基于Landsat影像的合肥市地表溫度空間特征分析

王 璐, 吳兆福, 余 敏, 張春菊,2, 張 辰, 黃建偉

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.自然資源部 城市國(guó)土資源監(jiān)測(cè)與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 深圳 518000)

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展,城市擴(kuò)張過(guò)程加劇了城市熱島效應(yīng)[1]。由于植被、土壤等自然地表逐漸被建筑物等熱容量大的不透水面所替代[2],城市地表溫度逐漸升高,進(jìn)而引發(fā)城市熱島效應(yīng)等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,影響人類(lèi)居住環(huán)境空間分布格局[3]。因此,研究城市地表溫度的空間分布對(duì)城市可持續(xù)化發(fā)展與城市規(guī)劃具有重要意義。目前基于遙感影像開(kāi)展的城市熱環(huán)境研究主要集中在以下3個(gè)方面:

(1) 常用地表溫度反演方法(主要包括輻射傳導(dǎo)方程算法、單窗算法及分裂窗算法等[4-7])的對(duì)比及驗(yàn)證?？紤]到熱紅外傳感器(thermal infrared sensor,TIRS)第11波段定標(biāo)偏差較大,美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey,USGS)建議使用單通道(TIRS第10波段)進(jìn)行地表溫度反演[8]。其中輻射傳導(dǎo)方程算法具有較好的反演精度及牢固的物理基礎(chǔ),被廣泛使用。

(2) 地物覆蓋類(lèi)型與地表溫度的相關(guān)性分析[9-10]。針對(duì)不透水層、土壤、植被對(duì)地表溫度的影響程度,可以利用線性回歸和地理加權(quán)回歸(geographically weighted regression,GWR)分別從全局和局部角度進(jìn)行分析[11-12],結(jié)果表明,不透水層覆蓋率與植被覆蓋率分別與地表溫度呈現(xiàn)正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3) 地表熱環(huán)境時(shí)空變化特征分析[13-14]。城市擴(kuò)張導(dǎo)致不透水層面積增加,是導(dǎo)致城市熱環(huán)境問(wèn)題顯著,進(jìn)而引起城市熱島效應(yīng)的主要原因。目前,基于地表溫度反演的城市熱環(huán)境時(shí)空變化格局相關(guān)研究中,空間定量分析很少,而標(biāo)準(zhǔn)差橢圓(standard deviational ellipse,SDE)可以較好地定量反映空間結(jié)構(gòu)發(fā)展?fàn)顩r。文獻(xiàn)[15]利用SDE研究長(zhǎng)三角城市群綠色發(fā)展均衡狀況,并分析其障礙因素;文獻(xiàn)[16]使用SDE來(lái)記錄美國(guó)季節(jié)性龍卷風(fēng)活動(dòng)空間擴(kuò)散的變化。

近年來(lái),合肥市城市化進(jìn)程快速發(fā)展,引起城市擴(kuò)張,導(dǎo)致地表覆蓋發(fā)生明顯變化,也加劇了城市熱島效應(yīng)[17-18]。但是,基于熱紅外遙感影像的不透水層覆蓋情況與地表溫度變化之間的相關(guān)性不明確,對(duì)合肥市地表溫度空間演化特征的相關(guān)定量研究較少。

本文利用輻射傳導(dǎo)方程算法,對(duì)合肥市多期Landsat遙感影像進(jìn)行地表溫度反演,使用監(jiān)督分類(lèi)法提取不透水層及植被地物類(lèi)型,通過(guò)GWR分析合肥市不透水層對(duì)地表溫度的影響程度,對(duì)反演后不透水層、土壤、植被對(duì)應(yīng)的地表溫度進(jìn)行SDE時(shí)空變化格局定量分析,揭示合肥市近年來(lái)城市空間發(fā)展的演化特征,以期為合肥市未來(lái)的城市規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

合肥市(30°57′～32°32′N(xiāo),116°41′～117°58′E)位于中國(guó)華東地區(qū)、長(zhǎng)江三角洲西側(cè),下轄4個(gè)行政區(qū)、4個(gè)縣,代管1個(gè)縣級(jí)市,全市總面積為11 445.1 km2;其屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,四季分明,氣候適宜;地形上,以平原和丘陵為主,平均海拔為20～40 m。合肥市GDP在2008年為不到2 000億元[19],到2020年突破萬(wàn)億元[20],截至2020年城鎮(zhèn)化率[21]已達(dá)到76.33%。城市化進(jìn)程加劇,植被、土壤面積縮小,不透水層面積擴(kuò)張顯著。本文主要對(duì)合肥市近年來(lái)發(fā)展較為迅速的包河區(qū)、瑤海區(qū)、廬陽(yáng)區(qū)、蜀山區(qū)4個(gè)行政區(qū)進(jìn)行分析,影像圖如圖1所示(http://www.gscloud.cn)。

圖1 2020年合肥市4個(gè)行政區(qū)影像

1.2 數(shù)據(jù)源

選擇合肥市2008年10月15日、2011年10月8日Landsat 7 ETM+影像和2015年10月11日、2018年10月3日、2020年10月24日Landsat 8 OLI/TIRS遙感影像進(jìn)行地表溫度反演和地物分類(lèi),遙感影像云量均小于5%,數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。以合肥市(31°46′N(xiāo),117°18′E)和巢湖市(31°37′N(xiāo),117°52′E)2個(gè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)影像成像時(shí)間前后3 d溫度平均值作為溫度反演的驗(yàn)證數(shù)據(jù),溫度數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)溫室數(shù)據(jù)系統(tǒng)(http://data.sheshiyuanyi.com/WeatherData)。

2 研究方法

2.1 輻射傳導(dǎo)方程算法

對(duì)于輻射傳導(dǎo)方程算法涉及的熱紅外數(shù)據(jù),選擇Landsat 7 ETM+影像第6波段,Landsat 8 OLI/TIRS影像第10波段。輻射傳導(dǎo)方程算法又稱(chēng)為大氣校正法,算法公式如下:

Lλ=τ[εI(λ,T)+(1-ε)Ld]+Lu

(1)

(2)

其中:Lλ為傳感器接收的輻射亮度,由真實(shí)輻射、大氣上行輻射Lu及大氣下行輻射Ld組成;τ為大氣透過(guò)率;ε為地表比輻射率;I(λ,T)為黑體輻射亮度;Ts為亮度溫度;K1、K2為衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)。2種衛(wèi)星使用的參數(shù)K1、K2見(jiàn)表1所列。

表1 Landsat 7、Landsat 8衛(wèi)星參數(shù)K1、K2取值

τ、Lu和Ld均可在美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)官網(wǎng)(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中通過(guò)輸入影像成影時(shí)間及研究區(qū)中心經(jīng)緯度獲取。

將影像大致分為植被、水體、建筑物,水體的地表比輻射率值為0.995,植被和建筑物地表比輻射率εveg、εbuilding的計(jì)算公式分別為:

(3)

(4)

其中,PV為植被覆蓋度值。

為了驗(yàn)證算法的反演精度,將該算法計(jì)算結(jié)果與地面站實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比。

2.2 GWR分析

考慮到不透水層對(duì)城市地表溫度空間分布及空間異質(zhì)性的影響較大,而傳統(tǒng)線性回歸只能反映在區(qū)域上整體的擬合效果,難以反映局部空間關(guān)系,本文使用添加了地理位置信息函數(shù)的GWR[22-23],通過(guò)建立空間范圍內(nèi)每個(gè)空間格網(wǎng)處的局部線性回歸方程來(lái)擬合不透水層覆蓋率與地表溫度值之間的關(guān)系,其中全局?jǐn)M合系數(shù)R2是根據(jù)每個(gè)格網(wǎng)處不透水層覆蓋率與地表溫度值之間的關(guān)系而得出的,GWR模型表達(dá)式為:

(5)

其中:(Ui,Vi)為第i個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo);β0為截距值;βi為第i個(gè)點(diǎn)的第k個(gè)回歸系數(shù);εi為誤差項(xiàng);xik為不透水層覆蓋率;Yi為地表溫度值。

對(duì)于GWR的空間尺度影響,根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果,地表溫度與地物覆蓋率相關(guān)性研究的最佳格網(wǎng)單位長(zhǎng)度為500～650 m,文獻(xiàn)[12]對(duì)武漢市的研究中,以500 m為格網(wǎng)單位長(zhǎng)度。因此,本文以500 m為格網(wǎng)單位長(zhǎng)度。

2.3 SDE分析

考慮到不透水層及植被、土壤對(duì)地表溫度的增溫與降溫效應(yīng)[9-10],分別提取不透水層及植被、土壤對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間對(duì)比分析,將分類(lèi)影像與溫度影像導(dǎo)入MATLAB中,提取同一地物類(lèi)型對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)數(shù),μB、μV分別為全部不透水層及植被、土壤對(duì)應(yīng)溫度點(diǎn)的平均值,σB、σV分別為全部不透水層及植被、土壤對(duì)應(yīng)溫度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差。考慮到多年來(lái)地表覆蓋變化可能引起對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)的溫度變化異常,為了反映整體變化趨勢(shì),對(duì)不同地物類(lèi)型對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,提取1倍標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)的地表溫度點(diǎn)T(TB∈[μB-σB,μB+σB],TV∈[μV-σV,μV+σV])開(kāi)展分析,并將溫度幅值作為權(quán)重參與SDE計(jì)算。

SDE分析是對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)的分布和方向特征進(jìn)行時(shí)空分析,其中橢圓中心坐標(biāo)(ESD(x,y))和旋轉(zhuǎn)角(θ)的表達(dá)式為:

(6)

(7)

本文中,SDE走向代表地物分布趨勢(shì),橢圓覆蓋面積表示集聚范圍,橢圓旋轉(zhuǎn)角度表示集聚方向;定義橢圓旋轉(zhuǎn)角度為在WGS-84(World Geodetic System,世界大地測(cè)量系統(tǒng))坐標(biāo)系下以南北軸按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)與橢圓長(zhǎng)軸重合的角度,用以反映全局特征。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 輻射傳導(dǎo)方程算法反演精度驗(yàn)證與地表覆蓋

輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像裁剪等影像預(yù)處理工作都在ENVI 5.3軟件中進(jìn)行,根據(jù)輻射傳導(dǎo)方程算法反演合肥市5期影像的地表溫度,并與站點(diǎn)溫度對(duì)比分析。結(jié)果表明:反演溫度與實(shí)測(cè)溫度擬合系數(shù)為0.98,但是反演溫度比站點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度偏高7 ℃左右,誤差可能與陸地?zé)彷椛浜痛髿庥绊懹嘘P(guān)[24]。因此,可以使用輻射傳導(dǎo)方程算法反演的地表溫度進(jìn)行空間特征分析。

采用監(jiān)督分類(lèi)中支持向量機(jī)結(jié)合目視解譯的方法,將研究區(qū)地物分為水域、植被、土壤、不透水層4種,4種地物的分類(lèi)精度均高于90%,Kappa指數(shù)均高于0.9。結(jié)合溫度反演結(jié)果,可進(jìn)一步分析城市熱環(huán)境突出原因[25]。本文以包河區(qū)2020年的地表溫度與地物分類(lèi)結(jié)果為例進(jìn)行分析。包河區(qū)2020年10月20日地表溫度與地物分類(lèi)如圖2所示。

圖2 包河區(qū)2020年10月20日地表溫度與地物分類(lèi)

(1) 不透水層主要分布在城市中心商業(yè)區(qū),植被、土壤則分布在城市綠地植被、郊區(qū)農(nóng)田及自然地表處,不透水層地表溫度相對(duì)于植被、土壤等自然地表溫度偏高,符合客觀規(guī)律。

(2) 植被、土壤等自然地表覆蓋率從主城區(qū)到近城區(qū)再到郊區(qū)逐步增高,其空間分布格局對(duì)分析不透水層及植被、土壤的SDE都產(chǎn)生重要影響。

3.2 GWR分析

由于包河區(qū)、廬陽(yáng)區(qū)水系較為發(fā)達(dá),包含巢湖、董鋪水庫(kù)等眾多不透水層地表覆蓋率為0的區(qū)域,會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響[12],在包河區(qū)、廬陽(yáng)區(qū)以不透水層地表覆蓋率、水域地表覆蓋率作為自變量;而在蜀山區(qū)、瑤海區(qū)以不透水層地表覆蓋率作為自變量。GWR模型的全局?jǐn)M合系數(shù)R2結(jié)果如圖3所示。R2可以反映不透水層對(duì)地表溫度的影響程度,R2值越大,表明影響程度越大。由圖3可知:4個(gè)行政區(qū)全局R2基本達(dá)到0.8以上,不透水層覆蓋度與地表溫度之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系;在時(shí)間特征上,2008—2020年,包河區(qū)與廬陽(yáng)區(qū)的R2變化較為平穩(wěn),均在0.9以上;而蜀山區(qū)與瑤海區(qū)的R2整體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),表明不透水層面積對(duì)地表溫度的影響程度整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

圖3 合肥4個(gè)行政區(qū)GWR模型全局?jǐn)M合系數(shù)

3.3 SDE分析

3.3.1 不透水層異常點(diǎn)的分布與點(diǎn)數(shù)提取

為了進(jìn)一步分析異常點(diǎn)分布位置,選取包河區(qū)某街道分類(lèi)影像作為底圖,其不透水層對(duì)應(yīng)地表溫度異常點(diǎn)分布如圖4所示。圖4中,零散點(diǎn)為不透水層對(duì)應(yīng)地表溫度超過(guò)和低于1倍標(biāo)準(zhǔn)差的極高溫、極低溫的溫度異常點(diǎn)。由圖4可知:溫度異常點(diǎn)的空間分布較為離散;極高溫點(diǎn)主要分布在城市中的水泥地、混凝土、沙礫等處,在城市住宅小區(qū)中會(huì)成塊出現(xiàn);極低溫點(diǎn)一般出現(xiàn)在瀝青路面等處?？紤]到合肥市2008—2020年地表覆蓋變化顯著,同一空間該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)也發(fā)生明顯變化,不利于地表溫度空間特征的定量分析,因此,分別計(jì)算不透水層及植被、土壤對(duì)應(yīng)的1倍標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi)(保證該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度基本穩(wěn)定、地物類(lèi)型沒(méi)有發(fā)生變化)的點(diǎn),進(jìn)行空間橢圓分析。

圖4 包河區(qū)某街道不透水層對(duì)應(yīng)地表溫度異常點(diǎn)分布

采用MATLAB軟件提取1倍標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi)不透水層及土壤、植被溫度點(diǎn)數(shù),結(jié)果如圖5所示。

圖5 4個(gè)行政區(qū)不透水層及土壤、植被溫度點(diǎn)數(shù)年變化趨勢(shì)

由圖5可知,合肥市4個(gè)行政區(qū)的不透水層對(duì)應(yīng)溫度點(diǎn)數(shù)呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì),而植被、土壤對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)數(shù)逐年減少,這在一定程度上反映出近年來(lái)合肥市城市化進(jìn)程不斷加快的狀況。以蜀山區(qū)2008—2020年結(jié)果為例,不透水層點(diǎn)數(shù)增幅為169%,土壤、植被點(diǎn)數(shù)降幅為16%。

由圖5并結(jié)合圖3分析可知:蜀山區(qū)、瑤海區(qū)不透水層增長(zhǎng)幅度變化較大,而擬合系數(shù)整體呈現(xiàn)遞增情況,擬合系數(shù)增加與不透水層覆蓋率增加有關(guān);包河區(qū)、廬陽(yáng)區(qū)不透水層變化相對(duì)平緩,因此擬合系數(shù)也趨于穩(wěn)定。

3.3.2 SDE結(jié)果分析

運(yùn)用SDE對(duì)合肥市4個(gè)行政區(qū)城市化空間格局演化趨勢(shì)進(jìn)行分析。2008—2020年4個(gè)行政區(qū)不透水層及植被、土壤對(duì)應(yīng)1倍標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi)的地表溫度點(diǎn)SDE結(jié)果如圖6所示,底圖為2020年地物分類(lèi)圖;不透水層對(duì)應(yīng)地表溫度點(diǎn)SDE參數(shù)見(jiàn)表2所列。

表2 2008—2020年合肥市4個(gè)行政區(qū)不透水層對(duì)應(yīng)地表溫度點(diǎn)SDE參數(shù)

圖6 2008—2020年合肥市4個(gè)行政區(qū)不透水層及植被、土壤對(duì)應(yīng)地表溫度點(diǎn)SDE分布

(1) 包河區(qū)不透水層及土壤、植被中心穩(wěn)定,但是不透水層橢圓覆蓋面積明顯擴(kuò)張,旋轉(zhuǎn)角度由2008年的5°順時(shí)針增加至2020年的19°。不透水層變化區(qū)域主要對(duì)應(yīng)包河區(qū)北部的主城區(qū),新增不透水層主要對(duì)應(yīng)巢湖以北的濱湖新區(qū)、緊鄰濱湖發(fā)展的包河經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū),表明包河區(qū)城市發(fā)展進(jìn)程逐漸向東北、西南部偏移。

(2) 蜀山區(qū)不透水層中心變化幅度相對(duì)于其他3個(gè)區(qū)比較明顯,橢圓面積對(duì)應(yīng)的集聚范圍擴(kuò)大135.25 km2,集聚方向穩(wěn)定在以東南方向?yàn)橹鞯?20°左右,并有小幅度的逆時(shí)針(向西北方向)變化趨勢(shì)。不透水層主要集中在合肥市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)(經(jīng)開(kāi)區(qū))、國(guó)家級(jí)合肥高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)(高新區(qū))、政務(wù)文化新區(qū)(政務(wù)區(qū))、正在建設(shè)中的合肥科學(xué)城及位于西北方向的新橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)。

(3) 廬陽(yáng)區(qū)2008—2011年不透水層主要集中在東部地區(qū),集聚方向穩(wěn)定在90°,但在2011—2020年,橢圓方向向西北方向偏移16°。橢圓集聚范圍由2008年的44.43 km2擴(kuò)大到2020年的70.39 km2,表明廬陽(yáng)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要集中在北二環(huán)以南的商貿(mào)金融城和北部的廬陽(yáng)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)。

(4) 瑤海區(qū)不透水層橢圓特征趨于穩(wěn)定,橢圓集聚方向逐漸向東部偏移,穩(wěn)定在170°,集聚范圍擴(kuò)大23.75 km2。不透水層主要集中在中部,表明瑤海區(qū)近年持續(xù)推進(jìn)舊城更新,中部靠東部地區(qū)相繼出現(xiàn)的科技產(chǎn)業(yè)、商貿(mào)城帶動(dòng)了瑤海區(qū)發(fā)展。

綜上所述,4個(gè)行政區(qū)的土壤、植被橢圓特征趨于穩(wěn)定,橢圓集聚方向與不透水層相似,集聚范圍無(wú)顯著變化;不透水層的橢圓中心趨向于穩(wěn)定,橢圓分布特征與城市發(fā)展進(jìn)程一致,橢圓覆蓋范圍有明顯擴(kuò)張趨勢(shì),主要集中在未被用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的自然地表處;在整體表現(xiàn)上,2020年包河區(qū)、蜀山區(qū)、廬陽(yáng)區(qū)橢圓長(zhǎng)軸較2008年明顯增大,表明不透水層分布在西南—東北、東南—西北、東南—西北方向明顯擴(kuò)張,城市發(fā)展方向以其為主導(dǎo)。

4 結(jié) 論

(1) 輻射傳導(dǎo)方程算法適用于合肥市的地表溫度反演,合肥市熱環(huán)境分布特征與城市化發(fā)展建設(shè)方向一致,主城區(qū)溫度較高,郊區(qū)溫度偏低,不透水層地表溫度高于土壤、植被等自然地表。

(2) 不透水層與地表溫度的GWR分析表明,合肥市4個(gè)行政區(qū)的整體擬合系數(shù)基本達(dá)到0.8,包河區(qū)與廬陽(yáng)區(qū)擬合系數(shù)隨時(shí)間變化較為穩(wěn)定,達(dá)到0.9,而蜀山區(qū)與瑤海區(qū)擬合系數(shù)呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。不透水層的變化對(duì)合肥市GWR的整體擬合系數(shù)數(shù)值有重要影響。

(3) SDE分析結(jié)果表明,合肥市4個(gè)行政區(qū)不透水層橢圓集聚范圍明顯增加,其演化趨勢(shì)與城市擴(kuò)張趨勢(shì)一致,其中蜀山區(qū)橢圓集聚范圍與中心變化幅度較其他3個(gè)區(qū)更為顯著,主要呈現(xiàn)向西北方向擴(kuò)展。

合肥市4個(gè)行政區(qū)的地表溫度空間特征變化表明,合肥市近年來(lái)城市化發(fā)展迅速,城市擴(kuò)張加劇,由原來(lái)的以主城區(qū)發(fā)展為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詾I湖新區(qū)、國(guó)家級(jí)合肥高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)、政務(wù)文化新區(qū)、廬陽(yáng)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)等地區(qū)共同發(fā)展,這些地區(qū)地表溫度明顯高于其他區(qū)域,將成為城市生態(tài)環(huán)境治理重點(diǎn)。城市化發(fā)展迅速會(huì)導(dǎo)致城市熱環(huán)境問(wèn)題顯著,因此合肥市在快速發(fā)展的同時(shí)應(yīng)合理規(guī)劃與治理,并制定城市可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的有效措施。本文在遙感數(shù)據(jù)的地面驗(yàn)證以及與熱島強(qiáng)度的聯(lián)合研究方面還存在不足,對(duì)地理信息、水文、氣象等因素缺乏綜合分析,這些都是進(jìn)一步研究的方向。