黃永霖,許貴林

(南寧師范大學，廣西 南寧 530001)

1 引言

地表溫度作為地表過程變化的一個重要參數(shù)，在全球氣候變化、地表輻射能量平衡、城市熱環(huán)境、資源環(huán)境監(jiān)測等研究領(lǐng)域中扮演著重要的角色[1]。城市地表溫度是影響城市環(huán)境的指標之一，而城市地表溫度的變化則由諸多因素影響，其中城區(qū)的土地利用類型變更頻繁，是直接導(dǎo)致城市地表溫度發(fā)生巨變的一個重要因素。近年來，由于城市的快速發(fā)展，南寧市的城市結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致城市氣候日趨惡劣,造成嚴重的城市熱島效應(yīng)。因此探究南寧市城區(qū)地表溫度與土地利用類型的關(guān)系迫在眉睫,研究兩者作用機理可為南寧市的熱島效應(yīng)治理提供輔助信息，為南寧市生態(tài)環(huán)境建設(shè)和人居環(huán)境優(yōu)化提供科學依據(jù)。

研究地表溫度的方法有很多種,如氣象數(shù)據(jù)資料觀測法,布點數(shù)值觀測法,數(shù)據(jù)數(shù)值化模擬法,遙感數(shù)據(jù)法等[2]。由于Landsat-8衛(wèi)星可提供長期、連續(xù)觀測且獲取方便的熱紅外遙感數(shù)據(jù)，加之如今各類反演算法都比較成熟的情況下，運用Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)并結(jié)合各類算法來反演地表溫度進行相關(guān)研究在當前應(yīng)用十分廣泛。目前主流的溫度反演算法有以下幾種：大氣校正法[3](也稱“輻射傳輸方程”；Radiative Transfer Equation,RTE)、單通道算法[4](Jiménez-Muoz等)、單窗算法[5](Qin等，2001)、劈窗算法[6](RozensteinO)。其中,覃志豪等[5]于2001年提出的單窗算法反演的結(jié)果精度較高，且得到廣泛的驗證,是常用的算法之一。近年來許多專家學者將該算法作為推算地表溫度的主要方法，并取得了不錯的效果。胡德勇以單窗算法結(jié)合Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù),通過遙感估算城區(qū)下墊面的地表發(fā)射率、大氣透過率等特征,可以較為準確地估算出地表不同覆被類型的溫度[7]。林平與馬術(shù)等人利用Landsat-8數(shù)據(jù)，通過大氣校正法和單窗算法反演城市地表溫度，表明采用單窗算法的反演結(jié)果精度較高[8-9]。熊瑋利用Landsat-8的遙感影像數(shù)據(jù)源,運用單窗算法對南寧市的熱島效應(yīng)進行監(jiān)測分類[10]。

故本研究以南寧市城區(qū)為研究區(qū)，利用Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)作為地表溫度反演以及土地利用類型劃分的數(shù)據(jù)源，采用反演精度較高的單窗算法估算南寧市城區(qū)地表溫度，分析城市熱島的空間分布特征；并運用支持向量機算法(SVM)對城區(qū)進行土地利用類型劃分，最后對溫度反演結(jié)果和土地利用類型的分類結(jié)果進行疊置分析，從小尺度城市內(nèi)部分析地表溫度與土地利用類型的關(guān)系。為減緩城市熱島效應(yīng)、改善城市環(huán)境、推進城市綠色發(fā)展提供可行性建議。

2 研究區(qū)概況

南寧市是廣西壯族自治區(qū)的首府城市，是西南出海通道最便捷的樞紐,簡稱邕。南寧市地形是以邕江廣大河谷為中心的盆地形態(tài),地貌類型主要以平地為主,且南寧母親河邕江自西向東橫跨整個南寧市區(qū)。因其位于北回歸線南側(cè)，屬濕潤的亞熱帶季風氣候，夏季高溫炎熱，溫度大部分在32～35 ℃之間。且近年來南寧市多次上榜全國“火爐”排行，熱環(huán)境影響十分惡劣。本研究以南寧市主城區(qū)(環(huán)城高速公路為界的環(huán)狀，東經(jīng)108°09′～108°35′,北緯22°40′～22°56′)為研究區(qū)域，面積約為905.36 km2，如圖1。

圖1 南寧市主城區(qū)衛(wèi)星圖

3 數(shù)據(jù)來源與技術(shù)流程

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文以覆蓋研究區(qū)的美國航天航空局Landsat-8衛(wèi)星遙感影像為主要數(shù)據(jù)源(表1)。在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載研究區(qū)2020年4月27日Lansat-8OLI/TIRS遙感影像，衛(wèi)星影像過境時為當?shù)貢r間下午3：10，

表1 Landsat 8影像的主要參數(shù)

晴朗無云且能見度高、圖像質(zhì)量好。且通過查看歷史天氣知道當天當?shù)仄骄鶜鉁貫?4 ℃。Landsat-8衛(wèi)星搭載2個傳感器(熱紅外傳感器、陸地成像儀)，影像一共有11個波段，且衛(wèi)星每16 d可以覆蓋全球一次。

3.2 技術(shù)流程

利用Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)為地表溫度反演以及土地利用類型劃分的數(shù)據(jù)源，采用反演精度較高的單窗算法估算南寧市城區(qū)地表溫度，分析城市熱島的空間分布特征；并運用支持向量機算法(SVM)對城區(qū)進行土地利用類型劃分，最后對溫度反演結(jié)果和土地利用類型的分類結(jié)果進行疊置分析，從小尺度城市內(nèi)部分析地表溫度與土地利用類型的關(guān)系。技術(shù)流程如圖2。

圖2 技術(shù)流程

4 研究方法

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

Landsat系列遙感影像會受到大氣傳輸、大氣水汽、大氣中的固體顆粒、太陽輻射及傳感器特征的影響，因此要對遙感影像進行預(yù)處理。本研究基于Envi5.3軟件對圖像進行裁剪、輻射定標、大氣校正處理。輻射定標是對DN值與輻射亮度值和溫度值等這些物理量進行轉(zhuǎn)換，以便進行后續(xù)的定量化分析。而大氣校正則可以消除大氣中的水汽、固體顆粒等對影像的影響。對研究區(qū)影像進行輻射定標和大氣校正處理的結(jié)果如圖3、圖4。

圖3 輻射定標結(jié)果

圖4 大氣校正結(jié)果

4.2 地表溫度反演

本研究采用覃志豪根據(jù)熱傳導(dǎo)方程提出的單窗算法，該算法是為避免對于實時探空數(shù)據(jù)的依賴而建立的適用于僅有一個熱紅外通道的反演方法[5]。只需要3個參數(shù)(地表比輻射率、大氣透射率、大氣平均作用溫)就可以反演地表溫度。在參數(shù)有適度誤差時，該方法精度仍然可達<1．1 ℃[5]。

下面將選用Landsat-8TIRS10波段來推導(dǎo)和計算應(yīng)用于研究區(qū)域的單窗算法，如式(1)所示。

TS={a(1-C-D)+[b(1-C-D)+C+D]Tb-DTa}/C

(1)

式(1)中，TS為地表溫度;a，b為地表溫度反演回歸系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗參考系數(shù)分別取值a=-62.73566，b=0.43404，Tb為地表亮度溫度(K)；Ta為研究區(qū)大氣平均作用溫度(K)，C與D為中間變量，計算公式如式(2)、(3)：

C=δτ

(2)

D=(1-τ)[1+τ(1-ε)]

(3)

式(2)、(3)中ε為大氣透過率；τ為地表比輻射率。

4.2.1 地表亮度溫度計算

地表亮度溫度可以由定標后的影像通過普朗克公式計算得到，如式(4)所示:

Tb=K2·ln(K1/L+1)

(4)

在(4)式中，系數(shù)為K1，K2，可由影像頭文件獲取。K1=774.89W，K2=1321.08K。

L為輻射亮度，計算公式L=0.055158×DN+1．2378，式中DN為Landsat-8TIRS10波段的灰度值。

4.2.2 地表比輻射率計算

地表比輻射率(ε)又稱發(fā)射率，是同一溫度下地表發(fā)射的輻射量與黑體發(fā)射輻射量的比值,是地表溫度反演的基本參數(shù)之一[11]。本研究采用歸一化植被指數(shù)(NDVI)和改進歸一化水體指數(shù)(MNDVI)來計算地表比輻射率[12]，公式如下：

ε=0.995MNDVI>0 水體

4.2.3 大氣透過率計算

在本研究中，大氣透射率由美國宇航局(NASA)官方網(wǎng)站上的大氣透射率計算工具計算得到。在NASA官方網(wǎng)站 (http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中輸入成像時間以及中心經(jīng)緯度，即得到大氣透過率。

4.2.4 大氣平均作用溫度計算

大氣平均氣溫計算采用覃志豪[5]提出的公式(表2)計算得到。

表2 大氣平均溫度計算公式

表2中Ta為大氣平均作用溫度；T0為近地表氣溫。本文采用表中式3(中緯度標準大氣)計算大氣平均溫度。

4.3 土地利用類型劃分

在充分考慮南寧市的土地利用結(jié)構(gòu)及地表覆被特征，結(jié)合Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)的分辨率并參考前人的研究結(jié)果，本研究將城區(qū)土地利用類型劃分為林地、耕地、水體、建設(shè)用地、裸地及草地六大類。分類采用支持向量機算法(SVM)的分類方法，該算法是基于傳統(tǒng)統(tǒng)計學理論的機器學習算法，最大的特點就是花費時間短，工作效率高，精度高。最后需要對分類結(jié)果進行精度驗證，本研究結(jié)合谷歌地圖構(gòu)建驗證樣本對分類結(jié)果進行精度驗證，計算總體分類的精度為87.3%；在圖像上隨機選取的點與實地考察的結(jié)果一致，說明分類精確，分類結(jié)果符合研究需要。

5 結(jié)果分析

5.1 地表溫度反演結(jié)果

利用Landsat-8數(shù)據(jù)反演得到的研究區(qū)地表溫度結(jié)果見圖5，并查找了2020年4月27日當天南寧市氣溫數(shù)據(jù)，南寧市當日的最低氣溫與最高氣溫分別為18 ℃和30 ℃，在下午3:00氣溫更是達到了最高氣溫30 ℃，反演結(jié)果90%以上像元溫度值位于南寧市當日所查詢的溫度范圍，且從反演的地表溫度圖以及對比南寧市氣象局發(fā)布的相關(guān)研究成果，可以認定本研究的結(jié)果符合實際，有一定的參考價值，因此利用Landsat-8數(shù)據(jù)探究南寧市城區(qū)城市熱島效應(yīng)是有效可行的。

圖5 南寧市城區(qū)地表溫度

通過南寧市主城區(qū)地表溫度圖可知，南寧城區(qū)當天地表最低溫度為17.7 ℃，最高溫度為44 ℃。根據(jù)地表溫度反演實際情況采用自然斷點法將地表溫度反演結(jié)果設(shè)定為4個溫度區(qū)間，分別為低溫區(qū):17.7～23 ℃;中溫區(qū):23～28 ℃;次高溫區(qū):28.0～33.0 ℃;高溫區(qū):33.0～44.0 ℃;得到南寧市熱島強度分布圖，如圖6所示。

圖6 熱島強度分布

從熱島強度分布圖可以看出各溫區(qū)區(qū)域邊界線明顯，南寧市城區(qū)地表溫度存在顯著差異性，表現(xiàn)出城市熱島的基本特征。分別將4個溫度區(qū)間的地區(qū)提取出來并統(tǒng)計面積占比，見表3，得到低溫區(qū)占研究區(qū)總面積的4.7%，主要分布在城區(qū)東部的林地區(qū)域及邕江水域區(qū)域、湖泊；中溫區(qū)占研究區(qū)總面積的45.1%，主要分布在環(huán)城區(qū)郊外的耕地區(qū)域;次高溫區(qū)占研究區(qū)總面積的45.4%，主要分布在城市建成區(qū);高溫區(qū)占研究區(qū)總面積的4.8%，主要分布在研究區(qū)西部的建筑密集區(qū)域及人口密集區(qū)。次高溫區(qū)及高溫區(qū)主要位于邕江兩岸，分布輪廓基本與城市建成區(qū)吻合。根據(jù)當天氣象資料可知，南寧市當天溫度在18～30 ℃，與實際反演結(jié)果大致相同。

表3 地表溫度各區(qū)間面積占比情況

5.2 土地利用類型分類結(jié)果

將分類結(jié)果做成南寧市城區(qū)土地利用專題圖(圖7)，分類結(jié)果能正確反映南寧市城區(qū)的土地利用情況。為了得到各土地類型的面積范圍，對分類結(jié)果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表4，其中建設(shè)用地的面積為37513.36 hm2,占比最大，其次是耕地；而水體面積為3859.44 hm2,占比最小。

圖7 南寧市城區(qū)土地利用類型

表4 土地利用類型面積統(tǒng)計

5.3 土地利用與地表溫度的關(guān)系研究

為探究不同土地利用類型與地表溫度的關(guān)系，對地表溫度反演結(jié)果與土地利用分類結(jié)果進行疊加分析。并對各地類地表溫度進行統(tǒng)計，得到表5、6。

表5 土地利用類型地表溫度統(tǒng)計 ℃

從表5、表6可以看出，當天南寧市地表最低溫度是17.7 ℃，最高溫度為44 ℃，對應(yīng)的土地利用類型分別為水體和建設(shè)用地。在高溫區(qū)中，建設(shè)用地的面積最大，其次是裸地。而在低溫區(qū)中，水體的面積最大，其次是林地。這可以得出建設(shè)用地與裸地對地表溫度的升高貢獻相對較大, 其次是草地、耕地，而林地和水體對地表溫度升高貢獻最小,有明顯降溫作用。

表6 土地利用類型面積統(tǒng)計 hm2

以上結(jié)果表明不同的土地利用類型，其地表溫度不同。兩者之間的關(guān)系可以用關(guān)系式表示為：T建設(shè)用地>T裸地>T草地>T耕地>T林地>T水體,其中T代表地表平均溫度。這樣的直接結(jié)果就是造成形成以城市建設(shè)用地為高溫區(qū)的城市熱島效應(yīng)。熱島效應(yīng)的出現(xiàn)則會嚴重影響人們的日常生活，而在現(xiàn)實中為了有效應(yīng)對城市熱島效應(yīng)帶來的危害，根據(jù)本文研究可以從兩個方面入手：一是合理控制城市建筑的密度與高度，還有各類工業(yè)用地的規(guī)模，避免建設(shè)用地無序增長；二是在城市建設(shè)過程中適當增加綠化和建造人工湖泊等水體景觀，作為城市氣溫的調(diào)節(jié)器。以上兩個點可以遏制地表溫度上升，有效緩解城市熱島效應(yīng)。

6 結(jié)論與討論

本文基于 Landsat8 遙感影像數(shù)據(jù)反演了南寧市城區(qū)2020年4月27日的地表溫度，并對城區(qū)土地利用類型進行劃分，揭示了該研究區(qū)城市熱島效應(yīng)的基本特征及地表溫度與土地利用類型的關(guān)系，得出如下結(jié)論。

(1)南寧市城區(qū)存在明顯的熱島效應(yīng)，高溫區(qū)域主要分布在建筑密集區(qū)與人口密集區(qū)域，即西鄉(xiāng)塘區(qū)、江南區(qū)；(次)高溫區(qū)域的輪廓基本與城市建成區(qū)輪廓相一致；南寧市城區(qū)的地表溫度分布特征為：由城市中心逐漸向郊區(qū)降低呈輻射狀。

(2)南寧市綠化建設(shè)較好，但城市熱島問題依然嚴重；南寧市城區(qū)建設(shè)發(fā)展較快，城市建成區(qū)不斷向外擴張，造成地表溫度有著與建成區(qū)向外擴張的趨勢，說明南寧市熱島有外溢效應(yīng)，故今后在發(fā)展經(jīng)濟的同時也要注意生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。

(3)地表溫度與土地利用類型有顯著關(guān)系，地表平均溫度表現(xiàn)為:T建設(shè)用地>T裸地>T草地>T耕地>T林地>T水體，水體和植被可以降低溫度，對減緩城市熱島效應(yīng)發(fā)揮重要作用，所以在城市建設(shè)過程中應(yīng)加強保護，可適當增加城市綠化或建造人工湖泊等水體景觀。

(4)本研究存在有兩個不足之處：一是僅以一期影像反演地表溫度不具說服力。應(yīng)以多期影像進行溫度的反演，才能力證研究區(qū)存在城市熱島效應(yīng)，因此需要在接下來的研究中加以改正。二是在對地表溫度的驗證中，本研究僅簡單地用大氣溫度跟地表溫度作對比，這不夠科學嚴謹。因為地表溫度受諸多自然或人為因素的影響，不能直接就認定大氣溫度等同于地表溫度，所以地表溫度和氣溫的關(guān)系是一個值得研究的科學問題。