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) (云南美騰環(huán)境科技有限公司) (西南林業(yè)大學)

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)濟走廊和渝昆綜合經(jīng)濟走廊，是云南與貴州、重慶互聯(lián)互通重要節(jié)點，也是滇中產(chǎn)業(yè)新區(qū)“兩片兩軸八組團”總體空間布局的重要組團。2018年10月馬龍區(qū)獲得“云南省森林城市”稱號，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129，行編號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、大氣校正、輻射亮度計算、地表比輻射率計算等進行地表溫度反演。其原理是首先估計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度，再把這一熱輻射強度轉(zhuǎn)化為相應的地表溫度[12]。根據(jù)大氣校正法進行地表溫度反演的表達式如下：

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圖像目標和場景分類問題，提出了一種改進的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的SAR圖像分類算法。針對數(shù)據(jù)集訓練樣本較少的問題，采用數(shù)據(jù)增強的方法人工地增加訓練樣本的大??；為了解決卷積神經(jīng)網(wǎng)絡中因網(wǎng)絡參數(shù)過多導致的過擬合問題，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圖像進行目標和場景分類實驗，本文算法針對MSTAR 10類目標和高分辨率SAR圖像3類場景的分類正確率分別達到了98.89%和91.85%；通過構(gòu)建相同深度的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡進行對比實驗，結(jié)果表明，本文算法有效地解決了網(wǎng)絡的過擬合問題。

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，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劃分方法參照文獻[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個等級，各等級樹冠覆蓋斑塊面積(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[15，21]計算斑塊形狀指數(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自然間斷點分級法，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個級別。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；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和大量的能源消耗有關(guān)。草地不能起到明顯的降溫效應，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

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，其中特小斑塊70個、小斑塊355個、中斑塊157個、大斑塊144個、特大斑塊11個、巨大斑塊24個。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 樹冠覆蓋斑塊等級構(gòu)成統(tǒng)計

圖4 研究區(qū)樹冠覆蓋斑塊分級分布圖

表4 巨大和特大樹冠覆蓋斑塊特征統(tǒng)計

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，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，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個級別。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，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”越來越嚴重，城市各類綠地形成的林木樹冠覆蓋及城市水體對環(huán)境的降溫效應顯得尤為重要。因此，在未來城市規(guī)劃設(shè)計時，為了更好地發(fā)揮其降溫效應，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程的主要體現(xiàn)，可以在獨立斑塊的基礎(chǔ)上，組建有機廊道網(wǎng)，進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?shù)恼J識，但是如何連通林木樹冠覆蓋斑塊以及組合形式導致的生態(tài)結(jié)果有待進一步研究。

賈寶全等[23-24]認為，可增加潛在樹冠覆蓋(PUCT)是城市森林發(fā)展的潛力指標，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%，能達到的最大樹冠覆蓋率為35.77%。但同時需考慮城市植物群落美景度，應適當保留一定空地。

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)論缺少嚴謹?shù)慕y(tǒng)計分析驗證，同時研究地表溫度數(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)實際溫度可能會有誤差，且地點局限于馬龍區(qū)城市建成區(qū)，時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間段大部分地區(qū)的溫度分布規(guī)律模型，尚待進一步研究。

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，應綜合考慮內(nèi)外部多種因素。