天津市城市热岛遥感监测研究.doc

天津市城市热岛遥感监测研究王春红（天津中科遥感信息技术有限公司，天津，300384）摘要： 随着城市化水平的提高，城市化进程的加快，城市热岛现象日益明显，成为越来越关注的环境问题。利用2009年8、9月份采集的天津市Landsat-5TM影像，通过改进的单窗算法反演天津地表温度，进而分析天津城市热岛的分布区域，并对影响城市热岛的因素进行分析，对后期工作进行展望。关键词：单窗算法、城市热岛、热红外、植被覆盖度1 序言地球表面温度是一个重要的水文、气象参数，它影响大气、海、陆之间的显热和潜热交换。大空间尺度、长时间序列的温度资料，是诸多研究领域不可或缺的基础资料。对于城市而言，地球表面温度是研究城市热污染的直接资料来源。市热污染是指市区气温比郊区明显偏高的大气现象，也就是人们熟知的“热岛效应”。它是指因大城市气温比周边地区气温高，导致气候变化异常和能源消费增大，从而给居民生活和健康带来影响的现象。在用等温线表示的气温分布图上，气温高的部分呈岛状，因而被称为“热岛”。近年来,随着我国城市化水平的提高和城市化进程的加快,特别是大城市区域规模的扩大,城市热岛现象日益明显,直接影响到人们的生产与生活,逐渐成为人们日益关注的重要环境问题1。城市热岛效应加剧了城市高温出现的频率和高温灾害，并因此带来了巨大的经济损失。由于城市热岛现象的存在，使得城市地区环境质量下降，污染物不易扩散，由此引起了一系列的城市病和多发性流行病。对城市热岛动态监测的研究主要是对地表温度场的监测。由于遥感技术具有动态快速、全方位获取不同空间分辨率、光谱分辨率的特征,已成为对城市热岛效应规模及范围监测与分析的有效手段。2 研究区域天津市是中华人民共和国四个中央直辖市之一,是中国大陆三大经济、金融、贸易和航运中心之一。天津市是中国北方的经济中心，国际港口城市，生态城市，是中国北方最大的沿海开放城市、近代工业的发源地、近代北方最早对外开放的沿海城市之一、我国北方的海运与工业中心，拥有中国第四大的工业基地、第三的外贸港口。天津市，北纬3834至4015，东经11643至11804之间，位于我国大陆海岸线北部的渤海湾，海岸线长156公里，地处华北平原东北部、海河流域下游、环渤海湾的中心，东临渤海，北依燕山，位于海河流域下游，是海河五大支流的汇合处和入海口。气候属于温带季风气候。天津全市总面积11917.3平方公里，共辖13个区、3个县。区包括市内六区、环城四区、远郊二区和滨海新区。市六区包括：和平区、南开区、河西区、河东区、河北区、红桥区；环城四区包括东丽区、西青区、津南区、北辰区；远郊二区包括武清区和宝坻区；滨海新区（原大港区、汉沽区、塘沽区行政范围）包括：天津港、天津经济技术开发区、天津保税区、原塘沽、汉沽、大港三个管委会和东丽、津南区的一部分。县包括静海县、宁河县、蓟县。3 总体技术流程3.1 采用数据源遥感按其探测波段可分为紫外遥感、可见光遥感、红外遥感和微波遥感。红外遥感主要探测波段在0.76-1000微米之间，根据波长又可进一步划分为近红外(0.76-3微米)、中红外(3-69微米)、远红外(6-15微米)和超远红外（15-1000 微米)。从辐射源看，近红外属于太阳辐射，6微米以上属于地球辐射(又称热红外)，中红外波段是太阳辐射与大地辐射交叉部分。显然，监测城市“热岛效应”应当利用热红外波段。因此地表温度反演采用数据源是2009年8-9月的Landsat-5TM（1-5、7波段分辨率是30米，6波段分辨率是60米）卫星影像。天津市覆盖4景TM，经过校正、镶嵌、天津矢量边界裁切，天津原始影像如图1：图 1 天津TM真彩色卫星影像3.2 温度反演流程地表温度遥感估算的方法主要有两类：经验方法和理论方法。经验方法是在实际工作中利用地面定标， 实测出在传感器过顶时的地面温度，建立起图像灰度值和地面温度的回归方程，求出地表温度图像2。理论方法是通过求解辐射传输方程，消除大气影响，求出陆地表面温度。随着空间信息技术的发展，遥感陆面温度的反演技术也取得了很大进步，已发展出了多套地面温度反演方法。目前遥感反演地表温度的方法主要有传统的大气校正法、单窗算法、劈窗算法。单窗算法适用于只有一个热波段的遥感数据，主要用于TM6数据进行地表温度反演。长期以来，从TM6数据中演算地表温度通常是通过所谓大气校正法，这一方法需要估计大气热辐射和大气对地表热辐射传导的影响，计算过程很复杂，误差也较大，在实际中应用不多。覃志豪4-5根据地表热辐射传导方程，推导出一个简单易行并且精度较高的演算方法，把大气和地表的影响直接包括在演算公式中。该算法需要用地表辐射率、大气透射率和大气平均温度3个参数进行地表温度的演算。验证表明，该方法的地表温度演算精度较高。当参数估计没有误差时，该方法的地表温度演算精度达到04，在参数估计有适度误差时，演算精度仍达113。由于TM数据只有一个热红外波段，利用评价较好的单窗反演算法进行天津市地表温度反演。地表温度反演技术流程如下图 2 地表温度反演技术流程单窗算法计算公式： （公式1）为地表比辐射率；为大气透射率；是6波段的亮度温度；是大气平均作用温度单窗算法中各参数的计算公式如下：3.2.1 地表比辐射率式中：是植被覆盖度是植被发射率；是土壤发射率；是自然表面的几何分布，在地表相对平整情况下，可忽略不计；对于混合像元和粗糙表面，占了总值的2%。 3.2.2 大气透射率根据大气中的水汽含量对大气透射率进行估计大气透过率t6=1.031412-0.11536w （公式3）w为大气水汽含量3.2.3 亮度温度象元亮度温度可直接用Planck辐射函数计算,或用如下近似式求算：T6=K2/ln(1+K1/L(l)式中：T6是象元亮度温度(K)；K1和K2为发射前预设的常量, 对于Landsat 5的TM数据, K1取60.776 mW cm-2 sr-1 mm-1, K2取1260.56K；L(l)为热辐射强度3.2.4 大气平均作用温度 （公式2）是近地层大气温度，可以假定为=30，大气温度取296.79K。w为大气水汽含量根据计算公式进行地表温度反演计算，因缺乏部分实测资料，部分参数采用经验值。4 结果分析根据温度反演算法计算天津市温度，反演结果如图3：图 3 天津市温度反演图通过温度反演结果可以明显看出，城市热岛主要分布在天津中心城区和塘沽两个经济较发达、城市建筑密集的区域，比周边区域高5左右，是两个明显的城市热岛区域。与之前的研究相比，由于滨海新区的快速发展，带动经济的飞跃，从而也造成塘沽这个城市热岛的形成。5 结语采用的温度反演方法，因部分实测数据的缺失，造成反演精度在一定程度上可能有些降低，但整体趋势是准确的。通过对天津市地表温度反演结果的解析，简单分析城市热岛形成的原因一般包括以下几个方面：1、城市下垫面。由于城市多是人工构筑物，包括建筑、柏油路面等，改变了城市下垫面的热力属性，建筑吸热快而热容量小，温度明显高于自然下垫面。此外建筑密度较大，影响空气的正常流动，也是造成温度高的一个原因。2、人工热源，包括工厂生产、交通运输及居民生活所燃烧燃料、空调等，也向大气排放大量的热量，还会生成大量的温室气体，使温度升高。3、绿化面积的不足，是的地面蒸腾量变小。因此可以通过几个方面进行缓解1）加大绿化、水面面积，有研究表明，植被覆盖度越高，地表温度越低2）调整产业结构，多发展服务业3）加强人类的环保意识，多以步代车，垃圾分类等等。城市热岛的减缓还需要相当长的时间.进一步加强城市绿地建设,特别是增加生态效应好的绿色植被的建设,有利于进一步降低市城市热岛效应的产生。6 展望后期将进行多期的城市热岛监测，分析造成天津市城市热岛的真正原因，并对天津城市热岛发展趋势进行预测和分析。参考文献：1 王文杰, 申文明, 刘晓曼等. 基于遥感的北京市城市化发展与城市热岛效应变化关系研究J.环境科学研究.2006,19（2）,44-482 濮静娟，董卫东，关燕宁等热红外遥感用于陡河水库生态环境研究J遥感学报，l997，1(4)：2902973 朱怀松，刘晓锰，裴 欢. 热红外遥感反演地表温度研究现状J.干旱气象.2007,25（2）：17-214QIN Z，KARNIEI I A，BERLINER PA monowindow algorithm for retrieving land surface temperature from Landsat TM d