基于Landsat 8影像的重庆主城区线性水体夏季冷岛特征研究.pdf

106图 1研究区卫星影像图（图片来源：作者自绘）引言根据国家统计局重庆市第七次全国人口普查公报，重庆市常住人口城镇化率 69.46%，比第五次全国人口普查重庆市常住人口城镇化率提高 36.37%1。城市化进程发展迅猛，导致城市人口密度迅速增长，所带来的城市热岛效应造成了夏季持续的高温天气。再者，由于重庆的地势处于四面环山的低海拔位置，再加上夏季副热带高压和大气高压，热气难以向四周散开，造成夏季高温、高湿的气候现象。但是，贯穿整座城市的线性水域长江、嘉陵江，不仅是城市中的重要景观和发展建设的中心轴线，同时也承载了城市大型冷源的作用。因此，滨水空间成为夏季烈日下宜人气候的空间载体，是城市居民休闲游憩活动的重要场所。与城市热岛效应相对应，城市冷岛效应是因植被和水体吸收大量潜热而形成的不同于其他下垫面的降温增湿生态作用。其中，水体对城市的热岛缓解作用更加明显，是调节城市微气候的关键所在。国内外对城市水体缓解城市热岛效应的现象展开了广泛的研究，主流研究方法分为三类，一是地面实测2；二是遥感监控3,4；三是数值模拟5。但目前研究对象较多为面状水体，对于城市线性水体的研究较少；研究方法较多选择实测，对于遥感监测的应用还处于探索阶段。重庆地区的山地地貌造就了多变的气候环摘要：随着城镇化建设的逐步深入，城镇建设量不断增加，由此带来的热岛效应日益显现。有关研究表明，城市水域空间相对绿化空间而言，改善城市热岛现象的成效更为显著。为探究城市中大型水体在调节城市热岛效应中的作用，文章以内陆山水城市重庆，为研究对象，运用遥感技术，提取地表覆盖类型信息和地表温度，了解重庆主城区线性水体的夏季冷岛特性，为改善滨水空间热环境提供数据支撑和参考。Abstract：With the gradual deepening of urbanization,the amount of urban construction is increasing,and the heat island effect is increasingly apparent.Relevant studies show that the improvement of urban water space is more significant than that of green space.In order to explore the role of urban medium and large water bodies in regulating urban heat island effect,this paper takes Chongqing,an inland landscape city,as the research object,and uses remote sensing technology to extract land cover type information and surface temperature,so as to understand the summer cold island characteristics of linear water bodies in Chongqings main urban area,so as to provide data support and reference for improving the waterfront spatial thermal environment.关键词：Landsat 8；重庆市；线性水体；地表温度；夏季冷岛特征Keywords：Landsat 8；Chongqing City；linear water；surface temperature；characteristics of cold island in summer文周春艳吉林建筑大学建筑与规划学院教 授（通讯作者）谭梦绮吉林建筑大学建筑与规划学院硕士研究生DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.10.033Characteristics of Linear Water Cold Island in Summer in Chongqing City based on the Landsat 8 Image基于 Landsat 8 影像的重庆主城区线性水体夏季冷岛特征研究境，加上大气环境小于局地气候的作用影响，气候规律难以统一概括6。遥感（Remotesensing）监测法7-9具有连续性、完整性和实时性，弥补了传统地面观测法的不足，为研究城市热岛效应提供了更为科学的数据支持。因此，本文的研究将利用遥感监测法进行数据采集。1 研究区域概况和数据来源1.1 研究区域概况本文选取重庆市主城区的长江、嘉陵江为研究对象。长江自西向东横贯全境，嘉陵江自西北于渝中区汇入长江，流经区域包括沙坪坝区、渝中区、渝北区、南岸区、九龙坡区、大渡口区、江北区、北碚区、巴南区等 9 个行政区（图 1）。该水体流域广袤，资源丰富，经重庆市水利局检测，长江重庆段江面宽度普遍在 200 800m之间，最宽处达 1200m；重庆嘉陵江河道宽度平均在600m以上。重庆地区属于夏热冬冷地区，夏季平均气温 20 27，曾出现连续数日持续夏季高温 40，最高气温达 45。近年来，主城区随着建设量的增加，人工下垫面比例与日俱增，城市热岛效应日趋严重。1.2 数据来源与预处理本研究所选用的数据源主要有遥感数据和行政区边界数据。遥感数据以 Landsat 8 为数据源，Landsat 8 于 2013 年 2 月 11 日发射升空后运行至今，携带有两个主要载荷：OLI 和TIRS。其中 OLI 陆地成像仪包括 9 个波段，空间分辨率为 30m，TIRS 包括 2 个单独的热红外波段，分辨为 100m，具有多波段、高辐射分辨率等优势。本文采用 2022 年 8 月 20 日重庆地区的Landsat 8 OLI 影像，下载自美国地质调查局城市设计CITY DESIGN107235|2023|10城市设计（http:/glovis.usgs.gov/），筛选云量小于 5%的遥感图像。然后利用 ENVI5.2 中的 FLASH 对Landsat 8 卫星所获得的多光谱数据进行大气校正，能够有效消除大气中多种物质的影响，可以获得较为真实的反射率。利用归一化差异水体指标对水体范围进行提取掩膜处理，排除了水体反演地表温度对水体的干扰。2 地表覆盖类型分析2.1 区域界定建立缓冲区是分析水域对周围热环境影响的一种常见方式，用以分析辐射温度随着距离水体的远近发生的变化。根据线性水域的冷岛效应特点10和滨水空间结构11的特点，本研究区域以线性水体为导向，向两侧延伸 0.5km，并将缓冲区依据行政区边界线分为 10 个分区，以便探究温度的变化（图 2）。2.2 地表覆盖类型的提取本文采用 ENVI5.2 土地监督分类12，即用已确认样本的像元来认定其他不明的像元，同时参考了地表利用现状分类13，将本研究区的地表覆盖类型分为不透水面类、林地类、草地类、裸地类、水体类等 5 个大类（图 3）。本研究区地表覆盖面积最高为不透水面，占46%，最低为裸土，占 3%，而且在中部和南部水域的占比较高，可见该区域水体周围人工建设量非常高；植被（草地、林地）覆盖面积占 32%，水体占 19%，合计 51%，可见具有冷岛效应的植被与水体覆盖面积与产生热岛效应的不透水面和裸土覆盖面积比例几乎持平（见表 1）。但林地多分布于西北侧的水体，草地多分布于东侧的水体。3 水体冷岛特征分析3.1 地表温度反演本文采用辐射传输方程法（Transferequation）反演地表温度，又称大气校正法14。其原理是利用与卫星过境时间同步的大气数据来估计大气对地表热辐射的影响，将这部分大气影响从卫星的高度传感器观测到的总热辐射中去除，从而得到地表热辐射强度，并通过以下公式最终将这一热辐射强度转化为地表温度。其特点是反演精度更高，应用范围更广。辐射传输方程：热红外波段的辐射亮度：地表真实温度：其中：是卫星传感器接收到的热红外辐射亮度，是大气向上辐射亮度，是大气向下辐射亮度，为地表辐射率，为地表真实温度，为大气在热红外波段的透过（1）研究区域图（2）缓冲区分区图图 2研究区域图和缓冲区分区图（图片来源：作者自绘）表 1缓冲区植被、土壤和不透水面的覆盖度（表格来源：作者自绘）图 3地表覆盖类型划分（图片来源：作者自绘）108率，为由普朗克定律推导得到的黑体在的 热 辐 射 亮 度；在 Landsat8 TIRS 10 中，根据公式（1）（3）计算本研究区地表温度的空间分布（图 4）。由此可以看出，本研究区自北向南、自西向东的气温呈现逐步升高的趋势。最高地温为 46.89，最低地温为15.3，平均地温为 32.89。与图 3 中的地面覆盖物类型做对比，可以看出，水体周边的植被覆盖率越高，冷岛效应越明显；其次，林地的冷岛效应要优于草地。3.2 水体冷岛降温特征根据冷岛效应的定义15，城市的冷岛效应与地表温度（LST）、降温幅度（）、降温范围（）有着密切关联。将水体周围地表温度与其距水岸的距离绘制成曲线（图 5），可以看出，其沿岸缓冲区的地表温度与距离水体的长度成正比，但当距离达到一定值后，地表温度随距离增加的变化趋于平缓，这一现象说明水体的冷效应具有一定的影响范围。有研究表明16，温度曲线的第一个折点即为水体冷岛效应的有效范围，因此从图 5 中，我们可以获得每个区块的面积、降温幅度（）、降温范围（）和水体温度（），其中 为地表温度曲线第一转折处温度与水体内部温度之差，为第一转折处温度到水体温度的距离，即水体冷岛效应的最大距离，为区块内水体的平均温度（表 2）。根据表 2 可知，5 个缓冲区的水体降温距离为：0.141 0.219km（平均 0.18km）；水体自身的温度为24.3528.13（平均26.23）；水体的有效降温幅度为：8.29 15.64（平均11.97）。结语本章以贯穿重庆市主城区的主要线性水体长江、嘉陵江为研究对象，基于 Landsat 8 遥感数据探讨了水体冷岛效应的降温特征，得到以下结论：（1）根据地表利用现状分类，本研究区将下垫面分类分解为不透水面、林地、草地、裸地和水体，其中不透水面与其余四类下垫面类型比例几乎持平，说明该区域人工建设程度较高。通过归纳地表覆盖类型的温度范围区间得出，若周边环境中存在一定面积的植被，则水体的降温范围与降温幅度较大；若周边环境中存在大面积的不透水面或裸土，则水体的降温范围与降温幅参考文献：1重庆市人民政府第七次全国人口普查领导小组办公室.重庆市第七次全国人口普查公报R.重庆:重庆市统计局,20212Stone B,Norman J M.Land use planning and surface heat island formation:A parcel-based radiation flux approachJ.Atmospheric Environment,2006,40(19):3561-3573.3Rao P K.Remote sensing of urban heat islands from an environmental satelliteJ.Bulletin of the American Meteorological Society,1972,53(07):647.4夏俊士,杜培军,张海荣,等.基于遥感数据的城市地表温度与土地覆盖定量研究J.遥感技术与应用,2010,25(01):15-23.5郑晓,周华,叶芸,等.基于CFD对住宅区的建筑物理环境模拟分析研究J.绿色建筑,2021,13(06):100-103.6张桂玲.山地城市近地层风环境的数字化研究D.重庆大学,2016.7张翠峰,万计,罗含之,等.基于遥感技术的长沙城市热岛效应特征分析J.城市勘测,2022(05):90-95.8叶昊.基于遥感影像处理技术的城市热岛效应分析研究J.测绘技术装备,2022,24(02):16-22.9冯瑞.基于机器学习的西安市近地表气温估算及城市热岛效应研究D.长安大学,2022.10王泽宇.城市水域景观的热环境响应研究D.中国地质大学,2017.11邓鑫桂.滨水住区夏季热环境特征及其影响因子研究D.华中农业大学,2016.12何立恒,覃伟,徐迅.不同分类方法在土地利用信息提取中的精度对比J.现代测绘,2018,41(05):26-30.13苗正红,于亚楠,邸健,等.基于遥感技术的老龙口水库地表温度反演与影响因素分析研究J.水利水电技术:中英文,2022,53(10):144-154.14花利忠,孙凤琴,陈娇娜,等.基于Landsat-8影像的沿海城市公园冷岛效应以厦门为例J.生态学报,2020,40(22):8147-8157.15贾琦.城市绿色空间演化及其冷岛强度遥感分析D.天津大学,2015.16熊鹰,章芳.基于多源数据的长沙市人居热环境效应及其影响因素分析J.地理学报,2020,75(11):2443-2458.度较小。可见在滨水空间增加绿植覆盖面积可以更大程度利用水体的冷岛效应。（2）通过本研究区地表温度反演得出重庆主城区夏季线性水体的平均降温范围为0.174km，平均降温幅度为 11.06。可见水体对周围热环境的影响范围存在阈值，超过该阈值，影响变小。综上可见，重庆市主城区线性水体在夏季具有明显的缓热作用，通过了解水体冷岛效应的作用规律，定量统计冷岛效应的降温范围和降温幅度，可以对滨水空间的设计起到指导和参考作用。表 2水体样点的空间特征及其温度（表格来源：作者自绘）图 4滨水空间地表温度（图片来源：作者自绘）图 5水体冷岛降温特征图（图片来源：作者自绘）