基于RS與GIS的賽罕塔拉城中草原降溫效應(yīng)分析*

邵亞琴，王姝，吳志剛，王佳佳

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

包頭市工業(yè)化不斷發(fā)展使城市熱島效應(yīng)越來越明顯[1].公園綠地能夠調(diào)節(jié)局部生態(tài)環(huán)境，緩解熱島效應(yīng)的影響，其中賽罕塔拉城中草原降溫效應(yīng)最為典型.

面對城市熱島效應(yīng)和城市公園綠地的降溫效應(yīng)，許多專家和學(xué)者展開了大量相關(guān)研究工作.阿木拉堵等[2]通過研究西昌市溫度的時空變化情況并分析城市熱島效應(yīng)的驅(qū)動因素.周家彬等[3]基于唐山市2015年四季的遙感影像，分析了熱島效應(yīng)季節(jié)性特征.通過研究天津中心城區(qū)8處較大的公園綠地，賈琦等[4]得出，對熱島效應(yīng)影響最大的因素是公園面積和植被覆蓋度，其次是水體比例，公園面積、水體、植被是影響地表溫度的3個重要因素.還有學(xué)者通過距離-溫度曲線研究了距離與溫度的相關(guān)關(guān)系[5]，距離公園越遠(yuǎn)，降溫效應(yīng)越弱.

包頭市賽罕塔拉城中草原是全國唯一國家城中草原，有“城市綠肺”之稱[6].基于GIS和RS研究賽罕塔拉城中草原對城市的降溫效應(yīng)，對于城市規(guī)劃中城市綠地合理布局具有實際的指導(dǎo)意義參考價值.

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

賽罕塔拉城中草原是包頭市城市自然生態(tài)景觀園區(qū)，其面積超過1萬畝，海拔1 034～1 058 m.為研究賽罕塔拉城中草原對周圍城區(qū)的影響，選取包頭市賽罕塔拉城中草原及周圍的4個城區(qū)(青山區(qū)，九原區(qū)，昆都侖區(qū)，東河區(qū))作為研究的區(qū)域，如圖1所示.

包頭市位于中國北部、蒙古高原南部、內(nèi)蒙古中北部,南部靠近黃河，陰山山脈貫穿其中.包頭市位于東經(jīng)109°15′～110°26′，北緯40°15′～42°43′，氣候全年多風(fēng)少雨干燥，晝夜溫差較大.包頭市四季分明，干燥少雨的環(huán)境使包頭市植被在夏季7、8月份長勢最好，在秋冬兩季植被大多枯萎衰敗.全年平均氣溫為7.2 ℃，年降水總量421.8 mm.包頭市是內(nèi)蒙古自治區(qū)的制造業(yè)和工業(yè)中心，近年來，包頭的工業(yè)化和城市化進(jìn)程在不斷加快，導(dǎo)致包頭市城市熱島效應(yīng)日益嚴(yán)重.

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用研究區(qū)域的Landsat8-OLI遙感影像進(jìn)行地表溫度反演.下載影像的成像時間均為夏季7，8月份11點(diǎn)多，獲取了從2013年到2017年5 a的5期影像，選取的影像云量<5%，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，地面特征清晰.

2 研究方法

2.1 地表溫度反演方法

目前，基于熱紅外遙感反演地表溫度的算法主要有以下3種：大氣校正法(也稱“輻射傳輸方程”，RTE)、單窗算法和分裂窗算法[7].如果測量區(qū)域小且天氣無云，大氣校正法反演后的結(jié)果精度是理想的.因此，在這項研究中，使用大氣溫度校正方法反演地表溫度.

大氣校正法基本原理為：首先需要估計大氣對地表熱輻射影響，然后將這部分大氣的影響從衛(wèi)星傳感器觀測到的熱輻射總量中消去，進(jìn)而就可以得到地表熱輻射強(qiáng)度，最后把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為所對應(yīng)的地表溫度[8].衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值由3部分組成：大氣向上輻射亮度L↑；地面的真實輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的能量；大氣向下輻射到達(dá)地面后反射的能量L↓.衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ的表達(dá)式可寫為(輻射傳輸方程)：

Lλ=「εB(Ts)+(1-ε)L↓」τL↑.

(1)

式中：ε為地表比輻射率；Ts為地表真實溫度，K；B(Ts)為黑體熱輻射亮度，W/m2·sr；τ為大氣在熱紅外波段的透過率.

2.2 地表溫度等級劃分

為了能夠更加直觀、定量地分析地表溫度，利用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法等間距的方法，如表1所示，將反演出的溫度劃分為5個等級，得到5幅影像的地表溫度分級圖像.其原理是以地表溫度對指定區(qū)域平均溫度的變異程度作為溫度差異的劃分依據(jù)[9].其中為平均溫度，為標(biāo)準(zhǔn)差，為溫度值.

表1 地表溫度等級劃分表

3 結(jié)果與分析

3.1 包頭市主城區(qū)熱島效應(yīng)時空演化分析

利用大氣校正法基于ENVI軟件對5幅影像進(jìn)行地表溫度反演得到研究區(qū)域的地表溫度，通過ArcGIS軟件繪制地表溫度分布圖，如圖2所示.

圖2 研究區(qū)域地表溫度分布圖(a)2013年8月12日溫度反演；(b)2014年7月30日溫度反演；(c)2015年7月1日溫度反演；(d)2016年7月26日溫度反演；(e)2017年7月13日溫度反演

由以上研究區(qū)域5期地表溫度分布圖可以看出，地表溫度中心城區(qū)較高，且隨著離中心城區(qū)越來越遠(yuǎn)，地表溫度也在逐漸降低，說明包頭市中心城區(qū)存在著明顯的熱島效應(yīng).通過地表溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，賽罕塔拉城中草原形成1個明顯的低溫區(qū)，說明城中草原是熱島效應(yīng)中典型的低溫地類.

為了更直觀地分析研究區(qū)域地表溫度的變化規(guī)律，根據(jù)地表溫度劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到5期地表溫度顏色分級結(jié)果.如圖3所示.

圖3 溫度分級圖像(a)2013年8月12日溫度分級；(b)2014年7月30日溫度分級；(c)2015年7月1日溫度分級；(d)2016年7月26日溫度分級；(e)2017年7月13日溫度分級

(1)由2013年研究區(qū)溫度分級圖可以看出，高溫區(qū)大多分布在中心城區(qū)處，即昆都侖區(qū)，青山區(qū)，東河區(qū)附近的地表溫度較高，地表溫度大于34.49 ℃，形成熱島效應(yīng).而在大面積高溫區(qū)的中間，出現(xiàn)了一塊規(guī)則的次低溫區(qū)和低溫區(qū)混合的區(qū)域，即為賽罕塔拉城中草原所在的區(qū)域.經(jīng)過調(diào)查，在城市中心出現(xiàn)的低溫區(qū)和次低溫區(qū)域大多是城市中的公園綠地，如奧林匹克公園、勞動公園、阿爾丁植物園等.低溫區(qū)域則主要以水體為主，如昆都侖河和研究區(qū)南部的黃河都是處于低溫區(qū)域.

(2)經(jīng)過比較2014年和2013年的溫度分級圖像，可以明顯看出高溫區(qū)的面積在不斷擴(kuò)大，熱島效應(yīng)越來越嚴(yán)重.

(3)由2015～2017年的分級圖像可以看出，高溫區(qū)的分布范圍仍在不斷由城市中心區(qū)域向周圍擴(kuò)張，高溫區(qū)和次高溫區(qū)的面積越來越大.部分中溫區(qū)、次低溫區(qū)、低溫區(qū)的區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)化為高溫區(qū)和次高溫區(qū).但城市中的公園綠地、水體仍是處于低溫區(qū).

隨著時間的變化，包頭市的城市熱島效應(yīng)在不斷由中心城區(qū)向周圍擴(kuò)張，城市熱島面積在不斷擴(kuò)大，但城市中的公園、水體卻仍能在這種熱環(huán)境中處于低溫狀態(tài).其中賽罕塔拉城中草原所在的區(qū)域一直低于周圍城區(qū)的地表溫度，由低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)組成，形成一個“冷島”區(qū)域.

3.2 賽罕塔拉城中草原降溫效應(yīng)分析

為了進(jìn)一步分析賽罕塔拉城中草原對周圍城區(qū)的降溫效應(yīng)，基于ArcGIS通過做剖面線和緩沖區(qū)，分析賽罕塔拉城中草原的降溫范圍和降溫效果.

3.2.1緩沖區(qū)分析

選擇2017年的地表溫度反演結(jié)果作為研究對象，以賽罕塔拉城中草原邊界向外每隔30 m生成多環(huán)緩沖區(qū)，直至緩沖區(qū)內(nèi)的溫度高于整個研究區(qū)溫度，即此時賽罕塔拉城中草原的降溫效應(yīng)失效，該距離即為賽罕塔拉對中心城區(qū)的降溫范圍，共生成29個緩沖區(qū)多邊形環(huán)，如圖4所示，并統(tǒng)計各緩沖環(huán)的平均地表溫度，如表1所示.

圖4 多環(huán)緩沖區(qū)圖

通過統(tǒng)計結(jié)果看出，賽罕塔拉城中草原的地表平均溫度隨著緩沖距離的增加呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，即緩沖距離越大，距賽罕塔拉越遠(yuǎn)，溫度越來越高.當(dāng)緩沖區(qū)距離增加到840 m時，緩沖內(nèi)地表平均溫度為42.772 ℃，與研究區(qū)總體地表平均溫度42.776 ℃基本相同；而當(dāng)緩沖區(qū)距離繼續(xù)增加，增加到870 m時，平均溫度達(dá)到42.809 ℃，此時的緩沖區(qū)地表溫度高于研究區(qū)總體的地表溫度，說明該區(qū)域超出了賽罕塔拉城中草原的影響范圍.因此在不考慮其他因素的情況下，賽罕塔拉城中草原的降溫影響范圍為840 m，當(dāng)超過這個范圍時，降溫作用并不明顯.

表2 多環(huán)緩沖區(qū)地表溫度

文章建立了緩沖環(huán)到城中草原邊界的距離與其對應(yīng)地表平均溫度的相關(guān)關(guān)系，并擬合出多項式函數(shù)：

y=0.001 7x2+0.133 3x+40.329 .

(2)

P<0.05時，R2=0.999 9，二者相關(guān)性顯著.

3.2.2剖面線分析

為了進(jìn)一步分析賽罕塔拉城中草原在各個方向的降溫效果及其受不同地類的擾動情況，把2017年最大降溫范圍840 m緩沖區(qū)作為研究對象，以賽罕塔拉城中草原的北、西北、東、東北、西、西南、南、東南8個方向去延伸剖面線，并沿剖面線生成各個方向的地表溫度變化曲線圖，如圖4所示.

從圖中可以看出，各個方向的地表溫度變化曲線圖的趨勢基本一致，隨著緩沖距離的增加，地表溫度逐漸升高.比較各方向的地表平均溫度，從小到大排列依次為：東北<東<北<西北<西<東南<西南<南，因此可以得出降溫效果從強(qiáng)到弱為：東北>東>北>西北>西>東南>西南>南.賽罕塔拉城中草原在各個方向的降溫效果均不相同，降溫效果最強(qiáng)的是東北方向，降溫效果最弱的為正南方向.

為了分析不同方向降溫效果受不同地類的影響，提取840 m緩沖區(qū)的土地利用類型，結(jié)果如圖5所示.由緩沖區(qū)土地利用類型可以看出，源于勞動公園、奧林匹克公園的降溫效果與賽罕塔拉疊加，提高了降溫效果，賽罕塔拉北部的降溫效果較好.南部建設(shè)用地分布比較廣且集中，減弱了降溫效果，降溫效應(yīng)較差.由此得出，賽罕塔拉城中草原對各個方向的降溫效果與周圍的土地利用類型有關(guān)，植被覆蓋越多，降溫效果越強(qiáng)；建設(shè)用地越多，降溫效果越弱.

圖5 緩沖區(qū)各方向剖面圖(a)東-剖面圖；(b)東北-剖面圖；(c)北-剖面圖；(d)西北-剖面圖；(e)西-剖面圖；(f)西南-剖面圖；(g)南-剖面圖；(h)東南-剖面圖

圖6 緩沖區(qū)土地利用類型

4 結(jié)論與討論

文章基于Landsat8-OLI 2013～2017年5景遙感影像，利用大氣校正法反演了賽罕塔拉城中草原及周圍城區(qū)的地表溫度，從時間尺度、空間尺度、降溫范圍和降溫效果等方面進(jìn)行分析.

(1)從研究區(qū)地表溫度分級結(jié)果可以得出，包頭市的城市熱島效應(yīng)在不斷由中心城區(qū)向周圍擴(kuò)張，城市熱島面積在不斷擴(kuò)大，但城市中的公園、水體卻仍能在這種熱環(huán)境中降低地表溫度.其中賽罕塔拉城中草原所在的區(qū)域一直低于周圍城區(qū)的地表溫度，由低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)組成，形成一個“冷島”區(qū)域，說明賽罕塔拉城中草原在城市熱島效應(yīng)中能起到降溫的作用.

(2)通過城中草原地表溫度緩沖區(qū)分析可知，緩沖距離越大，距城中草原越遠(yuǎn)，地表溫度越來越高.緩沖距離與地表溫度的關(guān)系呈正相關(guān)，賽罕塔拉城中草原的降溫范圍臨界距離為840 m.

(3)剖面線分析可以看出，賽罕塔拉城中草原在各個方向的降溫效果均不相同，降溫效果最強(qiáng)的是東北方向，降溫效果最弱的為正南方向.賽罕塔拉城中草原對各個方向的降溫效果與周圍的土地利用類型有關(guān)，植被覆蓋越多，降溫效果越強(qiáng)；建設(shè)用地覆蓋越多，降溫效應(yīng)越弱.

賽罕塔拉城中草原對包頭市熱島效應(yīng)的緩解作用十分顯著.因此，在今后的城市規(guī)劃中，注重公園綠地合理布局，是城市健康發(fā)展的保障.