三江平原水旱田分布對(duì)遙感反演局地地表溫度的影響

杜國明，劉文琦，于佳興，張 爽

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三江平原水旱田分布對(duì)遙感反演局地地表溫度的影響

杜國明，劉文琦，于佳興，張 爽

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

土地利用劇烈變化對(duì)局地氣候的影響是當(dāng)前全球變化與可持續(xù)研究關(guān)注的焦點(diǎn)問題。該文基于2017年6月16日Landsat 8衛(wèi)星遙感影像反演耕地利用劇烈變化的三江平原北部地區(qū)地表溫度數(shù)據(jù)，刻畫了研究時(shí)點(diǎn)水旱田分布對(duì)地表溫度影響的空間特征。結(jié)果表明，研究區(qū)水田旱地面積占耕地總面積比例分別為58.12%、41.88%，水田平均地表溫度比旱地低9.87 ℃；在村域尺度上，水田面積占比與地表溫度均值在0.01水平（雙側(cè)）上呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（<0.01），該研究時(shí)點(diǎn)上水田對(duì)地表熱環(huán)境存在較為明顯的降溫作用。水旱田不同下墊面因含水量及蒸散量不同造成的能量傳遞過程差異，使得其分布格局成為地表溫度值分異的主要原因。

遙感；溫度；耕地；水田格局；三江平原

0 引 言

氣候變暖背景下農(nóng)業(yè)適應(yīng)性研究是全球變化科學(xué)、可持續(xù)性科學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題[1-2]。氣候變暖是導(dǎo)致中國東北地區(qū)水田分布界線北移和規(guī)模擴(kuò)張的重要原因[3]。與此同時(shí)，水田擴(kuò)張必然導(dǎo)致區(qū)域的下墊面特征變化，改變地表輻射能量平衡，從而對(duì)區(qū)域氣候特征產(chǎn)生作用。區(qū)域溫度差異對(duì)作物生長影響是顯著的，在中溫帶北部寒冷地區(qū)耕地，6月為水稻分蘗期和旱作物葉片生長期，該時(shí)期作物植株高度較低，且對(duì)溫度較為敏感，此時(shí)地表溫度差異可能會(huì)對(duì)其生長過程產(chǎn)生影響，并進(jìn)一步影響耕地產(chǎn)能與可持續(xù)性[4]。IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）第五次評(píng)估報(bào)告指出，人類對(duì)氣候系統(tǒng)的影響是明顯的，下墊面的變化會(huì)通過改變地表反照率對(duì)地球輻射收支產(chǎn)生直接影響[5]。2000－2014年，三江平原地區(qū)水田面積增長了60%[6]，2010－2015年，東北地區(qū)旱地和水田互轉(zhuǎn)的面積占全國旱地水田互轉(zhuǎn)面積的91.7%，其中三江平原地區(qū)是變化集中范圍[7]，旱地與水田在耕作季節(jié)的地表覆蓋狀況具有顯著差異，旱地與水田的轉(zhuǎn)換引起了區(qū)域下墊面發(fā)生顯著變化，必然對(duì)地表輻射能量平衡和地表溫度產(chǎn)生影響。而地表溫度是影響局地氣候的重要因素，每日瞬時(shí)溫度差異的累積將導(dǎo)致長期積溫的變化，并最終作用于區(qū)域氣候特征。因此，涵蓋旱地與水田的耕地利用格局對(duì)地表瞬時(shí)溫度影響特征研究是農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)及可持續(xù)性科學(xué)研究進(jìn)展中的應(yīng)有之義。

現(xiàn)有研究為地表溫度反演及景觀格局分析提供了理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，但當(dāng)前相關(guān)研究多針對(duì)城市內(nèi)部城區(qū)下墊面分析，而在耕地與農(nóng)業(yè)氣象環(huán)境關(guān)系研究領(lǐng)域亦多集中于作物生長過程中溫室氣體排放對(duì)局部小氣候的增溫作用，如Georgescu等[8]通過研究美國玉米帶生物能源作物顯示生物物理參數(shù)，揭示作物類型轉(zhuǎn)換帶來的氣候效應(yīng)；Galford等[9]在研究巴西亞馬遜地區(qū)農(nóng)業(yè)溫室氣體排放現(xiàn)狀與預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，探究農(nóng)業(yè)種植對(duì)氣候變化的影響。相比之下，水田種植由于其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的特殊性，水田與旱地下墊面在農(nóng)作物生長發(fā)育期特別是初期明顯不同，耕地水旱田格局及其變化對(duì)局地地表溫度的影響還有待進(jìn)一步探究。

為此，本文從耕地利用格局角度出發(fā)，基于美國陸地資源衛(wèi)星Landsat 8 OLI/TIRS傳感器所提供30 m空間分辨率數(shù)據(jù)，采用大氣校正法反演獲取研究區(qū)2017年6月16日地表溫度（Land Surface Temperature，LST）數(shù)據(jù)，采用GIS方法完成不同耕作區(qū)地表溫度均值分區(qū)統(tǒng)計(jì)，借助SPSS分析功能對(duì)水田占比數(shù)據(jù)與平均地表溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，探究研究區(qū)水稻插秧期一日內(nèi)LST與不同水旱田格局間相關(guān)關(guān)系，一定程度反映水田種植規(guī)模與結(jié)構(gòu)對(duì)局地地表溫度影響程度，進(jìn)而為后續(xù)長期氣候效應(yīng)分析奠定基礎(chǔ)，并為不同類型耕地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)設(shè)置及空間結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化提供理論支撐，對(duì)土地資源優(yōu)化配置實(shí)踐方法作進(jìn)一步探究。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

三江平原（43°50￠022～48°24￠412N，129°11￠492～34°46￠372E）位于黑龍江省東部（圖1），處于中溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量450～650 mm，主要土壤類型為黑土、白漿土等，地勢(shì)平坦，起伏度較小。研究區(qū)位于三江平原中北部（46°23￠122～47°54￠352N，130°07￠502～132°55￠452E），是耕地集中連片區(qū)域，由Landsat 8衛(wèi)星傳感器獲取的一景影像范圍所覆蓋（行列號(hào)為：115/27），在保證內(nèi)部村級(jí)行政區(qū)單元完整性前提下確定研究區(qū)邊界，涉及佳木斯市中部、雙鴨山市西北部及鶴崗市大部，覆蓋面積為16.9×105hm2。近年來，作為東北地區(qū)氣候變暖最為顯著區(qū)域，三江平原水稻種植面積呈現(xiàn)較快增長，研究區(qū)耕作區(qū)域整體呈現(xiàn)水田集中種植為主，水旱混作為輔的種植結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[10-11]，所涉及縣級(jí)行政區(qū)包括富錦市、同江市、寶清縣、友誼縣、樺川縣、集賢縣、綏濱縣、湯原縣，下轄村級(jí)行政單元共873個(gè)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文遙感信息數(shù)據(jù)源為美國陸地資源衛(wèi)星，由NASA官網(wǎng)（http://glovis.usgs.gov/）獲取2017年6月16日Landsat 8 TIRS 遙感影像（軌道號(hào)為115/27），影像獲取時(shí)間為北京時(shí)間上午10：20，經(jīng)查驗(yàn)研究區(qū)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，影像獲取當(dāng)日天氣晴朗，無異常氣溫波動(dòng)且無明顯降水過程，適宜進(jìn)行地表溫度反演。針對(duì)所獲取影像數(shù)據(jù)，首先使用研究區(qū)邊界矢量文件分別對(duì)多光譜影像及第10波段影像數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，依托ENVI 5.1遙感影像處理軟件平臺(tái)，通過Radiometric Correction/Radiometric Calibration工具輻射定標(biāo)，將影像DN值轉(zhuǎn)化為輻射亮度值，采用FLAASH Atmospheric Correction工具，基于MODTRAN5輻射傳輸模型對(duì)多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，依據(jù)相同投影與地理坐標(biāo)系統(tǒng)的黑龍江省地形圖對(duì)研究區(qū)影像進(jìn)行幾何精校正。

依據(jù)2017年國土資源管理部門農(nóng)村土地調(diào)查年度更新1∶10000比例尺數(shù)據(jù)，以美國陸地資源衛(wèi)星Landsat 8 OLI傳感器于2017年5月31日及8月19日所獲取影像為參考，通過目視解譯校正更新地類，獲取2017年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)證精度達(dá)98%以上[12]。在利用耕地范圍掩膜提取基礎(chǔ)上，為消除其他用地類型熱傳導(dǎo)效應(yīng)所造成誤差，將研究區(qū)內(nèi)不透水面、河流水體等其他地類面積占比超過60%的村級(jí)單元剔除，不列入數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)范圍。

1.3 研究方法

1.3.1 地表溫度反演

地表溫度反演采用大氣校正法，其基本原理為去除大氣影響前提下，借助大氣輻射傳輸方程，將衛(wèi)星所觀測(cè)到地表熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)地表溫度[13-19]。其中，衛(wèi)星傳感器接收到熱紅外輻射亮度值L輻射傳輸方程為：

L=[()(1)↓]↑（1）

式中L由TIRS Band 10 輻射定標(biāo)后所得輻射亮度值表征，為地表比輻射率，為地表真實(shí)溫度（K），()為黑體熱輻射亮度W/(m2·sr·m)，為大氣在熱紅外波段透過率，↑為大氣向上輻射亮度W/(m2·sr·m)，↓為大氣向下輻射亮度W/(m2·sr·m)。

則通過普朗克公式由()轉(zhuǎn)化獲?。?/p>

=2/ln[1/()+1] （2）

對(duì)于TIRS Band 10數(shù)據(jù)，1=774.89 W/( m2·m·sr)，2=1 260.56 K。

上述公式中所需參數(shù)為大氣剖面參數(shù)和地表比輻射率，其中，大氣剖面參數(shù)由NASA公布網(wǎng)站（http://atmcorr. gsfc.nasa.gov）查詢獲得（表1），地表比輻射率采用Sobrino提出的NDVI閾值法計(jì)算得到：

0.004P+0.986（3）

式中P為植被覆蓋度，其估算方法采用NDVI閾值法。通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)NDVI值累計(jì)概率統(tǒng)計(jì)，確定NDVI最小值（NDVImin）為0.11，最大值（NDVImax）為0.63。當(dāng)像元NDVI值大于0.63時(shí)P取1，小于0.11時(shí)P取0，當(dāng)像元NDVI值介于0.11與0.63之間時(shí)由公式（4）確定。

P=[(NDVI–NDVImin)/(NDVImax–NDVImin)] （4）

1.3.2 地表熱力級(jí)別劃分

為反映研究區(qū)地表溫度值數(shù)量及分布特征，可選取合適的分級(jí)方法將反演所得溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行等級(jí)劃分[20]。均值-標(biāo)準(zhǔn)差法可用于顯示要素屬性值與平均值之間的差異，使用與標(biāo)準(zhǔn)差成比例的等值范圍創(chuàng)建分類間隔，從而顯示不同溫度等級(jí)劃分情況與空間分布格局，能更好反映不同下墊面地表溫度差異[21-23]。本研究基于實(shí)際LST反演結(jié)果數(shù)值，創(chuàng)建1倍標(biāo)準(zhǔn)差等值分類間隔，借助GIS平臺(tái)將地表溫度劃分為5個(gè)不同等級(jí)（表2），更加系統(tǒng)地反映研究區(qū)地表溫度分布狀況。

1.3.3 相關(guān)性分析

依據(jù)線性回歸模型的相關(guān)性分析是探究研究區(qū)地表溫度值與影響因素之間響應(yīng)關(guān)系的關(guān)鍵方法[24-25]。本文基于GIS方法，以村級(jí)行政單位為單元，依據(jù)水田占比數(shù)據(jù)，劃分水田種植面積級(jí)別，確定各級(jí)別相應(yīng)空間區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)各區(qū)域內(nèi)水田平均占比數(shù)值，同時(shí)計(jì)算不同級(jí)別區(qū)域內(nèi)相應(yīng)地表溫度均值，采用SPSS數(shù)據(jù)相關(guān)性分析工具，構(gòu)建水田面積比例與平均地表溫度間線性相關(guān)關(guān)系，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，最終獲取耕地利用格局與地表溫度值之間響應(yīng)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地利用空間格局

研究區(qū)總面積為16.9×105hm2，其中耕地面積13.4× 105hm2，占比79.37%，屬于墾殖率較高區(qū)域（圖2a）。為確保溫度數(shù)據(jù)與耕地利用數(shù)據(jù)范圍一致性，將道路、河流、云層覆蓋區(qū)及城鎮(zhèn)等影響溫度反演結(jié)果區(qū)域進(jìn)行掩膜處理，最終得到如圖2b研究區(qū)耕地范圍。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2017年研究區(qū)耕地總面積為12.4×105hm2，占研究區(qū)總面積的73.63%。耕地類型以水田為主，面積為7.2×105hm2，占比58.12%，旱地面積為5.2×105hm2，占比為41.88%。從空間分布來看，研究區(qū)內(nèi)西部、北部水田呈現(xiàn)集中連片態(tài)勢(shì)，旱地較為聚集區(qū)域分布在研究區(qū)的西南部和東部，研究區(qū)中部及東部偏南區(qū)域呈現(xiàn)大面積水旱混作特征，該區(qū)域內(nèi)水田與旱地呈小范圍同類聚集，整體交錯(cuò)分布形態(tài)，耕地利用格局較其他區(qū)域更復(fù)雜（圖2b）。

圖2 2017年研究區(qū)土地利用類型及耕地利用格局

研究區(qū)耕地分布在859個(gè)村級(jí)單元。為進(jìn)一步明晰不同水旱田種植格局分布情況，以研究區(qū)耕地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以村級(jí)行政單元為單位，分別統(tǒng)計(jì)各單元內(nèi)水田面積占比數(shù)據(jù)，利用相等間隔分類方法，將所有單元水田種植面積等級(jí)劃分為10級(jí)，間隔大小為10%（表3）。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，隨水田占比級(jí)別增加，所涉及村莊個(gè)數(shù)、耕地面積及其占比總體上均呈現(xiàn)先減少后增加態(tài)勢(shì)。分析水田種植分級(jí)圖（圖3）可知，在水田種植集中區(qū)域，水田占比級(jí)別多為9～10級(jí)，各單元內(nèi)水田占比絕大多數(shù)為80%以上，其中研究區(qū)南部偏東地區(qū)和西部地區(qū)比率超過90%。而旱地種植較為聚集區(qū)域內(nèi)，水田占比級(jí)別以1～2級(jí)居多，水田占比整體低于30%，大部分區(qū)域比率在20%以下。中部水旱混作區(qū)域內(nèi)水田占比級(jí)別則以5～7級(jí)為主，雖存在小范圍超過90%或低于10%情況，整體來看水田占比介于40%～70%之間，即水田種植規(guī)模不占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，兩類用地在空間上表現(xiàn)為交錯(cuò)分布態(tài)勢(shì)。

表3 水田面積比例分級(jí)統(tǒng)計(jì)

圖3 水田面積比例分級(jí)

2.2 地表溫度

研究區(qū)地表溫度反演結(jié)果如圖4所示，分析可知，研究區(qū)整體呈現(xiàn)西北部及北部溫度低，西南部及東部溫度高態(tài)勢(shì)，其中研究區(qū)內(nèi)佳木斯市東部地區(qū)，雙鴨山市大部分地區(qū)呈現(xiàn)明顯高溫區(qū)聚集分布特征，鶴崗市及佳木斯市西部地區(qū)地表溫度普遍表現(xiàn)為次低溫或低溫。同時(shí)，研究區(qū)內(nèi)其他地類如河流、無植被覆蓋灘涂、城鎮(zhèn)不透水、少量云層、沼澤地等地類地表溫度與周邊耕地溫度存在較大差值，其中不透水面等高反射率高蓄熱體對(duì)其周邊用地會(huì)產(chǎn)生一定熱傳導(dǎo)效應(yīng)，對(duì)部分耕地范圍邊緣處地表溫度值產(chǎn)生一定影響。

圖4 研究區(qū)地表溫度（LST）分布

掩膜去除非耕地區(qū)域，并將其他用地面積占比超過60%的村莊單元剔除后，研究區(qū)耕地地表歸一化植被指數(shù)（NDVI）值分布及溫度分級(jí)結(jié)果如圖5、6所示。研究區(qū)耕地范圍地表溫度整體呈現(xiàn)北部低，南部和東部高態(tài)勢(shì)（圖6）。

圖5 NDVI值空間分布

圖6 耕地范圍地表溫度分級(jí)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)（表4），范圍內(nèi)面積最大區(qū)域?yàn)榇蔚蜏貐^(qū)（23.0～28.8 ℃），其覆蓋面積為601 410.06 hm2，占研究區(qū)耕地范圍面積的48.32%，主要分布于研究區(qū)西偏北部和北部，其次為次高溫區(qū)（34.7～40.6 ℃），面積283 308.66 hm2，所占比例為22.77%，主要出現(xiàn)在研究區(qū)中部及東部區(qū)域，水田面積占比中溫區(qū)（28.8～34.7 ℃）和高溫區(qū)（>40.6 ℃）面積占比均未超過研究區(qū)耕地范圍面積的20%，其中高溫區(qū)面積139 687.47 hm2，占比11.24%，而中溫區(qū)面積略大于高溫區(qū)，為212 981.76 hm2，占比17.12%，此兩級(jí)均分布于西部偏南、南部及東部區(qū)域，低溫區(qū)域（<23.0 ℃）所覆蓋面積最小，為6 763.95 hm2，約占研究區(qū)總面積的0.55%。不同溫度分級(jí)區(qū)內(nèi)水田面積占比存在差異，主要表現(xiàn)為隨整體溫度升高，水田面積占比數(shù)值下降。低溫區(qū)水田面積占比達(dá)72.90%，而高溫區(qū)則為13.59%。水田種植區(qū)域內(nèi)地表溫度均值為27.73 ℃，旱地種植區(qū)域內(nèi)均值為37.60 ℃，比水田區(qū)高9.87 ℃。

表4 不同級(jí)別地表溫度面積規(guī)模統(tǒng)計(jì)

2.3 水田比例與地表溫度相關(guān)性分析

對(duì)比耕地利用格局?jǐn)?shù)據(jù)、水田占比級(jí)別空間分布數(shù)據(jù)與地表溫度反演結(jié)果空間分布特征可知，研究區(qū)耕地范圍內(nèi)存在高溫區(qū)與旱地種植區(qū)、次低溫區(qū)與水田種植區(qū)大面積重疊現(xiàn)象，且研究區(qū)腹地混作區(qū)地表溫度級(jí)別分布結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。但水旱田種植格局與地表溫度間是否存在相關(guān)關(guān)系，仍需進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析和探究。在水田種植比例分級(jí)基礎(chǔ)上，分別統(tǒng)計(jì)得到各級(jí)別范圍內(nèi)地表溫度均值（表5），分析并探討以10%為間隔的水田占比級(jí)別尺度上，水旱田格局與溫度均值的相關(guān)性關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

從分析結(jié)果來看，隨水田面積占比增加，地表溫度呈現(xiàn)遞減態(tài)勢(shì)。對(duì)比各級(jí)別溫度距平可知，兩極級(jí)別內(nèi)地表溫度值數(shù)量結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，波動(dòng)幅度小，而在4～6級(jí)范圍內(nèi)溫度距平較大，溫度距平隨耕地利用級(jí)別增加先呈增加趨勢(shì)，在5級(jí)達(dá)到峰值（5.75 ℃）后開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并在10級(jí)處達(dá)到最低值，即在水田或旱地集中種植區(qū)域，其內(nèi)部溫度數(shù)值較為平均，而水田混作區(qū)范圍內(nèi)地表溫度值跨度大，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這表明，水旱田種植數(shù)量結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)部LST數(shù)值波動(dòng)越大，與空間分布特征分析結(jié)果一致。

表5 不同級(jí)別水田數(shù)量結(jié)構(gòu)與溫度值統(tǒng)計(jì)

在計(jì)算不同水田種植級(jí)別內(nèi)水田面積占比與地表溫度均值基礎(chǔ)上分析二者相關(guān)性，結(jié)果顯示，研究區(qū)耕地范圍內(nèi)水田面積占比與地表溫度均值存在線性相關(guān)關(guān)系，其線性回歸方程為：–0.128 639.244，相關(guān)性系數(shù)為–0.996（圖7），經(jīng)皮爾森顯著性檢驗(yàn)，二者在0.01水平（雙側(cè)）呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（<0.01）。這表明，三江平原地區(qū)本研究期內(nèi)，水田種植過程對(duì)局部區(qū)域地表溫度的降溫效應(yīng)在各個(gè)水田占比級(jí)別中均有顯著體現(xiàn)，隨水田面積占比增大，地表溫度均值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。

圖7 水田面積占比與地表溫度均值相關(guān)性

為探究村級(jí)單元尺度上是否存在與水田占比級(jí)別尺度上相同的相關(guān)性關(guān)系，確保統(tǒng)計(jì)單元完整性前提下，滿足不同水田占比樣本均能得到統(tǒng)計(jì)的要求，于研究區(qū)耕地范圍內(nèi)選取水旱田明顯交錯(cuò)混作區(qū)域作為典型區(qū)（圖8），該區(qū)域地處研究區(qū)腹地，共覆蓋村級(jí)行政單元51個(gè)，耕地總面積為13.1×104hm2，其中水田面積共8.75×104hm2，占區(qū)域總面積66.56%，空間上呈現(xiàn)較為復(fù)雜的種植結(jié)構(gòu)。對(duì)典型區(qū)內(nèi)水田種植面積與平均地表溫度間相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。從相關(guān)性分析結(jié)果來看，區(qū)域內(nèi)地表溫度均值與水田面積占比數(shù)據(jù)在0.01水平（雙側(cè)）呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（<0.01），其相關(guān)性系數(shù)為–0.915。

圖8 水旱混作典型區(qū)位置

圖9 典型區(qū)水田面積占比與地表溫度相關(guān)性

綜合兩個(gè)相關(guān)性分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在水稻生長初期，即植株生長、分蘗階段，無論是按照水田占比分級(jí)尺度還是村級(jí)行政單元尺度進(jìn)行分析，水田面積占比與地表溫度都呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。水旱田下墊面特征不同是造成地表溫度差異的主要原因。由于水體熱容量大于土壤，在接收同等太陽輻射條件下，土壤溫度升高更快[26]，從而導(dǎo)致在太陽輻射強(qiáng)烈的白天，地表溫度表現(xiàn)為：水田<旱地。研究區(qū)所處位置為北半球寒冷地區(qū)，地表植被覆蓋度是影響地表輻射能量平衡的關(guān)鍵因素。本研究時(shí)點(diǎn)上研究區(qū)耕地作物為生長初期，水田地表表現(xiàn)為少量植被覆蓋與裸露淺水面共存狀態(tài)，旱地則表現(xiàn)少量植被覆蓋與裸土共存狀態(tài)。對(duì)于裸土地表而言，土壤比輻射率與土壤水分密切相關(guān)，相關(guān)研究表明土壤比輻射率隨含水量增加而增加[27-28]，而作為地表溫度反演的重要參數(shù)，不同植被覆蓋程度種植區(qū)域地表比輻射率差異會(huì)對(duì)地表溫度值產(chǎn)生影響。與此同時(shí)，地表蒸散量的增加使近地表空氣濕度增大，有效減少地表向外熱輻射量，從而使得水田種植對(duì)局域內(nèi)地表熱環(huán)境存在較為明顯的降溫效應(yīng)。

3 討 論

本文從耕地角度出發(fā)，分析耕地范圍內(nèi)地表溫度對(duì)不同耕地耕作類型的響應(yīng)，由于耕地范圍內(nèi)下墊面具有覆被種類少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、像元純度較高等特性，采用大氣校正法反演無降水時(shí)段內(nèi)研究區(qū)地表溫度具有可行性和現(xiàn)實(shí)意義。不同于現(xiàn)有的多數(shù)針對(duì)城鎮(zhèn)區(qū)域下墊面對(duì)地表溫度影響特征研究[29-31]，本文從耕地范圍出發(fā)，進(jìn)一步填補(bǔ)了當(dāng)前地表溫度影響因素及影響特征研究領(lǐng)域存在的空白，通過村級(jí)單元尺度上對(duì)單景影像反演的溫度數(shù)據(jù)分析，揭示了區(qū)域瞬時(shí)溫度對(duì)耕地種植格局的響應(yīng)規(guī)律，為進(jìn)一步探究地表溫度差異長期累積所產(chǎn)生的氣候效應(yīng)奠定基礎(chǔ)。隨著遙感數(shù)據(jù)普及與信息化平臺(tái)服務(wù)功能提升，在后續(xù)研究中可進(jìn)一步采取長時(shí)間序列分析比較方式，以研究區(qū)作物生長發(fā)育成熟期整個(gè)過程為研究時(shí)段，進(jìn)一步探討水田種植格局對(duì)地表溫度所產(chǎn)生影響的累積效應(yīng)與變化狀況，對(duì)不同耕地利用格局演變對(duì)地表溫度影響的時(shí)空特征進(jìn)行更全面的研究。此外，在LST數(shù)據(jù)降尺度等技術(shù)支撐下，可進(jìn)一步利用更高空間分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，探究更高精度的相關(guān)關(guān)系，逐步建立耕地?zé)岘h(huán)境與耕作類型響應(yīng)規(guī)律體系，為土地資源優(yōu)化配置尤其耕作方式規(guī)劃及相關(guān)政策制定提供科學(xué)有效依據(jù)。

4 結(jié) 論

本研究基于遙感數(shù)據(jù)影像，以水田種植面積占比分級(jí)數(shù)據(jù)表征水旱田格局，依據(jù)地表輻射能量平衡方程，采用大氣校正法反演研究區(qū)地表溫度值，并通過相關(guān)性分析方法開展研究區(qū)水旱田格局對(duì)地表溫度影響的瞬時(shí)空間規(guī)律特征分析，主要得到以下結(jié)論：

1）研究區(qū)耕地范圍內(nèi)以水田種植為主，占耕地總面積58.12%，集中連片分布于西部和北部，旱地主要分布在西南和東部區(qū)域，其面積占比為41.88%。水田種植集中區(qū)域水田種植面積級(jí)別多為9～10級(jí)，而旱地種植較為聚集區(qū)域內(nèi)水田種植面積級(jí)別以1～2級(jí)居多，中部水旱混作區(qū)域內(nèi)水田種植級(jí)別則以5～7級(jí)為主。

2）研究區(qū)耕地范圍內(nèi)2017年6月16日10時(shí)20分水田種植區(qū)域內(nèi)地表溫度均值為27.73 ℃，旱地種植區(qū)域內(nèi)均值為37.60 ℃，比水田區(qū)高9.87 ℃。從溫度分級(jí)結(jié)果看，次低溫區(qū)（23.0～28.8 ℃）和中溫區(qū)（28.8～34.7 ℃）空間分布形態(tài)與水田及水旱混作區(qū)域關(guān)聯(lián)性較好，而次高溫區(qū)（34.7～40.6 ℃）、高溫區(qū)域（>40.6 ℃）主要分布在研究區(qū)西部偏南、南部及東部區(qū)域，與旱地聚集區(qū)域相合。

3）水田面積占比與地表溫度均值在0.01水平（雙側(cè)）呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（<0.01），在相應(yīng)研究時(shí)點(diǎn)上，村域尺度研究結(jié)果表明隨著水田面積占比的增大，區(qū)域地表溫度均值呈現(xiàn)明顯遞減規(guī)律，水田種植會(huì)對(duì)地表溫度產(chǎn)生降溫效應(yīng)。從相關(guān)性程度來看，水田面積占比與地表溫度均值間相關(guān)性系數(shù)超過0.9，村域尺度上水旱田格局對(duì)地表溫度存在顯著影響。

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Influence of paddy field and dry field distribution on local surface temperature by remote sensing inversion in Sanjiang Plain

Du Guoming, Liu Wenqi, Yu Jiaxing, Zhang Shuang

(150030,)

The impact of rapid land-use conversion on the local climate is the focus of global change and sustainable research. Large-scale upland conversion to paddy fields and its influence on the local climate in the Sanjiang Plain area should be the important content of current climate impact research on human land use activities. In order to explore its influence on the land surface temperature, we used the atmospheric correction temperature inverse method based on the Landsat 8 TIRS remote sensing image data on June 16, 2017. The basic principle of this method is to remove the atmospheric influence and use the atmospheric radiation transfer equation; surface heat radiation intensity observed by the satellite is converted to the corresponding surface temperature. The parameters involved are mainly atmospheric profile parameters and surface specific emissivity. Through the temperature inversion, the surface temperature data of the northern part of the Sanjiang Plain was obtained. Then, the mean-standard deviation method was used to divide the overall temperature data of the cultivated land in the study area into five different grades, which visually showed the overall distribution characteristics of the land surface temperature values of the cultivated land in the study area. The land-use data was updated and obtained from the national rural land survey data , which scale was 1∶10000. On this basis, we analyze the correlation between the paddy field planting area and the average land surface temperature in the different paddy field planting level divisions, and characterized the space effect of different patterns of dry field and paddy fields on the surface temperature feature. Through this series of data statistics and analysis process, the following results can be obtained: the research area we selected is the cultivated land concentration area, and the cultivated land area within the scope is 73.63%. Cultivated land types in the study area are mainly paddy fields and dry land. The paddy field planting area is 7.2×105hm2, accounting for 58.12% of the total area of cultivated land, while the dry field planting area is slightly lower than that of paddy field with area 5.2×105hm2, accounting for 41.88%. According to the zoning statistics, we know that in the paddy field planting area average surface temperature in the interior is 27.73 ℃, while the average surface temperature in the dry field is 37.60 ℃, which is 9.87 ℃ higher than that in the paddy field. In addition, from the aspect of spatial distribution, the surface temperature is lower in the northwest and the north which is higher in the southwestern part and the eastern part of the study area. After correlation analysis, we find that the paddy field area ratio and the surface temperature mean value are significantly negative at 0.01 (two sides) (<0.01). These findings reveal that different underlying surface types in the arable area are the necessary factors of surface temperature differentiation. During the study period, the paddy field has a significant cooling effect on the land surface thermal environment. The variation in energy transfer process caused by different water content and evapotranspiration in different underlying surfaces of dry field and paddy fields makes its distribution pattern the main cause of land surface temperature value differentiation.

remote sensing; temperature; cultivated land; paddy field pattern; Sanjiang Plain

2018-09-04

2018-12-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571167)；黑龍江省博士后科研啟動(dòng)金資助項(xiàng)目（LBH-Q17018）

杜國明，博士，教授，主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源優(yōu)化配置與農(nóng)村區(qū)域發(fā)展。Email：nmgdgm@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.032

P951

A

1002-6819(2019)-05-0259-09

杜國明，劉文琦，于佳興，張 爽.三江平原水旱田分布對(duì)遙感反演局地地表溫度的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(5)：259－267.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.032 http://www.tcsae.org

Du Guoming, Liu Wenqi, Yu Jiaxing, Zhang Shuang. Influence of paddy field and dry field distribution on local surface temperature by remote sensing inversion in Sanjiang Plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(5): 259－267. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.032 http://www.tcsae.org