熱環(huán)境論文：多源數(shù)據(jù)下的熱環(huán)境淺析

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作者：楊云源史正濤何萍單位：楚雄師范學院云南師范大學

本文運用LandsatTM/ETM+、ModisMOD11A1、ModisMOD11A2、Quickbird四種遙感數(shù)據(jù)、衛(wèi)星過境時氣象資料等數(shù)據(jù)，主要研究昆明市主城區(qū)的建筑區(qū)、住宅小區(qū)、城中村等的熱環(huán)境特征，以期為城市規(guī)劃、人居環(huán)境的改善和城市可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1研究區(qū)概況

昆明市受西南季風影響，市中心海拔1892m，年均氣溫15℃，降雨量約1000mm，屬于亞熱帶低緯高原季風氣候區(qū)，“春城”之名享譽海內(nèi)外；昆明全年降水量在時間分布上明顯地分為干、濕兩季；熱島強度、干島強度都有干季大于雨季的特征；市區(qū)在空間上環(huán)繞滇池北面和東面而分布，因其336個城中村的存在，昆明曾被戲稱為“村城”[20]。至2008年底，昆明市總?cè)丝?24萬，流動人口近170萬人[21]，城市人口的增長對城市熱環(huán)境造成了一定的壓力。本研究區(qū)域范圍包括昆明市市區(qū)三環(huán)內(nèi)及碧雞路、南連接線、廣福路、昆玉路、昆石路間部分（簡稱南三環(huán)線外區(qū)域）（圖1）。

2數(shù)據(jù)準備與研究方法

使用軌道號為129-43的2000-04-24、2000-09-15、2000-11-02、2001-01-21、2008-04-06LandsatTM5/ETM+數(shù)據(jù)進行年際和多年間隔的熱環(huán)境分析。使用2000-04-24、2008-04-06ModisMOD11A1逐日1km地表溫度數(shù)據(jù)，2000年4月、2008年4月ModisMOD11A28日1km地表溫度數(shù)據(jù)進行Landsat數(shù)據(jù)過境日有效性驗證；使用上述Landsat過境日當月T12:00的氣溫和天氣資料進行Landsat有效性驗證；使用2004-04-15、2008-01-01Quickbird的Pan-Sharping全色融合數(shù)據(jù)進行Landsat分類精度驗證和城中村提取；使用2008年樓盤圖進行住宅小區(qū)提??；使用上述Landsat過境時氣溫、濕度等資料輔助地溫反演，研究中使用的Landsat數(shù)據(jù)經(jīng)過1﹕50000地形圖進行幾何校正后，統(tǒng)一到同一坐標系統(tǒng)之下。幾何校正中，采用Erdas的多項式幾何校正法，多項式次方數(shù)為5，從1﹕50000地形圖上讀取21個地面控制點，校正誤差小于1個像元。校正出第一幅2008年的TM圖像后，采用Erdas的AutoSync模塊進行基于圖像對圖像的快速幾何校正。最后采用ArcGIS的空間配準功能進行數(shù)據(jù)細微調(diào)整。數(shù)據(jù)的投影參數(shù)為：投影坐標、UTM投影、WGS84坐標系、48投影帶。研究技術(shù)路線圖見圖2。

2.1建筑區(qū)提取采用綜合閾值法[22]提取建筑區(qū)數(shù)據(jù)（Landsat上的建筑和道路），提取精度達93%；進一步對照Quickbird數(shù)據(jù)進行精度驗證。圖3為基于2008年LandsatTM數(shù)據(jù)的建筑區(qū)提取結(jié)果與同期Quickbird數(shù)據(jù)的疊加對比。圖4為研究區(qū)1992、2000、2008年建筑區(qū)變化圖。

2.2城中村和住宅小區(qū)提取面向?qū)ο蟮倪b感圖像分類方法是高分辨率遙感影像分類的高效方法，它利用地物的光譜信息、影像對象的幾何特征、紋理特征、拓撲或鄰接關(guān)系特征、地理位置信息及影像對象之間的關(guān)系來反映地理實體之間的關(guān)系[23]。因面向?qū)ο筇崛》椒ㄉ婕暗囊蛩睾芏啵壳皼]有統(tǒng)一的標準或規(guī)律可循，本研究采用ENVI的Pansharping進行Quickbird數(shù)據(jù)全色融合后，采用FeatureExtraction模塊進行特征提取實驗，經(jīng)反復實驗，得出合適的圖像分類方案，最后用分類結(jié)果輔助手工提取甄別研究區(qū)內(nèi)的城中村（圖5）。第一步：尺度分割，參數(shù)為：Scalelevel：83.6；第二步：合并級別，參數(shù)為：Mergelevel：47.7；第三步：閾值設定，參數(shù)為：Threshold＞385.35；第四步：采用面積和第一波段灰度劃分，參數(shù)為：200＞Area＞10和Band1＞171。住宅小區(qū)的提取步驟為：先將紙質(zhì)2008年昆明市樓盤圖分塊掃描、拼接后，采用Erdas進行幾何校正和監(jiān)督分類，最后進行類型合并，得到住宅小區(qū)分布區(qū)。圖6紅線內(nèi)部為昆明市主城區(qū)的主要城中村、住宅小區(qū)分布圖。

2.3Landsat衛(wèi)星過境日Band6數(shù)據(jù)有效性驗證研究共收集35景Landsat影像，挑選出年限間隔相同、無云、數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)5景。重點對2000、2008年2景季相一致數(shù)據(jù)及2000―2001年4景數(shù)據(jù)進行分析。圖7是衛(wèi)星過境日當月T12:00的氣溫可用于代表當月平均狀況。Terra衛(wèi)星過境時間和Landsat過境的時間比較接近。下載2008-04-26ModisMOD11A1數(shù)據(jù)，使用Modisconversiontools從MOD11A1影像反演出地表溫度；下載2008-03-31—2008-04-22ModisMOD11A2數(shù)據(jù)共5景，采用ModisConversionTools反演出地表溫度并計算平均LST。表1是ModisMOD11A1反演的當日LST和ModisMOD11A2計算出的當月LST結(jié)果對比，通過2種溫標之間的換算關(guān)系：T＝t＋273.15將絕對溫度換算成我國常用的攝氏溫度。LST的均值僅差0.5℃，中值僅差0.3℃，標準差僅差0.49。研究表明：2008-04-06的數(shù)據(jù)在2008年4月里較有代表性，接均狀況，數(shù)據(jù)可用；同時表明圖像上的城內(nèi)城郊地表熱環(huán)境差異很明顯。

2.4LandsatBand6LST提取單窗算法（Mono-windowAlgorithm）是覃志豪等[24]根據(jù)地表熱輻射傳導方程，推導出的利用TM第六波段數(shù)據(jù)反演地表溫度的算法。用該法對5種標準大氣狀態(tài)進行結(jié)果驗證，發(fā)現(xiàn)地表溫度演算精度較高，平均誤差小于0.4℃[25]。黃妙芬等[26]利用實時探空數(shù)據(jù)來檢驗單窗算法反演的地表溫度，兩者差值平均為0.5℃。本研究在ERDAS的Modeler模塊中建立單窗算法來進行地表溫度反演。

3建筑區(qū)熱環(huán)境特征

3.1建筑區(qū)熱環(huán)境總體特征從2000年4個時段LadsatETM+建筑區(qū)LST影像上可發(fā)現(xiàn)六大高溫片區(qū)（圖8），主要是：A區(qū)——云南冶煉廠―紡織廠片區(qū)（小普吉）；B區(qū)——昆明市軋鋼廠片區(qū)（教場北路）；C區(qū)——劉家營―云山村片區(qū)（內(nèi)燃機廠、云山機械廠、昆明市電工總廠）；D區(qū)——黃土坡―麻園片區(qū)（昆明搪瓷廠、氧氣廠、面粉廠、冶金機械廠、無線電廠、玻璃制造廠、乙炔公司、源瑞制藥、客運站、西站綜合市場）；E區(qū)——涼亭―黑土凹―菊花村―五里多（昆明車輛段、冶金材料廠、電力電纜廠、燈泡總廠、云維糖業(yè)、石棉瓦廠、省煙草公司）；F區(qū)——昆明火車站片區(qū)。從圖8可見，2000-04-24和2008-04-06的LST分布圖中有5片相同的高溫片區(qū)：A、B、C、E、F片區(qū)。但稍有不同的是，2008年的大普吉―小普吉的區(qū)高溫島比2000年更突出，這主要是因為冶煉廠等工廠集聚，熱排放大；二環(huán)內(nèi)的B、C片區(qū)高溫區(qū)域面積逐年收縮，D片區(qū)已經(jīng)不明顯，這是由于這些區(qū)域的企業(yè)外遷或改制后，土地轉(zhuǎn)讓，工廠原址都被開發(fā)成了住宅小區(qū)。2008年新增G片區(qū)（明波立交橋）和機場片區(qū)。2008年建筑區(qū)中，地表溫度差異最小的是昆明世紀城片區(qū)（H片區(qū)），此處綠化比較好，在TM圖像上都可發(fā)現(xiàn)綠地與建筑區(qū)相間分布。表2是2000-04-24與2008-04-06建筑區(qū)LST分環(huán)路對比,通過2種溫標之間的換算關(guān)系：T＝t＋273.15將絕對溫度換算成我國常用的攝氏溫度。結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)2000-04-24的LST均值在32.05~34.25℃變化，一、二環(huán)線之間與南三環(huán)外相差2.2℃；南三環(huán)外部分LST變化最大，標準差為2.85。2008-04-06的LST均值二、三環(huán)線之間，最大值與一環(huán)相比高0.9℃；南三環(huán)外部分LST變化最大，標準差為2.76。說明LST建筑區(qū)地表溫度高溫區(qū)逐漸從一、二環(huán)間向二、三環(huán)間移動。

3.2住宅小區(qū)、城中村的熱環(huán)境特征從圖9中可見，2000-04-24，住宅小區(qū)LST均值為33.25℃，城中村LST為32.75℃，相差0.5℃。2008-04-06，住宅小區(qū)LST均值為31.15℃，城中村LST均值為32.15℃，城中村LST均值比住宅小區(qū)高1℃。住宅小區(qū)相對于城中村的LST變化，說明隨著城區(qū)綠化、小區(qū)綠化的改善，住宅小區(qū)的熱環(huán)境狀況得到有效緩解。相比較而言，2個時期住宅小區(qū)的LST標準差都比城中村高（表3），即住宅小區(qū)溫度波動范圍比城中村大。原因是住宅小區(qū)景觀、周邊綠地、內(nèi)部綠地差異較大，而城中村的綠化、景觀設計等處于較低水平。2個監(jiān)測期的城中村和住宅小區(qū)均溫對比，都分別有：一環(huán)內(nèi)住宅小區(qū)＞一、二環(huán)線間住宅小區(qū)＞二、三環(huán)線間住宅小區(qū)＞南三環(huán)外區(qū)域住宅小區(qū)LST；一環(huán)內(nèi)城中村＞一、二環(huán)線間城中村＞二、三環(huán)線間城中村＞南三環(huán)外區(qū)域城中村（表4）。這從另一個側(cè)面證明了城市熱島的真實存在。

4結(jié)論與討論

采用Landsat衛(wèi)星過境日ModisMOD11A1數(shù)據(jù)、當月ModisMOD11A2數(shù)據(jù)、當月逐日T12:00點溫度數(shù)據(jù)對LandsatTM數(shù)據(jù)進行驗證，最后選取出的LandsatTM數(shù)據(jù)具有代表性。運用ENVI的FX模塊建立了昆明市城中村提取模型。從2000―2001年4期ETM＋數(shù)據(jù)建筑區(qū)溫度分布圖上發(fā)現(xiàn)六大高溫片區(qū)，主要是：A區(qū)——云南冶煉廠―紡織廠片區(qū)（小普吉）；B區(qū)——昆明市軋鋼廠片區(qū)（教場北路）；C區(qū)——劉家營―云山村片區(qū)（內(nèi)燃機廠、云山機械廠、昆明市電工總廠）；D區(qū)——黃土坡―麻園片區(qū)（昆明搪瓷廠、氧氣廠、面粉廠、冶金機械廠、無線電廠、玻璃制造廠、乙炔公司、源瑞制藥、客運站、西站綜合市場）；E區(qū)——涼亭―黑土凹―菊花村―五里多（昆明車輛段、冶金材料廠、電力電纜廠、燈泡總廠、云維糖業(yè)、石棉瓦廠、省煙草公司）；F區(qū)——昆明火車站片區(qū)。低溫片區(qū)包括：翠湖―圓通山片區(qū)和大觀河―滇池片區(qū)。2008-04-06的LST分布圖上和2000-04-24有相同的5塊高溫片區(qū)，但范圍都有所收縮，同時新增機場片區(qū)和明波立交橋片區(qū)兩大高溫片區(qū)。城中村LST、住宅小區(qū)LST都存在：一環(huán)內(nèi)＞一、二環(huán)線間＞二、三環(huán)線間＞南三環(huán)外區(qū)域的特征。研究中甄別出了LST較高和較低的城中村和住宅小區(qū)。2000-04-24，住宅小區(qū)LST均值比城中村LST高0.5℃。2008-04-06，城中村LST均值比住宅小區(qū)高1℃；2個時期住宅小區(qū)溫度范圍波動均比城中村大。本文采用了Modis數(shù)據(jù)和適時氣象數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)有效性驗證；采用了基于Quickbird的面向?qū)ο蠓诸惙椒?，建立模型來提取城中村；研究把基于LandsatTM的熱環(huán)境研究推進到小區(qū)和城中村并分環(huán)路進行了對比。遙感應用于城市熱環(huán)境研究，需考慮分辨率、時像、數(shù)據(jù)代表性、研究尺度、LST與真實氣溫差異等問題；基于多源數(shù)據(jù)的城市熱環(huán)境研究，有待同仁進一步深入。