全 文 ：基于 RS的郑州市城市热岛效应时空演变*
段金龙摇 宋摇 轩摇 张学雷**
( 1 郑州大学自然资源与生态环境研究所, 郑州 450001; 2 郑州大学水利与环境学院, 郑州 450001)
摘摇 要摇 采用郑州市 1988 年 5 月 14 日 Landsat 卫星 TM 传感器遥感影像和 2001 年 5 月 10
日 ETM+传感器遥感影像以及当地相关气象资料,利用单窗算法反演计算了卫星图像的亮度
温度并以此制作出相关专题图.结果表明:随着郑州市建成区的不断扩大,城市热岛效应不断
加剧,与 1988 年相比,2001 年市区高温区域向东北和西南方向存在明显偏移与扩张,这与低
植被覆盖区域和城镇居民用地变化趋势基本相同.为缓解城市热岛效应的不断加剧,在城市
化的同时应注重绿化工作并选用合理的绿化方式.
关键词摇 城市热岛效应摇 郑州市摇 陆面温度摇 遥感摇 下垫面
文章编号摇 1001-9332(2011)01-0165-06摇 中图分类号摇 P4摇 文献标识码摇 A
Spatiotemporal variation of urban heat island in Zhengzhou City based on RS. DUAN Jin鄄
long, SONG Xuan, ZHANG Xue鄄lei ( 1 Institute of Natural Resources and Eco鄄environment, Zheng鄄
zhou University, Zhengzhou 450001, China; 2School of Hydraulic and Environmental Engineering,
Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(1): 165-170.
Abstract: By using two Landsat remote sensing images (May 14, 1988 by TM sensor and May 10,
2001 by ETM+ sensor) and local meteorological data, this paper analyzed the causes and harms of
urban heat island (UHI) in Zhengzhou City. The brightness temperatures of the images were calcu鄄
lated by mono鄄window algorithm, and related thematic maps were figured out. The results showed
that with the expanding urban area of Zhengzhou City, the UHI effect was growing. Comparing with
that in 1988, the high鄄temperature region of the City in 2001 had a clear shift and expansion to鄄
wards northeast and southwest, being similar to the change trends of the low vegetation coverage ar鄄
ea and urban land area. In order to alleviate the growing UHI effect, attentions should be paid on
the urban greening work and the choice of reasonable greening patterns in the process of urbaniza鄄
tion.
Key words: urban heat island (UHI); Zhengzhou City; land surface temperature; remote sensing;
underling surface.
*国家自然科学基金项目(40671012)和河南省重大公益性科研项
目(081100911500鄄1,081100911600鄄1)资助.
**通讯作者. E鄄mail: ZXLzzu@ zzu. edu. cn
2010鄄07鄄28 收稿,2010鄄10鄄26 接受.
摇 摇 当前城市化建设进程不断加快,城市环境问题也
日益严重,热岛效应是其中之一,它是城市不同于其
他区域气候最明显的特征之一,表现为城市比周围非
城市化地区的地表温度和大气温度高,而这一现象在
晚上表现更为突出. 早在 19 世纪,英国气象学家
Howard[1]就指出伦敦市中心的气温比周围乡村气温
高.国内学者徐祥德[2]认为城市热岛效应的形成主要
是由以下 3个方面因素决定:城市下垫面特性;城市
大气污染和人工热源;城市所处气候条件.
过去人们对城市热岛的研究主要是通过同时期
城市与郊区的气温对比或同一城市不同发展阶段的
气温对比来获取有关规律,多采用定点定时气温测
点的实测数据来研究其中的变化趋势[3-6] . 随着遥
感科学技术的发展,各种传感器综合平台被用来研
究城市热岛效应,其中热红外遥感技术的应用愈加
广泛. 丁金才等[7]、周红妹等[8-9]和陈云浩等[10]以
NOAA和 TM数据为基础,分别从建成面积、土地利
用类型、人为热、风向、风速等方面对上海市区城市
热岛效应进行了研究. Carnahan 等[11]应用 Landsat
卫星 TM传感器的热红外波段数据研究了美国城市
印第安纳波利斯的区域地表温度特征,通过与乡村
地表温度的对比发现在某一时期城市地域表现出更
低的地表辐射温度. Tran 等[12]综合利用 MODIS 和
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 1 月摇 第 22 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2011,22(1): 165-170
TM数据对东京、北京、上海、汉城、平壤、曼谷、马尼
拉和胡志明市的热场状态进行了分析,研究了昼夜
变化和季节变化特征与植被状况、热场空间分布模
式、城市自身热辐射之间的关系.
热红外遥感技术较为复杂,如地表发射率的测
定、大气效应订正、温度与发射率的分离和非同温像
元混合问题等,这使得反演陆面表面温度复杂了许
多[13] .基于遥感技术进行的城市热岛效应研究的核
心是陆面温度的反演,目前主要有 3 种反演方法:单
窗算法、分裂窗算法和组分温度反演法.其中单窗算
法利用卫星一个热红外通道的遥感辐射值来实现温
度的反演,主要用于对 TM和 ETM+数据的陆面温度
反演;分裂窗算法是针对 NOAA / AVHRR 开发的陆
面温度反演算法;组分温度反演法可以更精确地计
算像元内部不同物质的温度差别,是陆温反演发展
的重要方向.本研究所用数据为 TM与 ETM+传感器
图像,此数据只有一个热红外波段,因此采用覃志豪
等[14]推导出的陆温反演单窗算法来反演郑州市陆
面温度.
城市热岛效应造成了很多不利影响[15],如热岛
效应产生的上升气流,使城市中的有毒有害气体和
灰尘微粒等杂质上升,加剧了城市的光化学污
染[16];高温使城市的用电量和用水量增大;城市人
居舒适度的降低等.因此,在城市化进程高速发展的
今天,对城市热岛效应进行深入研究具有重要意义.
本研究利用郑州市陆面温度的反演结果,结合获取
的遥感数据,初步探讨了郑州市热岛演变的原因,以
期为改善郑州市城市人居环境和减弱城市热岛效应
提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
郑州市(34毅44忆 N, 113毅37忆 E)是河南省省会,
处于河南省中部偏北伏牛山脉向黄淮平原的过渡地
带.郑州市地势由西南向东北逐步倾斜,西南部是黄
土丘陵,向北过渡为黄土平原,向东是黄淮冲积平原
和小范围的砂丘、砂地. 全市平均海拔高度 110 m,
属于北温带季风气候,年平均气温 14郾 4 益,年平均
降水量 640郾 9 mm.
1郾 2摇 数据来源
本研究选用美国地球资源卫星(Landsat)图像
作为遥感数据源,选取 1988 年 5 月 14 日和 2001 年
5 月 10 日覆盖郑州地区的两个时相的影像数据,其
中 1988 年的数据为 TM 数据,2001 年的数据为
ETM+数据.其他相关资料包括:河南统计年鉴(1988
年和 2001 年)和郑州市相关气象资料(中国地面国
际交换站气候资料日值数据集)等.
1郾 3摇 研究方法
首先使用单窗算法计算像元亮度温度值,获取
郑州市亮度温度分布专题图和相关统计数据;通过
计算遥感数据的归一化植被指数 ( NDVI),得到
NDVI专题图和相关统计数据;最终结合以上两组数
据和其他相关数据进行综合分析. 其中专题图的获
取在 ArcGIS 9郾 2 和 ENVI 4郾 2 环境下进行.
对于 TM数据的热红外波段来说,像元的亮度
值越大,陆面温度越高,反之亦然. 利用 TM 热数据
(TM6)计算亮度温度的过程就是把图像灰度值(DN
值)先转化为相应的热辐射强度值,然后利用热辐
射强度值推算出所对应的亮度温度值[14] .
L(姿) = 0郾 1238 + 0郾 005632156QDN (1)
式中:L(姿)为 TM 传感器接收到的辐射强度(mW·
cm-2·sr-1·滋m-1);QDN为图像像元的 DN值.
T6 =K2 / ln(1+K1 / L(姿)) (2)
式中:T6 是 TM6 的像元亮度温度(K);K1 和 K2 为
常量,K1 = 60郾 776 mW·cm-2 ·sr-1 ·滋m-1,K2 =
1260郾 56 K.
由式 1 和式 2 可以计算出热红外波段每个像元
点的亮度温度值,而像元点实际温度值的计算还需
要考虑地表比辐射率、大气平均作用温度和大气透
射率 3 个参数.像元点的亮度温度值与实际温度值
存在显著的线性关系[17],在天气干燥的情况下,两
者之间相差约 5 益 ~10 益,而在空气湿度较大的情
况下,这一差距可达 15 益以上[18] .郑州市气象资料
显示,1988 年 5 月 14 日的平均温度为 22郾 8 益,2001
年 5 月 10 日为 22郾 1 益,温度值相近,同时两图像获
取日前后 3 日内都没有降水,大气稳定,空气干燥,
这对城市热岛的形成极为有利. 由于本文目的是研
究热岛的时空演变,对像元点温度准确值的反演并
不十分依赖,因此在本研究中使用亮度温度值近似
代替陆面实际温度值.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 郑州市专题图分析
2郾 1郾 1 郑州市多波段合成影像摇 图 1 是应用 TM 和
ETM+图像中的 5、4、3 波段进行多波段影像融合所
得,两幅图像除年份外,拍摄日期基本相同,研究中
并未考虑植被的季节性差异.依据目视解译经验,图
中绿色图斑由植被(包括农田、树木、草地等)构成,
661 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
表 1摇 郑州市 1988 年 5 月 14 日和 2001 年 5 月 10 日陆面温度分级
Table 1摇 Land surface temperature classification of Zhengzhou City on May 14, 1988 and May 10, 2001
时间
Time
陆面温度分级
Land surface temperature classification
陆面温度变化范围
Land surface
temperature range (益)
面积占研究区比例
The area proportion
of the study area (% )
1988鄄05鄄14 最高温区 The highest temperature region 32郾 55 ~ 37郾 56 1郾 49
次高温区 The second high鄄temperature region 27郾 53 ~ 32郾 55 33郾 46
次低温区 The second low鄄temperature region 22郾 52 ~ 27郾 53 53郾 46
最低温区 The lowest temperature region 17郾 50 ~ 22郾 52 11郾 58
2001鄄05鄄10 最高温区 The highest temperature region 31郾 96 ~ 37郾 56 1郾 38
次高温区 The second high鄄temperature region 26郾 37 ~ 31郾 96 49郾 11
次低温区 The second low鄄temperature region 20郾 77 ~ 26郾 37 48郾 51
最低温区 The lowest temperature region 15郾 18 ~ 20郾 77 1郾 00
蓝色与黑色主要由水体构成,紫色由城镇用地构成,
两幅图像直观显示出郑州市城市演变和市郊环境变
化的概况.
2郾 1郾 2 郑州市陆面温度分级摇 本研究将城市陆面温
度值划分成 4 个等级(图 2),分级原则是等温度间
隔分类.结合图 1 和图 2 可以判定,最低温区和次低
温区多为水体与农田,这是因为水体具有高比热容,
在相同气温条件下,水体的增温速度远低于建筑材
图 1摇 郑州市多波段合成影像
Fig. 1摇 Multi鄄band composite image of Zhengzhou City.
a)1988鄄05鄄14; b)2001鄄05鄄10. 下同 The same below.
图 2摇 郑州市陆面温度分级图
Fig. 2摇 Classification map of land surface temperature of Zheng鄄
zhou City.
料和土壤,同时植被覆盖能有效降低陆面温度.次高
温区和最高温区多为城镇居民用地和荒地、裸地,这
均由该区域下垫面的热物理性质所决定[19] .由表 1
可知,2001 年 4 个温度区间的数值较 1988 年略微
降低,与 1988 年相比,2001 年最低温区面积急速缩
小,次高温区面积明显增加.
2郾 1郾 3 郑州市 NDVI分布摇 NDVI为近红外光波段反
射率与红色光波段反射率的差值除以两者的加和.
NDVI取值区间为[-1,1],负值表示地面覆盖为云、
水、雪等,对可见光反射很高;0 值表示有岩石或裸
土等,两个波段值相等;正值表示存在植被覆盖,数
值越大植被覆盖率越高.郑州市 NDVI 分布图中(图
3),绿色代表高植被覆盖区域,红色代表低植被覆
盖区域,颜色深浅表示植被覆盖率的高低.
摇 摇 表 2 为使用 ArcGIS 自然间距分类方法(natural
breaks)得到的郑州市 NDVI 数值分布情况. 1988 年
图像中,NDVI的极大值是 0郾 561,极小值是-0郾 277,
中值是 0郾 220;2001 年图像中,NDVI 的极大值是
0郾 299,极小值是-0郾 505,中值是-0郾 133(图4),2001
图 3摇 郑州市 NDVI分布图
Fig. 3摇 NDVI distribution map of Zhengzhou City.
7611 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 段金龙等: 基于 RS的郑州市城市热岛效应时空演变摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 郑州市 1988 年 5 月 14 日和 2001 年 5 月 10 日 NDVI
分级
Table 2 摇 NDVI classification of Zhengzhou City on May
14, 1988 and May 10, 2001
时间
Time
NDVI分级
NDVI classification
NDVI
变化范围
NDVI
range
面积占
研究区比例
The area
proportion
of the
study area
(% )
1988鄄05鄄14 最高植被覆盖 The high鄄
est vegetation cover
0郾 325 ~
0郾 561
25郾 30
次高植被覆盖 The sec鄄
ond high鄄vegetation cover
0郾 193 ~
0郾 325
28郾 96
次低植被覆盖 The sec鄄
ond low鄄vegetation cover
0郾 068 ~
0郾 193
34郾 14
最低植被覆盖 The lowest
vegetation cover
-0郾 277 ~
0郾 068
11郾 60
2001鄄05鄄10 最高植被覆盖 The high鄄
est vegetation cover
-0郾 038 ~
0郾 299
22郾 34
次高植被覆盖 The sec鄄
ond high鄄vegetation cover
-0郾 136 ~
-0郾 038
28郾 82
次低植被覆盖 The sec鄄
ond low鄄vegetation cover
-0郾 234 ~
-0郾 136
28郾 40
最低植被覆盖 The lowest
vegetation cover
-0郾 506 ~
-0郾 234
20郾 44
年 NDVI 值总体上比 1988 年低很多. 由图 3 可知,
1988 年郑州市郊的高植被覆盖区域在 2001 年都转
变为低植被覆盖区域,同时市内植被覆盖度明显降
低. 2001 年最低植被覆盖区域面积比 1988 年明显
增加,同时高植被覆盖区域面积略微减少(表 2).
2郾 1郾 4 郑州市热岛强度分布摇 郑州市热岛强度分布
图(图 5)直观展现出郑州市不同区域的温度差别,
同时也显示出该区域热岛效应的发生程度. 结合
GPS坐标定位(实地调查)或 Google Earth,可以准确
获取发生热岛效应严重区域的下垫面物理性质.
2郾 2摇 郑州市陆面温度演变原因分析
由表 3 可知,1988 年至 2001 年这一段时间内,
郑州市城市建设和经济发展产生了较大变化[20] .在
“保护改造老城区,加快建设外围组团冶的城市建设
方针下,河南省确定了把郑州市建设成为区域性商
贸中心城市的战略决策. 1988 年在郑州市西北部建
立了郑州高新技术产业开发区,1993 年在郑州市东
部建立了经济技术开发区. 在政策导向作用和郑州
市实际发展需要的综合作用下,郑州市城镇用地规
模不断扩展,特别向东北和西南两个方向的扩展趋
势更为明显(图 1).
城市的跨越式发展带来了一系列生态环境问
题,热岛效应是其中之一.综合图 1 ~ 3,两年份差异
明显的地方是:2001 年最高温区域和次高温区域在
主城区内向东北和西南方向存在明显的偏移和扩
张;郑州市 2001年的低植被覆盖区域(红色)在主城
区内也有明显扩张,扩张趋势同样为东北和西南方
向;郑州市城镇与居民用地也向城市的东北和西南方
向有明显扩张.郑州市主城区西北部存在两个明显的
高温条带状区域(图 2),这两个区域的植被覆盖度非
常低,结合 Google Earth和实地调查发现,这两个区域
为郑州市火车货运编组站、京广铁路和陇海铁路沿
线,这也与该区域的下垫面热物理性质相符.
各专题图中还存在一个明显的相似点,在郑州
市主城区西北部,城市扩展规模明显弱于其他方向;
温度分级图显示在该方向上主城区内连结成片的中
高温区域出现缺失;同时该区域的植被覆盖情况也
显示为良好. 以上现象同时存在于 1988 年和 2001
年的图像信息中,这都表现出一个明显的“V冶字型
凹槽架构.造成这个现象的原因是由于京广、陇海两
大铁路从郑州市中心穿过,交叉点正位于“V冶字的
顶点,两大铁路沿线构成“V冶字两边,铁路的长期阻
隔带来诸多交通不便,造成“V冶字型内侧的产业带
发展相对滞后[20] .
图 4摇 郑州市 NDVI数值分布图
Fig. 4摇 Distribution of NDVI values of Zhengzhou City.
861 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
表` 3摇 郑州市统计数据*
Table 3摇 Statistical data of Zhengzhou City
年份
Year
总人口(万人)
Total
population
(伊104)
国内生产
总值(亿元)
GDP
(伊108
yuan)
国民生
产总值
(亿元)
GNP (伊108
yuan)
基本建
设投资
(亿元)
Capital
construction
investment
(伊108 yuan)
固定资产
投资(亿元)
Investment
in fixed
assets
(伊108 yuan)
年底实有
耕地面积
(千公顷)
Cultivated
area at the
end of
the year
(伊103 hm2)
社会消费品
零售总额
(亿元)
Total retail
sales
(伊108 yuan)
各市地全
社会客运量
(万人)
The total
society
passenger
traffic
(伊104)
工业总产值
(亿元)
Industrial
output
value
(伊108 yuan)
民用汽车
拥有量
(万辆)
Civilian
car ownership
(伊104)
1988 511 - 81郾 50 7郾 82 15郾 45 318郾 09 33郾 34 5633 129郾 70 3郾 60
2001 629 828郾 20 - 96郾 00 286郾 12 289郾 91 386郾 52 9902 1112郾 76 27郾 25
*资料来源于河南统计年鉴 The data was from Statistical Yearbook of Henan郾 -无数据 No data.
图 5摇 郑州市热岛强度分布图
Fig. 5摇 Heat island intensity distribution map of Zhengzhou City.
摇 摇 2001 年最高温区总面积较 1988 年略微缩小
(表 1),这一“反常冶现象也与城市化发展和植被覆
盖的变化情况密切相关. 在郑州市主城区内,2001
年最高温区面积存在小幅度扩张,但在城郊特别是
主城区西南部,植被覆盖率增加,该区域的最高温区
面积也明显萎缩(图 2、3).
摇 摇 综上所述并结合实地观测可以发现,与 1988 年
相比,2001 年郑州市的城市规模扩展了很多,在城
市东北、西南方向存在明显的扩张趋势,但随着城市
扩张,新建成区域生态环境不断恶化.在实际观测中
发现,郑州市绿化较好的建设路、中原路等路段行道
树为法国梧桐,树荫下温度明显低于阳光直射的路
面;而花园路、经三路等路段绿化效果较差,陆面温
度较高,城市热岛效应明显.
3摇 讨摇 摇 论
本研究从不同角度分析了郑州市城市热岛效应
的演变,其中对陆面温度的分析客观地展现出演变
特点,对彩色合成影像和 NDVI 的分析从侧面印证
了热岛演变的原因和若干特征. 研究表明,陆面温
度、城市热岛强度、土地利用类型、植被覆盖率这 4
者之间存在密切联系,可以简单表示为以下线性规
律:政府决策寅植被覆盖变化(土地利用类型变化)
寅陆面温度变化寅城市热岛效应变化. 研究中陆面
温度由像元亮度温度近似代替,数值较实测温度偏
高,但本研究旨在对郑州市城市热岛效应时空演变
进行分析,并且该方法具有一定的实际应用性,但对
卫星图像获取日天气条件的要求较高.
随着郑州市城市化速度的不断加快,城市热岛
效应会越来越严重. 为了最大限度减轻城市热岛效
应,在城市规划、设计和建设过程中,应当多采用生
态设计和施工的理念,其中最重要的方法是用“绿
岛冶拯救“热岛冶,即增加城市绿地和绿化覆盖面积,
改善环境质量,增强生态调节能力. 研究表明,城市
绿化建设对减缓城市热岛效应具有重要意义[21] .李
延明等[22]研究了城市下垫面地物特征与热岛强度
的定量关系,指出缓解城市热岛效应的主要措施是
增加水面、城市通风道和绿化,其中操作性最强的是
加大城市绿化力度,并提出科学的绿化指标.郑州市
老城区的绿化建设具有良好的基础,这在国内大中
型城市中并不多见,鉴于郑州城市发展的现状,主城
区内不会存在大范围水域来调节城市小气候,因此
城市绿化就显得尤为重要. 另外,国槐、元宝枫和法
国梧桐这 3 种典型的城市绿化树种中,法国梧桐在
减缓城市热岛效应上的综合表现最好,可作为行道
树种植的首选树种[23] .在城市发展中还应注重城市
周边卫星城的发展,使郑州城市人口和工商业过分
集中的现象得以缓解,这也能缓解郑州市愈发严重
的城市热岛效应问题.
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作者简介摇 段金龙,男,1984 年生,博士研究生.主要从事地
理信息及资源遥感研究. E鄄mail: 215385212@ qq. com
责任编辑摇 张凤丽
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