qiáng)度(℃)，Ti是第i個(gè)像元的地表溫度(℃)，n為郊區(qū)背景內(nèi)的有效像元數(shù)，Tsuburb(j)為郊區(qū)背景內(nèi)第j個(gè)像元的地表溫度(℃)。郊區(qū)背景的提取是城市熱島強(qiáng)度計(jì)算的重要方面，為了提高提取精度，綜合利用土地覆蓋類(lèi)型和經(jīng)驗(yàn)判識(shí)并同時(shí)考慮距離城區(qū)的空間距離、地形等因素確定郊區(qū)范圍；參考中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司制定的《城市熱島衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估業(yè)務(wù)管理規(guī)定(試行)》(氣測(cè)函〔2019〕100號(hào))，按照S的大小將城市熱島強(qiáng)度劃分為4個(gè)等級(jí)：強(qiáng)熱島(S≥7)、較強(qiáng)熱島(5≤S<7)、弱熱島(3≤S<5)、無(wú)熱島(S<3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市熱島空間分布特征

根據(jù)上述城市熱島反演方法，分別得到福州市2010年和2020年城市熱島強(qiáng)度空間分布圖(圖2)。如圖所示，2010年福州市晉安區(qū)、倉(cāng)山區(qū)、鼓樓區(qū)、臺(tái)江區(qū)均有明顯的城市熱島效應(yīng)現(xiàn)象，長(zhǎng)樂(lè)區(qū)、福清市、閩侯縣上街鎮(zhèn)和荊溪鎮(zhèn)有小范圍的城市熱島效應(yīng)。2020年福州市晉安區(qū)、倉(cāng)山區(qū)、鼓樓區(qū)、臺(tái)江區(qū)、長(zhǎng)樂(lè)區(qū)、福清市、閩侯縣上街鎮(zhèn)均有明顯的城市熱島效應(yīng)。與2010年相比，2020年主城區(qū)城市熱島范圍有所擴(kuò)張，福清市、長(zhǎng)樂(lè)區(qū)、閩侯縣上街鎮(zhèn)和南嶼鎮(zhèn)部分區(qū)域的城市熱島效應(yīng)具有較明顯新增或增強(qiáng)現(xiàn)象。

圖2 2010年9月—2020年7月福州市城市熱島強(qiáng)度空間分布對(duì)比(審圖號(hào)為GS(2017)3320號(hào))

2.2 城市熱島變化特征

分別對(duì)2010年和2020年研究區(qū)的熱島面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析2010—2020年的熱島面積變化情況。結(jié)果表明(表2)，2010—2020年福州市熱島面積呈顯著上升趨勢(shì)，從2010年的2 022.90 km2增加到2020年的2 395.61 km2，共增加372.71 km2，熱島區(qū)面積占研究區(qū)的比例從17.80%上升到21.04%。其中，弱熱島范圍有所減少，從2010年的1 143.37 km2減少到2020年的869.961 km2，共減少273.409 km2。較強(qiáng)熱島范圍有所增加，從2010年的515.06 km2增加到2020年的667.24 km2，共增加152.18 km2。強(qiáng)熱島范圍有明顯增加，從2010年的364.47 km2增加到2020年的858.41 km2，共增加493.94 km2，強(qiáng)熱島區(qū)占研究區(qū)的比例從3.21%增加到7.54%，增加了4.33%。

表2 2010—2020年福州市城市熱島面積統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

伴隨著過(guò)去10年福州市政府“東拓南進(jìn)”的發(fā)展規(guī)劃，福州市呈現(xiàn)快速發(fā)展勢(shì)頭，特別是長(zhǎng)樂(lè)區(qū)、福清市、閩侯縣上街鎮(zhèn)等經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的非主城區(qū)。與此同時(shí)，城市熱島效應(yīng)也不斷增強(qiáng)。近十年，城市熱島面積擴(kuò)張了372.71 km2，占福州市總面積的3.24%，特別是長(zhǎng)樂(lè)區(qū)、福清市、閩侯縣上街鎮(zhèn)等區(qū)域擴(kuò)張明顯。對(duì)不同等級(jí)城市熱島強(qiáng)度進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)顯示，強(qiáng)熱島和較強(qiáng)熱島面積均有擴(kuò)大，弱熱島面積有所減小。福州市正在積極爭(zhēng)創(chuàng)國(guó)家中心城市，經(jīng)濟(jì)趨向更高速發(fā)展，城市化加劇，應(yīng)注意快速城市化帶來(lái)的城市熱島效應(yīng)加劇，統(tǒng)籌城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)。