基于遙感技術的城市熱島效應研究綜述

福建省基礎地理信息中心 林悅瑜

1 引言

近年來，城市熱島效應越來越受到人們的關注，國內外的許多專家和學者也都對城市熱島效應進行了大量的研究，從城市熱島的產生原因、危害和防止等方面入手，取得了很大的進展。隨著遙感技術等現代科技的廣泛應用，在新技術的支持下，城市熱島效應的研究也進入了一個新階段。

2 城市熱島效應概述

2.1 城市熱島效應的概念

城市熱島通常是指在氣溫上，城區氣溫高、郊區氣溫低的現象，在溫度空間分布上，城市猶如一個溫暖的島嶼。城市熱島是一種城市公害，尤其是在中低緯度地區的夏季，它使原來就比較高的氣溫更高了。城市熱島效應加劇了城市高溫出現的頻率和高溫災害，并因此帶來了巨大的經濟損失。

2.2 城市熱島效應產生的原因及其危害

2.2.1 城市熱島效應產生的原因

產生城市熱島效應的主要因素有：（1）市區人口密度、建筑物密度高。(2)人為排熱和大氣污染嚴重。(3)城區內綠地面積少，而裸露地表和反射率較高的人工建筑物和地表較多。(4)有集中的人工熱源。

2.2.2 城市熱島效應的危害

城市熱島效應的危害主要包括：（1）市區高溫對人的影響。經研究發現，人口死亡率與溫度密切相關，氣溫高于34攝氏度，死亡率明顯增加。（2）促使光化學煙霧的形成。高溫季節，汽車尾氣和工廠排放廢氣中的氮氧化物和碳氫化物，經光化學反應形成一種藍色的煙霧，在熱島的影響下，形成二次污染物。熱島的強度越大，這種光化學煙霧就越大，危害就越強。（3）熱島效應加重了城區的污染，增加對能源的需求。由于熱島的存在，增強了逆流效應，使原本擴散到郊區的污染氣體又重新地被吹回市區，增強了市區空氣的污染。

3 遙感技術與城市熱島效應

3.1 城市熱島效應的監測方法

目前，對城市熱島效應的監測方法主要有以下幾種：

3.1.1 氣象站法。傳統的熱島效應運用氣象站歷史數據，選取若干個溫度指標，分析一個城市或區域在不同發展階段熱島特征變化情況。氣象站數據可以描述城市熱島的歷史演變過程。

3.1.2 定點觀測法。根據城市熱島空間分布狀況，定點觀測可以從水平和垂直方向 2 個方面考慮。其中，城市熱島水平分布特征一般是選用城郊若干個典型的位置，進行數項溫度氣候指標的測定比較；或者是利用橫穿城市剖線進行觀測研究。

3.1.3 運動樣帶法。運動樣帶法通常是在車輛上安裝氣溫測定傳感器，并連接著一個便攜式的數據采集器。一般數據每16s采集一次，車速保持在 20～30km/h，傳感器安裝在距車頂0.6m，距地面1.45m 高處，以避免發動機和尾氣熱量的影響。

3.1.4 遙感測定法。根據地物在不同波段輻射值的差異，利用熱紅外傳感器對城市地表溫度進行大面積觀測，通過計算得到地物熱量空間分布。

3.1.5 模擬預測。城市熱島效應常用研究模型有統計模型、能量平衡模型、數值模型、解析模型和物理模型等。

3.2 城市熱島效應的遙感調查

最早利用遙感手段進行的熱島效應研究可以追溯到1972年，Rao首次將遙感技術應用于城市熱島效應的研究[1]。從那以后，遙感技術就被廣泛用于城市熱島的研究中。其數據源主要包括航天、航空和地面的數據。目前，城市熱島效應的遙感監測方法主要有：基于溫度的熱島監測方法、基于植被指數的熱島監測方法、基于“熱力景觀”的熱島監測方法等。

3.2.1 基于溫度的熱島監測方法

由于熱紅外遙感記錄的是地表物體的發射輻射、環境及大氣的輻射之和，可方便地換成衛星亮溫。衛星亮溫、地溫和氣溫三者之間關系密切，因而基于溫度的城市熱島監測方法便成為進行城市熱島研究最常用、最直觀的方法[2]。根據處理溫度手段的不同溫度監測方法又可以分為兩小類：基于亮度溫度的監測方法和基于地表溫度的監測方法?；诹翜剡M行城市熱島研究一般都假設由于城市區域范圍有限，可以認為研究區水汽狀況近似一致，因而大氣對輻射亮溫的影響可以忽略。但是，由于地表熱輻射在其傳導過程中受到大氣和輻射面的多重影響，衛星遙感所觀測到的熱輻射強度已不再是單純的地表熱輻射強度，亮溫同地表真實溫度往往相差很大，有時達到5～6K，因而使用亮溫直接進行城市熱島研究有著很大的局限性[3]。

3.2.2 基于植被指數的熱島監測方法

目前，植被指數作為反映地表植被信息的最重要信息源，已被廣泛用來定性和定量評價植被覆蓋及其活力。1993年，GALLO等首次運用由 AVHRR數據獲得的植被指數估測了城市熱島效應在引起城鄉氣溫差異方面的作用。結果表明，同地表輻射溫度一樣，植被指數和城鄉氣溫之間也存在明顯的線性關系，而且在解釋平均最低氣溫的空間變化方面更為有利。進一步研究表明，在地表特征基本未變的情況下，城鄉之間的NDVI差異同城鄉之間最低氣溫差異的關系比之同期的城鄉地表溫度與城鄉最低氣溫差異的關系要緊密且更穩定。城鄉間NDVI的差別可能成為導致城鄉兩種不同環境下最低氣溫差異的地表物質屬性標志[4]。

3.2.3 基于“熱力景觀”的熱島監測方法

基于“熱力景觀”的監測方法系，胡華浪、陳云浩等借鑒景觀生態學的研究方法引入了“熱力景觀”概念，在遙感技術的支持下用景觀的觀點來研究GIS ，城市熱環境建立了一套熱環境空間格局與過程研究方法和評價指標體系[5]。該方法的評價指標由分維數、形狀指數、優勢度、破碎度、分離度及多樣性等組成，使用該方法對上海市熱環境的空間格局和動態演變特征進行了分析。結果表明，熱力景觀隨城市發展而日趨破碎、細化，人類活動對熱力綴塊有著巨大的影響。

4 城市熱島效應研究實例

福州市位于我國東南沿海，福建省東部，閩江下游。地貌屬典型的河口盆地，城區位于盆區中央。盆地四周被群山峻嶺所環抱，其海拔多在600～1000米之間。東有鼓山，西有旗山，南有五虎山，北有蓮花峰。境內地勢自西向東傾斜。由于地形的閉塞，不利于氣流流動，造成熱島的加劇，夏季中午氣溫高達36℃以上。近幾年，福州成為全國新三大火爐之一，除了氣候變化的原因外，城市熱島效應也是高溫的重要原因之一。福建師范大學的林志壘應用1998年和1992年福州市衛星影像數據，對福州市熱島效應進行動態研究，結果表明：隨著城市建設的發展，原熱島范圍內高溫區增加，熱島范圍明顯擴大，尤其是市區東部發展最快，同時熱島外圍小熱島也不斷涌現[6]。究其原因主要有如下幾點：（1）城市“水泥化”，不透水面增多。（2）城市建筑物密度大。高樓林立，建筑物密集，使得地表風速通風不良，不利于熱量向外擴散。（3）大量人為熱釋放。工業、交通、人民生活中使用能源釋放大量熱能。

季崇萍等利用1971年～2000年北京20個氣象觀測站逐日4個時次的溫度資料，選取具有代表性的城區和郊區多個站點的平均值，對北京城市化進程對城市熱島效應的影響、城市熱島強度的日變化和長期變化進行了研究。李俊杰等利用兩個時相的MODIS 31 波段數據，生成南京城市亮溫場，分析了南京熱場的分布、大小，利用亮溫場均值、方差和相對溫度評價城市熱島強度，并對兩個時相城市熱場的范圍及強度變化進行了分析。張穗等利用武漢市地區的LANDSAT7、TM圖像對于熱紅外波段遙感圖像灰度值和地面溫度之間的關系進行了定量的解譯，并且采用IHS圖像復合增強的方法得到了武漢市地面熱場分布圖，取得了很好的模擬效果[7]。

5 結語

本文結合城市熱島效應研究實例，對城市熱島效應的概念、產生原因及危害等進行了概括性的介紹，著重論述了“3S”技術在城市熱島效應研究過程中的作用,以福州、北京、武漢等地為例介紹了城市熱島效應的研究進展。溫度及土地利用類型是影響城市熱島效應最關鍵的兩類指標，因此，遙感技術及城鎮化進程在熱島效應研究過程中起到了重要的作用。對于城市熱島現象的研究，目前的監測方法尚無法解決或降低熱島效應的危害，要改善城市熱島效應的影響，就必須綜合考慮各方因素，有的放矢，才能從根本上解決問題。

[1]Rao P k. Remote sensing of urban heat islands from an environmen2tal satellite[J].Bulletin of the American Meteorological Society,1972,53：647-648.

[2]趙英時.遙感應用分析原理與方法[M].北京：科學出版社,2003.

[3]Weng Qihao.Fractal analysis of Satellite - detected Urban Heat Is land Effect[J]. Photogram metric Engineering & Remote Sensing, 2003, 69(5)：555-566.

[4]周淑貞,束炯.城市氣候學[M].北京：氣象出版社, 1994.

[5]胡華浪,陳云浩,宮阿都等.城市熱島的遙感研究進展[J].國土資源遙感,2005,65(3)：5-9.

[6]林志壘.福州市熱島效應動態分析研究[J].四川測繪,2001,24(3)：140-143.

[7]張穗,何報寅,杜耘.武漢市城區熱島效應的遙感研究[J].長江流域資源與環境,2003,12(5)：445-449.