城市热岛效应遥感监测

16．3　城市热岛效应遥感监测

城市热岛是城市化气候效应的主要特征之一，是城市化对气候影响的最典型的表现。目前研究城市热岛效应的角度主要有以下三个方面:

(1)从气象学角度的研究，包括利用气象模型进行的研究、热岛与大气污染之间的关系、热岛与城市植被的关系等。

(2)从建筑学的角度，研究建筑与热岛效应之间的关系。

(3)从遥感的角度，基于温度的城市热岛监测方法来研究城市热岛效应。

田平(2006)等人以ETM+遥感影像作为数据源，提取杭州市区地表亮温和NDVI数据，然后利用监督分类等方法，得出杭州市区热岛强度与NDVI之间的定量关系模型，较好地反映了该区域热岛效应和植被覆盖指数的关系。许军强(2007)等人借助不同时相的TM/ETM+遥感影像，通过计算其亮温变化，研究了长春市近12年热岛效应的时空演化规律。武佳卫(2007)等人以TM和ETM+遥感影像作为数据源，反演上海市地表温度，以此来分析上海城市热岛扩展的时空演变格局，揭示出地表温度与植被覆盖具有强烈的负相关关系，植被分布面积的增加对城市热岛强度的降低具有积极作用。

遥感是用传感器接收地物反射辐射或发射辐射的能量，研究城市热岛效应一般选用热红外扫描影像，在陆地卫星遥感使用的10．4～12．5μm热红外波段中，太阳辐射能量很小，绝大部分能量来自大地辐射。尤其在白天，热红外波段遥感所对应的只有大地热辐射，太阳辐射的反射可忽略不计。它主要反映的是地物在热红外区的辐射能量值，地物的辐射能量与温度的关系可由斯蒂芬—玻耳兹曼定律表示为:

W=εσT⁴　　　　　　(16-1)

其中:W为地物在热红外区的辐射能量值;ε为辐射体的发射率(≤1)，σ为斯蒂芬—玻耳兹曼常数，T为地物的热力学温度(K)。

亮温和地温密切相关，而气温又主要来自地面的长波辐射，所以亮温、地温和气温三者是密切相关的。一般认为，三者之间可以相互换算，这便是利用遥感影像进行热岛效应监测的理论基础，实际应用中由于城市范围不大，有时也可以直接利用亮温表征城市热岛，称为城市亮温热岛，用亮温对城市下垫面热场分布作对比研究，具有简便易行、速度快、资料同步、点位密集等优点。

利用遥感图像模拟城市温度的主要思路为:首先，建立亮温计算模式，将热红外图像的灰度值转变为亮温(辐射温度)数据，再通过一定的回归分析模式，将亮温转化为地面的气温，最后应用图像处理的方法，将图像所表达的热红外信息用符合视觉感受的颜色序列表达出来。计算亮温之前，通常会采取某些图像处理手段对热红外图像进行处理，以便得到较好的处理效果。

利用热红外波段反演地面亮温时，实际中会有一定的误差，这主要与模型中所采用的参数有关，比如说地物的ε值随着地物材料的不同会有所差异，但是实际的测量又比较困难。为使反演的地面热场更加精确，目前一般采取热红外波段数据加入其他辅助数据，并且改进反演模型，将诸如人工神经网络等新算法引入反演流程，以提高其精度。此类方法的基本框架见图16-17。

图16-17　反演地温流程图

基于遥感影像亮温图，一般可得到热岛效应的时空分布规律:城区温度高于郊区，建成区为高温区;按功能分区的城市温度分布规律为:工业区＞居住区＞植被区＞水域。