不透水面蓋度對(duì)地表溫度影響的定量分析

王景環(huán)，吳 浩，劉正才

（1. 湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411100）

不透水面是指阻止水分下滲到土壤的城市人工地面，主要包括屋頂、停車場(chǎng)、水泥道路和瀝青道路等不透水的表面[1]。以往研究[2-14]表明，不透水面與地表溫度之間存在著明顯的正相關(guān)，但其二者間影響機(jī)制及其變化規(guī)律的定量關(guān)系仍不確定。本文提取長(zhǎng)沙市不透水面與地表溫度數(shù)據(jù)，探究二者的影響機(jī)制及其規(guī)律。這一研究在揭示城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境變化的關(guān)系、設(shè)計(jì)城市規(guī)劃方案和城市環(huán)境綜合治理等方面具有重要意義。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

長(zhǎng)沙市是湖南省的省會(huì)，位于湖南東北部（111°53′～114°15′E，27°51′～28°41′N），湘江中下游和長(zhǎng)瀏盆地的西緣。長(zhǎng)沙屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，夏季常出現(xiàn)高溫炎熱天氣。截至2019年末，長(zhǎng)沙市生產(chǎn)總值達(dá)到11 574.22億元，常住人口為839.45萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率為79.56%。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文相關(guān)Landsat8 影像均來(lái)自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（http://glovis.usgs.gov/），長(zhǎng)沙市處于2景影像之間，條帶號(hào)分別為123/40，123/41。本文選取了2013年7月、2016年7月和2018年7月的影像數(shù)據(jù)，遙感影像晴朗無(wú)云、成像清晰，輔助數(shù)據(jù)為長(zhǎng)沙城市行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)

常用的水體指數(shù)為歸一化水體指數(shù)（NDWI），但此指數(shù)僅僅考慮了植被對(duì)水體提取的影響，忽略了其其他地物對(duì)水體提取過(guò)程的影響。因此本文采用由徐涵秋[15]提出的改進(jìn)型歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）來(lái)提取城區(qū)的水體。

式中，GREEN為可見(jiàn)光的綠光波段；MIR為中紅外波段的反射率。

2.2 歸一化不透水面指數(shù)

徐涵秋教授基于改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)（MNDWI）所提出的歸一化不透水面指數(shù)（NDISI），解決了目前不透水面提取方法中存在過(guò)多人為干預(yù)的問(wèn)題[16]。

式中，NIR、MIR1 和TIR 分別為影像的近紅外、中紅外1和熱紅外波段；VIS1為可見(jiàn)光中的某一波段。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，采用式（2）提取不透水面，不能充分剔除水體對(duì)不透水面的噪聲影響，將式（2）中的可見(jiàn)光（VIS1）替換為上文2.1 中改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)（MNDWI），誘發(fā)擴(kuò)大水體與不透水面的反差，具體公式為：

在預(yù)處理階段，需要對(duì)影像的熱紅外、近紅外中紅外第一波段和計(jì)算得到的MNDWI 指數(shù)進(jìn)行歸一化處理，將其均拉伸至[0,1]確保所有數(shù)據(jù)量化級(jí)一致[17]。

2.3 大氣校正法反演地表溫度

本文采用大氣校正法對(duì)Landsat8 的影像進(jìn)行地表溫度反演[18]。基本原理為從衛(wèi)星傳感器所觀測(cè)到的熱輻射總量中減去大氣對(duì)地表熱輻射的影響，得到地表熱輻射強(qiáng)度，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的地表溫度。將計(jì)算得到的歸一化植被指數(shù)（NDVI）轉(zhuǎn)換計(jì)算成地表植被蓋度（Pv），通過(guò)Pv可計(jì)算地表比輻射率（ε），公式如下：

利用地表比輻射率，結(jié)合影像所對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)（大氣在紅外波段的透過(guò)率τ、大氣向上輻射亮度L↑、大氣向下輻射亮輻射亮度L↓）可計(jì)算得到黑體輻射亮度，進(jìn)而根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)求得地表溫度：

式中，b10 為L(zhǎng)andsat8 影像中的熱紅外波段，即第10波段。大氣校正法所得到的溫度為真實(shí)的地表溫度值，單位是℃。

3 提取結(jié)果對(duì)比分析

3.1 不透水面變化分析

利用文2.2 中的公式計(jì)算出長(zhǎng)沙主城區(qū)的不透水面指數(shù)，結(jié)合歸一化植被指數(shù)（NDVI）和改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)（MNDWI）進(jìn)行掩膜處理，選取長(zhǎng)沙城區(qū)較集中部分為興趣區(qū)，將2013 年與2018 年不透水面信息做差值處理，結(jié)果如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)沙主城區(qū)NDISI提取結(jié)果

長(zhǎng)沙市多山地，且城區(qū)較為集中，通過(guò)圖1 分析可知2013—2018 年這5 a 間長(zhǎng)沙地區(qū)不透水面的面積增長(zhǎng)較為明顯，城區(qū)中心的不透水面向外有明顯擴(kuò)張，且城市周邊的不透水面分布聚集于圖1 左上角（長(zhǎng)沙市西北地區(qū)），集聚效應(yīng)較好。其他區(qū)域分散存在更多的不透水面，較為顯著，城區(qū)發(fā)展也在不斷向外延伸。

3.2 溫度反演結(jié)果

利用大氣校正法反演地表溫度的結(jié)果需要與實(shí)際溫度進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證反演結(jié)果的可靠性。通過(guò)往年的天氣預(yù)報(bào)查詢長(zhǎng)沙市整體溫度與反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)際氣溫與反演溫度對(duì)比

表1 的數(shù)據(jù)表明，利用大氣校正法得到的地表溫度與實(shí)際氣溫相比，差值均在±1℃的范圍內(nèi)，可以確定大氣校正法結(jié)果與真實(shí)氣溫一致，其結(jié)果可用于后續(xù)研究分析。

3.3 不透水面蓋度與溫度關(guān)系分析

為了能夠更好地研究長(zhǎng)沙主城區(qū)不透水面的變化情況，將不透水面蓋度（ISF）作為參考數(shù)據(jù)與地表溫度（LST）進(jìn)行比較分析。對(duì)不透水面與溫度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行線性關(guān)系和指數(shù)關(guān)系擬合，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 LST與ISF關(guān)系擬合結(jié)果

y為地表溫度（LST），x為不透水面蓋度（ISA），R2為擬合優(yōu)度。從表2可知，各年份的擬合相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.800 級(jí)以上，由此可見(jiàn)，不透水面與地表溫度之間的關(guān)系十分明顯，兩者呈較強(qiáng)的正相關(guān)，表明不透水面蓋度的增加推動(dòng)了城市溫度的上升。從2種擬合結(jié)果的擬合優(yōu)度對(duì)比中可以看出指數(shù)的擬合結(jié)果會(huì)比線性的擬合結(jié)果擬合優(yōu)度略好，但二者擬合優(yōu)度相差很小，因此2種擬合結(jié)果無(wú)區(qū)別。

3.4 不同蓋度下不透水面變化對(duì)溫度影響分析

為了更準(zhǔn)確地探究不透水面對(duì)地表溫度的影響機(jī)制，本文對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行分段處理，計(jì)算出各階段不透水面蓋度下不透水面的變化對(duì)地表溫度的影響幅度，即地表溫度增幅，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

其中，不透水面蓋度大于85%的數(shù)據(jù)量過(guò)少，無(wú)法擬合其相關(guān)關(guān)系。

將表3 中的數(shù)據(jù)制作成折線圖進(jìn)行表示，如圖2所示。

表3 ISF分區(qū)及其對(duì)應(yīng)的地表溫度增幅表

圖2 各不透水面蓋度及其對(duì)應(yīng)的地表溫度增幅圖

由圖2 可知，不透水面蓋度（ISF）與地表溫度（LST）的關(guān)系隨著ISF 的增加而發(fā)生變化，當(dāng)ISF 小于70%時(shí)，LST 的變化幅度較為平緩；ISF 大于70%時(shí)，LST的變化幅度較為劇烈，ISF為70%是二者影響機(jī)制發(fā)生變化的突變點(diǎn)。

結(jié)合表3 中的詳細(xì)數(shù)據(jù)，在2013 年度的數(shù)據(jù)中，ISF在0～70%的數(shù)據(jù)擬和結(jié)果大致平緩，ISF對(duì)LST的影響強(qiáng)度大致為15，即ISF在70%以下時(shí)，ISF每增加1%，LST 增加0.15℃左右；而當(dāng)不透水面蓋度超過(guò)70%時(shí)，影響強(qiáng)度突變成40，即在此蓋度下，ISF 每增加1%，LST增加0.4℃左右。

在2016 年的數(shù)據(jù)中，當(dāng)蓋度低于70%時(shí)，ISF 對(duì)LST 影響強(qiáng)度為17；但當(dāng)ISF 超過(guò)70%以后，其影響強(qiáng)度直接上升至47。在2018年的數(shù)據(jù)中，當(dāng)ISF低于70%時(shí)，ISF對(duì)LST影響強(qiáng)度為13，但當(dāng)ISF超過(guò)70%以后，其影響強(qiáng)度直接上升至38。

研究表明，高不透水面蓋度地區(qū)的升溫幅度遠(yuǎn)高于低不透水面蓋度地區(qū)，且不透水面蓋度分水嶺為70%。本文采用逐像元的采樣方法與回歸分析方法，即提取、計(jì)算和擬合過(guò)程中，每一個(gè)ISF 對(duì)應(yīng)一個(gè)LST 值，二者的定量關(guān)系基于研究區(qū)所有像元值統(tǒng)計(jì)得出，細(xì)致、客觀、全面地揭示不透水面對(duì)地表溫度的影響機(jī)制。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)沙主城區(qū)的不透水面和地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)不透水面與地表溫度不透水面呈明顯正相關(guān)，且高不透水面蓋度地區(qū)的增溫幅度遠(yuǎn)大于低不透水面蓋度地區(qū)，其突變點(diǎn)為70%。

2）考慮到城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的和諧關(guān)系，合理配置各類地表地物，科學(xué)布局城市周邊生態(tài)，將不透水面蓋度始終控制在70%以下，使不透水面所造成的增溫幅度較為平緩，減少城市擴(kuò)張給自然生態(tài)所帶來(lái)的破環(huán)，平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，確保經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

3）本文所采用逐像元法，基于大量的樣本數(shù)據(jù)，客觀、準(zhǔn)確地揭示了不透水面和地表溫度之間的關(guān)系。使用逐像元法進(jìn)行采樣和分析，對(duì)于真實(shí)、客觀地刻畫研究對(duì)象之間定量關(guān)系有著重要且深遠(yuǎn)的意義。