魏雪梅，馬衛(wèi)春，孔麗

(1.安徽省基礎(chǔ)測(cè)繪信息中心，合肥 230031；2.安徽省智慧城市與地理國(guó)情監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031)

0 引言

地表溫度(land surface temperature，LST)在城市的熱環(huán)境變化、景觀格局與生態(tài)特征分析等領(lǐng)域都具有十分重要的研究意義[1-3]，是研究地氣間物質(zhì)和能量交換的重要參量。近年來(lái)，學(xué)者們基于遙感技術(shù)圍繞地表溫度，開(kāi)展了從地表溫度反演[4-7]到成果分析和應(yīng)用等眾多方面的研究工作。其中圍繞城市地表溫度變化及其與下墊面(氣候形成的重要因素，是指在熱量、動(dòng)量和水汽交換過(guò)程中與大氣相互作用的地球表面)關(guān)系的定量分析就是熱點(diǎn)之一[8-10]。但此類研究多數(shù)都局限于大型城市，針對(duì)中小型城市的較為少見(jiàn)。相較大城市，中小型城市在發(fā)展的過(guò)程中往往會(huì)遇到由于局部人類活動(dòng)增速過(guò)快，出現(xiàn)城市規(guī)劃和管理不符合實(shí)際需要，進(jìn)而產(chǎn)生中小型城市特有的環(huán)境問(wèn)題，其中就包括城市熱島問(wèn)題。這類區(qū)域的地表溫度變化有何規(guī)律？地表溫度的變化與其下墊面的構(gòu)成有哪些關(guān)系？這些問(wèn)題對(duì)研究區(qū)自然資源生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)和城市規(guī)劃，具有重要的輔助決策作用。

本文以安徽省合肥市城區(qū)與六安市金安區(qū)為例，以Landsat-8 TIRS影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)其中心城區(qū)的夏末秋初地表溫度進(jìn)行反演，并結(jié)合研究區(qū)的地理國(guó)情數(shù)據(jù)，開(kāi)展地表溫度與下墊面關(guān)系的定量分析，以期為中小型城市的自然資源生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)和城市規(guī)劃提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

合肥市城區(qū)包含直轄的廬陽(yáng)、包河、蜀山、瑤海四區(qū)，氣候較溫和，四季分明，雨量適中，梅雨顯著，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快；金安區(qū)為六安市的主城區(qū)，四季分明，季風(fēng)明顯，雨量充沛，無(wú)霜期較長(zhǎng)，2個(gè)地區(qū)均為發(fā)展中的中小型城市典型，且地理位置相鄰。

1.2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

本研究使用的數(shù)據(jù)源主要包括：地理國(guó)情矢量和Landsat-8遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。其中，地理國(guó)情矢量數(shù)據(jù)主要為2015年地理國(guó)情普查和2017年地理國(guó)情監(jiān)測(cè)成果中的地表覆蓋數(shù)據(jù)；Landsat-8遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)包括2015年10月11日和2017年9月14日的2景熱紅外衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

安徽省自6月起氣溫持續(xù)上升，7—9月處于高溫期，城市熱島效應(yīng)明顯，選用數(shù)據(jù)源時(shí)優(yōu)先考慮6—9月影像數(shù)據(jù)，但由于2015年6—9影像數(shù)據(jù)云量較多，嚴(yán)重影響溫度反演結(jié)果，故選取了日期最為接近且天氣晴朗的10月11日影像作為數(shù)據(jù)源。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

選用大氣校正法反演研究區(qū)的地表溫度，該方法的基本原理：首先估計(jì)大氣對(duì)地表熱輻射的影響，然后從衛(wèi)星傳感器所觀測(cè)到的總熱輻射量中減去這部分影響，即得到地表熱輻射強(qiáng)度，再把熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為地表溫度[11-12]。

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由3個(gè)部分組成：大氣向上輻射亮度、地面的真實(shí)輻射亮度經(jīng)過(guò)大氣層之后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的能量、大氣向下輻射到達(dá)地面后反射的能量。

衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ的表達(dá)式可寫為(輻射傳輸方程)：

Lλ=L↑+[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ

(1)

式中：ε為地表比輻射率；TS為地表真實(shí)溫度(K)；B(TS)為黑體熱輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過(guò)率。

溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為：

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(2)

TS可以用普朗克公式的函數(shù)獲?。?/p>

TS=K2/ln(K1/B(TS)+1)

(3)

對(duì)于TIRS Band10，K1、K2為常數(shù)，K1=774.89 W/(m2·μm·sr)，K2=1 321.08 K。大氣剖面參數(shù)：τ、L↑以及L↓，通過(guò)在NASA提供的網(wǎng)站(http：∥atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中輸入影像拍攝時(shí)間以及中心經(jīng)緯度的方式獲取。

2.2 地表溫度變化與下墊面關(guān)系的定量化分析

基于地理國(guó)情數(shù)據(jù)中的地表覆蓋成果，在研究區(qū)內(nèi)，開(kāi)展地表溫度變化與下墊面關(guān)系的定量化分析，主要包括：城市熱島比例指數(shù)以及下墊面與地表溫度變化關(guān)系分析。

其中，城市熱島比例指數(shù)(urban-heat-island ratio index，URI)是針對(duì)不同時(shí)相的城市熱島效應(yīng)難以進(jìn)行定量比較的問(wèn)題提出的新觀點(diǎn)，即不同時(shí)相之間的城市熱島效應(yīng)的對(duì)比，不能僅考慮溫度本身的高低，還要考慮構(gòu)成城市熱島的不同溫度等級(jí)占城市建成區(qū)的面積比例大小，以及它們的溫度強(qiáng)度對(duì)形成熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)程度。

金安區(qū)耕地級(jí)別整體較高，主要是因?yàn)槠鋵儆诹彩惺休爡^(qū)，交通發(fā)達(dá)，路網(wǎng)密布，城鎮(zhèn)化較高，地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)完備。全區(qū)80%為中壤，土壤黏性不強(qiáng)，耕性較好，可耕種時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)肥力與水分的保持功能較好。但是其自然地力等級(jí)不高，有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀、鋅銅硼鐵等大中微量元素含量不豐。但此次耕地定級(jí)綜合考慮自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)與區(qū)位因素。根據(jù)特爾斐法專家打分，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與區(qū)位因素所占的比例遠(yuǎn)大于自然因素。而這兩項(xiàng)正是金安區(qū)的優(yōu)勢(shì)所在。

城市熱島比例指數(shù)分析?；诜囱莸玫降牡乇頊囟龋謩e獲得2個(gè)研究區(qū)的最高溫、最低溫、均溫等信息，同時(shí)分析各研究區(qū)地表溫度的空間分布特征；采用密度分級(jí)技術(shù)，對(duì)地表溫度的絕對(duì)值進(jìn)行溫度分級(jí)，計(jì)算并分析城市熱島比例指數(shù)。

下墊面與地表溫度變化關(guān)系分析。分別對(duì)2個(gè)研究區(qū)2015與2017年地表溫度進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)各級(jí)地表溫度的面積及占比；結(jié)合地理國(guó)情地表覆蓋數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各級(jí)溫度內(nèi)不同類型下墊面的面積及占比；根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，定量分析地表溫度變化與下墊面的關(guān)系。

3 結(jié)果分析

本次研究的下墊面共分為3類：水體、植被以及不透水面，其中不透水面指的是由各種不透水建筑材料所覆蓋的表面，如由瓦片、瀝青、水泥混凝土等材料構(gòu)成的建筑物、路面和停車場(chǎng)等[13]。

3.1 城市熱島比例指數(shù)分析

合肥市城區(qū)較六安市金安區(qū)，人類活動(dòng)更為頻繁，據(jù)安徽省地理國(guó)情普查與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表1所示，合肥城區(qū)不透水面、水體、植被的面積占比分別約為金安區(qū)的3.5倍、2倍及0.6倍。2015至2017年期間，合肥城區(qū)和金安區(qū)不透水面與水體面積占比均有小幅度提升，植被面積占比有小幅度降低。

表1 2個(gè)研究區(qū)2015和2017年不同下墊面面積占比

反演出的地表溫度情況如表2所示，合肥市城區(qū)日最高溫、均溫均高于金安區(qū)，日最低溫小于金安區(qū)，溫度的標(biāo)準(zhǔn)差大于金安區(qū)，即溫度分布的離散度較大。

表2 2個(gè)研究區(qū)2015和2017年2個(gè)時(shí)相的地表溫度統(tǒng)計(jì)特征 ℃

由于各個(gè)時(shí)相的地表溫度差異較大，直接對(duì)各個(gè)時(shí)相的地表溫度進(jìn)行比較不可行。因此，采用歸一化和密度分割技術(shù)，對(duì)2個(gè)時(shí)相的地表溫度進(jìn)行等級(jí)劃分，通過(guò)計(jì)算城市熱島比例指數(shù)，研究不同區(qū)域、不同時(shí)相間地表溫度的變化趨勢(shì)[14-15]。

具體步驟為：首先，對(duì)反演后的地表溫度，按照公式(4)進(jìn)行歸一化處理，將地表溫度統(tǒng)一到0至1之間；然后利用密度分割技術(shù)，將歸一化后的地表溫度，采用均分的方式，劃分為極高溫、高溫、較高溫、中溫、較低溫、低溫、極低溫7個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的等級(jí)值為7至1；最后，統(tǒng)計(jì)這些等級(jí)占建成區(qū)的比例，并據(jù)此依據(jù)公式(5)計(jì)算URI。

(4)

(5)

基于上述方法，得到如表3、圖2所示的計(jì)算和圖件成果。2015年，合肥市城區(qū)的中溫區(qū)面積占全區(qū)面積比例最大，為57.223%；2017年占全區(qū)面積比例最大的區(qū)域是次高溫區(qū)，為46.046%，熱島比例指數(shù)URI由2015年的0.306 8升為了0.392 5。對(duì)于金安區(qū)而言，2015年占全區(qū)面積比例最大的區(qū)域同樣為中溫區(qū)，為80.005%；2017年占全區(qū)面積比例最大的區(qū)域是次低溫區(qū)，為43.417%，熱島比例指數(shù)由2015年的0.118降至了0.067。

合肥城區(qū)，2017年和2015年相比，極高溫、高溫與次高溫區(qū)占比的總和提升了10.804%，金安區(qū)則降低了7.244%，從而導(dǎo)致合肥市城區(qū)熱島比例指數(shù)升高了0.086，金安區(qū)降低了0.051。如圖1所示，自2015至2017年期間，合肥市城區(qū)的地表呈現(xiàn)增溫，金安區(qū)則呈現(xiàn)降溫。由圖1(a)、圖1(b)看出，合肥城區(qū)的極高溫、高溫及次高溫范圍小幅度增大，而金安區(qū)的極高溫、高溫及次高溫范圍則呈現(xiàn)為顯著減小，如圖1(c)、圖1(d)所示。

表3 研究區(qū)熱島比例指數(shù)及各溫度等級(jí)占本區(qū)面積比例表

圖1 研究區(qū)地表溫度分級(jí)圖

3.2 下墊面與地表溫度變化關(guān)系分析

從下墊面的角度分析，如圖2、圖3、圖4及圖5所示，合肥市城區(qū)和金安區(qū)，2015年與2017年相比，極高溫和高溫區(qū)的下墊面、不透水面的占比變化不大，穩(wěn)定在95%以上。這說(shuō)明城市的高溫區(qū)主要集中在建筑物、公路、鐵路以及無(wú)植被和水體覆蓋的其他不透區(qū)域。

圖2 合肥市城區(qū)2015年各溫度區(qū)間下墊面分布圖

圖3 合肥市城區(qū)2017年各溫度區(qū)間下墊面分布圖

圖4 金安區(qū)2015年各溫度區(qū)間下墊面分布圖

圖5 金安區(qū)2017年各溫度區(qū)間下墊面分布圖

次高溫區(qū)，合肥市城區(qū)的不透水面的占比下降了25.17%，而植被的占比上升了14.77%，水體占比變化不大。金安區(qū)的不透水層和植被的占比基本保持穩(wěn)定。

中溫區(qū)，合肥市城區(qū)和金安區(qū)的植被占比和不透水面的占比均分別出現(xiàn)下降和上升的趨勢(shì)，但變化后植被占比與不透水面占比的差值，合肥市城區(qū)為7.27%，金安區(qū)為59.67%，前者顯著小于后者，水體占比變化不大。

次低溫、低溫以和極低溫區(qū)，合肥市城區(qū)和金安區(qū)，水體占比較變化不大，植被占比均小幅度降低，不透水層小幅度上升。變化后植被占比與不透水面占比的差值，合肥市城區(qū)為41.61%，金安區(qū)為90.57%，與中溫區(qū)類似，前者顯著小于后者。

4 結(jié)束語(yǔ)

2015年至2017年期間，合肥城區(qū)和金安區(qū)不透水面與水體面積占比均有小幅度提升，植被面積占比有小幅度降低，但2個(gè)地區(qū)的城市熱島強(qiáng)度變化卻不一樣，合肥市的城市熱島比例指數(shù)增大了，而六安市金安區(qū)卻減小了。

仔細(xì)對(duì)比分析2年下墊面面積占比后，發(fā)現(xiàn)六安市金安區(qū)下墊面中的植被面積占比較為穩(wěn)定，保持在80%以上，遠(yuǎn)高于合肥市城區(qū)(2015年為52.62%，2017年為48.97%)；水體面積占比約為6%，低于合肥市城區(qū)(2015年為13.20%，2017年為13.52%)。由此得出，對(duì)于中小城市而言，植被對(duì)于緩解城市熱島效應(yīng)的作用高于水體。也就是說(shuō)，對(duì)于中小城市而言，在城市發(fā)展的進(jìn)程中，若能保持住區(qū)域內(nèi)植被覆蓋面積高占比，即使不透水面的面積占比有所增加，人類活動(dòng)區(qū)域加大，也不一定會(huì)導(dǎo)致城市熱島現(xiàn)象的加劇。

本研究在數(shù)據(jù)上僅選取了2期影像，不足以研究熱島變化趨勢(shì)，下一步計(jì)劃充分利用地理國(guó)情數(shù)據(jù)，細(xì)化下墊面地類，開(kāi)展研究區(qū)四季的地表溫度變化與下墊面關(guān)系的定量分析，以期為城市的發(fā)展規(guī)劃提供有益的參考依據(jù)；在技術(shù)上，本文地表溫度反演使用的是傳統(tǒng)的大氣校正法，精度有待提升，下一步計(jì)劃從物理模擬和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析角度入手，優(yōu)化反演算法，使結(jié)果更加接近于現(xiàn)實(shí)。