关于城市空间热环境的遥感应用
东北师范大学 城市与环境科学学院 地理信息系统04级
姓名：申楠 学号：1259404009
摘要：城市热环境的空间格局对城市微气候、城市生态环境演变有重要影响。城市化规模的扩大，以及随之而来的各种工业、交通、生活活动的增加，造成的是城市热岛效应的日益加剧，因此，城市热环境亟待解决。而遥感技术的发展对城市空间热环境的格局和过程研究提供了可能性。本文将就遥感技术在城市热环境研究中的应用进行研究和分析。
关键词：城市热环境，环境遥感，3s系统。
随着全球城市化进程的加快和全球气候变暖的趋势越来越明显，作为城市人居环境要素之一的城市热环境问题日益引起社会的关注。尤其对于大城市，随着城市规模和城市人口的急剧扩张，城市的形态、功能、区划等各方面都发生了剧烈的变化，这些都对城市热环境产生了很大的影响。而遥感技术的飞速发展以及在资源、林业、农业、水利等部门的广泛应用，为国家社会经济发展作出了巨大贡献，同时也完成了大量的基础研究工作。因此，合理的利用遥感技术对城市热环境进行监测和研究，将会是城市空间热环境研究的趋势。
一、 城市热环境：
城市热环境是城市空间环境在热力场中的综合表现，不同热环境格局对城市微气候、城市生态环境、人居环境等有着深远影响。在不考虑太阳辐射的差异和气象因素影响的条
件下，造成城市热环境差异主要有以下3 个方面原因［1］：① 下垫面要素物理性质的差异，导致对太阳辐射的吸收、反射差异，最终表现为物体辐射温度及温度变化梯度上的差异；② 城市景观的几何形态会直接影响热量辐射扩散的效率，同时城市景观的几何形态又会对局部气候产生影响，间接影响城市热环境；③ 城市中人为热活动和能耗要素对热环境具有直接作用。正是上述多变因素决定了城市热力环境格局和过程的复杂性。
景观是具有高度空间异质性的区域，它是由相互作用的景观元素或生态系统以一定的规律组成的。城市热环境也是一个具有高度空间异质性的系统，在外界影响和其自身作用下动态变化，具有景观的特征。运用景观的观点，则可以认为城市热环境是由不同的热力景观组成，其热力景观的动态变化反映了热环境的空间格局特征。将那些各种不同类型的热力景观之间呈连续岛块状镶嵌分布的格局称之为热力斑块。热力斑块是一个与包围它的斑块不同的镶嵌体，具有相对的匀质性，具体说就是热惯量、热耗等为相对匀质性，而导致温度的相对匀质性。
大部分对于城市热环境的研究和分析，都是采用格局变化对比分析法和格局特征描述分析法，而在GIS 和遥感技术的支持下，用景观的观点来研究城市热环境，建立了一套热环境空间格局与过程研究方法和评价指标体系，将会因为有遥感为城市热环境研究提供最好的、最即时的信息源，而使城市热场研究进入定量化阶段。
二、 环境遥感监测：
在环境监测工作中，遥感技术与常规的实地调查相比，无论是在工作进度、工作精度还是在工作质量上都有明显的特点。而遥感技术的高精度、高光谱、高效快速、多手段结合、多角度，多尺度、多频率、全天候等特性，在获取资源环境空间和时间信息方面构成很好的互补关系。遥感技术在资源与环境研究和测量任务中扮演着越来越重要的角色，它
所具有的高度空间概括能力，有助于对区域的完整了解。不同卫星适宜的重访周期有利于对地表资源环境的动态监测和过程分析。以多光谱观测为主并辅以较高分辨率的全色数据，极大地提升了对地物的识别和分类。
根据所利用的波段，遥感监测技术主要分为可见光、反射红外遥感技术，热红外遥感技术，微波遥感技术等几种类型。
（1）可见光、反射红外遥感技术
用可见光和反射红外遥感器进行物体识别和分析的原理是基于每一物体的光谱反射率不同来获得有关目标物的信息。该类技术可以监测大气污染、温室效应、水质污染、固体废弃物污染、热污染等，是比较成熟的遥感技术，目前国际上的商业和非商业卫星遥感器多属此类；图12-4显示的是Landsat TM 遥感影像数据。
该类遥感技术用于环境污染监测，目前主要是要提高传感器多个谱段信息源的复合，发展图像处理技术和信息提取方法，提高识别污染物的能力。重点发展其在大气污染、温室效应、水质污染、固体废弃物污染、热污染等监测中的应用。
（2）热红外遥感技术：
自然界中所有物质不论白天或夜间都以一定波长向外辐射能量，在热红外遥感中，所有被观测的电磁波的辐射源都是目标物。目前红外探测器所使用的电磁波段，主要有3～5μm和8～14μm两个波段，对地表常温物体的探测通常使用 8～14μm波段。热红外遥感主要探测目标物的辐射特性（发射率和温度），鉴别出物质材料的类型，评价出各种现象。根据热辐射特征，图12-5显示了用热红外遥感监测水污染的情况。
（3）高光谱遥感技术：
高光谱遥感技术的发展是人类在对地观测方面所取得的重大技术突破之一，是当前乃至下一世纪的遥感前沿技术。高光谱遥感数据的特点是高光谱分辨率和高空间分辨率，它将传统的图像维与光谱维信息融合为一体，在获取地表空间图像的同时，得到每个地物的连续光谱信息，从而实现依据地物光谱特征的地物成份信息反演及地物识别，因此在环境污染物监测中发挥主要作用，图12-6显示了高光谱遥感数据的组成。进入20世纪90年代后期，伴随着高光谱遥感应用的一系列基本问题，如高光谱成像信息的定标和定量化、成像光谱图像信息可视化及多维表达、图像—光谱变换、大数据量信息处理等的解决，高光谱遥感已由实验研究阶段逐步转向实用阶段。在该项技术中，通过建立不同污染物的光谱数据库，开展光谱数据处理和光谱匹配技术，建立污染物光谱识别模型，从而发展成像光谱环境污染监测技术系统。
（4）微波遥感监测技术
微波遥感与光学遥感相比较，它除了具有光学遥感不具备的全天候和全天时观测能力外，它的特征信号丰富，含有幅度、相位和极化等多种信息，它对地球覆盖层的穿透能力也较红外波段强，图12-7显示了微波遥感数据和根据微波遥感数据生成的数字高层模型。
微波遥感监测技术又可以分成成像雷达、激光雷达遥感和微波辐射计监测。在海洋污染中，油井溢油、船舶海上事故等带来的海洋石油污染居各类海洋污染事故的首位，在海洋表面风速不大(小于3～4m/s)的情况下，分辨率很低(100m左右分辨率)的雷达传感器就能有效地监测到油层厚度很薄的污染物，因此成像雷达技术是探测海洋石油污染的有力工具。激光雷达是主动型微波遥感器的一种，它主要用于测量大气的状态及大气污染，平流层物质等大气中物质的物理性质及其空间分布等。而且能监测大气中臭氧的分布和水体中
的石油污染或植物的叶绿素含量等。微波辐射计是一种无源微波遥感器。它接收并测量由地面目标产生的热辐射功率，以便掌握目标在微波波段的特性，区分不同目标，并推导出目标的某些参数。微波辐射计可用来观测海面状态和大气状态，如海面温度、海风、盐度、海冰、水蒸汽量、云层含水量、降水强度、大气温度、风、臭氧、气溶胶、氧化氮等。
卫星遥感技术集中了空间、电子、光学、计算机通信和地学等学科的最新成就，是当代高新技术的一个重要组成部分。
到目前为止，我国已成功发射了18颗返回式卫星，并成功回收17颗，为资源、环境研究和国民经济建设提供了宝贵的空间图像数据，在我国国防建设中也起到了不可替代的作用。我国自行研制和发射了包括太阳和地球同步轨道在内的6颗气象卫星。气象卫星数据已在气象研究、天气形势分析和天气预报中广为应用，实现了业务化运行。1999年10月我国第一颗以陆地资源和环境为主要观测目标的中巴地球资源卫星发射成功，结束了我国没有较高空间分辨率传输型资源卫星的历史，已在资源调查和环境监测方面实际应用，逐步发挥效益。我国还发射了第一颗海洋卫星，为我国海洋环境和海洋资源的研究提供了及时可靠的数据。
除了上述已发射的遥感卫星外，我国还先后建立了国家遥感中心、国家卫星气象中心、中国资源卫星应用中心、卫星海洋应用中心和中国遥感卫星地面接收站等国家级遥感应用机构。同时，国务院各部委及省市地方建立了160多个省市级遥感应用机构。这些遥感应用机构广泛地开展了气象预报、国土普查、作物估产、森林调查、地质找矿、海洋预报、环境保护、灾害监测、城市规划和地图测绘等遥感业务，并且与全球遥感卫星、通信卫星和定位导航卫星相配合，为国家经济建设和社会主义现代化提供了多方面的信息服务。这也为迎接21世纪空间时代和信息社会的挑战，打下了坚实的基础。
三、 城市热环境遥感研究现状及展望：
自从1833年，Lake Howard就伦敦中心的气温比邻区高的现象提出城市热岛效应概念以来城市热环境问题一直备受关注。研究表明：城市空间热环境在全球增温过程中扮演着重要的角色，被认为是主导城市环境的要素之一。城市空间热环境对城市微气候、空气质量、能源消耗结构以及公共健康等方面产生深远的影响，可以说城市空间热环境正在以特有的方式影响和改变人们的生产和生活方式。
遥感为研究城市空间热环境提供了最好的信息源。许多学者利用热红外遥感资料进行城市热岛研究，取得了一系列的成果。例如：范心圻、范天锡等利用NOAA气象卫星资料研究北京市城市热岛结构信息和季节变化以及大气污染与城市热岛的关系，应用气象卫星分析城市热岛的昼夜、季节变化以及时空分布规律和动态特征。周淑贞等应用气象卫星研究热场与下垫面的关系，并建立了相应的回归方程。王芝生等运用TM、航空热红外数据研究了上海绿化覆盖率现状与城市总体热辐射场的关系。Gallo等给出了热场评价的NDVI描述方式，以上工作都是城市热场描述初步进入了定量化阶段。
目前遥感技术在城市空间热环境的应用主要体现在热红外遥感上，即：
1） 定量热红外遥感研究：目的是精确的获取地表（包括植被、土壤、岩石和水体的表面）温度。
2） 地表能量平衡及应用模型：利用遥感资料与地面观测资料相结合，可以得出地表特征参数（地表反射率、NDVI及地温）的区域分布及季节差异，进而求得地表能量平衡的各分量的区域分布，并将其应用于农业的各方面。
3） 热场与相关因子的关系模型：如地表温度与土壤含水量的关系模型等。
4） 热场效应的影响分析：利用航空热红外遥感图像对城市热场结构信息进行研究。
5） 热图像处理：在图像处理中引入GIS以及分性的技术手段，对热红外信息的增强处理以提高其空间分辨力和温度场的可视化。
目前来说，应用边界层模式进行城市空间热环境研究是一种较常用的方法，而可以预见的是，采用多时相、较高分辨率的遥感资料，结合地面观测，定量反演人为热排放量和有关“地—气”界面参数，并以此为基础对边界层模型进行改进，建立适于城市热环境研究的遥感与城市边界层连接模型是当前城市空间热环境遥感研究发展的必然趋势。综合利用遥感与边界层数值模式进行城市空间热环境研究，可以克服目前单一应用遥感或边界层模式的不足。以发展变化巨大的大都市为研究对象，分析其城市空间热环境的变化过程、演变规律及驱动机制，讨论如何通过对城市土地利用格局和人为热排方式的调整，实现对城市空间热环境的优化，为改善大都市区环境质量和公共健康条件服务，将是今后一段时期城市空间热环境遥感研究的核心。
四、 结论：
遥感技术和应用的不断创新与发展，将极大地丰富地球信息科学的构建；地球信息科学的发展也必将为“数字地球”战略的发展提供理论、方法与技术支持；反过来，“数字地球”战略为地球信息科学的发展提供了机遇，并会促进地球信息科学的全面发展。而城市空间热环境作为影响人类生活区的一大要素，它的研究将对深入研究城市热场在时间上和空间布局上的变化，剖析变化的原因、驱动因素及其演变规律，对于促进相关学科的发展，优化城市规划建设布局、改善城市人居环境都具有重要的理论和现实意义。
参考文献：
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基于遥感和GIS 的上海城市空间热环境研究；陈云浩，史培军，李晓兵；测绘学报；2002年5月
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我国资源环境遥感监测技术及其进展；张增祥；
遥感应用与数字地球；陈述彭；
遥感信息在城市规划中的应用与展望；汪祖进；
资源与环境遥感；刘志明；http://www.rm58.com/
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