合肥市地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系研究

方 剛，陳健宇，2，芮廣軍, 鄧大保

(1.宿州學(xué)院 環(huán)境與測繪工程學(xué)院，安徽 宿州 234000; 2.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,安徽 淮北 235000)

目前，合肥市正處于高速發(fā)展階段，城市人口不斷增長，高層建筑、道路等也不斷增加，導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)越來越強(qiáng)。植被覆蓋度是調(diào)節(jié)城市熱島效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一，對維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和改善熱力環(huán)流條件具有重要意義。因此，就合肥市植被覆蓋度與地表溫度的關(guān)系進(jìn)行定量分析，對緩解合肥市城市熱島效應(yīng)、改善城市生態(tài)環(huán)境、維持城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展和推進(jìn)低碳城市建設(shè)等均具有一定促進(jìn)作用。目前，城市熱島效應(yīng)模型主要有4類：大氣校正法[1]、普適性單通道算法[2]、基于影像的反演算法[3]和單窗算法[4]。植被指數(shù)主要有2種：歸一化植被指數(shù)[5]和土壤調(diào)整植被指數(shù)[6]。此前，覃志豪等[7]、Mcmillin[8]、楊斌等[9]都對城市熱島效應(yīng)做了大量研究。

本研究以2020年的Landsat 8影像為數(shù)據(jù)源[10]，以合肥市為研究區(qū)，以ENVI 5.3與ArcGIS 10.6軟件為平臺，首先利用像元二分法(DPM)提取合肥市植被覆蓋度信息，然后利用大氣校正法(RTE)反演出合肥市地表溫度并對其進(jìn)行密度分割，在此基礎(chǔ)上對合肥市的城市熱島效應(yīng)進(jìn)行分析，最后利用ArcGIS 10.6軟件建立合肥市植被覆蓋度與地表溫度之間的剖面線，分析二者的定量關(guān)系[11]，研究結(jié)果可為合肥市的城市規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

合肥市，安徽省省會，總面積為11 445.1 km2(其中巢湖水域面積為825 km2)，轄肥西縣、肥東縣、長豐縣、瑤海區(qū)、廬江縣、蜀山區(qū)、廬陽區(qū)、包河區(qū)和巢湖市。合肥市行政區(qū)劃如圖1所示。

圖1 合肥市行政區(qū)劃Fig.1 The administrative division of Hefei

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究以2020年4月15日Landsat 8衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，軌道號為121-038，云量為0.6%，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)，研究區(qū)影像如圖2所示。

圖2 研究區(qū)影像Fig.2 Image of studied area

2 植被覆蓋度計(jì)算與地表溫度反演

2.1 植被覆蓋度(FVC)計(jì)算

歸一化植被指數(shù)(NDVI)的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：B5代表NIR波段；B4代表Red波段。

FVC是在像元二分模型和NDVI指數(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建的[12-13]，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：NDVI為歸一化植被指數(shù)；NDVIsoil表示全裸露或無植被覆蓋區(qū)的歸一化植被指數(shù)；NDVIveg表示全植被覆蓋區(qū)的歸一化植被指數(shù)。參考文獻(xiàn)[14]的研究成果，NDVIveg和NDVIsoil分別取0.70和0.05，即：當(dāng)NDVI>0.70時，F(xiàn)VC值為1；當(dāng)NDVI<0.05時，F(xiàn)VC值為0[14]。

利用公式(1)、(2)得到合肥市植被覆蓋度情況，如圖3所示。在此基礎(chǔ)上，利用ENVI 5.3軟件對植被覆蓋度進(jìn)行密度分割和面積統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4和表1所示。

圖3 植被覆蓋度Fig.3 Vegetation coverage

圖4 植被覆蓋度分級Fig.4 Classification of vegetation coverage

表1 植被覆蓋分級區(qū)面積Tab.1 Classification of vegetation coverage area

由圖4和表1可知：2020年合肥市主城區(qū)植被覆蓋度較低，大部分地區(qū)為中、低度植被覆蓋，主要原因是主城區(qū)城市化水平較高；肥東縣城區(qū)植被覆蓋度不高，絕大部分為中度植被覆蓋，而東部郊區(qū)植被覆蓋度較高，西部水體較多，植被覆蓋度較低；肥西縣北部植被覆蓋度較高，南部較低，東北部鄰近主城區(qū)植被覆蓋度較低；長豐縣城區(qū)植被覆蓋度較低，環(huán)長豐站向外植被覆蓋度逐漸升高，長豐縣北部、西部和南部郊區(qū)植被覆蓋度較高。

2.2 地表溫度反演

衛(wèi)星傳感器所接收到的熱紅外輻射能量Lλ由3個部分組成：大氣向上輻射能量L↑、經(jīng)過大氣層到達(dá)衛(wèi)星的能量和大氣輻射到地面后反射的能量L↓[15]。由于大氣對地表熱輻射的影響，所以要將其在總熱輻射中扣除，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)地表溫度。Lλ的計(jì)算公式如下：

Lλ=[εB(Ts)+(1-ε)L↓]τ+L↑，

(3)

式中：ε表示地表輻射比率；Ts表示地表溫度，K；B(Ts)表示黑體熱輻射亮度；τ表示熱紅外波段大氣透射率。

溫度為T時,熱紅外波段的黑體輻射亮度B(Ts)計(jì)算公式如下：

(4)

利用普朗克公式得到Ts，計(jì)算公式如下：

(5)

對于不同的衛(wèi)星，K1和K2取值不同，如表2所示。

表2 影像數(shù)據(jù)參數(shù)Tab.2 Image data parameters

根據(jù)文獻(xiàn)[16]提出的NDVI閾值法計(jì)算地表輻射比率ε，公式如下：

ε=0.004FVC+0.986，

(6)

式中：FVC是植被覆蓋度。

利用式(3)、(4)、(5)和(6)反演出合肥市地表溫度，結(jié)果如圖5所示。在此基礎(chǔ)上，利用ENVI 5.3軟件對合肥市地表溫度進(jìn)行密度分割和面積統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6和表3所示。

圖5 地表溫度Fig.5 Surface temperature

圖6 地表溫度分級Fig.6 Surface temperature classification

表3 地表溫度分級區(qū)面積Tab.3 Temperature classification of surface area

由圖6和表3可知：主城區(qū)地表溫度明顯高于郊區(qū)的林地和耕地，城市熱島區(qū)分布呈面狀發(fā)散和點(diǎn)狀放射，包河區(qū)長虹工業(yè)園及安徽建筑大學(xué)以南地區(qū)具有較強(qiáng)的城市熱島效應(yīng)，廬陽區(qū)和蜀山區(qū)城市熱島效應(yīng)也十分明顯，巢湖附近城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度呈階梯式分布，越靠近環(huán)巢湖大道，城市熱島效應(yīng)越弱，大房郢水庫和董鋪水庫附近城市熱島效應(yīng)呈點(diǎn)狀分布；肥東縣城市熱島效應(yīng)自肥東站主干道延伸至瑤海區(qū)附近呈塊狀分布，由主干道向兩側(cè)逐漸變?nèi)?；肥西縣城市熱島區(qū)主要分布在肥西縣北部，其中高店鄉(xiāng)附近城市熱島效應(yīng)較肥西縣其他地區(qū)明顯；長豐縣城市熱島效應(yīng)主要分布在主城區(qū)和北部工業(yè)園區(qū)；巢湖市與廬江縣城市熱島效應(yīng)主要集中在城區(qū)，郊區(qū)不明顯。

3 合肥市地表溫度與植被覆蓋度的定量分析

3.1 地表溫度與植被覆蓋度樣本值對比分析

利用ArcGIS 10.6軟件隨機(jī)選取研究區(qū)兩條剖面線(見圖7)，制作地表溫度與植被覆蓋度的折線圖，如圖8和圖9所示。

圖7 研究區(qū)剖面線空間位置Fig.7 Spatial location of section in studied area

圖8 剖面線1貫穿地區(qū)的地表溫度與植被覆蓋度樣本值對比Fig.8 Comparison of surface temperature and vegetation coverage sample values in section 1

圖9 剖面線2貫穿地區(qū)的地表溫度與植被覆蓋度樣本值對比Fig.9 Comparison of surface temperature and vegetation coverage sample values in section 2

分析同一條剖面線上的地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系可知：地表溫度與植被覆蓋度呈相反的變化趨勢，地表溫度高的區(qū)域植被覆蓋度低。城市中央形成了一個地表溫度高值區(qū)即城市熱力環(huán)流的范圍，其同時也是低植被覆蓋區(qū)，很好地驗(yàn)證了上述規(guī)律。

剖面線1貫穿整個合肥市南北方向，穿過的絕大多數(shù)區(qū)域植被覆蓋度較高，而在恰好穿過合肥市市區(qū)時地表溫度快速上升、植被覆蓋度快速下降。在穿過巢湖水域時，地表溫度明顯降低，植被覆蓋度為0。剖面線2貫穿合肥市東西方向，除市中心外的其他區(qū)域地表溫度較低、植被覆蓋度較高。

圖8與圖9雖然分布趨勢基本相同，但存在部分異常，異常值圖斑主要集中在合肥市西部和南部的肥西縣與廬江縣境內(nèi)。結(jié)合圖4與圖5可知：主城區(qū)西部和南部的肥西縣與廬江縣境內(nèi)，大部分地區(qū)為裸土層，多數(shù)為旱地，少數(shù)為水田，城市熱島現(xiàn)象不明顯，植被覆蓋度也不高。

3.2 地表溫度與植被覆蓋度的定量分析

分別選取圖7中郊區(qū)和城市的一小段剖面線進(jìn)行隨機(jī)采樣，通過回歸分析[17]進(jìn)一步分析地表溫度與植被覆蓋度之間的定量關(guān)系，結(jié)果如圖10與圖11所示。

圖10 郊區(qū)地表溫度與植被覆蓋度之間的線性關(guān)系Fig.10 Linear relationship between surface temperature and vegetation cover in suburb areas

圖11 城區(qū)地表溫度與植被覆蓋度之間的線性關(guān)系Fig.11 Linear relationship between surface temperature and vegetation cover in urban areas

由圖10可知：郊區(qū)地表溫度與植被覆蓋度具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.712 6, 即相關(guān)系數(shù)為0.84),植被覆蓋度每增加0.1，地表溫度下降0.39 ℃，二者的定量關(guān)系為y=-3.934 4x+26.244。由圖11可知：城區(qū)地表溫度與植被覆蓋度具有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.817 5,即相關(guān)系數(shù)為0.90),植被覆蓋度每增加0.1，地表溫度下降0.6 ℃，二者的定量關(guān)系為y=-6.041x+32.495。

4 結(jié)論

(1)地表溫度越高，城市熱島效應(yīng)越明顯。2020年合肥市強(qiáng)綠島區(qū)面積為892.05 km2，綠島區(qū)面積為8 077.62 km2，正常區(qū)面積為2 198.73 km2，熱島區(qū)面積為269.24 km2，強(qiáng)熱島區(qū)面積為7.46 km2。

(2)2020年合肥市高植被覆蓋度區(qū)域分布在肥東縣、肥西縣、巢湖市和長豐縣，面積為1 585.90 km2；低植被覆蓋度區(qū)域分布在廬陽區(qū)、包河區(qū)和肥西縣等，面積為2 692.36 km2?？傮w來說，郊區(qū)植被覆蓋度較高，城區(qū)較低，且呈現(xiàn)出“東高西低、北高南低”的特點(diǎn)。

(3)地表溫度與植被覆蓋度之間呈現(xiàn)出很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。郊區(qū)植被覆蓋度每增加0.1，地表溫度下降0.39 ℃；城區(qū)植被覆蓋度每增加0.1，地表溫度下降0.6 ℃。