基于Landsat8城市綠地對周邊熱環(huán)境的影響研究
——以成都市中心城區(qū)為例

房力川,潘洪義,馮茂秋,朱 芳

(四川師范大學 a.西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室;b.地理與資源科學學院,四川 成都 610066)

基于Landsat8城市綠地對周邊熱環(huán)境的影響研究
——以成都市中心城區(qū)為例

房力川a,b,潘洪義a,b,馮茂秋a,b,朱 芳a,b

(四川師范大學 a.西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室;b.地理與資源科學學院,四川 成都 610066)

城市綠地是緩解城市熱環(huán)境效應的重要因素之一,在調節(jié)城市氣候方面發(fā)揮著重要作用。以成都市中心城區(qū)為研究區(qū),分析了城市綠地斑塊景觀指數(shù)與地表溫度的相關關系和綠地斑塊的降溫輻射范圍。結果表明:①成都市其他綠地的降溫效果最為顯著,公園綠地次之,街旁綠地和居住區(qū)綠地的降溫效果不明顯;②其他綠地和公園綠地的周長、面積、植被覆蓋度與其平均溫度呈較強的負相關性;③不同綠地類型降溫輻射范圍存有差異,降溫范圍為:其他綠地gt;公園綠地gt;居住區(qū)綠地gt;街旁綠地。研究結果對城市規(guī)劃建設、改善城市生態(tài)環(huán)境和減緩城市熱環(huán)境效應等具有參考價值。

城市綠地;熱環(huán)境效應;景觀指數(shù);遙感

1 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展、城市化水平不斷提高,城市生態(tài)系統(tǒng)面臨著越來越大的壓力。由鋼筋混凝土組成的不透水面不斷擴大,加上大量的人為熱量進入城市空氣,造成了城市熱量累積,影響了城市居民的生理和心理健康,嚴重降低了人們的生活質量。大量研究表明[1-6],城市綠地能有效緩解城市熱環(huán)境效應,而合理規(guī)劃和增加城市綠地是緩解城市熱環(huán)境效應的有效手段。目前,對城市熱環(huán)境效應的研究主要有兩種方法,傳統(tǒng)方法是利用地面氣象站觀測的氣象數(shù)據(jù)來分析城市的熱環(huán)境效應。例如，何萍[7]等利用楚雄市近五年的氣象數(shù)據(jù)研究了楚雄市熱島強度的時空分布特征及其影響機理;劉偉東[8]等利用1971—2010年的年均一體化京津冀地區(qū)的氣溫數(shù)據(jù)分析了北京、石家莊和天津熱島效應的多尺度時間變化特征。由于氣象觀測站空間分布的局限性,不利于研究城市熱環(huán)境效應的空間分布特征。近年來,計算機技術和遙感技術的迅猛發(fā)展,極大地促進了城市綠地對熱環(huán)境影響的研究。大氣矯正法、分裂窗算法、單通道算法等反演算法的提出[9-11],有利于大范圍獲取地表溫度,而且精度很高。例如，楊朝斌[12]、李瑤[13]等利用Landsat8 OLI/TIRS數(shù)據(jù)反演了地表溫度并分析了城市熱島的空間分布特征與下墊面之間的關系,表明基于遙感數(shù)據(jù)的反演地表溫度用于城市熱環(huán)境研究具有合理性和高效性。

研究表明,城市綠地所在的區(qū)域是城市建成區(qū)中的“冷島區(qū)域”[14-18]。國內外學者開展了一系列城市綠地改善城市熱環(huán)境的研究,從不同角度闡釋了城市綠地對周邊熱環(huán)境的調節(jié)作用,但這些研究普遍集中于研究區(qū)中具有代表性的大型綠地斑塊,宏觀上研究了城市綠地斑塊對周邊熱環(huán)境的影響[19-22]，而從城市中不同類型、大小不同的綠地斑塊分別分析其降溫效果和輻射范圍的研究較少。本文選取成都市繞城高速范圍內作為研究區(qū)域,利用成都市高清影像人工解譯出的城市綠地分布數(shù)據(jù),基于大氣校正法進行地表溫度反演,選用城市綠地景觀參數(shù)(斑塊周長、斑塊面積、形狀指數(shù)和植被覆蓋度)與城市綠地地表平均溫度進行相關性分析,并以每個綠地斑塊做緩沖區(qū)分析,分析了不同類型的綠地斑塊降溫輻射范圍,以期為成都市城市綠地建設和布局提供理論支持與數(shù)據(jù)參考。

2 研究區(qū)概況

繞城高速位于成都中心,介于102°54′—102°53′E、30°05′—31°26′N之間,屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū),降水集中在夏秋季節(jié),年降水量900—1300mm,年平均溫16℃左右。成都市行政區(qū)劃包括金牛區(qū)、武侯區(qū)、成華區(qū)、錦江區(qū)和青羊區(qū)的大部分,新都區(qū)、高新區(qū)、溫江區(qū)、龍泉驛區(qū)、郫都區(qū)和雙流區(qū)的一部分,總面積約540.713km2,占全市建成區(qū)面積的53.71%。其中,城市綠地面積157.45km2,占研究區(qū)總面積的29.12%。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

本文選用2014年8月13日的Landsat8 OLI/TIRS(軌道號129/39)單期遙感影像,基于大氣校正法,利用TIRS傳感器波段10反演地表溫度;利用成都市高清影像圖,人工解譯出綠地分布數(shù)據(jù)(圖1,見封二),按照《城市綠地分類標準》CJJT85—2002和成都市中心城區(qū)的實際情況,將城市綠地分為公園綠地、街旁綠地、居住區(qū)綠地和其他綠地(包括農(nóng)用地、小型農(nóng)家樂和特殊用地),共獲得斑塊951個(表1)。

表1 城市綠地斑塊統(tǒng)計信息

由表1可知,成都市的其他綠地面積占絕對優(yōu)勢,面積占比達57.95%;其次為公園綠地,面積占比為23.81%,兩者總面積共計占綠地總面積的81.67%。從斑塊總體來看,公園綠地相較其他三類綠地的數(shù)量最少,但面積卻占較大比例,表明公園綠地的平均斑塊面積最大;相反,街旁綠地斑塊數(shù)多但面積占比最少。公園綠地、居住區(qū)綠地和其他綠地這三種綠地類型的面積波動存在顯著差異，其中其他綠地的面積波動最大,面積極差達7.0686km2,而街旁綠地的面積波動范圍最小。

3.2 地表溫度反演

本文選用大氣校正法,根據(jù)電磁波的輻射傳輸理論,衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由三部分組成:黑體輻射亮度、大氣下行輻射亮度和大氣上行輻射亮度。表達式為:

Lλ=[εB(Ts)+(1-ε)L↓]τ+L↑

(1)

式中,ε為地表比輻射率；τ為大氣在熱紅外波段的透過率。黑體輻射亮度B(TS)的計算公式為:

B(Ts)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(2)

根據(jù)普朗克函數(shù),地表真實溫度(K)TS的計算公式為:

TS=K2/ln(K1/B(TS)+1)

(3)

因此，對于Landsat8 TIRS Band10,K1=774.89W/(m2×μm×sr),K2=1321.08k。

4 結果分析

4.1 地表溫度反演

根據(jù)式(1)—式(3)進行地表溫度反演,得到成都市中心城區(qū)地表溫度分布圖(圖2,見封二)。城市綠地對周邊的熱環(huán)境影響較大,結果見圖1和圖2。根據(jù)反演結果,成都市中心城區(qū)的最高溫度為47.77℃，最低溫度為23.45℃，平均溫度為32.33℃。高溫區(qū)主要分布在成都市三環(huán)路以內和西南部,這里主要為城市建成區(qū)和工業(yè)區(qū);低溫區(qū)主要分布在成都市中心城區(qū)的周圍公園、濕地生態(tài)區(qū)和周邊綠化較高的區(qū)域。從整體效果看,成都市的城市綠地具有明顯的降溫效果。

圖3 研究區(qū)不同土地覆被類型的地表溫度

4.2 土地覆被類型與地表溫度關系分析

利用ArcGIS10.2中的分區(qū)統(tǒng)計功能,分別統(tǒng)計成都市不同土地覆被類型圖斑的最高溫度、最低溫度和平均溫度(圖3)。不同土地覆被類型的地表溫度存在顯著的差異性。成都市其他綠地、公園綠地、街旁綠地和居住區(qū)綠地與不透水面的平均溫度分別相差3.06℃、2.94℃、1.2℃和0.96℃,居住區(qū)綠地和街旁綠地兩種下墊面類型共同的特點是植被稀疏、綠化薄弱、分布零散,因此兩者對城市熱環(huán)境的減緩作用不顯著。

4.3 綠地斑塊與地表溫度相關性分析

由于街旁綠地和居住區(qū)綠地對周邊熱環(huán)境的緩解效果不明顯,所以本文選取降溫效果相對明顯的公園綠地和其他綠地進行分析,用其斑塊的周長、面積、形狀指數(shù)和植被覆蓋度與其斑塊內部的平均溫度進行Pearson相關分析,同時進行多種函數(shù)擬合,并選擇擬合效果最好的函數(shù)進行回歸分析。

斑塊周長與平均溫度的相關性:成都市公園綠地和其他綠地的周長與其平均溫度的相關系數(shù)分別為-0.485(Plt;0.01)和-0.376(Plt;0.01),負相關性較大,擬合效果見圖4。從圖4可見，斑塊周長與平均溫度的相關性擬合度很高,表明綠地斑塊周長越大,斑塊的內部最低溫度就越低。

圖4 城市綠地斑塊周長與平均溫度的回歸分析

圖5 城市綠地斑塊面積與平均溫度的回歸分析

斑塊面積與平均溫度的相關性:公園綠地和其他綠地的面積與其平均溫度的相關系數(shù)分別為-0.444(Plt;0.01)和-0.256(Plt;0.01),呈現(xiàn)出較強的負相關性,擬合效果見圖5,擬合度很高,表明綠地斑塊面積越大,斑塊的內部最低溫度就越低。

斑塊形狀指數(shù)與平均溫度的相關性:斑塊形狀指數(shù)是通過計算某一斑塊形狀與相同面積的圓或正方形的偏離程度來測量斑塊形狀的復雜程度[23]。形狀指數(shù)是反映斑塊形狀的重要景觀參數(shù),斑塊指數(shù)越大,表明斑塊形狀越復雜或越扁長,斑塊內部的能量越能與周邊的環(huán)境進行交流。成都市公園綠地和其他綠地兩種城市綠地類型的斑塊形狀指數(shù)與其平均溫度的Pearson相關系數(shù)分別為-0.008(Plt;0.01)和-0.128(Plt;0.01),相關性都非常低,且擬合度也很低(圖6),不具有明顯的統(tǒng)計相關性。

圖6 城市綠地斑塊形狀指數(shù)與平均溫度的回歸分析

圖7 城市綠地植被覆蓋度與平均溫度的回歸分析

斑塊植被覆蓋度與平均溫度的相關性:植被覆蓋度是指單位面積內植被地上部分在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比[24]。采用Landsat8 OLI/TIRS遙感數(shù)據(jù),通過定量遙感技術統(tǒng)計成都市中心城區(qū)的植被覆蓋度和熱環(huán)境的空間分布規(guī)律,探討它們的空間相關性能很好地反應城市綠地與其周圍熱環(huán)境之間的關系。公園綠地和其他綠地的植被覆蓋度與其平均溫度的相關系數(shù)分別為-0.351(Plt;0.01)和-0.299(Plt;0.01),呈現(xiàn)出明顯的負相關性,但從圖7可見,公園綠地植被覆蓋度與其平均溫度的擬合度較高,而其他綠地的擬合度卻很低。這是因為其他綠地這種地類斑塊內部下墊面成分單一且綠化度很高,而公園綠地內部的下墊面成分非常復雜,包含了大量的人工建筑物。結果表明,公園綠地的植被覆蓋度越高,其內部溫度越低。

4.4 綠地對周邊熱環(huán)境影響距離分析

欒慶祖[19]、梁保平[25]等在研究綠地對周邊熱環(huán)境影響距離時采用的是緩沖區(qū)分析方法,選擇的單個緩沖區(qū)距離分別為100m和60m，但研究對象均為研究區(qū)中典型的大型園林綠地,與本文的綠地類型有較大差異。經(jīng)過反復試驗,最終選擇對各個綠地斑塊以10m為間距進行緩沖區(qū)分析。我們將城市綠地斑塊邊界以外0—10m、10—20m、20—30m、30—40m、40—50m劃分成5個空間范圍的緩沖區(qū),利用ArcGIS10.2軟件中的空間統(tǒng)計功能與地表溫度進行空間疊置,得到所有緩沖區(qū)內的溫度統(tǒng)計值,并將所有緩沖區(qū)內的溫度統(tǒng)計值進行對比分析,定量分析城市綠地對周邊熱環(huán)境的降溫效應(表2)。

表2 城市綠地及緩沖區(qū)內地表溫度統(tǒng)計

注:M為不同綠地類型斑塊緩沖區(qū)內的平均溫度；A為0—10m緩沖區(qū)內的平均溫度；B為10—20m緩沖區(qū)內的平均溫度；C為20—30m緩沖區(qū)內的平均溫度；D為30—40m緩沖區(qū)內的平均溫度；E為40—50m緩沖區(qū)內的平均溫度。

根據(jù)HUANG[26]等人的研究,本文將相鄰緩沖區(qū)之間的溫度差值≥0.3℃時定義為受綠地影響的緩沖區(qū)。但本文是基于不同大小和類型的綠地斑塊做緩沖區(qū)分析,與HUANG的研究差距較大,因此將相鄰緩沖區(qū)之間的溫度≥0.2℃的緩沖區(qū)距離定義為該類型綠地的有效降溫輻射范圍:①在0—10m緩沖區(qū)內,降溫幅度最大的是其他綠地,降溫效果為0.56℃;其次為居住區(qū)綠地和公園綠地,降溫效果分別為0.37℃和0.25℃,街旁綠地降溫效果不明顯。②在10—20m緩沖區(qū)內,其他綠地降溫幅度最大,達0.42℃,公園綠地和居住區(qū)綠地的降溫效果一般,降溫為0.22℃,街旁綠地的降溫效果仍不明顯。③在20—30m緩沖區(qū)內,其他綠地的降溫幅度最大,為0.39℃,公園綠地降溫幅度其次,為0.22℃,街旁綠地和居住區(qū)綠地的降溫效果不明顯。④在30—40m緩沖區(qū)和40—50m緩沖區(qū)內,其他綠地的降溫效果最明顯,分別為0.32℃和0.27℃,公園綠地、居住區(qū)綠地和街旁綠地的降溫效果均不明顯。

5 結論與建議

5.1 結論

根據(jù)反演結果,成都市中心城區(qū)確實存在局部熱島環(huán)境,高溫區(qū)主要分布在城市中心建成區(qū)和西南部工業(yè)區(qū),低溫區(qū)主要分布在城市公園和城市周邊綠化較高的區(qū)域。主要降溫效果表現(xiàn)為:①不同城市綠地類型的降溫效果存在顯著差異。其他綠地和公園綠地的降溫效果最佳,平均降溫效果分別達到了3.06℃和2.94℃,街旁綠地和居住區(qū)的降溫效果則不明顯,平均降溫效果僅分別為1.2℃和0.96℃。②降溫效果顯著的其他綠地和公園綠地兩種綠地類型內部的平均溫度與斑塊的周長、面積和植被覆蓋度具有較強的負相關性,而與形狀指數(shù)的相關性較弱。其他綠地內部的平均溫度與周長、面積和植被覆蓋度的Person相關系數(shù)分別為-0.376、-0.256和-0.299,公園綠地內部的平均溫度與其周長、面積和植被覆蓋度的Person相關系數(shù)分別為-0.485、-0.444和-0.351。③在所有城市綠地類型中,降溫輻射范圍為:其他綠地gt;公園綠地gt;居住區(qū)綠地gt;街旁綠地。其他綠地的有效降溫輻射范圍為大于50m，公園綠地為40m，居住區(qū)綠地為30m，街旁綠地小于10m。

5.2 建議

為了更好地緩解城市熱環(huán)境效應,應采取以下對策:①在中心城區(qū)和西南部工業(yè)區(qū)加強公園綠地建設,同時在城市擴展過程中盡量減少對其他綠地的占用。②在城市公園建設中應提高綠化建設質量,選取優(yōu)勢樹種,以增加公園內部的植被覆蓋度,同時減少人工建筑來降低不透水面的比例。③增大城市綠地斑塊平均面積。整體上,成都市城市綠地景觀破碎度較高,小型綠地斑塊占有絕對優(yōu)勢,影響了城市綠地景觀的降溫功能。今后成都市應加強對大型綠地公園的建設力度,同時創(chuàng)造條件對現(xiàn)有綠地進行整合,使其成為城市綠地景觀,對城市周邊熱環(huán)境起到緩解作用。

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StudyonInfluenceofUrbanGreenSpaceonSurroundingThermalEnvironmentBasedonLandsat8 ——ACaseStudyofChengduDowntown

FANG Li-chuana,b,PAN Hong-yia,b,FENG Mao-qiua,b,ZHU Fanga,b
(Sichuan Normal University a.Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in the Southwest Ministry of Education; b.College of Geography and Resources,Chengdu 610066,China)

Urban green space was one of the important factors to alleviate the urban thermal environment effect,and it played an important role in regulating the urban climate.Taking the downtown area of Chengdu as the study area,the correlation between the patch index and the land surface temperature and the radiation range of green patches were analyzed.The result showed that:①The cooling effect of other green land was the most remarkable,followed by park green space, and the cooling effect of roadside green space and residential green space was not obvious.②The perimeter,area,and vegetation coverage of other green spaces and parks green land were negatively correlated with the average temperatures.③There were differences in the range of cooling radiation in different types of green land.The range of cooling was:Other green spacesgt;park green landgt;residential green spacegt;roadside green space.The results would be of reference value for urban planning and construction,improvement of urban ecological environment and mitigation of urban thermal environment effects.

urban green space;thermal environment effect;landscape index;remote sensing

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.08.011

X16

A

1005-8141(2017)08-0954-04

2017-06-20；

2017-07-19

國家自然科學基金項目(編號:41371125);四川省教育廳項目(編號:16ZB0061)。

房力川(1993-),男,重慶市梁平人,碩士研究生,主要從事土地利用與評價研究。

潘洪義(1980-),男,河北省唐山人,博士,副教授,主要從事土地利用與評價研究。