泰山區(qū)地表溫度及植被覆蓋度的關(guān)系分析

靳舒婷

摘? ?要：為研究泰山區(qū)城市熱島狀況與植被覆蓋度之間的關(guān)系，本文基于Landsat OLI數(shù)據(jù)，通過輻射傳輸方程法對泰山區(qū)2009年和2018年地表溫度進(jìn)行反演，同時利用NDVI結(jié)合像元二分模型，計算泰山區(qū)植被覆蓋度，得到泰山區(qū)植被覆蓋的空間分布格局，在此基礎(chǔ)上分析地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系。研究結(jié)果表明：泰山區(qū)2009年地表溫度最低為14.913℃，最高為40.169℃，平均值為27.540℃，2018年地表溫度最低為16.745℃，最高為42.798℃，平均值為28.689℃，城市熱島效應(yīng)增強，地溫分布呈現(xiàn)“北低南高”的空間分布格局;泰山區(qū)植被覆蓋度在-0.114至1.065的范圍內(nèi)，植被可以有效地控制地表溫度上升，此外，下墊面性質(zhì)、人為因素等也會對地溫產(chǎn)生多重影響;中部老城區(qū)地表溫度普遍高于新開發(fā)城區(qū)，未來城區(qū)熱環(huán)境向低溫、健康方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：泰山? 地表溫度反演? 輻射傳輸方程法? 像元二分模型? 植被覆蓋

中圖分類號：P2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0099-04

Abstract： For the study of Taishan district urban heat island and vegetation coverage， the relationship between the based on the Landsat OLI data， through the radiative transfer equation method for Taishan district in 2009 and 2018， land surface temperature inversion， at the same time using the NDVI as binary model， calculation of Taishan district of vegetation coverage， get Taishan district spatial distribution pattern of vegetation coverage， on the basis of the analysis of the surface temperature and vegetation coverage. The results showed that the lowest surface temperature in Taishan district in 2009 was 14.913 ℃， the highest 40.169 ℃， and the average value was 27.540 ℃. The lowest surface temperature in 2018 was 16.745 ℃， the highest 42.798 ℃， and the average value was 28.689 ℃. Vegetation can effectively control the rise of the surface temperature， the nature of the underlying surface and human factors will also have multiple effects on the surface temperature. The surface temperature of the old city in central area is generally higher than that of the newly developed city. In the future， the thermal environment of the city will develop in the direction of low temperature and health.

Key Words： Mount Tai; Surface temperature Inversion; RTE; Dimidiate pixel model; Vegetation coverage

植被不僅有保持水土、凈化空氣、降低噪音、改良土壤、保護(hù)生物多樣性等諸多生態(tài)服務(wù)功能，還可以發(fā)揮本身經(jīng)濟作用，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展[1]。城區(qū)內(nèi)植被可以提供良好的游覽、休憩場所，緩解城市生活的壓力，增進(jìn)居民的健康，已成為城市生活質(zhì)量的重要標(biāo)志，在城市生態(tài)建設(shè)以及可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用[2]。

泰山是文化與自然相結(jié)合的游覽勝地，帶動著泰山區(qū)打造旅游風(fēng)格，且隨著城市化進(jìn)程加快，生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)協(xié)調(diào)問題成為焦點。研究泰山區(qū)植被覆蓋空間格局分布以及與地表溫度關(guān)系，有助于減緩該城市熱島效應(yīng)的形成，為政府未來綠地規(guī)劃改造提出優(yōu)化建議，實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與城市建設(shè)的雙贏。

通過氣象站點來研究城市的熱島效應(yīng)尺度較大，不適于局部地區(qū)溫度計算，遙感手段可以快速獲取大范圍高精度的地面溫度數(shù)據(jù)，逐漸成為城市熱島研究的主流技術(shù)之一[3]。韋正等[4]利用劈窗算法和Landsat OLI數(shù)據(jù)對安慶市2014—2018年的地表溫度進(jìn)行了反演，得出安慶市熱島效應(yīng)不斷增強的結(jié)論;楊永健等[5]利用Landsat OLI遙感影像反演了2002—2017年泉州市地表溫度、植被指數(shù)、建筑物指數(shù)，提出城市熱島與下墊面性質(zhì)有著密切關(guān)系，尤其是植被覆蓋，呈典型負(fù)相關(guān)關(guān)系;裴志方等[6]基于Landsat OLI遙感數(shù)據(jù)，利用劈窗算法對鄭州市地表溫度進(jìn)行反演，分析鄭州市熱環(huán)境空間分布環(huán)境狀況，對城市規(guī)劃建設(shè)提供了借鑒依據(jù)。由于北部山區(qū)阻礙，泰山區(qū)僅三個方位會形成熱對流，中心城區(qū)熱量有所滯留，易形成城市熱島，降低居民的生活環(huán)境質(zhì)量。因此，本文利用Landsat OLI數(shù)據(jù)，基于輻射傳輸方程反演泰山區(qū)地表溫度，利用像元二分法計算植被覆蓋度，分析泰山區(qū)熱環(huán)境空間分布及變化特征，并討論地表溫度與下墊面植被覆蓋度的關(guān)系，為泰山區(qū)城市規(guī)劃及熱島效應(yīng)防治提供借鑒依據(jù)。

1? 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

泰安市泰山區(qū)（如圖1所示）位于山東省中部，是泰安市委、市政府駐地，全市政治、經(jīng)濟、科技、文化和旅游中心。全區(qū)轄有3個街道辦事處、5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，寒暑適宜，光溫同步，雨熱同季。其地理位置特殊，泰山區(qū)北部即為泰山自然風(fēng)景區(qū)，具有豐富的植被資源，對南部城區(qū)小氣候起到良好的緩沖作用。

本文選取泰山區(qū)2018年Landsat OLI遙感影像，空間分辨率為30m，采用UTM-WGS84投影，對其進(jìn)行輻射定標(biāo)與大氣校正、裁剪等預(yù)處理。

2? 研究方法

2.1 歸一化植被指數(shù)（NDVI）

NDVI是一種反映作物長勢的常用植被指數(shù)，與植被覆蓋關(guān)系密切，可以直觀指示植被覆蓋變化，且有效消除太陽角、地形、云陰影和有關(guān)輻照度等變化[7]，其計算公式為：

其中NIR表示近紅外波段，R表示紅波段。

2.2 植被覆蓋度（FVC）

像元二分模型在植被覆蓋度計算中使用廣泛[8]，其核心思想是像元信息由綠色植被信息和裸土信息共同貢獻(xiàn)組成，公式為：

本文基于NDVI進(jìn)行FVC的計算，公式如下：

以0.5%為置信區(qū)間下限取NDVI的裸土像元值為0.04，以99.5%為置信區(qū)間上限取純植被覆蓋的像元值為0.83，代入公式（3）得到植被覆蓋空間分布狀況。

2.3 基于輻射傳輸方程的地表溫度反演

由于氣象站點均勻分散分布，通過傳統(tǒng)氣象站點數(shù)據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，地表溫度由已知產(chǎn)品插值精度難以保證，故采用遙感影像進(jìn)行地溫反演更加適于局部地區(qū)的研究。目前基于遙感影像的地表溫度反演的方式主要有輻射傳輸方程、單通道算法和劈窗算法三種[9]，基于輻射傳輸方程反演大氣參數(shù)，估算地表溫度，突破了傳統(tǒng)參數(shù)獲取的局限性，是地表溫度反演的主要方法之一。本文基于輻射傳輸方程法反演2009年與2018年泰山區(qū)地表溫度，過程如下：

首先進(jìn)行輻射定標(biāo)及大氣校正，用得出的結(jié)果計算地表比輻射率數(shù)據(jù)，根據(jù)公式 ：

計算相同溫度下黑體的輻射亮度值，在NASA官網(wǎng)查得大氣向上輻射亮度參數(shù)，大氣向下輻射亮度參數(shù)，地表輻射率，大氣在熱紅外波段的透過率，帶入公式（4）和公式（5）。用ENVI計算得到相同溫度下黑體的輻射亮度值。最后根據(jù)普朗克公式反函數(shù)：

反演出地表溫度，根據(jù)landsat-8的衛(wèi)星參數(shù)，k1值為774.885，k2值為1321.079.得到地表溫度的反演結(jié)果。

3? 結(jié)果分析

3.1 地表溫度空間分布分析

為了研究泰山區(qū)城市熱島發(fā)展?fàn)顩r，本文分別估算了2009和2018兩年的地表溫度。分析2009—2018年的地表溫度分布可知，2009年地表平均溫度為27.540℃，2018年地表平均溫度為28.689℃，升高近1℃，因此近10年間泰山區(qū)熱島效應(yīng)有所增強。由圖2（a）可知，泰山區(qū)2009年地表溫度分布在14.913℃～40.169℃范圍內(nèi)，地表溫度呈“北低南高”空間格局。泰山區(qū)中部市區(qū)地表溫度由中心向外圍遞減，東南部城郊村鎮(zhèn)地溫略高于市區(qū)，整體成斑塊狀分布，地表覆蓋類型為市區(qū)邊緣村鎮(zhèn)的農(nóng)田。由于衛(wèi)星影像取于5月下旬，處于山東省農(nóng)忙季前后，部分耕地已被收割，植被覆蓋變化較大，對地表溫度有所影響。2018年相同時相農(nóng)忙活動基本未進(jìn)行，因此農(nóng)田區(qū)域整體溫度較低，如圖2（b）所示。泰山區(qū)2018年地表溫度分布在16.745℃～42.780℃范圍內(nèi)。地表高溫區(qū)為中部泰山區(qū)老城、岱宗大街火車站附近，此類區(qū)域人口、建筑密集，局部地區(qū)地表溫度可達(dá)42.798℃;溫度次高處位于萊泰高速與東岳大街交叉口附近，此地人口密度較小，人流、車流密度較大，植被覆蓋度較低、地表溫度較高，未來可采取相關(guān)措施削弱以上區(qū)域的熱島程度。

近幾年西部城區(qū)不斷擴張，但市政府注重生態(tài)建設(shè)，城市整體綠地狀況優(yōu)良，且建筑密度適中，使得西部城區(qū)的地表溫度低于老城區(qū)的地表溫度。北部為泰山景區(qū)，植被覆蓋程度高，山脈由于旅游業(yè)的發(fā)展，旅游路線兩側(cè)的緩沖區(qū)地表溫度較2009年升高，地表溫度與城區(qū)相近。因此，單純的植被對地表溫度的影響是有限的，旅游產(chǎn)業(yè)開發(fā)等經(jīng)濟發(fā)展活動對下墊面性質(zhì)的改變是局部地表溫度的升高的主要原因。

3.2 地表溫度與植被覆蓋度分析

為了深入研究植被覆蓋與地表溫度的關(guān)系，本文估算2018年植被覆蓋度（如圖3（b）），并與該年地表溫度（圖3（a））結(jié)合分析。如圖3（b）可知，植被覆蓋程度整體呈現(xiàn)“北部>南部>中西部”的分布格局，與地表溫度空間分布格局趨勢一致。北部景區(qū)主要為生態(tài)林區(qū)，植被覆蓋狀況良好，該區(qū)域地表溫度相對較低，表明森林植被對地表溫度有顯著調(diào)節(jié)作用;南部及東南部由于植被與城建用地鑲嵌分布，且部分植被覆蓋類型為耕地，植被覆蓋度低于北部山區(qū)，該區(qū)域地溫高于山區(qū)林地，因此，雖同為植被覆蓋的自然下墊面，對地表溫度的調(diào)節(jié)作用限度不同，對城區(qū)熱島影響的承受力也有所差異;由于大量建筑用地的存在，中西部城區(qū)植被覆蓋度較低，由中心老城向擴張城區(qū)延伸植被覆蓋度逐漸升高，體現(xiàn)了城區(qū)擴建時對綠化問題的重視。

值得注意的是，中部城區(qū)向北部山區(qū)有一個植被覆蓋由低到高的南北方向緩沖，可能由以下兩個原因?qū)е拢阂皇谴藚^(qū)域地勢較高且地質(zhì)狀況特殊，有部分裸巖分布，遏制植被生長，二是泰山區(qū)旅游路線的開發(fā)，導(dǎo)致修建山路、服務(wù)區(qū)等，植被覆蓋受到輕微影響，但總體覆蓋值遠(yuǎn)高于城區(qū)，可見泰山區(qū)旅游產(chǎn)業(yè)打造的同時注重對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

4? 結(jié)論與討論

2009—2018年泰山區(qū)城市熱島效應(yīng)有所增強，整體地表溫度南北分布存在差異，“北高南低”且差值較大。自然景區(qū)植被對地表溫度到了良好的調(diào)節(jié)作用，但調(diào)節(jié)作用有限，外界人為經(jīng)濟因素、自然因素等對地表溫度有較明顯的影響;城市綠地在熱島局部區(qū)域的地溫控制效果顯著，部分人流稀疏、交通發(fā)達(dá)地區(qū)的植被覆蓋有待改善。

本文研究局限于泰山區(qū)某兩年的地溫反演，可以適當(dāng)擴大數(shù)據(jù)范圍，分析泰山區(qū)多年同時相地溫的變化趨勢，結(jié)合城市擴張狀況綜合分析。在反演地表溫度時，本文只選取了基于輻射傳輸方程的算法，可以在此基礎(chǔ)上，嘗試單通道算法和劈窗算法進(jìn)行計算并對比驗證，增強分析可信度。

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