曲靖市馬龍區(qū)城市林木樹冠覆蓋與熱環(huán)境的相關(guān)性1)

周天宇 朱坤 彭建松 秦記爭 代繼平

(國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院，北京，100714) (西南林業(yè)大學(xué)) (云南美騰環(huán)境科技有限公司) (西南林業(yè)大學(xué))

目前關(guān)于林木樹冠覆蓋與熱環(huán)境的研究，主要集中于“北上廣深”等大都市，而作為森林植被類型多樣，森林垂直分異的西南片區(qū)、高原山地城市等地的研究卻相對較少。曲靖是典型的高原山地城市，馬龍又是曲靖“一主兩副”中心城市之一。在這種背景下，本研究以馬龍區(qū)建成區(qū)為研究對象，利用馬龍建成區(qū)地表溫度反演所得溫度數(shù)據(jù)作為熱環(huán)境研究的數(shù)據(jù)源，選擇林木樹冠覆蓋巨大和特大的35個(gè)斑塊，探究城市林木樹冠覆蓋斑塊特征與城市熱環(huán)境的相關(guān)性，以期為類似區(qū)域城市森林和城市規(guī)劃建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

馬龍區(qū)擁有突出的地理位置和良好的發(fā)展環(huán)境以及優(yōu)越的資源稟賦。地處云南省東部、曲靖市西部(東經(jīng)103°16′～103°45′、北緯25°8′～25°37′)，位于貴昆經(jīng)濟(jì)走廊和渝昆綜合經(jīng)濟(jì)走廊，是云南與貴州、重慶互聯(lián)互通重要節(jié)點(diǎn)，也是滇中產(chǎn)業(yè)新區(qū)“兩片兩軸八組團(tuán)”總體空間布局的重要組團(tuán)。2018年10月馬龍區(qū)獲得“云南省森林城市”稱號(hào)，2019年11月曲靖市成功獲評“國家森林城市”。截至2020年，全區(qū)林木面積83 172.18 hm2，國土面積159 934 hm2，林木覆蓋率52%。城市建成區(qū)面積621.42 hm2，綠地面積263.74 hm2，城區(qū)綠化覆蓋率42.44%，樹冠垂直投影面積156.91 hm2，城區(qū)樹冠覆蓋率達(dá)25.25%。馬龍區(qū)作為滇中森林城市優(yōu)化發(fā)展區(qū)域的一部分，對現(xiàn)有森林城市進(jìn)行優(yōu)化提質(zhì)，充分展現(xiàn)高原山地森林城市特色。

2 研究方法

2.1 地表溫度的反演

基于遙感數(shù)據(jù)反演的地表溫度來研究城市熱環(huán)境，具有可行性、合理性和高效性[8-11]。常用的地表溫度反演算法主要有大氣校正法、分裂窗算法和單通道算法等，遙感數(shù)據(jù)反演有利于大范圍獲取地表溫度，而且精度很高。

本研究基于ENVI5.3軟件，選擇2020年5月9日的Landsat8 OLI_TIRS衛(wèi)星影像(條帶號(hào)129，行編號(hào)42，空間分辨率30 m×30 m)的第10段熱紅外波，所選影像在獲取時(shí)云量較少，影像質(zhì)量較高，地物顯示清晰，反演的溫度能正確表達(dá)城市地表溫度。采用適合于Landsat衛(wèi)星影像的大氣校正法，通過輻射定標(biāo)、大氣校正、輻射亮度計(jì)算、地表比輻射率計(jì)算等進(jìn)行地表溫度反演。其原理是首先估計(jì)大氣對地表熱輻射的影響，然后把這部分大氣影響從衛(wèi)星傳感器所觀測到的熱輻射總量減去，從而得到地表熱輻射強(qiáng)度，再把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度[12]。根據(jù)大氣校正法進(jìn)行地表溫度反演的表達(dá)式如下：

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑；

ε=0.004PV+0.986；

式中:Lλ表示熱紅外輻射亮度值；ε表示地表比輻射率；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；L↑為大氣向上輻射亮度；L↓為大氣向下輻射的反射亮度；B(TS)表示黑體熱輻射亮度；TS表示地表真實(shí)溫度；PV表示植被覆蓋率；K1、K2為常數(shù)，對于TIRS Band10，K1=774.89W/(m2·sr·μm)，K2=1 321.08 K。

本文針對SAR圖像目標(biāo)和場景分類問題，提出了一種改進(jìn)的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SAR圖像分類算法。針對數(shù)據(jù)集訓(xùn)練樣本較少的問題，采用數(shù)據(jù)增強(qiáng)的方法人工地增加訓(xùn)練樣本的大小；為了解決卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中因網(wǎng)絡(luò)參數(shù)過多導(dǎo)致的過擬合問題，采用一種多尺度卷積模塊替代高層卷積層，在輸出層采用卷積和全局均值池化的組合替代全連接層。分別對MSTAR數(shù)據(jù)集和陜西渭南地區(qū)的高分辨率SAR圖像進(jìn)行目標(biāo)和場景分類實(shí)驗(yàn)，本文算法針對MSTAR 10類目標(biāo)和高分辨率SAR圖像3類場景的分類正確率分別達(dá)到了98.89%和91.85%；通過構(gòu)建相同深度的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，本文算法有效地解決了網(wǎng)絡(luò)的過擬合問題。

根據(jù)美國NASA公布的網(wǎng)站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov)，輸入成像時(shí)間(2020-05-09,03:33)以及中心經(jīng)度(Lat：25.5920)和中心緯度(Lon：103.27)，得到大氣剖面信息：τ=0.90，L↑=0.66W/(m2·sr·μm)，L↓=1.15W/(m2·sr·μm)。

2.2 林木樹冠覆蓋的提取

eCognition軟件是國內(nèi)外擁有最多用戶群的面向?qū)ο蠓诸愜浖?，提供了棋盤分割、四叉樹分割、光譜差值分割和多尺度分割4種主要的分割算法。多尺度分割算法作為e Cognition中的核心技術(shù)，在影像分割中起到至關(guān)重要的作用[13-14]。

本研究根據(jù)e Cognition Developer 9.0面向?qū)ο蠓诸愜浖榻庾g平臺(tái)，選擇具有清晰影像的的Google Earth全色歷史影像(2020年1月，空間分辨率0.54 m×0.54 m)，采用多尺度分割方法對影像進(jìn)行處理。分割操作中設(shè)置合適的分割參數(shù)至關(guān)重要[15-16]，通過不斷合并同質(zhì)性景觀斑塊、分割異質(zhì)性景觀斑塊，逐步調(diào)整分割參數(shù)(尺度、顏色、緊致度等)大小，直到得到最優(yōu)異質(zhì)性斑塊分割參數(shù)(見表1、圖1)，然后用于對整個(gè)影像數(shù)據(jù)的分割。結(jié)合研究區(qū)的具體情況，解譯得到不透水面、草地、裸土地、樹冠覆蓋和水體等5種土地覆蓋類型。

表1 景觀斑塊最優(yōu)分割參數(shù)

對樹冠覆蓋斑塊等級(jí)劃分方法參照文獻(xiàn)[17-19]，結(jié)合研究區(qū)樹冠覆蓋斑塊面積(S)現(xiàn)狀，將林木樹冠覆蓋斑塊面積分為特小、小、中、大、特大和巨大斑塊6個(gè)等級(jí)，各等級(jí)樹冠覆蓋斑塊面積(S)范圍依次為S<0.01 hm2、0.01 hm2≤S<0.05 hm2、0.05 hm2≤S<0.10 hm2、0.10 hm2≤S<0.50 hm2、0.50 hm2≤S<1.00 hm2、S≥1.00 hm2。

圖1 景觀斑塊最優(yōu)分割參數(shù)示意圖

參照文獻(xiàn)[15，21]計(jì)算斑塊形狀指數(shù)和降溫率。公式如下：

式中：A為斑塊形狀指數(shù)，E為斑塊周長，S為斑塊面積。

為排除環(huán)境梯度變化對地表溫度的影響，選擇降溫率作為緩解熱島作用的表現(xiàn)因子。降溫率等于研究區(qū)裸土地平均地表溫度減去樹冠覆蓋斑塊平均地表溫度與研究區(qū)裸土地平均地表溫度的比。

降溫率=((裸土地平均地表溫度-樹冠覆蓋斑塊平均地表溫度)/裸地平均地表溫度)×100%。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表溫度的空間分布特征

由圖2可知，馬龍區(qū)城市建成區(qū)地表溫度最高為39.75 ℃，最低為28.76 ℃，平均地表溫度為35.32 ℃。根據(jù)Arcgis10.7自然間斷點(diǎn)分級(jí)法，將溫度數(shù)據(jù)劃分為低溫(28.76，32.29]℃、亞低溫(32.29,34.15]℃、中溫(34.15,35.40]℃、亞高溫(35.40,36.60]℃、高溫(36.60,39.75]℃等5個(gè)級(jí)別。36.60 ℃以上地表高溫區(qū)域主要在盛昌路、建設(shè)路、南門街一帶，龍泉北路、云龍路、文河路以北地區(qū)，油民線等周邊，主要為面積較大的不透水面和裸土地，形成了高溫區(qū)，高溫區(qū)域零星分布于整個(gè)研究區(qū)；35.40～36.60 ℃地表亞高溫區(qū)域，主要分布在地表高溫區(qū)域周邊；28.76～32.29 ℃地表低溫區(qū)域，主要集中在大面積水體、公園綠地和樹冠覆蓋度高的區(qū)域，形成了低溫區(qū)(如水景公園、匯龍溪濕地公園、沈家山森林公園、正覺寺公園等區(qū)域)，這些地表有利于降低城市熱島效應(yīng)；32.29～34.15 ℃地表亞低溫區(qū)域，主要分布在低溫區(qū)域周邊；其余為34.15～35.40 ℃中地表溫度區(qū)域，分布較為廣泛且相對均勻。

圖2 研究區(qū)地表溫度分級(jí)圖

3.2 土地覆蓋類型的分布特征

由圖3可知，馬龍區(qū)城市建成區(qū)建筑及不透水面面積388.08 hm2，占研究區(qū)面積的62.45%；樹冠覆蓋面積156.91 hm2，占研究區(qū)面積的25.25%，其中較大的樹冠覆蓋斑塊主要分布在沈家山森林公園、正覺寺公園、水景公園、歷史文化廣場、匯龍溪濕地公園、龍泉公園、龍海路、龍西路、迎賓路、濱河路等區(qū)域，在環(huán)城西路、文河路、錦新路、盛昌路、建設(shè)路等區(qū)域樹冠覆蓋面積占比較小且斑塊呈現(xiàn)零散分布形態(tài)；裸土地面積58.13 hm2，占研究區(qū)面積的9.35%，主要為建筑用地施工期間的裸露地以及暫時(shí)閑置地，如征遷后目前還未利用地；水體及草地面積占比較小，面積分別為11.06、7.25 hm2，分別占研究區(qū)面積的1.78%、1.17%，水體主要為馬龍河、紅石巖溝以及公園中的水體，草地主要為路旁、城市綠地中的草地以及部分空置地上臨時(shí)覆蓋的草地。

3.3 不同土地覆蓋類型的地溫分布

由于土地覆蓋類型的輻射率、比熱容的不同，其太陽能的反射和吸收能力有所差異，因此可以觀察到不同景觀類型的平均地表溫度存在顯著差異[20]。由表2可知，不透水面的平均地表溫度最高，其次是裸土地、草地、樹冠覆蓋，水體最低。其中草地、樹冠覆蓋和水體平均地表溫度低于研究區(qū)平均地表溫度，不透水面和裸土地高于研究區(qū)平均地表溫度。不透水面較高的地表溫度主要與地表材料以及密集的人類活動(dòng)和大量的能源消耗有關(guān)。草地不能起到明顯的降溫效應(yīng)，林木的蒸騰作用和較低的表面輻射率以及水體的高反射特性導(dǎo)致林木樹冠覆蓋和水體的平均地表溫度較低。林木樹冠覆蓋對地表溫度具有降溫作用，但由于部分斑塊面積較小且分布零散，容易受到周圍大面積不透水面的影響，導(dǎo)致平均溫度相比水體較高。

圖3 研究區(qū)土地覆蓋類型圖

表2 不同土地覆蓋類型地表溫度統(tǒng)計(jì)

3.4 林木樹冠覆蓋的空間格局

由表3、圖4可知，馬龍區(qū)城市建成區(qū)共有林木樹冠覆蓋斑塊761個(gè)，其中特小斑塊70個(gè)、小斑塊355個(gè)、中斑塊157個(gè)、大斑塊144個(gè)、特大斑塊11個(gè)、巨大斑塊24個(gè)。S≥1.00 hm2的巨大斑塊數(shù)量較少，但斑塊面積所占比例最大，占總斑塊面積的62.68%；0.01 hm2≤S<0.05 hm2的小斑塊數(shù)量最多，斑塊面積所占比例較小，占總斑塊面積的6.20%；S<0.01 hm2的特小斑塊面積所占比例最小，占總斑塊面積的0.25%。巨大和特大斑塊類型主要分布在西南區(qū)和東北區(qū)，大、中、小、特小斑塊類型相對均勻地分布于全區(qū)，以中區(qū)為主。對比研究區(qū)林木樹冠覆蓋與地表溫度分布可得，斑塊面積較小，差異性不明顯且降溫效果不明顯，因此選擇林木樹冠覆蓋面積巨大和特大、形狀多樣化、降溫效果比較明顯的35個(gè)斑塊，探究城市林木樹冠覆蓋斑塊對城市熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用。

由表4可知，根據(jù)Arcgis10.7提取城市林木樹冠覆蓋巨大和特大斑塊面積與周長，其斑塊面積和周長均具有較大的取值范圍。最大值為沈家山森林公園樹冠覆蓋斑塊面積28.19 hm2，周長15.67 km；其次為正覺寺公園樹冠覆蓋斑塊面積19.79 hm2，周長14.85 km；最小值為馬龍區(qū)園林綠化局旁樹冠覆蓋斑塊面積0.52 hm2，周長2.27 km。

表3 樹冠覆蓋斑塊等級(jí)構(gòu)成統(tǒng)計(jì)

圖4 研究區(qū)樹冠覆蓋斑塊分級(jí)分布圖

表4 巨大和特大樹冠覆蓋斑塊特征統(tǒng)計(jì)

3.5 林木樹冠覆蓋特征對城市熱環(huán)境的影響

由表5可知，樹冠覆蓋斑塊面積、周長和形狀指數(shù)均與斑塊降溫率存在正相關(guān)關(guān)系，但兩兩之間的顯著程度不同，其中面積、周長與降溫率分別在0.05水平上顯著相關(guān)，形狀指數(shù)與降溫率在0.05水平上不顯著相關(guān)。說明可以通過增加樹冠覆蓋斑塊面積和周長，更好的達(dá)到增加斑塊降溫率從而降低斑塊內(nèi)部溫度的目的。

表5 降溫率與各樹冠覆蓋斑塊特征Pearson相關(guān)系數(shù)

根據(jù)巨大和特大樹冠覆蓋斑塊特征統(tǒng)計(jì)，選取逐步回歸的方法剔除對模型顯著性影響最小、最不重要的自變量樹冠覆蓋斑塊形狀指數(shù)，對斑塊面積(x1)、周長(x2)與降溫率(y)進(jìn)行回歸分析，選擇擬合精度最優(yōu)的回歸方程。由圖5可知，對比線性、對數(shù)、二次、三次回歸模型，發(fā)現(xiàn)線性模型的擬合精度高于對數(shù)、二次、三次回歸模型，比其他3種模型能夠更好地反應(yīng)面積與降溫率及周長與降溫率之間的相關(guān)性關(guān)系。生成的線性模型回歸方程分別為y=0.256x1+0.777，R2=0.176；y=0.316x2+0.054，R2=0.152。面積與降溫率的決定系數(shù)較大，表明面積與降溫率關(guān)系的緊密程度高于周長與降溫率之間的關(guān)系。從回歸方程的斜率來看，降溫率與面積關(guān)系方程的為0.256，降溫率與周長線性方程的斜率為0.316，周長與降溫率的斜率較大，表明周長每增加0.1 km，降溫率平均增加0.032%，面積每增加0.1 hm2，降溫率平均增加0.026%，表明周長的增加對斑塊內(nèi)部溫度的緩解作用較強(qiáng)，面積的增加對斑塊內(nèi)部溫度的緩解作用較弱。

圖5 樹冠覆蓋斑塊面積、周長與降溫率回歸分析

4 結(jié)論與討論

基于e Congnition Developer 9.0、ENVI 5.3及Arcgis 10.7軟件對2020年5月9日Landsat8 OLI_TIRS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和2020年1月Google Earth全色歷史衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)提取研究區(qū)地表溫度分布及土地覆蓋類型分布，進(jìn)而得到研究區(qū)城市熱島空間分布及城市林木樹冠覆蓋分布，并進(jìn)行目視解譯。將研究區(qū)地表溫度劃分為低溫(28.76～32.29 ℃)、亞低溫(32.29～34.15 ℃)、中溫(34.15～35.40 ℃)、亞高溫(35.40～36.60 ℃)、高溫(36.60～39.75 ℃)5個(gè)級(jí)別。最高溫39.75 ℃，最低溫28.76 ℃，平均溫35.32 ℃。將研究區(qū)土地覆蓋類型分為不透水面、樹冠覆蓋、裸土地、水體及草地5種，其中不透水面面積388.08 hm2，占研究區(qū)面積的62.45%，占比最大；草地面積7.25 hm2，占研究區(qū)面積的1.17%，占比最小。不同土地覆蓋類型的地溫分布，不透水面的平均地表溫度最高，其次是裸土地、草地、樹冠覆蓋，水體最低。最終選擇林木樹冠覆蓋面積巨大和特大、形狀多樣化、降溫效果比較明顯的35個(gè)斑塊，探究城市林木覆蓋斑塊對城市熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用。

樹冠覆蓋斑塊降溫率與樹冠覆蓋斑塊面積、斑塊周長、斑塊形狀指數(shù)分別進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，其中面積和周長與降溫率分別在0.05水平上顯著相關(guān)，說明通過增加樹冠覆蓋斑塊面積和周長，可以增加樹冠覆蓋斑塊的降溫率，從而降低斑塊內(nèi)部的溫度。剔除樹冠覆蓋斑塊形狀指數(shù)，對斑塊面積、周長與降溫率進(jìn)行曲線回歸分析，發(fā)現(xiàn)線性方程為擬合精度最優(yōu)的回歸方程，面積與降溫率關(guān)系的緊密程度高于周長與降溫率之間的關(guān)系，但周長的增加對斑塊內(nèi)部溫度的緩解作用較強(qiáng)，而面積的增加對斑塊內(nèi)部溫度的緩解作用相對較弱。

研究發(fā)現(xiàn)林木樹冠覆蓋和水體的平均地表溫度較低。傳統(tǒng)觀念上，城市綠地僅僅是供居民休閑、游憩以及觀賞的場所，隨著城市氣溫逐年增加，“熱島效應(yīng)”越來越嚴(yán)重，城市各類綠地形成的林木樹冠覆蓋及城市水體對環(huán)境的降溫效應(yīng)顯得尤為重要。因此，在未來城市規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，為了更好地發(fā)揮其降溫效應(yīng)，首先考慮增大林木樹冠覆蓋和水體面積，但城市用地緊張是城市化進(jìn)程的主要體現(xiàn)，可以在獨(dú)立斑塊的基礎(chǔ)上，組建有機(jī)廊道網(wǎng)，進(jìn)而從整體上改善城市的熱環(huán)境，提高城市的宜居性[22]。同時(shí)林木樹冠覆蓋是一種特殊的城市景觀，盡管現(xiàn)在人們已經(jīng)對城市景觀要素斑塊和廊道的連通性、生態(tài)意義有了相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識(shí)，但是如何連通林木樹冠覆蓋斑塊以及組合形式導(dǎo)致的生態(tài)結(jié)果有待進(jìn)一步研究。

賈寶全等[23-24]認(rèn)為，可增加潛在樹冠覆蓋(PUCT)是城市森林發(fā)展的潛力指標(biāo)，指可以用來栽植樹木能夠被樹冠覆蓋，但目前還未栽植、尚未被覆蓋的土地面積主要包括裸土地和草地2類具有開發(fā)潛力的土地。研究區(qū)潛在樹冠覆蓋面積為65.38 hm2，其中裸土地面積58.13 hm2、草地面積7.25 hm2，可提高樹冠覆蓋率10.52%，能達(dá)到的最大樹冠覆蓋率為35.77%。但同時(shí)需考慮城市植物群落美景度，應(yīng)適當(dāng)保留一定空地。

通過對城市林木樹冠覆蓋斑塊與城市熱環(huán)境的相關(guān)性的定量研究發(fā)現(xiàn)，由于研究區(qū)域巨大和特大斑塊數(shù)量有限，部分結(jié)論缺少嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析驗(yàn)證，同時(shí)研究地表溫度數(shù)據(jù)來源于2020年5月9日OLI/TIRS遙感影像反演所得，與研究區(qū)實(shí)際溫度可能會(huì)有誤差，且地點(diǎn)局限于馬龍區(qū)城市建成區(qū)，時(shí)間和空間上均具有一定的局限性。因此，研究結(jié)果可能僅適用于與研究區(qū)域類似的地區(qū)，如何建立更精確地適用于常年各時(shí)間段大部分地區(qū)的溫度分布規(guī)律模型，尚待進(jìn)一步研究。

本文研究林木樹冠覆蓋斑塊自身特征對斑塊內(nèi)部平均地表溫度的影響，僅選擇了斑塊的幾何形狀面積和周長以及形狀指數(shù)3個(gè)自變量。在城市土地覆蓋類型中，城市林木樹冠覆蓋斑塊與其他斑塊和樹冠覆蓋斑塊之間會(huì)相互影響，且林木斑塊內(nèi)部地表溫度極易受到周圍環(huán)境的影響。因此，今后研究城市林木樹冠覆蓋斑塊與城市熱環(huán)境的影響，應(yīng)綜合考慮內(nèi)外部多種因素。