城市绿地对北京市热岛强度的影响_张旭萍.pdf

第 卷 第 期 年 月 北京测绘 引文格式：张旭萍城市绿地对北京市热岛强度的影响北京测绘，（）：，（）：收稿日期 基金项目 北京市科技计划（）作者简介 张旭萍（），女，北京人，硕士在读，研究方向为地理信息科学和遥感。：城市绿地对北京市热岛强度的影响张旭萍（北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京）摘 要针对北京市热岛效应日益加重的问题，提出了基于陆地卫星 号（）所携带的陆地成像仪（）和热红外成像仪（）的 数据反演地表温度、计算植被覆盖度的方法；并构建地表温度反演模型，探究北京市热岛效应与城市绿地面积关系。实验结果表明：高温区大部分集中在中心城区，并向周围的郊区的平原地带呈辐射状扩散，随着城区绿地面积增加，植被覆盖度上升的同时城区的热岛强度也呈下降趋势，说明城市绿地面积的增加与热岛效应呈负相关关系。关键词 热岛效应；城市绿地；地表温度反演；辐射传输方程法中图分类号 文献标识码 文章编号（）引言随着城市建设的快速发展，北京的城市范围在迅速扩张，城市内大量的混凝土、柏油路面及各种建筑墙面等人工构筑物，极大地改变了原有的自然下垫面热力属性，城市热岛效应也变得越来越明显。近年来为缓解城市热岛效应，增加绿地等非建设用地也让城市环境发生了变化，众多学者开展了相关研究。高分辨率遥感技术能够全天候，大范围监测作为热岛效应重要依据的地表温度，单窗算法、劈窗算法以及辐射传输方程法等地表温度反演算法也弥补了获取地表温度数据难的缺陷，并能够全面监测植被的分布情况，可反映城市绿地的变化。热岛效应的表达方式也有许多，如相对地表温度、地表温度距平值等，但目前较少分析热岛效应变化的原因。本 文 将 基 于、年 的 数据，反演地表温度，并以地表温度为基础，使用密度分割法对热岛强度进行分级计算北京市的植被覆盖率，分析北京市 年、年的热岛效应与城市绿地面积变化的关系。工作流程北京市地表温度反演、植被覆盖度计算及热岛强度分级具体工作流程见图。其中 为归一化植被指数（，），为 表 观 反 射 率（，）。研究方法 研究区概况及数据来源北京市位于东经 ，北纬，总面积 ，为典型的温带大陆性季风气候。数据来源为北京市、的 数据，已经过系统辐射校正和几何校正，坐标系为通用横轴墨卡托投影（，）；波段 分辨率第 卷 第 期张旭萍城市绿地对北京市热岛强度的影响图 工作流程图为 、波段、为 、其余波段为 。使用条带号，行编号 的数据，成像日期为 年 月 日和 年 月 日。数据预处理使用 软件的 功能将下载得到的 全波段 灰度图像合成为 格式的图像。将研究城市边界的矢量 文件转换为 文件，按城市边界对 图像进行裁剪。基于辐射传输方程法反演地表温度 辐射定标计算辐射定标是将记录的 值转换为辐射亮度值。合成 影像数据中波段 的 值转换为 辐射亮度的计算过程参照式（）。（）式中，为 辐射亮度；为增益参数；为偏移参数；为 数据的 值。同时 波段、波段 的 值转换得到 的计算过程参照公式（）。（）（）（）式中，为；为增益参数；为偏移参数，为 数据的 值；为当地的太阳高度角。计算及地表发射率估算基于 计算的，计算 值（式中用 表示）的过程参照式（）。（）式中，和分别为波段（近红外波段）和波段（红波段）的。取值范围为，。使用 经验公式估算地表发射率。.（）（）式（）适用于非自然地表区域（如城市地表）。但由于城市建成区内分布着许多建筑物、河流、湖泊等水体，因此需根据的大小订正地表发射率：当.时，.；当.时，.；当.时，.（）；当.时，.。同温度黑体辐射亮度计算辐射传输方程法可最大程度去除大气对结果的影响，并且反演的温度精度较高，可较为准确地表示地表温度分布。黑体辐射亮度的计算公式为：（）（）式中，为地表真实温度；（）表示温度为的黑体辐射亮度；为波段 的 辐射亮度；为大气向下辐射亮度；为大气向上辐射亮度；为热红外波段的大气透过率。其中大气透过率（）、大气向上辐射亮度（）、大气向下辐射亮度（）具体见 网站（：）。地表温度计算根据式（）计算 波段 的地表实际温度。（）|（）式中，.，.。以 的波段、波段、波段 的图像数据为基础，依据上述公式使用 软件的 功能计算得到相应的地表温度。植被覆盖度计算基于植被覆盖度可表达城市绿地分布，利用.节中所计算出的 值，依据式（）计算植被覆盖度。北京测绘第 卷 第 期c （）式中，c为植被覆盖度；是 计算结果的最小值；是 计算结果的最大值。依据上述公式使用 软件的 功能计算得到相应的植被覆盖度。热岛强度分级由于遥感图像获取的时间与实时环境不同，所以反演得到的地表温度难以进行对比分析，需将反演出的地表温度结果按一定区间进行划分，得到热岛强度等级分布，以对比分析不同时间图像。使用密度分割法，利用地表平均温度，按式（）计算温度阈值范围。（）式中，为计算出的温度阈值范围；为地表温度的平均值；为地表温度的标准差；为标准差的倍数。热岛强度分级按式（）划分如下：热岛强度 级温度范围为 ，热岛强度 级温度范围为 ，热岛强度 级温度范围为 ，热岛强度 级温度范围为 ，热岛强度 级温度范围为 ，热岛强度 级温度范围为。实例分析参照式（）式（），使用 的 功能计算得到北京市 年 月 日、年 月 日地表温度及植被覆盖度数据分布如表 所示。表 北京市各项计算结果日期地表温度.地表温度.地表温度.（标准差）.当日最高气温.当日最低气温.植被覆盖度.气温资料来源于全球天气网（），历史天气查询根据计算结果，基于式（）得到北京市热岛强度分级图，具体见图。(a)2015年5月18日050100km热岛强度分级1级2级3级4级5级6级N(b)2017年5月7日050100km热岛强度分级1级2级3级4级5级6级N图 、北京市热岛强度分级审图号：（）号从图 可知，地表温度反演结果清晰，能够反映出 年 月 日、年 月 日北京市的热岛强度。部分结果数值偏大的原因是反演的结果是当日地表温度，可能高于当日气温。结合表、图 可知，到 年，北京市温度呈上升趋势，城六区与以山区为主的郊区温差显著，说明北京市热岛效应明显。年 月 日城六区的热岛强度主要为 级和 级，强度为 级的区域较多，与周围郊区的热岛强度有较大差第 卷 第 期张旭萍城市绿地对北京市热岛强度的影响距。而 年 月 日的温度虽然整体上升，但郊区的气温，特别是离城六区较近的区域，由于城市进一步发展上升较为明显，与城六区的温度差异变小，是导致城六区的热岛等级有明显从 级向 级减弱的原因之一。由表 可知，从 年到 年北京市植被覆盖度的平均值上升了.，植被覆盖度高的地方集中在山区，该区域温度较低，热岛强度较弱。根据中国城市统计年鉴、年北京市相关数据，北京市城市绿地面积从 年到 年上升了 ，增加约；其中公园绿地面积上升了 ，约占上升面积的；说明北京市正积极进行公园绿化，对减缓热岛效应起到了一定作用。结束语本次研究以、年的 数据为数据源，对北京市夏季的地表温度进行反演，计算植被覆盖度，并使用密度分割法对地表温度反演结果进行分级，以进行相同区域不同时期的热岛强度结果对比分析，结果表明：北京市高温区大部分集中在中心城区，并向周围的郊区呈辐射状扩散，但城区与郊区的地表温度差距较大，表明城市热岛效应依然明显。植被覆盖度较高的地区地表温度相对较低，而城区植被覆盖度上升的同时城区的热岛强度也呈下降趋势，城市绿地面积的增加与热岛效应呈负相关。除了自然形成的山区等植被覆盖度高的地区，公园绿地面积的增加也是缓解城区热岛强度的重要原因。在 年至 年中，公园绿地的增长面积占城市绿地总增长面积的，说明增加公园绿地对缓解热岛效应是有效的举措，应当给予支持。在城市建成区用地紧张的情况下，应根据当地的具体情况，采取多样化的绿化措施，例如屋顶绿化、空间立体绿化等措施，增加总体绿地量。实际应用中不可避免地会有云层或大气因素干扰，在后续研究中将进一步优化遥感数据预处理以及地表温度反演算法，尽量排除云层等因素的影响，提高结果的准确性。参考文献 彭保发，石忆邵，王贺封，等城市热岛效应的影响机理及其作用规律 以上海市为例地理学报，（）：邱海玲，朱清科，武鹏飞城市绿地对周边建设用地的降温效应分析中国水土保持科学，（）：刘苏庆，陈建平，李诗北京城区 年地表温度反演及因素分析地质学刊，（）：刘晶 基于 数据的地表温度反演算法对比 西安：长安大学，何欣 基于热岛效应的哈尔滨城市绿地降温研究哈尔滨：哈尔滨工业大学，胡姝婧，胡德勇，李小娟，等京津冀都市圈热环境空间格局遥感分析国土资源遥感，（）：潘欣，刘冰，刘凤伟，等基于 的绿地格局对地表热环境的影响研究北京测绘，（）：，（）：段金馈基于 数据的地表温度反演算法对比分析 以北京市为例 安徽农学通报，（）：吴志刚，江滔，樊艳磊，等基于 数据的地表温度反演及分析研究 以武汉市为例工程地球物理学报，（）：赵晓旭，刘晓建，高开强基于辐射传导方程法的地表温度反演北京测绘，（）：，胡平 基于 的成都市中心城区城市热岛效应研究成都：成都理工大学，李苗苗 植被覆盖度的遥感估算方法研究北京：中国科学院研究生院（遥感应用研究所），贾琦 城市绿色空间演化及其冷岛强度遥感分析天津：天津大学，白杨，孟浩，王敏，等上海市城市热岛景观格局演变特征研究环境科学与技术，（）：周雯，曹福亮，张瑞，等绿地格局对城市地表热环境调节作用的多尺度分析南京林业大学学报（自然科学版），（）：北京测绘第 卷 第 期 （，）：，（）（），：；