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        典型喀斯特城市的熱島時空變化及其成因分析

        2019-12-03 01:47:40陳炫熾吳愈鋒王躍躍
        測繪通報 2019年11期
        關(guān)鍵詞:熱島熱效應(yīng)安順市

        陳炫熾,陳 蓉,廖 瑤,吳愈鋒,王躍躍

        (1. 貴州大學礦業(yè)學院,貴州 貴陽 550025; 2. 貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心,貴州 貴陽 550025)

        喀斯特即巖溶,是水對可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)進行以化學溶蝕作用為主,流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質(zhì)作用,以及由這些作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象的總稱。

        熱島效應(yīng)(heat island effect)是指一個地區(qū)的氣溫高于周圍地區(qū)的現(xiàn)象,主要有城市熱島效應(yīng)和青藏高原熱島效應(yīng)兩種。城市熱島效應(yīng)(urban heat island effect),就是因城市化的發(fā)展,導致城市中氣溫高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象,其出現(xiàn)可能會危害人體健康、加劇大氣污染、造成局部地區(qū)的自然災(zāi)害、導致氣候與物候失常。

        對于城市熱島效應(yīng)的研究一直是一個熱點,遙感技術(shù)以其本身范圍廣、速度快、效率高的優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用:文獻[1—2]提出利用Landsat影像進行地表溫度(land surface temperature,LST)反演的各種算法,有效地提高了遙感影像反演地表溫度的精度;文獻[3]用兩期Landsat TM影像分析了蘇州地區(qū)18年的熱島時空變化及其與土地覆蓋變化的關(guān)系;文獻[4]等利用Landsat 8數(shù)據(jù)對成都市中心城區(qū)熱島效應(yīng)的時空變化及其與下墊面的關(guān)系進行了分析。

        本文選擇貴州省典型喀斯特城市——安順市的老城區(qū)西秀區(qū)為研究區(qū),使用基于影像的反演算法,利用RS、GIS及統(tǒng)計學的各種手段定量分析其熱效應(yīng)的時空變化和造成這些變化的原因,為其他喀斯特城市的大氣環(huán)境監(jiān)測及治理提供依據(jù)。

        1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

        1.1 研究區(qū)概況

        安順市西秀區(qū)位于貴州省中部腹地,貴陽市以西為90 km,為安順市政府所在地,是安順市政治、經(jīng)濟、科技和文化中心,平均海拔高度在1102~1694 m,全境海拔高度為560~1500 m,具有山岳氣候的典型特征。屬典型的高原型濕潤亞熱帶季風氣候,雨量充沛,年平均降雨量為1360 mm,年平均氣溫為14℃,歷史最高氣溫為34.3℃,最低氣溫為-7.6℃,年平均相對濕度為80%,年平均風速為2.4 m/s,冬無嚴寒,夏無酷暑,氣候溫和宜人。

        1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

        研究使用的三期Landsat影像均下載于美國地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey,簡稱USGS)的數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站(http:∥glovis.usgs.gov/),分別接收于1989年2月15日(Landsat TM)、2003年3月2日(Landsat ETM+)和2018年3月3日(Landsat OLI)的3個時間節(jié)點,含云量極低,影像質(zhì)量良好;對Landsat影像進行輻射定標、大氣校正、影像裁切等預(yù)處理后得到研究區(qū)3期影像圖。氣象數(shù)據(jù)下載于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。

        2 研究方法

        2.1 地表溫度反演算法

        本文選擇基于影像的反演算法[5],當研究區(qū)范圍較小且無云的條件下,大氣的影響程度在空間上可以近似地認為一致,因而不需衛(wèi)星過境的實時大氣剖面數(shù)據(jù)或采用大氣模型進行大氣校正[6]。在實時大氣參數(shù)不可得時,基于影像算法的反演精度在以上條件下與單窗算法接近,而反演過程要比單窗算法和單通道算法等簡便得多。該模型公式為

        (1)

        A=hc/ρ=1.438×10-2

        (2)

        式中,T為地表溫度(K);ε為地表比輻射率;λ為熱紅外波段的中心波長;A為常數(shù);h為Planck常數(shù);c為光速;ρ為Boltzmann常數(shù)。

        2.2 CART決策樹分類算法

        地表比輻射率的計算結(jié)果決定了地表溫度反演的精度,各類地物由于其物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同的原因,其地表比輻射率也不相同??λ固氐貐^(qū)地物分布復(fù)雜且破碎,而CART決策樹(classification and regression tree,CART)分類算法對于類型復(fù)雜多樣、分布界限模糊、光譜混淆與混合像元現(xiàn)象嚴重的河流濕地等濕地類型具有更好的鑒別能力[7-8]。使用CART算法對3期影像進行分類,誤差較小(見表1),分類結(jié)果滿足研究需求。

        表1 CART決策樹算法分類精度

        為便于后續(xù)分析,根據(jù)研究區(qū)實際情況,如圖1將3期影像分類結(jié)果中的裸土與建筑合并為不透水面,植被和陰影合并為綠地。

        各地物純凈像元的地表比輻射率可根據(jù)文獻[9]的研究成果計算得到,對于包含不同地類的混合像元,使用文獻[10]針對這種情況提出改進的地表比輻射率計算模型

        (3)

        式中,ε自、ε城、ε裸分別為自然地表、城鎮(zhèn)地表和裸土地表的比輻射率;PV為植被覆蓋度,可基于像元二分法進行反演,公式為

        (4)

        在像元二分法模型中,NDVIS和NDVIV分別為裸土(或無植被覆蓋區(qū)域)和全植被覆蓋區(qū)的NDVI值。二者的大小會因植被類型的不同而出現(xiàn)時間和空間上的變化,因此需要利用影像分類結(jié)果中不同地物的掩膜影像進行計算。

        RV、RB、RS分別為植被、建筑、裸土的溫度比率,文獻[10]根據(jù)各地表類型的溫度差異進行模擬,給出公式為

        (5)

        式中,εV、εS、εB分別為純凈植被、裸土、建筑的地表比輻射率;dε包括自然表面的幾何分布和內(nèi)部反射的影響,當?shù)乇硐鄬ζ秸麜r,dε一般取0;本文研究區(qū)為山區(qū),高差較大,根據(jù)經(jīng)驗?zāi)P腿ε[11]為

        在醫(yī)學統(tǒng)計學教學全部完成后,利用課間進行調(diào)查,采用無記名、自填問卷、當場回收方式開展調(diào)查。由醫(yī)學統(tǒng)計學教師發(fā)放問卷,組織學生填寫。問卷內(nèi)容包括個人基本信息、對醫(yī)學統(tǒng)計學教學效果的評價、各章節(jié)教學內(nèi)容難易度評價、個人學習效果自我評價及教學建議。

        (6)

        2.3 相關(guān)分析法

        使用相關(guān)系數(shù)r計算緩沖區(qū)內(nèi)各地物類型面積占總面積百分比x與平均地表溫度y之間的相關(guān)性,計算公式如下。

        設(shè)有n對x與y的數(shù)值,則有

        (7)

        式中,當rxy>0時,x與y呈正相關(guān),當rxy<0時,x與y呈負相關(guān);|rxy|≤1,值越大說明x與y的相關(guān)性越高,計算得到的回歸直線越符合數(shù)據(jù)變化的趨勢:|rxy|<0.3,為弱相關(guān);0.3≤|rxy|<0.5,為低相關(guān);0.5≤|rxy|<0.8,為顯著相關(guān);0.8≤|rxy|≤1,為極顯著相關(guān)。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 地表溫度反演結(jié)果

        選取安順市氣象站溫度數(shù)據(jù)作為實測數(shù)據(jù),對反演結(jié)果進行精度驗證,對比結(jié)果見表2。

        表2 地表溫度反演數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比結(jié)果

        如圖2將反演得到的地表溫度用基于均值和標準差的分級方法[12]分為低溫、次低溫、中溫、次高溫、高溫區(qū)等5級。該方法分級更客觀、在城市熱島研究中表現(xiàn)較好。

        從圖2中可以看出:

        (1) 從空間上來看,與非喀斯特地區(qū)的熱島效應(yīng)不同,3個時期主城區(qū)以外的某些區(qū)域均存在大量高溫區(qū),這是喀斯特地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境形成的大量裸巖分布造成的。

        (3) 2018年時,主城區(qū)的熱島現(xiàn)象幾乎完全消失,這一異常熱效應(yīng)需要進一步分析。

        3.2 熱效應(yīng)分析

        3.2.1 熱效應(yīng)與地物類型的關(guān)系

        為避免主城區(qū)異常熱效應(yīng)的影響,根據(jù)前人經(jīng)驗[13],利用ArcGIS 10.4.1對整個研究區(qū)從中心處選擇以210 m為步長,逐步移除的方式建立多個緩沖區(qū),逐漸削弱直至移除中心區(qū)可能造成的影響。整個研究區(qū)總計46個框型緩沖區(qū),根據(jù)3個時期的地表溫度反演結(jié)果和地物類型分布圖,統(tǒng)計各緩沖區(qū)內(nèi)平均地表溫度(mean LST)、綠地占地百分比、不透水面占地百分比,并分別對平均地表溫度和不透水面占地百分比、平均地表溫度和綠地占地百分比進行相關(guān)性分析,所得結(jié)果見表3。

        表3 各類地物面積占比與平均地表溫度相關(guān)性分析結(jié)果

        從表3可以看出,3個時期的不透水面面積占比與平均地表溫度均呈極顯著負相關(guān),而綠地面積占比與平均地表溫度則呈極顯著正相關(guān)。

        3.2.2 熱島消失成因分析

        對于2018年安順市主城區(qū)出現(xiàn)的無明顯的城市熱島情況,從分類結(jié)果展示的地物覆蓋類型上看,該區(qū)域主要分布為城市建筑群,理應(yīng)出現(xiàn)與2003年類似的密集高溫區(qū)。為排除2018年反演結(jié)果的偶然性,對2016年2月10日研究區(qū)landsat OLI影像進行溫度反演,結(jié)果如圖3所示,與2018年影像反演結(jié)果類似,研究區(qū)主城區(qū)熱島現(xiàn)象幾乎完全消失,證明2018年研究區(qū)出現(xiàn)的熱效應(yīng)不是偶然的。

        根據(jù)前人研究,當出現(xiàn)異常熱效應(yīng)時,考慮可能由該區(qū)域氣象因素[14-15]或城市形態(tài)因子[16](建筑密度、平均建筑高度等)造成。故收集3期影像同天的氣象數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)各氣象因子(風向、氣壓、氣溫、降水量、相對濕度等)在3個時間點相差很小,即氣象環(huán)境類似,可以排除氣象因素的影響。對比該區(qū)域2016年8月8日與近10年前2007年9月5日digital globe高分影像,發(fā)現(xiàn)主城區(qū)整體城市形態(tài)變化不大,但城市綠化情況顯著改善。

        于是,從研究區(qū)中心處起,統(tǒng)計2003年與2018年兩期影像前4個緩沖區(qū)范圍內(nèi)的平均NDVI,結(jié)果見表4。

        表4 2003年與2018年中心區(qū)域平均NDVI對比

        從表4可以看出,2018年研究區(qū)主城區(qū)中心處的平均NDVI約為2003年的2倍之多,說明相比2003年,2018年研究區(qū)主城區(qū)的綠化情況有很大程度的改善。

        根據(jù)以上分析,結(jié)合媒體報道和《安順市創(chuàng)建國家園林城市工作方案》《安順市城市綠化管理辦法》等文件,可以認為研究區(qū)中心處明顯得到緩解的城市熱效應(yīng)是安順市政府近年來大力開展城市綠化、環(huán)境治理工作的成果,文獻[17—18]也提出過類似的觀點。

        4 結(jié) 語

        本文選擇典型喀斯特區(qū)域安順市西秀區(qū)為研究區(qū),利用Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像,使用基于影像的溫度反演算法,建立緩沖區(qū)對研究區(qū)近30年城市熱島效應(yīng)進行定量分析,得出以下結(jié)論:

        (1) 喀斯特城市的熱島現(xiàn)象與其他城市類型不同,受地形地貌的影響,主城區(qū)以外的某些區(qū)域同樣分布有一定面積的高溫區(qū)。

        (2) 研究區(qū)近30年熱效應(yīng)均與不透水面面積存在極顯著負相關(guān)關(guān)系,與綠地面積存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。

        (3) 從1989—2003年,研究區(qū)的城市熱島面積隨著主城區(qū)面積的擴大呈擴張趨勢,這種趨勢符合我國當前城市發(fā)展所帶來的環(huán)境問題的狀況。

        (4) 2018年研究區(qū)的熱效應(yīng)與1989年和2003年不同,其主城區(qū)熱島現(xiàn)象幾乎完全消失,在排除氣象因子與城市形態(tài)因子影響的可能后,發(fā)現(xiàn)這應(yīng)為安順市政府大力推進城市綠化、環(huán)境治理工作所取得的成果。

        綜合本文結(jié)論,對于喀斯特城市的熱環(huán)境監(jiān)督與治理來說,城市綠化工作的大力推進是卓有成效的,對于其他喀斯特山區(qū)城市具有借鑒意義,值得宣傳、效仿。

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