基于Landsat數(shù)據(jù)熱島效應(yīng)與植被的關(guān)系研究
——以開(kāi)封市為例

徐 暢，高 榮

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，鄭州 450000；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122）

隨著城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、城鎮(zhèn)環(huán)境遭到一定破壞，導(dǎo)致熱量在城區(qū)空間范圍內(nèi)聚集、人地矛盾日益突出，從而形成城市熱島效應(yīng)。熱島效應(yīng)的形成原因復(fù)雜，人類(lèi)活動(dòng)、氣象條件、自然因素、下墊面等均是影響熱島效應(yīng)強(qiáng)度的重要因素。城鎮(zhèn)發(fā)展進(jìn)程加快，城市內(nèi)不透水鋪裝的增加，植被、水體、裸土等自然地表的減少，建筑物的增加使得近年來(lái)熱島效應(yīng)愈發(fā)嚴(yán)重［1，2］。熱島效應(yīng)不僅影響城市空氣質(zhì)量，制約城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，甚至威脅人類(lèi)的身體健康安全［3，4］。因此，探究城市熱島效應(yīng)對(duì)城市綠色健康可持續(xù)發(fā)展十分必要。

目前主要以地表溫度作為熱島效應(yīng)高低的評(píng)判指標(biāo)，它是反映地球能量變化的指標(biāo)之一［5］。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，大量衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)被用于此類(lèi)研究，如MODIS 系列及Landsat TM/ETM 等數(shù)據(jù)。近年來(lái)，較多學(xué)者對(duì)城市熱島效應(yīng)空間變化及影響因素進(jìn)行了探究。如孫應(yīng)龍等［6］利用MODIS 遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演地表溫度，并分析2000 年以來(lái)氣象條件、植被對(duì)城市氣溫的影響；季青等［7］利用Landsat ETM+衛(wèi)星獲取的影像對(duì)福州市的熱力環(huán)境進(jìn)行研究，結(jié)果表明土地利用屬性對(duì)地表溫度有一定影響，且植被有利于城市熱島效應(yīng)的緩解；岳文澤等［8］利用Landsat7 數(shù)據(jù)對(duì)上海市地表溫度與歸一化植被指數(shù)（NDVI）間的關(guān)系進(jìn)行分析；黃金海等［9］利用TM影像分析了杭州市城市熱島效應(yīng)與植被的相關(guān)性；裴志方等［10］利用Landsat8 數(shù)據(jù)研究了鄭州市的熱環(huán)境，發(fā)現(xiàn)鄭州市高溫區(qū)域主要集中在三環(huán)內(nèi)，且地表溫度與植被覆蓋度為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

本研究以河南省開(kāi)封市為例，利用多年遙感Landsat 數(shù)據(jù)反演植被覆蓋度及城市地表溫度分布規(guī)模，并分析多年來(lái)的變化趨勢(shì)，結(jié)合NDVI、植被覆蓋度的變化進(jìn)行對(duì)比分析，探討開(kāi)封市熱島效應(yīng)的時(shí)空變化特征，以期為開(kāi)封市經(jīng)濟(jì)建設(shè)高效健康發(fā)展，為今后研究區(qū)科學(xué)合理的開(kāi)展城市生態(tài)規(guī)劃、綠化建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

開(kāi)封市地處河南省東部（北緯34°11'45″—35°01'20″，東經(jīng)113°52'15″—115°15'42″），太行山東南部，西臨鄭州市，總面積達(dá)6 266 km2。開(kāi)封市屬于典型的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，植物種類(lèi)較多。植物除了美化環(huán)境外，還能有效阻擋太陽(yáng)能對(duì)城市地表的直接照射，減弱城市地面的地表溫度，緩解城市的熱島效應(yīng)。隨著城市建設(shè)的擴(kuò)張、不合理的建設(shè)規(guī)劃、人口數(shù)量的擴(kuò)張及生態(tài)環(huán)境的破壞，導(dǎo)致熱島效應(yīng)日益突出，因此探究熱島效應(yīng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所有數(shù)據(jù)有2008 年、2014 年、2018 年3年Landsat 遙感影像。2008 年的遙感影像是由Land?sat5 攜帶的傳感器TM 獲取，2014 年、2015 年的遙感影像是由Landsat8 衛(wèi)星獲取，預(yù)處理工作主要包括影像的幾何校正、輻射定標(biāo)、裁剪等處理。

1.3 數(shù)據(jù)處理及計(jì)算

目前主要利用大氣校正法、單窗算法和分裂窗算法反演地表溫度。其中，大氣校正法較為成熟且精度較高［11］，因此本研究利用大氣校正法反演地表溫度，并利用Envi 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要是為了提高影像質(zhì)量、減少誤差、增加結(jié)果的精準(zhǔn)度。

1.3.1 NDVI 與植被覆蓋度計(jì)算 植被指數(shù)反映地表植被覆蓋情況，是人為因素對(duì)環(huán)境影響反應(yīng)的指標(biāo)之一。植被指數(shù)能夠顯著反映地表植被的覆蓋情況，其主要利用遙感Landsat 數(shù)據(jù)進(jìn)行反演估算，其數(shù)值越大，則植被覆蓋度越高。

式中，NDVI 為歸一化植被指數(shù)，NIR、R 分別為近紅外波段、紅色波段處的反射率。利用NDVI數(shù)據(jù)計(jì)算植被覆蓋度。

式中，PV表示植被覆蓋度，NDVIS表示像元為純土壤時(shí)的植被指數(shù)，NDVIV表示像元為全植被覆蓋下的植被指數(shù)。NDVIV=0.70時(shí)，NDVIS=0.00，當(dāng)NDVI大于0.70 時(shí)，PV=1；當(dāng)NDVI 小于0.00 時(shí)，PV=0。

1.3.2 地面比輻射計(jì)算 在城市熱島效應(yīng)研究過(guò)程中，當(dāng)下墊面處于100～120 m 時(shí)，空間分辨率較復(fù)雜，其主要是由于城市中各種建筑物、公路等不透水面鋪裝和城市綠化所影響。因此，將研究區(qū)主要?jiǎng)澐譃槌擎?zhèn)像元、鄉(xiāng)村和城市及自然表面、各種林地、農(nóng)田、陸地表面等。其中植被、裸土和建筑表面的比輻射率［12］分別取0.986、0.972、0.970。地面比輻射率可以通過(guò)可見(jiàn)光和近紅外光譜信息來(lái)估算［13］。因城市中的水體、自然表面、城鎮(zhèn)會(huì)使研究產(chǎn)生誤差，為了更加準(zhǔn)確地計(jì)算研究區(qū)地表比輻射率數(shù)據(jù)，利用覃志豪等［14］的方法分別對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)地表比輻射計(jì)算。其中，水體像元比輻射率為固定值0.995，自然表面像元和城鎮(zhèn)區(qū)像元比輻射率需要用公式計(jì)算。

式中，εsurface和εbuilding分別為自然表面像元和城鎮(zhèn)區(qū)像元的比輻射率，PV為植被覆蓋度。

1.3.3 黑體輻射亮度計(jì)算 熱紅外輻射亮度值Lλ是由τ、Lu、Ld共3 部分組成。

式中，Lλ為衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值，ε為地表比輻射率，TS為地表的真實(shí)溫度，B（TS）為黑體熱輻射亮度，Lu為大氣上行輻射，Ld為大氣下行輻射，τ為大氣透過(guò)率。

本研究利用Landsat5、Landsat8影像中MTL.TXT文件中獲取成像時(shí)間、中心經(jīng)緯度，并在NASA 公布的網(wǎng)站通過(guò)MODRAN 模型計(jì)算得到τ、Lu、Ld。

1.3.4 地表溫度計(jì)算 為了更為直觀地衡量城市熱島強(qiáng)度的大小，采用地表溫度（TS）來(lái)作為參考依據(jù)［15］，并將研究區(qū)溫度劃分為5 個(gè)溫度分區(qū)來(lái)反映研究區(qū)熱島強(qiáng)度大小。

式中，TS為地表溫度，K1和K2在影像文件說(shuō)明MTL.TXT 獲取，對(duì)于Landsat 5、Landsat 8 遙感數(shù)據(jù)：K1=607.76、K2=1 260.56；K1=774.89、K2=1 321.08。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI空間變化分析

NDVI 的空間變化是指2008—2018 年研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋變化，利用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法［16］將研究區(qū)NDVI 劃分為5 個(gè)等級(jí)來(lái)反映土地利用中植被覆蓋率的變化情況。由表1 可知，2008 年開(kāi)封市NDVI最小為-0.54，最大為0.75，平均為0.34；2014 年ND?VI 最小為-0.10，最大為0.56，平均為0.32；2018 年NDVI最小為-0.20，最大為0.59，平均為0.31。

表1 2008—2018 年開(kāi)封市的NDVI

由圖1 可知，研究區(qū)內(nèi)NDVI 伴隨城市擴(kuò)建呈降低趨勢(shì)，主要以開(kāi)封市區(qū)以內(nèi)的區(qū)域向祥符區(qū)、尉氏縣、通許縣、杞縣、蘭考縣擴(kuò)散。這是由于自2009 年以來(lái)政府著重實(shí)施開(kāi)封市工業(yè)強(qiáng)市戰(zhàn)略，且國(guó)家在2013 年提出的一帶一路、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)等倡議，加快了開(kāi)封市城市化建設(shè)，使得周邊縣市工廠數(shù)量增加、鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路和道路完善。在占用土地面積的同時(shí)，一部分不透水面鋪裝使研究區(qū)內(nèi)NDVI 降低。面對(duì)資源緊缺、生態(tài)退化，近年來(lái)國(guó)家不斷推動(dòng)生態(tài)文明城市的建設(shè)，使人們的生態(tài)意識(shí)不斷增強(qiáng)，城市的綠化數(shù)量有所提升，人居環(huán)境得到完善。

圖1 2008—2018 年開(kāi)封市NDVI的空間變化

2.2 城市地表溫度空間變化分析

根據(jù)Landsat 遙感數(shù)據(jù)反演研究區(qū)地表溫度，結(jié)果（表2）表明，2008 年最低溫度為16.17 ℃，最高溫度為36.86 ℃，平均溫度為25.45 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為2.86 ℃；2014 年最低溫度為11.15 ℃，最高溫度為36.84℃，平均溫度為22.42 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為1.90 ℃；2018 年最低溫度為9.00 ℃，最高溫度為39.82 ℃，平均溫度為29.62 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為3.06 ℃。根據(jù)GIS 軟件相等間隔分級(jí)功能將研究區(qū)溫度劃分為5 個(gè)等級(jí)，詳見(jiàn)表3。

表2 2008—2018 年開(kāi)封市的地表溫度 （單位：℃）

表3 2008—2018 年開(kāi)封市的溫度等級(jí)劃分（單位：℃）

為進(jìn)一步分析開(kāi)封市2008—2018 年溫度分布特征，提取2008 年、2014 年、2018 年不同溫度等級(jí)區(qū)域的面積，結(jié)果（表4）表明，2008 年以次低溫區(qū)為主，占研究區(qū)總面積的50.33%，次高溫區(qū)僅占總面積的12.50%，而2014 年則以中溫區(qū)為主，占總面積的61.65%，比2008 年中溫區(qū)增加27.16 個(gè)百分點(diǎn)，次低溫區(qū)減少15.66 個(gè)百分點(diǎn)。這是由于城市工業(yè)不斷發(fā)展，使得建筑和工業(yè)氣體排放增多，一定程度上增加了城市的熱環(huán)境；且交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展致使中溫區(qū)面積增加，次低溫區(qū)面積減少。2018 年以次高溫區(qū)為主，占總面積的63.41%，比2008 年增長(zhǎng)50.91個(gè)百分點(diǎn)，高溫區(qū)面積增長(zhǎng)9.63 個(gè)百分點(diǎn)，次低溫區(qū)面積降低49.64 個(gè)百分點(diǎn)。在開(kāi)封市發(fā)展建設(shè)中，植被覆蓋度減少與不透水面的增加、溫室氣體的排放對(duì)城市熱環(huán)境影響最大?？傮w來(lái)看，2008—2018 年開(kāi)封市次低溫區(qū)的面積減少，次高溫區(qū)和高溫區(qū)面積上升。研究表明，城區(qū)熱島效應(yīng)與不透水面有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，且人為活動(dòng)、煤炭燃燒和大氣逆輻射等因素都是增強(qiáng)熱島效應(yīng)的因素［17，18］。

由圖2 可知，研究區(qū)地表溫度空間分布變化明顯，整體上呈高溫?cái)U(kuò)大趨勢(shì)，且由開(kāi)封市區(qū)向祥符區(qū)、尉氏縣、通許縣、杞縣、蘭考縣擴(kuò)散。2014 年汴西區(qū)、通許縣高溫區(qū)顯著增加，與2009 年以來(lái)工廠數(shù)量的增加及旅游業(yè)的發(fā)展有關(guān)。熱島的空間變化特征和土地利用變化緊密聯(lián)系［19］，開(kāi)封市工業(yè)的不斷發(fā)展、新建廠區(qū)數(shù)量的不斷增加及植被覆蓋率的減少，使2008—2018 年高溫區(qū)由開(kāi)封市區(qū)向祥符區(qū)、尉氏縣、通許縣、杞縣、蘭考縣擴(kuò)散增加。

2.3 NDVI與地表溫度相關(guān)性分析

對(duì)地表溫度與NDVI進(jìn)行相關(guān)性分析，隨機(jī)選取121 個(gè)樣點(diǎn)，分別對(duì)開(kāi)封市2008—2018 地表溫度與NDVI 進(jìn)行相關(guān)性分析，建立一元回歸方程，從而有效分析地表溫度與NDVI 間關(guān)系。由圖3 可知，研究區(qū)地表溫度與NDVI 呈負(fù)相關(guān)，即地表溫度隨NDVI的增加而降低，其結(jié)果與已有研究結(jié)果［20，21］高度吻合。相關(guān)研究表明，當(dāng)研究區(qū)NDVI大于總體用地的30%時(shí)，有利于熱島效應(yīng)的削弱［22］。因此在增加城市NDVI 的同時(shí)，減少溫室氣體排出、改進(jìn)地面材料的透水性等能夠有效緩解城市熱島效應(yīng)。

3 結(jié)論

本研究基于Landsat5、Landsat8 遙感影像，對(duì)開(kāi)封市2008—2018 年城市NDVI、植被覆蓋率、地表溫度進(jìn)行了反演，對(duì)植被覆蓋度以及年平均氣溫進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下。

表4 2008—2018 年開(kāi)封市各溫度分區(qū)分布特征

圖2 2008—2018 年開(kāi)封市地表溫度的空間分布

圖3 2008—2018 年開(kāi)封市地表溫度與NDVI的相關(guān)分析

1）2008—2018 年開(kāi)封市熱島面積呈增加趨勢(shì)，這是由于開(kāi)封市工業(yè)不斷發(fā)展、大量的不透水鋪裝及城市植被覆蓋度的減少、土地利用的不合理導(dǎo)致的。開(kāi)封市熱島空間分布均存在由開(kāi)封市區(qū)快速向祥符區(qū)、尉氏縣、通許縣、杞縣、蘭考縣輻射擴(kuò)張的趨勢(shì)。開(kāi)封市地表溫度與NDVI呈負(fù)相關(guān)，在增加植被覆蓋的同時(shí)減少不透水面面積能夠有效降低城市熱環(huán)境。

2）2008 年以來(lái)，開(kāi)封市年平均氣溫和高溫日數(shù)均呈升高趨勢(shì)。開(kāi)封市中溫區(qū)、次高溫區(qū)明顯增加，次低溫區(qū)明顯減少，城區(qū)氣溫增加速度大于郊區(qū)，為熱島的形成提供了熱量基礎(chǔ)。

3）目前，中國(guó)城市化發(fā)展迅速，在城市基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善的同時(shí)，應(yīng)考慮城市生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題，在發(fā)展城市經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，應(yīng)科學(xué)合理地建設(shè)城市，提高城市環(huán)境質(zhì)量。相關(guān)研究表明［23］，在發(fā)展過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以不透水面為主的人工地表鋪裝、植被覆蓋度的降低是城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，而高溫區(qū)主要集中在市中心人流量密集區(qū)、大型工廠及火車(chē)站等建筑群密集和車(chē)流量密集區(qū)。因此，在今后的城市建設(shè)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮植被的降溫作用，高度重視城市熱島效應(yīng)，加強(qiáng)生態(tài)文明的建設(shè)，為城市綠色健康的發(fā)展提供支持。