利用Landsat資料的南寧近年來(lái)城市熱島效應(yīng)研究

(1.廣西大學(xué)海洋學(xué)院， 廣西南寧530004； 2.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院， 廣西南寧530004；3.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所國(guó)家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100101；4.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院， 山東青島266590)

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，城市規(guī)模不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致熱量在城區(qū)空間范圍內(nèi)聚集，從而形成較周邊溫度高的城市熱島。城市熱島對(duì)很多方面產(chǎn)生影響，包括城市土壤理化性質(zhì)、物質(zhì)循環(huán)、氣候、水文、能量代謝以及生命健康等[1]，同時(shí)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)產(chǎn)生的原因也和熱島現(xiàn)象有關(guān)，城市熱島還影響著城市大氣環(huán)境、城市生物習(xí)性。目前城市地表熱環(huán)境已經(jīng)成為影響城市環(huán)境的重要因素之一，城市熱島現(xiàn)象隨著城市快節(jié)奏的生活日益加重，影響著人們正常的工作和學(xué)習(xí)生活，對(duì)城市空氣質(zhì)量和城市能耗等都有較廣泛的影響，而且城市熱島效應(yīng)長(zhǎng)期與氣候現(xiàn)象作用將產(chǎn)生“城市霧島”、“城市雨島”、“城市污島”等現(xiàn)象[2-4]，所以對(duì)城市溫度變化以及城市熱島效應(yīng)的對(duì)比分析研究有著重要的意義，同時(shí)也為未來(lái)熱島發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)作了鋪墊。

地表溫度是地球系統(tǒng)水熱平衡的關(guān)鍵因子，在許多方面都意義重大，比如氣候變化、軍事目標(biāo)識(shí)別、天氣預(yù)報(bào)等[5]?；谟^測(cè)對(duì)象，存在兩種城市熱島效應(yīng)，一種是基于氣象站點(diǎn)觀測(cè)的大氣城市熱島效應(yīng)(atmospheric urban heat island)，另外一種是基于遙感衛(wèi)星觀測(cè)的地表城市熱島效應(yīng)(land surface urban heat island)。第一種效應(yīng)在夜晚更明顯，而第二種效應(yīng)在白天更強(qiáng)[6]。衛(wèi)星遙感測(cè)量的陸地表面溫度(land surface temperature)是地球表面的有效輻射溫度，所以應(yīng)用到多種熱量平衡、氣候模擬和全球變化研究中，而有效輻射溫度控制著地球表面與大氣的熱量和水分交換[7]。由于遙感手段具有高時(shí)效性，覆蓋范圍廣、空間連續(xù)性，可靠性的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到城市地表溫度反演，以及城市熱環(huán)境的時(shí)間和空間變化研究中。徐涵秋[8]用最新的參數(shù)以及算法對(duì)Landsat8數(shù)據(jù)進(jìn)行處理反演出地表溫度和反射率。2006年，岳文澤等[9]以Landsat7的ETM+反演上海的陸地表面溫度，并分析它與NDVI在不同土地利用類型之間的差異以及二者之間的定量關(guān)系。覃志豪等[10]基于分裂窗算法利用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)業(yè)旱災(zāi)遙感監(jiān)測(cè)中所需要的地表溫度反演問(wèn)題做了探討，結(jié)果表明分裂窗算法反演大氣透過(guò)率和地表比輻射率這兩個(gè)參數(shù)不僅速度快而且反演結(jié)果精確。蘇偉忠等[11]利用Landsat數(shù)據(jù)反演地表溫度，認(rèn)為南京市城市熱場(chǎng)的空間分布被土地利用、覆蓋類型的空間格局所影響，主要原因可能工業(yè)區(qū)較多。張佳華等[12]以北京為研究區(qū)，利用氣象數(shù)據(jù)分析了其城市熱島和氣溫的年際變化以及5個(gè)城市站點(diǎn)在不同季節(jié)的日變化特征，結(jié)果均呈增加趨勢(shì)。PRICE[13]利用NOAA 7衛(wèi)星AVHRR獲取1 km分辨率數(shù)據(jù)來(lái)估算地表溫度以及對(duì)地球表面的輻射進(jìn)行大氣校正。謝元禮等[14]用單窗算法反演了蘭州地區(qū)TM影像地表溫度，認(rèn)為反演結(jié)果有一定的可行性，結(jié)果表明該地區(qū)城市熱島效應(yīng)進(jìn)一步加劇。李峰等[15]利用改進(jìn)的Becker和Li分裂窗地表溫度反演算法和像元二分法反演FY-3/VIRR的山東省地表溫度，與監(jiān)測(cè)站的溫度相關(guān)分析結(jié)果與地面實(shí)際很吻合。

本文以南寧市為例，利用多年來(lái)遙感數(shù)據(jù)反演城市熱島的規(guī)模，并分析多年來(lái)的變化趨勢(shì)，與城市擴(kuò)張，土地利用/覆蓋，NDVI的變化進(jìn)行對(duì)比分析，為城市中的熱環(huán)境問(wèn)題提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南寧市屬于廣西壯族自治區(qū)，是首府城市，簡(jiǎn)稱邕。地理位置在北回歸線南側(cè)，屬濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候，陽(yáng)光充足，雨量充沛，霜少無(wú)雪，氣候溫和，夏長(zhǎng)冬短，夏季炎熱潮濕，冬季稍顯干燥，干濕季節(jié)分明，春秋兩季氣候溫和。同時(shí)南寧市也是海上絲綢之路有機(jī)銜接的重要門戶城市，北部灣核心經(jīng)濟(jì)區(qū)城市。

研究區(qū)范圍是南寧市外環(huán)高速和G72以內(nèi)的市區(qū)，如圖1所示。包含有6個(gè)城區(qū)，分別為西鄉(xiāng)塘區(qū)、青秀區(qū)、江南區(qū)、興寧區(qū)、邕寧區(qū)、良慶區(qū)。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Location of study area

2 數(shù)據(jù)介紹和數(shù)據(jù)預(yù)處理

Landsat是美國(guó)NASA發(fā)射的陸地衛(wèi)星。自1972年起，美國(guó)宇航局一共發(fā)射了7顆Landsat陸地衛(wèi)星。Landsat4、5是第二代衛(wèi)星，傳感器主要是7個(gè)波段的TM，可見光到短波紅外波段空間分辨率為30 m，熱紅外波段為120 m，重采樣至30 m[16]。Landsat8是NASA 2013年2月11日發(fā)射的衛(wèi)星，主要攜帶有OLI和TIRS兩個(gè)載荷，OLI陸地成像儀包括9個(gè)波段，空間分辨率30 m，TIRS熱紅外傳感器包括2個(gè)波段，空間分辨率為100 m，重采樣至30 m。

本文運(yùn)用2003年～2016年期間不同時(shí)相的Landsat5和Landsat8的遙感圖像，收集年份為2003年、2006年、2009年、2010年、2015年以及2016年，一共六個(gè)時(shí)期南寧市秋季，晴空遙感數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)見表1，選擇的是晴天無(wú)云、數(shù)據(jù)清晰的影像。對(duì)每景影像進(jìn)行幾何精校正、輻射定標(biāo)等預(yù)處理。

表1 六期遙感數(shù)據(jù)Tab.1 6 periods remote sensing data

3 研究方法

基于遙感主要的地表溫度反演方法有輻射傳輸法(大氣校正法)[17]、單窗算法[18]、單通道法[19]、分裂窗算法(劈窗算法)[20]。本研究用大氣校正法來(lái)反演地表溫度,首先通過(guò)MODTRAN與大氣剖面信息求得大氣對(duì)地表熱輻射的影響，然后將其從衛(wèi)星觀測(cè)熱輻射總量中去除，再通過(guò)大氣透過(guò)率與地表比輻射率得到實(shí)際地表熱輻射，進(jìn)而轉(zhuǎn)換至實(shí)際地表溫度。最后通過(guò)熱島強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算不同時(shí)相的城市熱島范圍和強(qiáng)度。

3.1 計(jì)算亮度溫度

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由地表輻射亮度、大氣上行輻射亮度、大氣下行輻射亮度三部分組成。Lλ表達(dá)式可寫為：

Lλ=τ[εB(TS)+(1-ε)Ld]+Lu,

(1)

式中，ε為波段地表比輻射率，TS為地表真實(shí)溫度，B(TS)為黑體熱輻射亮度，τ為波段大氣透射率，Lu和Ld分別是大氣的上行和下行熱輻射亮度。

式(2)可將衛(wèi)星DN值轉(zhuǎn)化為輻射亮度值：

Lλ=gain×DN+offset,

(2)

式中，Lλ為衛(wèi)星輻射亮度，gain和offset分別為L(zhǎng)andsat輻射定標(biāo)的增益和偏移系數(shù)，可以在影像的頭文件中獲取gain和offset這兩個(gè)系數(shù)。

在NASA官網(wǎng)中輸入對(duì)應(yīng)影像的參數(shù)，通過(guò)MODTRAN模型計(jì)算得到τ、Lu、Ld三個(gè)參數(shù)值，代入到式(3)中可以得到去除大氣熱輻射影響的地表實(shí)際熱輻射。

B(TS)=[Lλ-Lu-τ(1-ε)Ld]/τε。

(3)

再通過(guò)式(4)獲得實(shí)際的地表溫度Ts為：

(4)

Ts為實(shí)際的地表溫度，K，K1和K2為系數(shù)，對(duì)于Landsat5 TM取K1=607.76，K2=1 260.56，對(duì)于Landsat8 TIRS取K1=774.89，K2=1 321.08。

3.2 計(jì)算地表比輻射率

在研究中先提取水體，其比輻射率賦值為0.995。城市地區(qū)下墊面在100 m或者120 m空間分辨率下非常復(fù)雜，主要由各種建筑物、公路、人行道等不透水面和綠化植被所組成。將研究區(qū)劃分為城鎮(zhèn)像元(像元組成類型是植被和建筑物等的混合)，包括鄉(xiāng)村和城市，以及自然表面(像元組成類型是不同比例的裸土、植被葉冠組成混合)，包括各種林地、農(nóng)田、陸地表面等。植被、裸土和建筑表面的比輻射率，分別取0.986，0.972，0.970[21-22]，混合像元?jiǎng)澐譃槌擎?zhèn)和自然表面兩種類型，地表比輻射率分別根據(jù)式(5)、(6)進(jìn)行計(jì)算：

εbuilding= 0.958 9 + 0.086FV- 0.067 1FV2,

(5)

εsurface= 0.962 5 + 0.0614FV- 0.046 1FV2,

(6)

式中，εbuilding和εsurface分別代表城鎮(zhèn)像元和自然表面像元的比輻射率，F(xiàn)V代表植被覆蓋度。

3.3 計(jì)算NDVI值和植被覆蓋度

植被指數(shù)能夠反映地表的植被覆蓋情況，是人為因素對(duì)環(huán)境影響的敏感指標(biāo)。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)是植被生產(chǎn)力和植被覆蓋的良好指標(biāo)，它可以用來(lái)監(jiān)測(cè)植被覆蓋度和植被長(zhǎng)勢(shì)等。根據(jù)紅光波段和近紅外波段的地表反射率，利用式(7)求得NDVI：

(7)

式中，ρNIR表示近紅外波段反射率，ρR表示紅光波段反射率。

利用混合像元分解法計(jì)算植被覆蓋度FV，具體的計(jì)算公式如式(8)：

FV=(NDVI-NDVIS)/(NDVIV-NDVIS)，

(8)

取NDVIV=0.70和NDVIS=0.00，歸一化差異植被指數(shù)NDVI大于0.70的像元，F(xiàn)V=1；歸一化差異植被指數(shù)NDVI小于0.00的像元，F(xiàn)V=0。

4 計(jì)算熱島強(qiáng)度

4.1 城市熱島強(qiáng)度指數(shù)

城市熱島強(qiáng)度指數(shù)(urban heat island intensity index, UHII)即城市地表溫度與郊區(qū)鄉(xiāng)村地表溫度之差[23]，則。

(9)

其中，UHIIi是指熱島強(qiáng)度(遙感影像上第i個(gè)像元)，Ti是陸地表面溫度，n為郊區(qū)(鄉(xiāng)村)農(nóng)田的像元數(shù)Tcrop為郊區(qū)(鄉(xiāng)村)農(nóng)田內(nèi)的陸地表面溫度。按照熱島強(qiáng)度值的大小，劃分為強(qiáng)冷島、較強(qiáng)冷島、弱冷島、無(wú)熱島、弱熱島、較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島共7級(jí)熱島強(qiáng)度[23]，分別賦值為1、2、3、4、5、6、7。

4.2 城市熱島比例指數(shù)

地表熱島比例指數(shù)(urban heat island proportion index, UHPI)是描述熱島范圍在空間上所占比例大小，以市區(qū)空間為單元計(jì)算所占總面積的熱島比例，并在該空間單元賦予權(quán)重表征熱島的發(fā)育程度[23]，計(jì)算方法如式(10)所示。則：

(10)

式中，m為熱島強(qiáng)度等級(jí)數(shù)，i為城區(qū)高于郊區(qū)溫度等級(jí)序號(hào)；n為城區(qū)溫度高于郊區(qū)溫度的等級(jí)數(shù)；wi為第i級(jí)的權(quán)重，取等級(jí)值，pi為第i級(jí)所占的面積百分比。UHPI值越高，熱島現(xiàn)象越嚴(yán)重。當(dāng)UHPI值大小接近于0時(shí)，即城市幾乎沒(méi)有熱島現(xiàn)象，當(dāng)值接近于1時(shí)，即城市強(qiáng)熱島范圍較廣。由4.1知m=7，n=3。長(zhǎng)時(shí)間序列的城市熱島比例指數(shù)對(duì)定量反映城市熱島的變化很有優(yōu)勢(shì)。

4.3 植被綠度變化指數(shù)

植被綠度變化指數(shù)(greenness rate of change index, GRCI)判斷的是植被在這期間處于恢復(fù)還是退化[24]，計(jì)算方法如式(11)所示。

(11)

根據(jù)第i年的NDVIi值來(lái)計(jì)算，采用一元線性回歸分析可以分析每個(gè)柵格點(diǎn)的變化趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果是年際變化的最小次方線性回歸方程的斜率。從理論上講，當(dāng)GRCI的大小在0左右時(shí)，說(shuō)明植被變化趨勢(shì)不明顯，也就是維持在原有水平上；當(dāng)GRCI值大于0時(shí)，說(shuō)明在該時(shí)間段中植被是恢復(fù)的，且絕對(duì)值與恢復(fù)趨勢(shì)成正比；當(dāng)GRCI值小于0時(shí)，說(shuō)明在該時(shí)間段中植被是退化的，且隨著絕對(duì)值增大退化趨勢(shì)越明顯。用七個(gè)等級(jí)來(lái)表示結(jié)果，分別是明顯改善、中度改善、輕微改善、基本不變、輕微退化、中度退化、嚴(yán)重退化。

5 結(jié)果與分析

5.1 反演溫度與NDVI的結(jié)果圖及剖面變化分析

按照上述反演方法得到不同時(shí)相遙感影像的地表溫度，結(jié)合植被指數(shù)NDVI進(jìn)行對(duì)比分析(圖2)。以2016年10月9日的數(shù)據(jù)為例，在市中心以及工業(yè)區(qū)聚集地植被較少，NDVI屬于低值區(qū)；在公園農(nóng)田綠地等植被較多的地區(qū)，NDVI則為高值區(qū)。市區(qū)建筑群較密集的快環(huán)高速地表溫度LST較高，青秀區(qū)以及植被較茂密的城郊區(qū)域LST較低。邕江、南湖、八尺江等水體的溫度較低，而NDVI為負(fù)值。從圖2看出地表溫度與植被指數(shù)NDVI呈相反的趨勢(shì)。

為了更好地揭示在不同方向上NDVI和LST的變化和差異，提取圖2中西北—東南方向上的剖面線，根據(jù)不同距離不同像元所代表的溫度及NDVI值，以及剖面線經(jīng)過(guò)的代表性區(qū)域繪制剖面線變化對(duì)比圖(圖3)。

從圖3中可以明顯地看出，植被指數(shù)NDVI和地表溫度LST有著相反的趨勢(shì)走向。明華村和廣西大學(xué)附近建筑密集，周邊有工業(yè)區(qū)，溫度較高，植被指數(shù)較低。NDVI在青秀山風(fēng)景區(qū)的值最高，溫度則為最低。對(duì)于南湖、邕江、八尺江來(lái)說(shuō)其NDVI為負(fù)值，溫度也呈低值范圍。在城郊這樣的地理位置包含有大量農(nóng)田房屋建筑等，溫度和LST的變化走勢(shì)都比較平穩(wěn)，但是對(duì)于城郊來(lái)說(shuō)人口較少，幾乎遠(yuǎn)離了工業(yè)區(qū)城市區(qū)，所以溫度較低?？傮w來(lái)說(shuō)植被指數(shù)偏低的地方溫度較高，兩者存在相反的空間格局。郊區(qū)植被多的地方溫度低,城區(qū)工業(yè)區(qū)則相反。

圖3 圖2中西北—東南向剖面線上LST與NDVI變化對(duì)比Fig.3 Northwest-Southeast profiles across research areas in Figure 2

5.2 南寧市城市熱島多年來(lái)情況

圖4為6期Landsat衛(wèi)星資料計(jì)算的南寧市六城區(qū)熱島強(qiáng)度指數(shù)分布。2003年南寧熱島強(qiáng)度和范圍都比較小，大部分為淡黃色，分布在快速環(huán)道以內(nèi)，有少部分較紅的顏色分布在朝陽(yáng)廣場(chǎng)及以西和以北的老城市中心地帶，黃色和較紅的顏色在快速環(huán)道以外零星分布，與主要干道具有重合性。2006年總體趨勢(shì)與2003年一致，快速環(huán)道內(nèi)依然是城市熱島的集中區(qū)域，處于淡黃色這個(gè)級(jí)別。這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的熱島效應(yīng)主要集中在快速環(huán)道以內(nèi)的局部區(qū)域，如朝陽(yáng)片區(qū)等老城區(qū)。

圖4 南寧市2003年～2016年期間城市熱島強(qiáng)度指數(shù)分布Fig.4 Index distribution of urban heat island intensity in Nanning from 2003 to 2016

2009年熱島強(qiáng)度和范圍逐漸加強(qiáng)，弱熱島向外蔓延的同時(shí)，較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島也逐漸增多，尤其在2009年，強(qiáng)熱島范圍非常明顯，而且不單單局限于快速環(huán)道范圍以內(nèi)，在快速環(huán)道以外的西鄉(xiāng)塘區(qū)、興寧區(qū)和江南區(qū)的熱島效應(yīng)也比較明顯。2010年這兩年相比于前一年的熱島強(qiáng)度稍微有所下降，但是整體是呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的，熱島范圍越來(lái)越向外圍擴(kuò)張，并且由弱熱島向較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島的過(guò)渡；這一時(shí)間段的熱島效應(yīng)集中在快速環(huán)道以內(nèi)區(qū)域，以及西鄉(xiāng)塘的高新片區(qū)，江南的白沙大道沿線。

2015年熱島效應(yīng)最明顯的區(qū)域是江南區(qū)的快速環(huán)道以內(nèi)和快速環(huán)道沿線，西鄉(xiāng)塘的高新片區(qū)，另外大沙田、邕寧區(qū)政府、五象新區(qū)、鳳嶺片區(qū)形成成片的黃色，表明城市熱島效應(yīng)由原先的較單發(fā)變?yōu)槌善?。這種情況在2016年特別明顯，2016年強(qiáng)熱島達(dá)到最高，另外熱島范圍遍布六個(gè)城區(qū)。說(shuō)明隨著時(shí)間增加，總體來(lái)說(shuō)熱島強(qiáng)度和范圍是逐漸增加的。

5.3 南寧市城市熱島比例指數(shù)UHPI

根據(jù)南寧市6個(gè)不同年份的遙感圖像計(jì)算出來(lái)的UHII，繼而計(jì)算出南寧市各個(gè)年份的城市熱島比例指數(shù)UHPI，從圖5可以看出2003年～2016年其UHPI值雖然存在波動(dòng)，但是總體呈增加趨勢(shì)。2003年～2010年的UHPI值總體處于0.1附近，處于較低的一個(gè)狀態(tài)，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)熱島效應(yīng)在波動(dòng)中略有上升。2010年之后UHPI持續(xù)增長(zhǎng)，在2016年達(dá)到最高。綜合熱島強(qiáng)度指數(shù)(圖4)和熱島比例指數(shù)(圖5)可知南寧市的熱島效應(yīng)的范圍和強(qiáng)度是逐漸增大的。

利用2003年～2016年不同年份的遙感影像，可以分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)年份南寧市外環(huán)內(nèi)各區(qū)的UHPI，以反映南寧市六個(gè)城區(qū)的熱島強(qiáng)度分別隨年份的變化而變化的狀況(圖6)。從圖6中六個(gè)城區(qū)多年城市熱島比例指數(shù)UHPI中可以看出來(lái)，多年以來(lái)江南區(qū)幾乎都處于第一名，說(shuō)明江南區(qū)的熱島效應(yīng)長(zhǎng)期以來(lái)都最明顯。上升幅度最快的是良慶區(qū)，尤其是2010年之后到2016年期間，UHPI直線上升，并在2016年時(shí)達(dá)到第一名。邕寧區(qū)的變化情況與良慶區(qū)的情況類似，從2003年的最后一名上升到第三名，邕寧區(qū)前幾年的熱島強(qiáng)度較低，但是從2010年開始逐漸上升到2016年達(dá)到最高，這也與五象新區(qū)(包括良慶區(qū)和邕寧區(qū))在最近五年來(lái)的城市建設(shè)正在全方位的開展情況相吻合。另外三個(gè)城區(qū)即西鄉(xiāng)塘區(qū)、青秀區(qū)和興寧區(qū)保持著較一致的熱島效應(yīng)增加趨勢(shì)。分析熱島效應(yīng)與近年來(lái)的南寧市城市建設(shè)相一致，2003年～2006年時(shí)期重點(diǎn)建設(shè)快速環(huán)道以內(nèi)區(qū)域，之后高新區(qū)的建設(shè)比較迅速。到2010年以后，五象新區(qū)作為重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域，其熱島效應(yīng)非常明顯，并且隨著原有建設(shè)的連片效應(yīng)，整個(gè)城市的熱島效應(yīng)急劇顯現(xiàn)。造成2016年總的UHPI是2003年的3倍。

圖5 南寧市2003年～2016年期間城市熱島比例指數(shù)UHPI
Fig.5 Nanning city heat island proportionindex UHPI from 2003 to 2016

圖6 南寧市6個(gè)城區(qū)2003年～2016年期間城市熱島比例指數(shù)UHPI
Fig.6 Urban heat island proportion index UHPI inthe six urban areas of Nanning from 2003 to 2016

5.4 南寧市NDVI變化趨勢(shì)

NDVI變化趨勢(shì)指的是從2003年到2016年間研究?jī)?nèi)的植被覆蓋變化，從而反映土地利用/覆蓋的變化。從圖7中可以看出對(duì)于六個(gè)區(qū)來(lái)說(shuō)大部分面積的植被無(wú)明顯變化趨勢(shì)，植被嚴(yán)重退化區(qū)域面積不多?；静蛔兊牡貐^(qū)分布在快速環(huán)道以內(nèi)，邕寧的農(nóng)村區(qū)域。因?yàn)榭焖侪h(huán)道內(nèi)的城市建設(shè)基本完成，這些年來(lái)變化不大。邕寧區(qū)的農(nóng)田也變化不大。

圖7 南寧市2003年～2016年期間NDVI變化圖Fig.7 NDVI change graph from 2003 to 2016 in Nanning

嚴(yán)重退化分布在高新片區(qū)、興寧的快速環(huán)道外側(cè)附近、青秀的鳳嶺片區(qū)(包括鳳嶺南和鳳嶺北)，仙葫片區(qū)、五象新區(qū)、邕江南岸(五象大橋到蒲廟大橋之間)、江南沙井片區(qū)和南寧南站片區(qū)，邕寧區(qū)蒲廟鎮(zhèn)。

南寧市從快速環(huán)道以內(nèi)的區(qū)域逐漸向外發(fā)展，這一區(qū)域包括西鄉(xiāng)塘區(qū)、青秀區(qū)、江南區(qū)和興寧區(qū)主要是建筑用地較多，而后建筑用地由這幾個(gè)區(qū)域向外擴(kuò)展，邕寧良慶均為正在發(fā)展的城區(qū)。圖7中顯示西鄉(xiāng)塘區(qū)、江南區(qū)等植被呈增加趨勢(shì)，但興寧區(qū)和青秀區(qū)的增長(zhǎng)趨勢(shì)最明顯，南寧市政府對(duì)于公園景區(qū)的投資建立相對(duì)很重視，綠化面積比較廣泛，包括青秀區(qū)的5A級(jí)青秀山風(fēng)景區(qū)、南湖公園。圍繞快速環(huán)道和G75高速之間的六城區(qū)大部分處于植被中度輕微退化范圍，植被嚴(yán)重退化屬良慶區(qū)所占面積最大，其次是江南區(qū)；邕寧區(qū)大部分是郊區(qū)，植被處于基本不變范圍，小面積是中度退化范圍?？傮w來(lái)看退化的區(qū)域里大多是植被用地被建筑用地慢慢所代替，熱島效應(yīng)也逐漸變得明顯。

6 南寧市城市熱島評(píng)估

根據(jù)2016 年10月9日的影像計(jì)算的熱島強(qiáng)度(UHII)結(jié)果，按照熱島強(qiáng)度值的大小進(jìn)行評(píng)估等級(jí)劃分，即按UHII≥10 ℃、5≤UHII<10 ℃、3≤UHII<5 ℃和<3 ℃[25]，把研究區(qū)針對(duì)熱島效應(yīng)劃分為四個(gè)區(qū)域：急需緩解、需要緩解、警戒狀態(tài)和安全狀態(tài)。其中需要采取措施來(lái)降低城市熱島的有“急需緩解”和“需要緩解”區(qū)域，但“急需緩解”狀態(tài)更加緊急。“警戒狀態(tài)”有可能發(fā)展成“需要緩解”狀態(tài)，因此需要保持警惕防止其進(jìn)一步發(fā)展成熱島區(qū)。

城市熱島評(píng)估如圖8所示，“急需緩解”所占面積比例僅0.6 %，零星狀被包裹在片狀“需要緩解”范圍中。“需要緩解”占18.6 %，警惕狀態(tài)占16.3 %。超過(guò)六成的區(qū)域處于“安全狀態(tài)”，占64.4 %，主要分布在興寧區(qū)、青秀區(qū)和邕寧區(qū)的未建成區(qū)和青秀山風(fēng)景區(qū)。

圖8 南寧市城市熱島評(píng)估Fig.8 Evaluation of Urban Heat Island in Nanning

7 討論

本文用2003年～2016年中六個(gè)年份的秋季遙感圖像反演得到南寧市的地表溫度和NDVI，然后對(duì)2016年的LST和NDVI的空間分布進(jìn)行對(duì)比，并畫出西北—東南方向的剖面線，從中可以明顯的看出兩者呈相反走勢(shì)，且城區(qū)的溫度較郊區(qū)高，NDVI則相反。并用不同的指標(biāo)分析得到南寧市不同年份和不同地區(qū)的熱島效應(yīng)強(qiáng)度變化和發(fā)展。南寧市外環(huán)高速G7201內(nèi)六城區(qū)的城市熱島強(qiáng)度逐漸由無(wú)熱島、弱熱島向較強(qiáng)熱島、強(qiáng)熱島轉(zhuǎn)換，且熱島面積越來(lái)越大。熱島擴(kuò)張的途徑是從快速環(huán)道內(nèi)向快速環(huán)道外發(fā)展，從原來(lái)的老城區(qū)向新興建成區(qū)域擴(kuò)張，強(qiáng)熱島從零星點(diǎn)狀向成片發(fā)展。從空間來(lái)看較強(qiáng)熱島和強(qiáng)熱島主要從快速環(huán)道內(nèi)的西鄉(xiāng)塘區(qū)、興寧區(qū)、江南區(qū)、青秀區(qū)的老城區(qū)向外擴(kuò)展，尤其是最近幾年五象新區(qū)的快速建設(shè)不可避免的帶來(lái)了熱島效應(yīng)的快速向外，向南部擴(kuò)展。不同年份的城市熱島比例指數(shù)UHPI也表明南寧市熱島強(qiáng)度是逐漸升高的，由此可以預(yù)計(jì)在快速城市化過(guò)程中未來(lái)南寧市城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)度顯現(xiàn)出繼續(xù)升高的趨勢(shì)。研究期間，植被的退化對(duì)應(yīng)著城市化的進(jìn)程，繼而在導(dǎo)致熱島效應(yīng)的產(chǎn)生和發(fā)展，在空間上具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從2016年各城區(qū)的城市熱島比例指數(shù)來(lái)看，良慶區(qū)、江南區(qū)UHPI遠(yuǎn)超過(guò)其他城區(qū)，邕寧區(qū)UHPI由2003年的第六名上升到第三名，其余三個(gè)城區(qū)保持比較一致的趨勢(shì)增加的較平緩。從NDVI變化趨勢(shì)可以看出青秀區(qū)的植被增加比較多，由于快環(huán)以內(nèi)是較老城區(qū)，其NDVI基本不變，圍繞快環(huán)以外的幾個(gè)城區(qū)分別有中度輕微的退化，這是由于城市逐漸往外擴(kuò)展，不少建筑工業(yè)用地覆蓋各個(gè)城區(qū)，植被減少。最后對(duì)南寧市城市熱島進(jìn)行評(píng)估，西鄉(xiāng)塘區(qū)和江南區(qū)急需緩解和需要緩解的區(qū)域較多，大部分為警戒狀態(tài)，只有位于青秀區(qū)和興寧區(qū)接近高速公路的部分屬于安全狀態(tài)。遙感方法反演出地表溫度，計(jì)算熱島效應(yīng)，使熱島趨勢(shì)清晰明了，可采取相應(yīng)措施實(shí)施治理，對(duì)南寧市未來(lái)的發(fā)展及環(huán)境質(zhì)量的提高很有幫助。