喀斯特城市植被覆蓋度時(shí)空變化對(duì)地表溫度的影響

王修信,朱啟疆,梁宗經(jīng),羅漣玲,農(nóng)京輝,湯谷云

(1.廣西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院,廣西桂林 541004;

2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院,遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875）

喀斯特城市植被覆蓋度時(shí)空變化對(duì)地表溫度的影響

王修信1,2,朱啟疆2,梁宗經(jīng)1,羅漣玲1,農(nóng)京輝1,湯谷云1

(1.廣西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院,廣西桂林 541004;

2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院,遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875）

隨著桂林喀斯特城市的快速擴(kuò)展、地表植被覆蓋度的變化,城市熱島現(xiàn)象越來越明顯。以桂林1989-2006年5景TM/ETM遙感圖像為數(shù)據(jù)源,利用遙感歸一化植被指數(shù)反演植被覆蓋度Pv,利用Qin單窗算法反演地表溫度ts,分析Pv空間和時(shí)間變化對(duì)ts的影響。結(jié)果表明,在空間上ts隨Pv的提高而降低,呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系。在時(shí)間上Pv＜0.2面積比例逐年增加,1989年7.8%、1991年15.2%、2000年20.7%、2005年21.1%、2006年22.7%;而Pv≥0.7面積比例逐年減少,1989年49.2%、1991年27.4%、2000年27%、2005年16.5%、2006年11.1%。其導(dǎo)致地表溫度高于茂密林地表面溫度的比率z＞20%的高溫像元比例逐年上升;而z≤10%的低溫像元比例逐年下降,1989年28.9%、1991年25.4%、2000年23.7%、2005年22.2%、2006年20.4%。植被覆蓋的喀斯特山峰呈現(xiàn)顯著的涼島現(xiàn)象,從而調(diào)節(jié)喀斯特城市氣候環(huán)境。

喀斯特城市;植被覆蓋度;地表溫度;遙感反演

0 引言

定量研究植被覆蓋變化對(duì)改善由于城市規(guī)模擴(kuò)張、人口聚集所引發(fā)的城市熱環(huán)境問題的作用,是當(dāng)前“城市氣候與環(huán)境”的重要研究內(nèi)容?？λ固爻鞘械奶攸c(diǎn)是石灰?guī)r山峰鑲嵌于市區(qū),其植被除了人工種植的城市綠地、行道樹等以外,還有覆蓋喀斯特山峰、自然生長的喀斯特植被。桂林位于廣西東北部巖溶盆地,是典型的喀斯特城市,近10多年來隨著城市的快速擴(kuò)展,近郊區(qū)的農(nóng)田、林地等有植被覆蓋的自然地表逐漸為建筑物、道路等無植被覆蓋的不透水地表所代替,而且城市邊緣或近郊的一些喀斯特山峰成為獲取建設(shè)工程石料的途徑而導(dǎo)致其上喀斯特植被遭受嚴(yán)重破壞、大面積石灰?guī)r山體完全裸露,呈現(xiàn)越來越明顯的城市熱島現(xiàn)象。地面空氣溫度受地表溫度的直接影響,而植被覆蓋度是影響地表溫度的重要因素,因此研究喀斯特城市植被覆蓋度的時(shí)空變化對(duì)地表溫度影響具有重要意義。

地表溫度的獲取主要有常規(guī)的定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)觀測方法和遙感反演方法。常規(guī)觀測方法由于空間分布的不均勻和觀測條件的種種限制,較難推算城市地表溫度分布的變化情況,而遙感反演方法是快速獲取城市大面積地表溫度的唯一經(jīng)濟(jì)、可行方法。對(duì)Landsat衛(wèi)星等只有一個(gè)熱紅外波段的數(shù)據(jù),遙感反演方法主要有輻射傳輸方程法、Qin單窗算法、Jimenez-M unoz單通道算法3種[1]。輻射傳輸方程法所需衛(wèi)星過境的大氣廓線等數(shù)據(jù)較難獲取,限制了其應(yīng)用。單窗算法、單通道算法直接包含大氣與地表比輻射率影響,簡單易行且精度較高,而單窗算法反演地表溫度的精度相對(duì)較高[2-4]。

迄今為止,已有大量利用遙感反演方法研究植被覆蓋度對(duì)城市地表溫度影響的成果[5-12],但未見反演喀斯特城市地表溫度的研究;由于遙感反演的不同時(shí)相地表溫度的范圍不同而不能直接比較,不少研究只使用一景圖像,只分析植被覆蓋度空間變化對(duì)地表溫度的影響[10-12],未研究其時(shí)間變化對(duì)地表溫度的影響;不少研究反演星上亮度溫度(地表傳感器溫度）代替實(shí)際地表溫度[10-12],而由于大氣輻射和地表熱特性影響,亮度溫度與實(shí)際地表溫度存在較大差距,此差距在晴朗干燥天氣約5～10℃,而在空氣濕度較大天氣可達(dá)15℃以上[13]。

針對(duì)桂林喀斯特城市快速擴(kuò)展呈現(xiàn)的熱島問題,對(duì)桂林1989-2006年5景 TM/ETM遙感圖像,利用遙感歸一化植被指數(shù)反演植被覆蓋度,提出喀斯特山峰混合像元比輻射率估算方法,使Qin單窗算法適用于喀斯特城市并利用其反演地表溫度,從而分析喀斯特城市植被覆蓋度空間和時(shí)間變化對(duì)地表溫度的影響及喀斯特植被覆蓋的喀斯特山峰對(duì)改善喀斯特城市熱環(huán)境的作用。

1 植被覆蓋度與地表溫度的遙感反演

首先對(duì)遙感圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)計(jì)算其光譜輻射亮度、反射率,利用MODTRAN進(jìn)行大氣校正。植被覆蓋度的反演:

其中:0.0≤Pv≤1.0;ρ3、ρ4為波段3、4反射率;NDV Iv、NDV Is分別為茂密植被覆蓋區(qū)、裸露地表歸一化植被指數(shù)值:NDV I≥NDV Iv時(shí)像元被植被完全覆蓋,Pv=1;NDV I＜NDV Is時(shí)像元完全裸露,Pv=0。

Qin單窗算法反演地表溫度[1]:

其中:a=-67.355351,b=0.458606,C=ετ,D=(1 -ε）[1+(1-ε）τ];亮度溫度利用熱紅外波段反演: T6=K2/ln((K1/R6）+1）,K1、K2為常數(shù)。Ta= 16.011+0.92621Ta0,Ta0為近地表空氣溫度。大氣透過率:τ=0.974290-0.08007w(當(dāng)0.4＜w＜1.6 g/cm2）,τ=1.031412-0.11536w(當(dāng)1.6＜w＜3.0 g/cm2）;大氣總水分含量w=w(0）/Rw(0）,w(0）為距地面約2 m高處空氣水分含量,從氣象數(shù)據(jù)獲取; Rw(0）為地面附近空氣水分含量占大氣水分總含量的比率,在無探空數(shù)據(jù)時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)大氣比率替代。

地表比輻射率取水體εw=0.995,植被εv= 0.985,從ASTER光譜實(shí)驗(yàn)室(www.asterweb.jp l. nasa）取平均值獲得土壤εs=0.973,水泥建筑εm= 0.968,石灰?guī)rεr=0.960。對(duì)于水體,ε=εw;對(duì)于其他區(qū)域,提出喀斯特山峰混合像元比輻射率的估算方法,由于石灰?guī)r間土壤基本為喀斯特植被覆蓋,故其混合像元主要由植被與石灰?guī)r構(gòu)成,ε=Pv Rvεv+(1-Pv）Rrεr+dε,dε=(1-εr）(1-F）εv;對(duì)城市建筑與綠化林木構(gòu)成的混合像元,ε=Pv Rvεv+(1-Pv）Rmεm;對(duì)植被、裸土構(gòu)成的混合像元,ε=Pv Rvεv+(1-Pv）Rsεs。其中Rm、Rv、Rr、Rs分別為不透水地表、植被、石灰?guī)r、裸土溫度比率,由Pv估算[14]; dε為混合像元植被和石灰?guī)r間由于地形引起的熱輻射相互作用修正;地形因子F根據(jù)不同幾何分布取值[15]。

2 桂林喀斯特地區(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選取桂林Landsat衛(wèi)星1989年9月13日TM、1991年10月30日 TM、2000年10月30日ETM、2005年9月9日TM、2006年9月21日TM共5景遙感圖像,利用遙感歸一化植被指數(shù)反演植被覆蓋度Pv,利用單窗算法反演地表溫度ts,結(jié)果見圖1、圖2。可以看出,表面溫度較低的漓江穿城而過, 1989—2006年桂林城市向桂林北站周邊、城東高新技術(shù)開發(fā)區(qū)、城南瓦窯周邊、城西琴潭路周邊等方向快速擴(kuò)展,植被覆蓋度低的深黑色面積快速增加,地表溫度較高的面積也隨之快速增加,新開發(fā)的城區(qū)由于植被覆蓋度較低而地表溫度較高;在城區(qū)鑲嵌著七星公園(普陀山等）、疊彩山、西山、穿山、騮馬山、老人山、南溪山、靖江王城(獨(dú)秀峰）等較大的喀斯特山峰,其植被覆蓋度一直保持較高而地表溫度較低。

對(duì)反演的地表溫度進(jìn)行驗(yàn)證:甲天下水泥廣場、榕湖水體等地物的表面溫度空間差異較小,2006年衛(wèi)星過境時(shí)利用手持式紅外測溫儀沿選定的巡回觀測線路2 m間隔測量表面溫度,取平均值作為面測量值;借助高分辨率遙感圖像和 GPS數(shù)據(jù)定位,使用ENV I軟件在反演溫度圖像中自動(dòng)計(jì)算子窗口中像元的平均溫度作為地物的表面溫度。經(jīng)比較,地表溫度反演值與測量值誤差在2℃內(nèi),因此反演地表溫度能較準(zhǔn)確地反映喀斯特城市地表溫度的分布。

分別對(duì)5景遙感反演圖統(tǒng)計(jì)除水體外地物Pv以0.1等間距范圍內(nèi)像元ts的平均值,繪制ts均值隨Pv變化圖,結(jié)果見圖3,空間上,ts均隨Pv的增加而降低,呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系。

統(tǒng)計(jì)遙感反演Pv的分布比例,結(jié)果見表 1。1989-2006年研究區(qū)內(nèi)Pv＜0.1的面積比例由4%逐年升到15.3%,Pv＜0.2的面積比例為1989年7.8%、1991年 15.2%、2000年 20.7%、2005年 21.1%、2006年22.7%,呈逐年上升趨勢;與此同時(shí),Pv≥0.9的植被高度覆蓋面積比例由36.1%逐年降到3.7%,Pv≥0.7的植被中度覆蓋面積比例為1989年49.2%、1991年27.4%、2000年27%、2005年16.5%、2006年11.1%,呈逐年下降趨勢。

圖3 地表溫度均值隨植被覆蓋度變化Fig.3 Average surface temperature change with vegetation coverage

由于溫度范圍不同而無法直接比較不同時(shí)相遙感反演ts圖,因此在 GPS數(shù)據(jù)和高分辨率遙感圖像的支持下使用ENV I軟件ts圖中提取郊區(qū)茂密林地表面溫度tf,計(jì)算像元ts高于tf的相對(duì)倍數(shù)z=(tstf）/tf(ts＞tf）,使得不同時(shí)相的ts圖具有可比性,統(tǒng)計(jì)z等間距范圍內(nèi)的像元比例,結(jié)果見表2。1989—2006年研究區(qū)內(nèi)ts＞tf的像元比例逐年上升,1989年63.2%、1991年 67.2%、2000年 70.4%、2005年73.7%、2006年76.3%;0＜z≤10%的低溫像元比例逐年下降,1989年28.9%、1991年25.4%、2000年23.7%、2005年22.2%、2006年20.4%,而z＞20%的高溫像元比例也逐年上升。

表1 植被覆蓋度分布比例Table 1Proportion of vegetation coverage distribution %

表2 地表溫度高于郊區(qū)林地溫度的像元比例Table 2Proportion of pixels with higher surface temperature than that of suburban forest %

3 結(jié)論

在同一時(shí)相遙感圖像的空間上,桂林喀斯特城市地表溫度均隨植被覆蓋度的增加而降低,呈明顯負(fù)相關(guān)。1989—2006年,桂林喀斯特城市的快速擴(kuò)展使得植被覆蓋度低、地表溫度較高的面積逐年快速增加,而林地、農(nóng)田等植被覆蓋度高、地表溫度較低的面積快速減少。植被覆蓋度Pv＜0.1和Pv＜0.2的面積比例逐年上升,而Pv≥0.9和Pv≥0.7的植被覆蓋面積比例逐年下降,其導(dǎo)致地表溫度高于郊區(qū)茂密林地表面溫度的像元比例逐年上升,地表溫度高于茂密林地表面溫度的比率z＞20%的高溫像元比例也逐年上升,而z≤10%的低溫像元比例逐年下降。

桂林喀斯特城市的特點(diǎn)就是覆蓋著喀斯特植被的石灰?guī)r山峰鑲嵌于市區(qū),其喀斯特山峰植被覆蓋度普遍保持較高,喀斯特植被整體的蒸騰作用較大而吸收熱量較多,地表溫度較低,影響其上及周邊空氣溫度,形成局地小氣候環(huán)境,呈現(xiàn)顯著的城市涼島現(xiàn)象,對(duì)調(diào)節(jié)喀斯特城市氣候環(huán)境具有重要作用。如果以灌叢和闊葉林為主的喀斯特植被被人為破壞,由于石灰?guī)r間的土壤土層瘠薄、喀斯特植被的生長速度十分緩慢,喀斯特山峰短時(shí)間內(nèi)很難恢復(fù)植被覆蓋,容易造成土壤侵蝕、大面積石灰?guī)r裸露的石漠化現(xiàn)象,而大面積裸露的石灰?guī)r熱容量較大,其在太陽直接輻射下吸收、貯存大量熱量,使得失去植被覆蓋的喀斯特山峰在喀斯特城市形成新的城市熱島,因此喀斯特山峰的植被保護(hù)對(duì)喀斯特城市氣候環(huán)境的改善至關(guān)重要。

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Influence of Spatio-tem poral Change of Vegetation Coverage on Land Surface Tem perature in Karst City

WANG Xiu-xin1,2,ZHU Qi-jiang2,L IANG Zong-jing1,LUO Lian-ling1,NONGJing-hui1,TANG Gu-yun1
(1.College of Com puter Science and Inform ation Technology,Guangxi N ormal University,Guilin 541004; 2.State Key Laboratory of Remote Sensing Science,School of Geography and Remote Sensing Science, Beijing N ormal University,Beijing 100875,China）

Stronger and stronger urban heat island effect could be feltw ith karst Guilin City rapid expansion and vegetation coverage variance.Thus,vegetation coveragePvwas retrieved w ith NDV I,land surface temperature(LST）was got by Qin Monow indow algorithm respectively from five TM/ETM images of Guilin during 1989 to 2006.Influence ofPvspatio-tempo ral variance on LST was analyzed.Results show that LST possesses a negative correlation withPvin space as it reduces w ith the enhancement ofPv.W hile the area p ropo rtion ofPv＜0.2 increases,w hich is 7.8%in 1989,15.2%in 1991,20.7%in 2000, 21.1%in 2005 and 22.7%in 2006,the area p roportion ofPv≤0.7 decreases,w hich is 49.2%in 1989,27.4%in 1991,27%in 2000,16.5%in 2005 and 11.1%in 2006 over the period.It results in rapid rising of high LST pixel p roportion ofz＞20%and rapid falling of low LST pixel p ropo rtion ofz≤10%by year,w hich is 28.9%in 1989,25.4%in 1991,23.7%in 2000,22.2% in 2005 and 20.4%in 2006.The vegetated karst hills show strong urban cool island effect and can imp rove urban microclimate environment in the karst cities.

karst city;vegetation coverage;land surface temperature;remote sensing retrieval

TP79;X171

A

1672-0504(2011）04-0107-04

2010-12-28;

2011-03-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41061040）

王修信(1963-）,男,博士,教授,主要從事生態(tài)環(huán)境遙感研究。E-mail:xxwangbnu@163.com