黨 青，楊武年

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059;

2.成都理工大學(xué) 國(guó)土資源信息技術(shù)與應(yīng)用國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/遙感與GIS研究所，成都 610059)

植被覆蓋度與城區(qū)地表熱量的動(dòng)態(tài)變化分析

黨 青1，楊武年2

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059;

2.成都理工大學(xué) 國(guó)土資源信息技術(shù)與應(yīng)用國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/遙感與GIS研究所，成都 610059)

近幾年隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市周邊環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，其中最為突出的熱點(diǎn)表現(xiàn)在城市氣候狀況的逐年變化，針對(duì)氣候變化國(guó)內(nèi)、外氣候?qū)W家做出了眾多研究成果。這里研究的重點(diǎn)在利用遙感技術(shù)對(duì)客觀數(shù)據(jù)大面積、高時(shí)效、全面真實(shí)地分析處理的基礎(chǔ)上，來(lái)動(dòng)態(tài)地研究城市植被覆蓋度變化與城區(qū)地表熱量分布的關(guān)系，通過(guò)對(duì)1992年、2006年的Landsat5 TM遙感數(shù)據(jù)的分析，估算植被的覆蓋度并對(duì)城區(qū)地表溫度進(jìn)行反演，從而客觀得出植被覆蓋度與城區(qū)地表熱量分布圖，揭示出植被覆蓋度與城市地表熱量分布之間的相互關(guān)系。研究結(jié)果表明，城市植被覆蓋度與城市地表熱量分布之間呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性，具體表現(xiàn)為植被覆蓋度越低的地區(qū)，城市熱量值比植被覆蓋度越高的地區(qū)城市熱量值高。

地表熱量;土植被覆蓋度;動(dòng)態(tài)變化

0 前言

植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)于區(qū)域環(huán)境變化和監(jiān)測(cè)研究具有重要意義。隨著我國(guó)近幾十年城市化進(jìn)程的不斷加快，以及土地利用格局的改變，在短時(shí)間內(nèi)促使區(qū)域自然環(huán)境發(fā)生了較大的變化，引起一系列的環(huán)境問(wèn)題，特別是由于近幾年氣候狀況的變化所引起的地表熱量分布的顯著變化。

針對(duì)植被覆蓋度變化對(duì)地表熱量分布的影響這一課題，國(guó)內(nèi)、外學(xué)者做出了不少的研究成果，其中歸一化植被指數(shù)(the normalized difference vegetationindex NDVI)是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子［1］。

作者在本文中以成都市市區(qū)為例，分別采用了成都市1992年和2006年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的遙感影像圖。通過(guò)對(duì)兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的遙感影像圖進(jìn)行分析處理，計(jì)算出在不同時(shí)間段內(nèi)植被的NDVI值，并對(duì)地表熱量進(jìn)行反演，從而客觀定量地得出植被覆蓋度與地表熱量變化之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)概述

1.1 主要研究方法

1.1.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

作者采用的數(shù)據(jù)源是landsat5TM數(shù)據(jù)，影像獲取時(shí)間為1992年6月17日及2006年5月19日，軌道號(hào)129/039。由于地表溫度的反演模型已經(jīng)考慮了大氣的影響，因此，在數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中不再考慮輻射校正。數(shù)據(jù)預(yù)處理采用的是同期一幅已校正好的遙感影像，在圖像處理軟件Erdas的支持下，通過(guò)選取地面控制點(diǎn)(GCP)和采用多項(xiàng)式方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)影像的幾何精校正，并在此基礎(chǔ)上對(duì)TM6波段進(jìn)行灰度拉伸，以增強(qiáng)圖像的對(duì)比度。

1.1.2 像元二分模型的城市覆蓋度變化信息提取

像元二分模型是假設(shè)在一幅影像數(shù)據(jù)中，像元只由植被覆蓋地表與非植被覆蓋地表兩部份構(gòu)成［2］。即傳感器所獲得的像元值，是由綠色植被覆蓋地表所貢獻(xiàn)的信息與非綠色植被覆蓋地表所貢獻(xiàn)的信息之和。用公式表達(dá)為:

其中 s為傳感器所觀測(cè)到的信息;sv為植被所貢獻(xiàn)的信息;so為非植被地表成分所貢獻(xiàn)的信息。

在影像中，假設(shè)植被覆蓋地表的面積比例即為該像元的植被覆蓋度為av，植被覆蓋地表的純像元所得的遙感信息為mv，混合像元中非植被所覆蓋的地表面積為1－av，非植被純像元所得的遙感信息為mo，那么混合像元中植被成份所貢獻(xiàn)的信息sv表示為式(2)。

同理，非植被成份所貢獻(xiàn)的信息so表示為式(3)。

將式(2)、式(3)帶入公式 (1)，得:

鄭州航院乃至河南省的二本高校若要圓滿實(shí)現(xiàn)中外合作辦學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)更多高水平的國(guó)際化人才助力中原經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，英語(yǔ)是其無(wú)法避開(kāi)的關(guān)鍵一環(huán)。中外合作辦學(xué)的英語(yǔ)教學(xué)不僅要提高學(xué)生的語(yǔ)言學(xué)習(xí)效率、幫助學(xué)生取得語(yǔ)言通行證，而且還要培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)國(guó)際化學(xué)習(xí)的能力、提升其跨文化溝通能力；同時(shí)也要調(diào)動(dòng)教師的積極性，使項(xiàng)目?jī)?nèi)學(xué)生英語(yǔ)運(yùn)用能力和專業(yè)學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)和發(fā)展得到保證。因此，在課程設(shè)置和課程建設(shè)方面與國(guó)際接軌勢(shì)在必行。全面學(xué)習(xí)、重點(diǎn)借鑒美國(guó)高校針對(duì)母語(yǔ)非英語(yǔ)國(guó)家留學(xué)生的強(qiáng)化英語(yǔ)課程設(shè)置以及其課程建設(shè)對(duì)我省高校中外合作辦學(xué)項(xiàng)目的英語(yǔ)教學(xué)十分有益。

對(duì)式(4)進(jìn)行變換，得:

可以根據(jù)公式 (5)來(lái)估算植被覆蓋度［3］。

因?yàn)镹DVI是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子，其值在(－1，1)之間波動(dòng)。在植被密度高的地區(qū)，其NDVI值大于0.7;在非植被地區(qū)裸地、土壤等NDVI值趨于0;水體的NDVI值則表現(xiàn)為小于0，為負(fù)值。所以在像元二分模型的基礎(chǔ)上，可以通過(guò) NDVI來(lái)估算成都市區(qū)植被覆蓋度［2］，帶入公式(5)，可得:

其中 NDVIV為植被所覆蓋的像元的 NDVI值;NDVIO為非植被像元的NDVI值。

借助ErdasImaging軟件，作者分別對(duì)成都市1992年和2006年的NDVI值進(jìn)行計(jì)算，得出了不同時(shí)期的植被覆蓋度灰度值。為了更近一步客觀、準(zhǔn)確、定量化地表達(dá)出成都主城區(qū)的植被覆蓋度在不同年際間的變化數(shù)量，需要對(duì)NDVI值賦予相應(yīng)的植被覆蓋等級(jí)。實(shí)際上，就是對(duì)植被指數(shù)進(jìn)行綜合和簡(jiǎn)化，這些可以利用公式(6)得到。

式中 NDVI0～255表示歸一為 0～255的植被指數(shù)值;NDVImin、NDVImax分別表示最小、最大歸一化植被指數(shù)值。

根據(jù)植被覆蓋度歸一化結(jié)果，結(jié)合國(guó)家“土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程”、“全國(guó)沙漠類型劃分原則”，作者對(duì)像元的灰度值按照不同的等級(jí)進(jìn)行劃分［1］(如表1 所示)。

表1 成都市主城區(qū)植被蓋度等級(jí)對(duì)應(yīng)表Tab． 1 The correspondence table of vegetation coveragegrade in Chengdu region

同理，依據(jù)表1可以對(duì)成都市歸一化植被指數(shù)進(jìn)行分級(jí)，如下頁(yè)圖1所示。

1.1.3 城市地表溫度反演

熱景觀的遙感監(jiān)測(cè)，是依據(jù)熱紅外傳感器空間分辨率像元內(nèi)、具有不同組份物質(zhì)及其空間異質(zhì)性結(jié)構(gòu)所形成相對(duì)不同的輻射特征，對(duì)所獲取的熱圖像進(jìn)行綜合分析，提取與識(shí)別的過(guò)程。熱紅外遙感傳感器接收到輻射亮溫，主要是由被測(cè)物體發(fā)射的熱輻射和反射的熱輻射這兩部份構(gòu)成。通過(guò)對(duì)輻射亮溫的反演算法，依次求出輻射強(qiáng)度、像元亮度溫度值和地表溫度，進(jìn)而得出地面溫度的高低和分布［4］。

(1)輻射強(qiáng)度 Lλ。

其中 Lλ為λ波段的輻射亮度;DN為每個(gè)像元的灰度值;Gain為增益系數(shù)，單位為 (W/m2· sr·μm·DN);Bias為偏移系數(shù)，單位為(W/m2·sr·μm)。

(2)像元亮度溫度 T6。

圖1 1992年成都市主城區(qū)植被蓋度等級(jí)圖Fig． 1 The vegetation coverage grade in Chengdu region( 1992)

其中 K1、K2為發(fā)射前預(yù)設(shè)的常量。

對(duì)于Landsat5TM影像:

K1=60.776(mW·cm－2·sr－1·μm－1)

K2=1260.56K

(3)地表溫度。St像元亮度溫度計(jì)算的結(jié)果，是假設(shè)地球是黑體狀態(tài)下的值，所以它并不能很好地反應(yīng)出地表的真實(shí)溫度差異?？梢赃M(jìn)一步通過(guò)地物的比輻射率，反演出陸地表面溫度值［5］。

其中 λ為發(fā)射輻射的波長(zhǎng)，一般取熱紅外波段的平均值，λ=11.5μm;ρ為不地物比輻射率，ρ=0.01438mK;ε為地表比輻射率，ε=1.0094+0.047ln(NDVI)，NDVI為歸一化差值植被指數(shù)。根據(jù) Van的經(jīng)驗(yàn)公式 NDVI適用于當(dāng)0.157＜NDVI＜0.727時(shí)，當(dāng) NDVI＜0時(shí)，ε=0.995;當(dāng) 0＜NDVI＜0.157時(shí)，ε=0.9721。

(4)地表溫度歸一化值。為了避免影像圖部份地區(qū)因薄霧、云層等，可能遭成對(duì)地表溫度結(jié)果的影響，作者對(duì)地表溫度St進(jìn)行了歸一化處理［7］，并將處理后的結(jié)果值劃分為五個(gè)等級(jí)，分為低溫區(qū)(0～0.2)、次低溫(0.2～0.4)、中溫(0.4～0.6)、次高溫(0.6～0.8)和高溫區(qū)(0.8～1.0)(見(jiàn)圖2)。

圖2 成都市地面溫度等級(jí)分布圖Fig． 2 Distribution of land surface temperature in Chengdu

2 結(jié)果與分析

2.1 各時(shí)期不同等級(jí)植被覆蓋度與地表熱量分布整體變化趨勢(shì)

借助Arcmap軟件，對(duì)植被覆蓋圖進(jìn)行定量分析，可以得出從1992年到2006年間，一級(jí)面積、二級(jí)面積、三級(jí)面積和所占百分比，均呈下降趨勢(shì)。其中:1992年到2006年一級(jí)由原先的28.15%下降到0.72%;二級(jí)由1992年的33.08%下降到2006年的2.89%;三級(jí)由1992年的9.6%下降到2006年的4.29%。并且三級(jí)包含了部份由一級(jí)、二級(jí)轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的面積。總體上來(lái)說(shuō)，成都市主城區(qū)從1992年到2006年，植被的覆蓋度整體大規(guī)模減少，雖部份區(qū)域保存有完好的公園、植物園等綠化用地，但整體上密林地、灌木林地、高產(chǎn)中產(chǎn)草地等均在數(shù)量上明顯減少。

隨著植被覆蓋度由1992年到2006年的減少，城區(qū)地表熱量的分布也表現(xiàn)為由1992年次低溫和低溫占主導(dǎo)，轉(zhuǎn)變?yōu)?006年中溫和次高溫占主導(dǎo)的趨勢(shì)。2006年，部份地區(qū)由城鄉(xiāng)溫度的對(duì)比得出城區(qū)部份區(qū)域出現(xiàn)熱導(dǎo)現(xiàn)象，其中在火車東貨運(yùn)站區(qū)域、成華大道二段區(qū)域，以及紅牌樓附近區(qū)域表現(xiàn)明顯。

2.2 變化原因分析

氣溫與植被的NDVI值呈相關(guān)性，近幾十年氣溫的平均值不斷攀升(如圖3所示)，而降水量又相繼減少。當(dāng)氣溫超過(guò)植株生長(zhǎng)的最適溫度時(shí)，便會(huì)使植物的凈光合作用下降，同時(shí)溫度上升使蒸發(fā)量增大，土壤干化 ，這對(duì)植被的生長(zhǎng)起到抑制作用。

圖3 成都各年份氣溫變化曲線［5］Fig． 3 The variation curve of air temperature in differentyear of Chengdu

3 結(jié)論

作者在本文中的分析結(jié)果與研究區(qū)的實(shí)際情況較為相符，從1992年到2006年間的植被覆蓋度，分析得出成都市主城區(qū)的植被覆蓋度呈整體下降的趨勢(shì)。而城市地表熱量分布與植被覆蓋度成反比例關(guān)系，植被覆蓋度低的地區(qū)，地表熱量相對(duì)植被覆蓋度高的地區(qū)熱量分布較高。究其研究區(qū)植被蓋度的變化與地表熱量分布的關(guān)系，可以從兩方面來(lái)改善局部地區(qū)的小氣候:一方面，可以通過(guò)對(duì)城市舊建筑進(jìn)行拆除，在城市規(guī)劃中增加綠化率，部份農(nóng)田退耕還林、還草，來(lái)直接增加城市的植被覆蓋度;另一方面，加快對(duì)一些污染大的企業(yè)如熱電廠、鋼管廠的改造，對(duì)工業(yè)廢氣、固體廢物的無(wú)毒排放，人口數(shù)量的控制等措施長(zhǎng)遠(yuǎn)的循序漸進(jìn)的提高植被覆蓋度，改善地表熱量分布，減緩溫室效應(yīng)影響。

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A

1001—1749(2011)05—0555—04

2011－02－21 改回日期:2011－06－20

黨青(1985－)，女，漢族，博生，主要研究方向地球探測(cè)與信息技術(shù)。