遥感技术在城市热岛研究中的应用.doc

遥感技术在“城市热岛”研究中的应用摘要：系统总结了应用遥感技术开展城市热岛研究的数据、方法与成果。对国内外学者有关城市热岛的形态结构、过程变化及成因分析等方面的研究内容进行了较为详细的评述，在此基础上，对未来城市热岛遥感研究的方向进行了展望。关键词：遥感 热红外遥感 热岛效应 GIS1 前言1.1 基本概念l 城市热岛：城市热岛是指在气温上，城区气温高、郊区低的现象，在温度空间分布上，城市犹如一个温暖的岛屿, 19世纪初期， 英国化学家Lake Howard在对伦敦城区和郊区的气温进行同时间的对比观测后，首次发现了这种城区气温比其四周郊区气温高的现象。l 城市热岛产生的原因及危害：城市的建筑物和道路的水泥砖瓦表面改变了地表的热交换及大气动力学特性，白天地面的反射率低，辐射热的吸收率高，夜晚大部分以湍流热传输入大气，使气温升高，同时城市人类活动所释放出来的巨大热量以及大量城市代谢物排入大气，改变了城市上空的大气组成，使其吸收太阳辐射的能力及对地面长波辐射的吸收力增强。由于这些因素的综合作用，使得市区温度高于周围地区，形成一个笼罩在城市上空的热岛。城市热岛是一种城市公害，尤其是在中低纬度地区的夏季，它使原来就比较高的气温更高了。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。同时，城市热岛环流使得城郊对流增强，使得城市更易于出现洪涝灾害。l 遥感技术（Remote Sensing）与城市遥感：遥感技术作为一种在不直接接触的情况下，对目标物或自然现象远距离感知时的一门探测技术，可以快速、准确地获取城市发展、建设的有关信息，既有城市宏观的全貌和综合数据，又有城市的一屋一桥等微观图像和数据，可以全面、高效、实时地了解城市的发展变化。正是由于这种有别于以往任何常规方法的优势，城市遥感逐渐成为遥感、城市建设、环境专家们共同关注的热点，遥感技术也被越来越广泛地运用到城市建设的各个领域中。简而言之，城市遥感即以城市为研究对象，利用遥感技术为城市规划和建设管理者提供多方面的地理基础信息和其他与城市发展有关的分析资料。1.2 研究背景自从1833年，Lake Howard就伦敦市中心的气温比郊区高的现象提出 “城市热岛”概念以来，城市热环境问题一直备受关注，近年来，由于全球气候变暖和快速发展的城市化进程，使得世界范围内的热浪日益频繁，加剧了城市热岛效应。美国航空航天局(NASA)和环保署(EPA)在1997年共同发起的“Urban Heat Island Pilot Project”计划，选择Los Angeles, Chicago, Salt lake City, Sacramento, Baton Rouge等城市，利用地面观测和遥感技术开展了针对夏季城市热岛的研究与治理工作。加拿大也启动了旨在缓解多伦多城市热岛效应的“Cool Toronto Project”，计划。日本、西欧也在积极开展类似的研究工作，可见城市热环境及其热效应已成为当前城市气候与环境研究中，最为重要的研究内容之一。随着社会经济高速发展，我国许多城市，特别是位于东部沿海经济发达地区和中纬度地区的城市，出现了高强度的城市热岛效应，城市热环境质量日趋恶化。1.3 研究内容纵观国内外众多学者的研究，基于传统方法的城市热岛研究基本上是点尺度上的或纯概念的研究，以点带面，很难真实和有效地扩展到面上，因而对于研究城市热岛的平面布局、内部结构等特征存在着很大困难，更不用说对城市热环境作深入研究。而通过遥感手段获取的观测资料具有时间同步性好、覆盖范围广的特点，基本克服了传统方法的缺陷。随着当前高分辨率卫星热红外遥感技术的发展完善，它在城市热岛研究中发挥着越来越重要的作用，许多学者纷纷利用遥感技术开展有关城市热岛的研究工作。2 城市热岛的数据源及遥感监测技术方法本文参考文献主要来源于万方数据库，检索关键词为“遥感”and“城市”，出现197条检索结果，在结果中减速 “热岛”or “热环境”，出现29条检索结果。2.1 城市热岛卫星遥感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。1972 年，Rao 首次利用卫星遥感手段研究了城市热岛效应。从那以后，很多学者广泛使用各种平台的传感器数据，包括航天、航空和地面的数据，进行城市热岛效应研究。目前，常用的卫星热红外遥感信息源如表所示。2.2 城市热岛的遥感监测技术方法l 基于温度的热岛监测方法:热红外遥感记录的是地表物体的发射辐射、环境及大气的辐射之和，可方便地换成卫星亮温。而卫星亮温、地温和气温三者之间关系密切，因而基于温度的城市热岛监测方法便成为进行城市热岛研究最常用、最直观的方法。根据处理温度手段的不同温度监测方法又可以分为两小类：基于亮度温度的监测方法和基于地表温度的监测方法。 基于亮温进行城市热岛研究一般都假设由于城市区域范围有限，可以认为研究区水汽状况近似一致，因而大气对辐射亮温的影响可以忽略。国内不少学者使用NOAA/ AVHHR 或LANDSAT/TM/ASTER影像的亮温数据对北京、上海、沈阳等多个城市进行了城市热岛空间平面结构和季节变化的研究，并取得一定的成果。但是，由于地表热辐射在其传导过程中受到大气和辐射面的多重影响，卫星遥感所观测到的热辐射强度已不再是单纯的地表热辐射强度，亮温同地表真实温度往往相差很大，有时达到5 6 K，因而使用亮温直接进行城市热岛研究有着很大的局限性。基于地表温度的监测方法在反演温度时基本考虑了大气和辐射面的多重影响，但由于城市下垫面异常复杂性，以及卫星过境时刻实时探空数据的获取不易，使得地表温度的精确反演存在着难以克服的困难。目前，基于地表温度的监测方法一般都是通过一些简化方法来获取，诸如比辐射率和大气参数等，求取地表温度.北京市1997年5月19日温度等级图 北京市2001年5月19日温度等级图北京市2004年5月19日温度等级图l 基于植被指数的热岛监测方法: 在遥感应用领域，植被指数作为反映地表植被信息的最重要信息源，已被广泛用来定性和定量评价植被覆盖及其活力。1993 年，GALLO 等首次运用由AVHRR 数据获得的植被指数估测了城市热岛效应在引起城乡气温差异方面的作用。结果表明，同地表辐射温度一样，植被指数和城乡气温之间也存在明显的线性关系，而且在解释平均最低气温的空间变化方面更为有利。进一步研究表明，在地表特征基本未变的情况下，城乡之间的NDVI 差异同城乡之间最低气温差异的关系比之同期的城乡地表温度与城乡最低气温差异的关系要紧密且更稳定。城乡间NDVI 的差别可能成为导致城乡两种不同环境下最低气温差异（城市热岛效应）的地表物质属性标志。但是，基于植被指数的监测方法也存在几个不可忽略的局限性：研究区域城乡之间的高程差不能超过500 m；冬季基本无绿色植被的区域无法适用；干旱气候条件下的城市地区无法适用。北京市1997年5月19日TM遥感分类影像图北京市2001年5月19日温度等级图 北京市2004年5月19日温度等级图l 基于“热力景观”的热岛监测方法: 基于“热力景观”的监测方法系借鉴景观生态学的研究方法，引入了“ 热力景观”概念。在GIS 和遥感技术的支持下，用景观的观点来研究城市热环境，建立了一套热环境空间格局与过程研究方法和评价指标体系。该方法的评价指标由分维数、形状指数、优势度、破碎度、分离度及多样性等组成，使用该方法对上海市热环境的空间格局和动态演变特征进行了分析，结果表明，热力景观随城市发展而日趋破碎、细化，人类活动对热力缀块有着巨大影响。3 国内外研究进展3.1 城市热岛的形态和结：1972 年，Rao首先证实了城市区域可以通过分析卫星热红外数据而区分出来，并使用ITOS - 1 卫星数据制作了美国大西洋中部沿海城市的地面热场分布图。此后，国内外许多学者利用热红外遥感数据进行城市热岛的研究，取得了一系列成果。Carlson 等分析了美国洛杉矶地区昼夜热场分布情况，Matson 等利用NOAA 数据研究了美国西海岸几个城市的夜间城乡辐射温度差异，Price 等利用热红外制图仪数据评估了美国西北部地区城市热岛的范围和强度，Henry J A 对比分析了利用HCMM所获得的城市地温热岛平面结构图和传统流动气象观测所获取的气温热岛平面结构图，Balling and Brazel等研究了凤凰城地区的辐射温度场，Roth 等研究了美国西海岸地区的城市热岛强度及结构。国内也有不少学者利用NOAA/ AVHRR 数据研究了北京、上海、苏州、沈阳等多个城市的热岛现象。虽然研究区域各不相同，但是却发现一些共同的特征：在无风或微风条件下，城市热岛的形状、走向和位置都与建成区基本一致；在城市内部，城市热场的分布结构同土地覆盖特征密切相关，低植被的工业区和商业区呈现出明显的高温中心，植被覆盖度大的乡村则显示为低温区域。然而，NOAA/ AVHRR 气象卫星数据1.1 km 的地面分辨率只能用于宏观分析城市热岛的形态和结构。为了能详细地分析城市内部热场结构，国内外学者纷纷将目光投向使用更高分辨率的Landsat TM、ASTER 等热红外图像。研究结果表明，分辨率的提高对于研究热场的内部结构特征更为有效，也进一步验证了城市热场的分布存在共同的特征：在热场状况分布图中，各温度区一般呈不同形状的带状分布，并呈现出温度由高到低或由低到高的规律变化，而这种变化规律表现出与下垫面介质分布有高度的一致性。水体所在区域和植被较多的大面积公园则一般是低温中心；工业区、商业区、机场、火车站、人口密集区及其他耗能较大的区域往往显示出明显的高温区，呈现为一个个局部热岛中心，并由此逐渐过渡到其它地类，且温度变化的梯度大小与下垫面覆盖类型密切相关。总的来说，卫星遥感在监测城市热岛的平面结构，解释城市下垫面热场的分布和结构特征还是十分有效的。但是，60 m 的影像分辨率对于进行城市热岛内部结构研究略显不足，而目前的卫星遥感对于城市热岛的垂直结构研究则显得十分薄弱。3.2 城市热岛的过程与变化：该方面研究主要集中在对城市热岛强度的变化规律和过程的研究，包括对年际间城市热岛的变化格局特征和城市热岛季节与昼夜变化规律的研究。 北京城市及其周边地区2001年四个季节白天的地表平均温度分布图北京城市及其周边地区2001年四个季节夜间的地表平均温度分布图城市热岛强度的季节变化则十分复杂，主要视区域气候条件和城市人为因素而异，没有一定的模式。通过对比分析4个不同季节，春夏秋冬的热岛强度依次为：夏季和秋季热岛较强，春季较弱。3.3 城市热岛的变化机制：城市热岛的形成、发展及其空间分布受到多种因素的影响。城市热岛变化机制研究的目的就在于通过分析城市热岛变化背后的各种驱动力，最终揭示城市热岛的形成、发展变化的驱动机制。近年来，随着遥感技术的发展，许多学者通过卫星数据反演与城市热岛相关的影响因子，结合GIS技术及相关分析、分形数学、三角形法等数学方法，尝试建立城市热岛与其各种可能的影响因素（如NDVI、土地利用类型、植被覆盖度）定量关系。结果证明，在天气晴朗、无风或微风的情况下，城市热岛的形成、发展及空间分布主要取决于下垫面介质和城市格局变化，而城市人口则和城市热岛的强度和范围呈现正相关关系。而城市热源则对区域热岛强度有一定的影响（夏季除外）。而如果出现大风的天气，则热岛中心的变化和风速、风向密切相关。风速足够大时，则不存在热岛现象。但是，从根本上讲，上述模型也还是基于统计意义的模型。仅依靠遥感资料所获取的时间断面信息，试图从机理上分析城市热岛的形成、变化过程是十分困难的。4 研究展望：通过遥感数据获取的是地表城市热岛（SUHI），即城市和乡村之间的地表温度差值，而不是通常意义上的城市热岛（UHI）城乡之间的气温差值。目前，有不少研究者往往都是直接使用地表亮温或是通过经验性的线性或非线性关系将地表温度转换为大气温度，从而表示城市热岛。这在晴朗、无风及无局部环流的情况下，误差较小。然而，城市中由于其特殊的下垫面，具有较大的地表粗糙度，不同下垫面热性质的迥异，很容易形成局地环流和局地平流；而且城市中由于高大建筑物的存在，形成了很多阴影；这些都对气温产生着影响。而由于受到传感器分辨率的限制，使得遥感手段获取城市区域热红外图像基本都是混合像元，这也对地温和气温转换产生了不利的影响。所有这些都使得气温和地温之间的关系更加复杂，因而要建立地气温度合适的关系转换，必须建立完善、地-气界面过程模型。所以，今后很长一段时间内，如何反演城区地表真实温度及其与气温的关系将是一个重要研究方向。传统研究方法多停留在从宏观大尺度范围内分析城区和郊区的热岛关系，而从微观小尺度上分析城区内地表热场分布和下垫面类型、城区各部分具体分布关系的研究较少。而如进一步研究微观尺度上的城市热岛，详细分析其内部结构。目前的遥感传感器分辨率是远远不够的，因而城市热岛的遥感研究还期待着更高分辨率的传感器的出现。采用多时相、较高分辨率的遥感资料，结合地面观测，定量反演有关“地气”界面参数，并在此基础上对边界层模式进行改进，建立适用于城市热岛研究的遥感与城市边界层链接模型将是城市热岛研究的主要方向。目前，虽有部分研究者在这方面作了有益的探索。如研究便于城市大气边界层间复杂的交互作用，模拟城市热岛的形成过程和发展变化。但是，由于模型本身的缺陷和精确反演地-气界面参数存在的困难，如何进一步完善该方法值得研究。5 参考文献：1沈清基.城市生态与城市环境M.同济大学出版社.1998.230-233.2徐骏,周坚华,李先华. 利用热红外遥感研究上海市道路系统对城市热场的影响J.应用术,2003(3):31-34.3陈云浩，史培军，李晓兵，何春阳.城市空间热环境的遥感研究J.测绘学报.2002(11):322-326.4张佳华,侯英雨,李贵才