基于遙感應(yīng)用的福州市城市熱環(huán)境及其相關(guān)關(guān)系分析

楊辰叢海

（福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350107）

地表溫度（Land Surface Temperature，LST）是大氣與地表熱量交換的重要參數(shù)，反映大氣與地表能量平衡的時間變化[1]，對氣象、水文、生態(tài)等多方面具有重要影響[2]。地表實(shí)際溫度除與到達(dá)地表的太陽輻射的多少有關(guān)外，還與地表下墊面狀況密切相關(guān)[3]。越來越多研究表明，下墊面由植被轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)建筑用地，是地表溫度升高的重要原因之一[4]。季節(jié)溫差指不同季節(jié)地表溫度的差值，是各個季節(jié)地表熱量情況變化的體現(xiàn)，其對建筑材料[5]、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖[6]的影響尤為明顯，是合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，保障建筑安全所需要考慮的重要因素。

Landsat8衛(wèi)星擁有的TIRS熱紅外傳感器，能快速且較準(zhǔn)確地反映地表能量情況的變化，并能通過計算方法反推地表溫度，為地表溫度的提取與分析提供了便利[7]。歸一化指數(shù)計算基于提取目標(biāo)地物最大值及最小值波段并進(jìn)行歸一化計算的途徑[8]，能強(qiáng)調(diào)目標(biāo)地物并將其高亮顯示，自歸一化植被指數(shù)（NDVI）以來，建筑指數(shù)（NDBI）[9]、水體指數(shù)（NDWI）等也被相繼提出，由于其兼具便捷性與準(zhǔn)確性，迅速獲得了廣泛運(yùn)用。廣大學(xué)者基于Landsat8反演地表溫度，并結(jié)合遙感影像及歸一化指數(shù)方法分析下墊面特征，取得了豐富的成果。歷華[10]等對長株潭地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，NDBI與各個季節(jié)地表溫度均存在明顯線性正相關(guān)關(guān)系，而NDVI與地表溫度的關(guān)系不明顯；李斌[11]等對鄭州地區(qū)的研究，較為全面地解釋了各個遙感指數(shù)與地表溫度地關(guān)系；Arulbalaji[12]等通過比對印度西南部沿海不同年份遙感影像，發(fā)現(xiàn)隨著植被的減少，地表溫度呈明顯的上升趨勢；Liu Yue[13]等以日本熊谷市為研究區(qū)域，發(fā)現(xiàn)地表感熱通量在市區(qū)較低而在郊區(qū)較高，是城市熱島效應(yīng)形成的重要原因之一。但目前，學(xué)者多針對不同季節(jié)溫度與各個指數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究，而針對不同季節(jié)溫度的差值得出的氣溫年較差與各個指數(shù)關(guān)系的研究較為罕見。

本文根據(jù)季節(jié)不同將研究時段劃分為春、夏、秋、冬四個時段，基于Landsat8衛(wèi)星遙感影像信息，使用大氣校正法反演地表溫度，在分析NDBI與絕對氣溫相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，再通過波段運(yùn)算獲取夏冬、夏春、夏秋三種不同季節(jié)溫差數(shù)據(jù)，探討NDBI與不同季節(jié)溫度差異之間的相關(guān)關(guān)系，思考不同下墊面特征對溫度差異的影響，以期為城市合理規(guī)劃建設(shè)提供數(shù)據(jù)及科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

福州市地處福建省中部福州盆地地區(qū)，受周邊山脈阻隔，市區(qū)地形較為封閉。年均降水量約1500 mm，年均氣溫約19.5 ℃[14]，年相對濕度77%，夏季炎熱，冬季涼爽，為典型的中亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候。本文研究區(qū)域?yàn)楦＝ㄊ「Ｖ菔兄鞒菂^(qū)，覆蓋倉山區(qū)、鼓樓區(qū)、臺江區(qū)的全部及晉安區(qū)、馬尾區(qū)的部分。

2 研究方法

2.1 大氣校正法溫度提取

本文所涉及數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院遙感與數(shù)字研究所Landsat8下載共享系統(tǒng)（http://ids.ceode.ac.cn/query.html），結(jié)合時間間隔、圖像可獲取性、圖像質(zhì)量及云量，選擇研究區(qū)2013年8月4日、2013年10月23日、2014年1月27日、2014年4月17日四張圖像，分別代表夏、秋、冬、春四個季節(jié)。先將圖像進(jìn)行大氣校正、裁剪等預(yù)處理操作，再利用輻射傳導(dǎo)方程法（大氣校正法）反演地表溫度。其原理是基于普朗克黑體輻射公式，將估算所得大氣對地表熱輻射的影響從計算所得熱輻射總量中減去，獲得地表熱輻射強(qiáng)度后再將其通過公式轉(zhuǎn)換為地表溫度[15]?；趯?shí)際遙感頭文件數(shù)據(jù)，主要過程與計算流程如下[7,16]。

輻射傳導(dǎo)方程：

對該式變形，求得黑體輻射亮度B(TS)

式⑴及式⑵中，ε為地表比輻射率；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；TS為地面真實(shí)溫度，單位為K；τ為透過率； L↑及L↓分別為大氣上行輻射亮度及大氣下行輻射亮度；B(TS)為黑體輻射亮度；L↑、L↓、B(TS) 的單位均為W/m2·sr·μm；L↑、L↓、ε三種參數(shù)均可通過NASA官方數(shù)據(jù)（https://atmcorr.gsfc.nasa.gov/）中輸入對應(yīng)條帶號及時間獲得；地表比輻射率主要受地表地物影響，大致可分為植被、水體、不透水面3大類，本文采用Sobrino[17]的NDVI閾值法估算地表比輻射率大小，式⑶：

式中，Pv為植被覆蓋度，其可通過對歸一化植被指數(shù)（NDVI）進(jìn)行取閾值計算獲得。

計算得黑體輻射亮度B(TS)后，經(jīng)由普郎克定律反函數(shù)，求得地面真實(shí)溫度，式⑷：

其中，K1及K2取值為常數(shù)，通過ENVI中Radiomotric Calibration功能對Thermal計算得B10圖像以獲得。經(jīng)大氣校正法得到不同季節(jié)地表溫度圖層后，再使用ENVI中Band Math功能對兩個溫度圖層進(jìn)行減法運(yùn)算，得出季節(jié)溫差圖層。

2.2 氣溫與溫差等級劃分

根據(jù)實(shí)際計算獲得的溫度，不采用地表溫度的絕對值對溫度進(jìn)行分級，參照田帥[18]等研究方法，使用自然斷點(diǎn)法將所得柵格數(shù)據(jù)分為5段，突出氣溫的季節(jié)內(nèi)分布差異。依照各個像元實(shí)際數(shù)值大小在所有數(shù)據(jù)中所處的百分比位次進(jìn)行分級，其中，0～20%為低溫區(qū)，20%～40%為次低溫，40%～60%為中溫，以此類推，將圖層劃分為低溫、次低溫、中溫、次高溫、高溫5種溫度等級，并對原始地表溫度圖像在GIS中執(zhí)行重分類。

依照此法，對溫差也進(jìn)行重分類，將季節(jié)溫差分段分級為低溫差、次低溫差、中溫差、次高溫差、高溫差5級。

2.3 NDBI的計算及采樣

使用查勇[9]等提出的歸一化建筑指數(shù)（NDBI）進(jìn)行計算。該指數(shù)是遙感領(lǐng)域提取建筑用地的常用方法，可將建筑用地在影像上高亮顯示，值越高則代表建筑用地密度越大，分布越密集。其計算公式為：

NDBI =(RSWIR-RNIR)/ (RSWIR+RNIR)

求取得地表溫度圖、季節(jié)溫差圖、NDBI圖層后將其導(dǎo)入GIS，使用隨機(jī)點(diǎn)采樣的方式，隨機(jī)生成1000個隨機(jī)點(diǎn)并采集相關(guān)數(shù)據(jù)（所有圖像均采用同一組隨機(jī)點(diǎn)），以用作NDBI與溫度與溫差相關(guān)性分析，使用excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并使用SPSS25進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同季節(jié)地表溫度分布比較

圖1 各個季節(jié)地表溫度分級示意圖

根據(jù)實(shí)際測得數(shù)據(jù)，福州市各個季節(jié)地表溫度情況符合其亞熱帶季風(fēng)氣候夏季炎熱且冬季溫和的特點(diǎn)。夏季對應(yīng)圖像平均氣溫為33.29 ℃，秋季、冬季、春季分別為25.85 ℃、14.19 ℃、22.92 ℃，各個季節(jié)溫度差異較為明顯。

對比各個季節(jié)內(nèi)不同氣溫級別分布特點(diǎn)，可看出季節(jié)內(nèi)相對低溫區(qū)明顯集中于河流（閩江）及植被密集區(qū)（鼓山、高蓋山）等地，而季節(jié)內(nèi)相對高溫區(qū)則集中于城鎮(zhèn)居民用地密集區(qū)，在圖上的表現(xiàn)為高溫區(qū)明顯集中于城市中心。且不同季節(jié)各個溫區(qū)分布特點(diǎn)有所不同，如植被在春季出現(xiàn)較大面積中溫區(qū)，而在其他季節(jié)植被多為中溫和次低溫區(qū)；水體在秋季表現(xiàn)為次低溫區(qū)，而在其他季節(jié)均為低溫區(qū)；在夏季和春季，次高溫和高溫區(qū)更為明顯地集中于市中心的城鎮(zhèn)居民用地，在冬季和秋季市區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了較多零碎的中溫區(qū)。

市區(qū)內(nèi)由高蓋山、飛鳳山奧林匹克公園、福建山地公園等茂密植被區(qū)形成的中溫區(qū)，氣溫較周邊地區(qū)明顯偏低，這表明植被區(qū)產(chǎn)生了一定“綠楔”作用[19]，對周邊地區(qū)具有降溫效果，形成切割周邊高溫區(qū)的相對低溫區(qū)。

3.2 不同季節(jié)氣溫與NDBI的關(guān)系

各個季節(jié)氣溫均與NDBI指數(shù)表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與前文季節(jié)溫度分布中高溫區(qū)集中于建筑用地的結(jié)論相呼應(yīng)。若建筑密度上升，則NDBI指數(shù)上升，氣溫也很有可能隨之上升。春季時氣溫與NDBI指數(shù)相關(guān)關(guān)系最顯著，相關(guān)系數(shù)為0.826，除春季外其他季節(jié)季節(jié)溫度與NDBI相關(guān)系數(shù)差距不大，均在0.75左右浮動，相關(guān)系數(shù)春季＞夏季＞秋季＞冬季。

NDBI與季節(jié)溫度擬合方程斜率方面，夏季擬合方程斜率最大，達(dá)28.73，各個季節(jié)擬合方程斜率夏季＞春季＞秋季＞冬季，表明在夏季隨著建筑密度的升高，氣溫上升速度也相對更快，這與夏季到達(dá)地表的熱量相對較多有關(guān)。

3.3 季節(jié)溫差與NDBI的關(guān)系

在溫差分布方面，夏春、夏冬、秋冬各個季節(jié)溫差表現(xiàn)出與季節(jié)溫度分布較一致的特征，高溫差區(qū)集中于連片城市內(nèi)建筑用地及工業(yè)用地密集區(qū)，而低溫差區(qū)沿水體和植被分布，表明水體及植被季節(jié)溫差較小，而建筑用地季節(jié)溫差較大。

表1 NDBI與季節(jié)溫度相關(guān)關(guān)系分析

圖2 不同季節(jié)溫差分級分布圖

各個季節(jié)溫度差異均與對應(yīng)NDBI指數(shù)呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明建筑物密度和季節(jié)溫差的上升可能有較明顯的聯(lián)系。其中夏冬溫差與NDBI指數(shù)的相關(guān)性最強(qiáng)，達(dá)0.458，秋冬溫差次之，為0.441；夏春溫差最低，為0.371，各個季節(jié)相關(guān)性均超過極顯著水平。對比各個擬合方程的斜率，在夏季和冬季，季節(jié)溫差隨著NDBI指數(shù)的上升最快，擬合方程的斜率最高，為8.70，這與其溫差絕對值本身較大有關(guān)。

4 討論與結(jié)論

各個季節(jié)地表氣溫與建筑用地密度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，這與歷華[10]、李斌[11]等目前針對城市熱島效應(yīng)及城市地表溫度反演的研究結(jié)果吻合，與周依婷[20]等針對福州市地表溫度分布分析的結(jié)果相同。人類的生產(chǎn)生活活動通過改變土地利用類型、工業(yè)高熱量廢氣排放及人為增熱等途徑[21]，均在不同程度上導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)向加強(qiáng)方向演變。

本文認(rèn)為，季節(jié)溫差高值區(qū)也集中于城鎮(zhèn)居民用地，與NDBI指數(shù)也存在顯著正相關(guān)關(guān)系，而在水體及植被區(qū)則溫差相對較小，其重要原因是不同物體物理性質(zhì)的差異。構(gòu)成建筑的主要材料為砂石，比熱容較??；而水體具有較大的比熱容，其比熱容是通常砂石的4倍左右[22]，在接受相同熱量時其升溫較慢；而植物體內(nèi)也具有較高的含水量，且植物可通過自身蒸騰作用降低自身溫度以適應(yīng)高溫脅迫[23]，因此水體及植物是相對溫差低的地區(qū)的主體部分，而高溫差區(qū)主要由建筑用地組成。

根據(jù)本文研究結(jié)果，本文得出以下結(jié)論：

⑴ 不同季節(jié)地表氣溫中及不同季節(jié)地表溫差中，高溫區(qū)及高溫差區(qū)主要分布于城鎮(zhèn)建筑用地區(qū)；低溫區(qū)及低溫差區(qū)主要集中于植被與水體區(qū)。在夏季時，水體及植被與建筑用地的溫度差異最為明顯，而在冬季，建筑用地集中區(qū)出現(xiàn)較大面積中溫值區(qū)，溫度差異與植被及水體相對較不顯著。

⑵ 各個季節(jié)地表氣溫及季節(jié)溫差，均與NDBI指數(shù)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系。季節(jié)地表氣溫方面相關(guān)性春季＞夏季＞秋季＞冬季，季節(jié)溫差方面相關(guān)性夏冬溫差＞夏秋溫差＞夏春溫差。在夏季，隨著建筑密度的上升，季節(jié)溫差與地表氣溫的上升的幅度最大。

本研究主要在研究不同季節(jié)地表溫度分異的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了不同季節(jié)溫差分異規(guī)律與城鎮(zhèn)建筑用地密度之間的關(guān)系。本文認(rèn)為，在實(shí)際城鎮(zhèn)規(guī)劃中，應(yīng)注重植被與建筑用地的合理搭配。本研究限于數(shù)據(jù)的可獲取性，未選取季節(jié)典型日期的圖像進(jìn)行研究，且囿于數(shù)據(jù)連續(xù)性與間隔性，選取了2013年的圖像進(jìn)行研究，而使得時效性具有一定欠缺，這有待后續(xù)研究中進(jìn)一步探討。