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        合肥市地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系研究

        2021-10-28 11:28:42陳健宇芮廣軍鄧大保
        關(guān)鍵詞:肥西縣城市熱島植被指數(shù)

        方 剛,陳健宇,2,芮廣軍, 鄧大保

        (1.宿州學(xué)院 環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院,安徽 宿州 234000; 2.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,安徽 淮北 235000)

        目前,合肥市正處于高速發(fā)展階段,城市人口不斷增長,高層建筑、道路等也不斷增加,導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)越來越強(qiáng)。植被覆蓋度是調(diào)節(jié)城市熱島效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一,對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和改善熱力環(huán)流條件具有重要意義。因此,就合肥市植被覆蓋度與地表溫度的關(guān)系進(jìn)行定量分析,對(duì)緩解合肥市城市熱島效應(yīng)、改善城市生態(tài)環(huán)境、維持城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展和推進(jìn)低碳城市建設(shè)等均具有一定促進(jìn)作用。目前,城市熱島效應(yīng)模型主要有4類:大氣校正法[1]、普適性單通道算法[2]、基于影像的反演算法[3]和單窗算法[4]。植被指數(shù)主要有2種:歸一化植被指數(shù)[5]和土壤調(diào)整植被指數(shù)[6]。此前,覃志豪等[7]、Mcmillin[8]、楊斌等[9]都對(duì)城市熱島效應(yīng)做了大量研究。

        本研究以2020年的Landsat 8影像為數(shù)據(jù)源[10],以合肥市為研究區(qū),以ENVI 5.3與ArcGIS 10.6軟件為平臺(tái),首先利用像元二分法(DPM)提取合肥市植被覆蓋度信息,然后利用大氣校正法(RTE)反演出合肥市地表溫度并對(duì)其進(jìn)行密度分割,在此基礎(chǔ)上對(duì)合肥市的城市熱島效應(yīng)進(jìn)行分析,最后利用ArcGIS 10.6軟件建立合肥市植被覆蓋度與地表溫度之間的剖面線,分析二者的定量關(guān)系[11],研究結(jié)果可為合肥市的城市規(guī)劃提供參考。

        1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

        1.1 研究區(qū)概況

        合肥市,安徽省省會(huì),總面積為11 445.1 km2(其中巢湖水域面積為825 km2),轄肥西縣、肥東縣、長豐縣、瑤海區(qū)、廬江縣、蜀山區(qū)、廬陽區(qū)、包河區(qū)和巢湖市。合肥市行政區(qū)劃如圖1所示。

        圖1 合肥市行政區(qū)劃Fig.1 The administrative division of Hefei

        1.2 數(shù)據(jù)來源

        本研究以2020年4月15日Landsat 8衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源,軌道號(hào)為121-038,云量為0.6%,數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn),研究區(qū)影像如圖2所示。

        圖2 研究區(qū)影像Fig.2 Image of studied area

        2 植被覆蓋度計(jì)算與地表溫度反演

        2.1 植被覆蓋度(FVC)計(jì)算

        歸一化植被指數(shù)(NDVI)的計(jì)算公式如下:

        (1)

        式中:B5代表NIR波段;B4代表Red波段。

        FVC是在像元二分模型和NDVI指數(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建的[12-13],其計(jì)算公式如下:

        (2)

        式中:NDVI為歸一化植被指數(shù);NDVIsoil表示全裸露或無植被覆蓋區(qū)的歸一化植被指數(shù);NDVIveg表示全植被覆蓋區(qū)的歸一化植被指數(shù)。參考文獻(xiàn)[14]的研究成果,NDVIveg和NDVIsoil分別取0.70和0.05,即:當(dāng)NDVI>0.70時(shí),F(xiàn)VC值為1;當(dāng)NDVI<0.05時(shí),F(xiàn)VC值為0[14]。

        利用公式(1)、(2)得到合肥市植被覆蓋度情況,如圖3所示。在此基礎(chǔ)上,利用ENVI 5.3軟件對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行密度分割和面積統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖4和表1所示。

        圖3 植被覆蓋度Fig.3 Vegetation coverage

        圖4 植被覆蓋度分級(jí)Fig.4 Classification of vegetation coverage

        表1 植被覆蓋分級(jí)區(qū)面積Tab.1 Classification of vegetation coverage area

        由圖4和表1可知:2020年合肥市主城區(qū)植被覆蓋度較低,大部分地區(qū)為中、低度植被覆蓋,主要原因是主城區(qū)城市化水平較高;肥東縣城區(qū)植被覆蓋度不高,絕大部分為中度植被覆蓋,而東部郊區(qū)植被覆蓋度較高,西部水體較多,植被覆蓋度較低;肥西縣北部植被覆蓋度較高,南部較低,東北部鄰近主城區(qū)植被覆蓋度較低;長豐縣城區(qū)植被覆蓋度較低,環(huán)長豐站向外植被覆蓋度逐漸升高,長豐縣北部、西部和南部郊區(qū)植被覆蓋度較高。

        2.2 地表溫度反演

        衛(wèi)星傳感器所接收到的熱紅外輻射能量Lλ由3個(gè)部分組成:大氣向上輻射能量L↑、經(jīng)過大氣層到達(dá)衛(wèi)星的能量和大氣輻射到地面后反射的能量L↓[15]。由于大氣對(duì)地表熱輻射的影響,所以要將其在總熱輻射中扣除,轉(zhuǎn)換為相應(yīng)地表溫度。Lλ的計(jì)算公式如下:

        Lλ=[εB(Ts)+(1-ε)L↓]τ+L↑,

        (3)

        式中:ε表示地表輻射比率;Ts表示地表溫度,K;B(Ts)表示黑體熱輻射亮度;τ表示熱紅外波段大氣透射率。

        溫度為T時(shí),熱紅外波段的黑體輻射亮度B(Ts)計(jì)算公式如下:

        (4)

        利用普朗克公式得到Ts,計(jì)算公式如下:

        (5)

        對(duì)于不同的衛(wèi)星,K1和K2取值不同,如表2所示。

        表2 影像數(shù)據(jù)參數(shù)Tab.2 Image data parameters

        根據(jù)文獻(xiàn)[16]提出的NDVI閾值法計(jì)算地表輻射比率ε,公式如下:

        ε=0.004FVC+0.986,

        (6)

        式中:FVC是植被覆蓋度。

        利用式(3)、(4)、(5)和(6)反演出合肥市地表溫度,結(jié)果如圖5所示。在此基礎(chǔ)上,利用ENVI 5.3軟件對(duì)合肥市地表溫度進(jìn)行密度分割和面積統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖6和表3所示。

        圖5 地表溫度Fig.5 Surface temperature

        圖6 地表溫度分級(jí)Fig.6 Surface temperature classification

        表3 地表溫度分級(jí)區(qū)面積Tab.3 Temperature classification of surface area

        由圖6和表3可知:主城區(qū)地表溫度明顯高于郊區(qū)的林地和耕地,城市熱島區(qū)分布呈面狀發(fā)散和點(diǎn)狀放射,包河區(qū)長虹工業(yè)園及安徽建筑大學(xué)以南地區(qū)具有較強(qiáng)的城市熱島效應(yīng),廬陽區(qū)和蜀山區(qū)城市熱島效應(yīng)也十分明顯,巢湖附近城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度呈階梯式分布,越靠近環(huán)巢湖大道,城市熱島效應(yīng)越弱,大房郢水庫和董鋪水庫附近城市熱島效應(yīng)呈點(diǎn)狀分布;肥東縣城市熱島效應(yīng)自肥東站主干道延伸至瑤海區(qū)附近呈塊狀分布,由主干道向兩側(cè)逐漸變?nèi)?;肥西縣城市熱島區(qū)主要分布在肥西縣北部,其中高店鄉(xiāng)附近城市熱島效應(yīng)較肥西縣其他地區(qū)明顯;長豐縣城市熱島效應(yīng)主要分布在主城區(qū)和北部工業(yè)園區(qū);巢湖市與廬江縣城市熱島效應(yīng)主要集中在城區(qū),郊區(qū)不明顯。

        3 合肥市地表溫度與植被覆蓋度的定量分析

        3.1 地表溫度與植被覆蓋度樣本值對(duì)比分析

        利用ArcGIS 10.6軟件隨機(jī)選取研究區(qū)兩條剖面線(見圖7),制作地表溫度與植被覆蓋度的折線圖,如圖8和圖9所示。

        圖7 研究區(qū)剖面線空間位置Fig.7 Spatial location of section in studied area

        圖8 剖面線1貫穿地區(qū)的地表溫度與植被覆蓋度樣本值對(duì)比Fig.8 Comparison of surface temperature and vegetation coverage sample values in section 1

        圖9 剖面線2貫穿地區(qū)的地表溫度與植被覆蓋度樣本值對(duì)比Fig.9 Comparison of surface temperature and vegetation coverage sample values in section 2

        分析同一條剖面線上的地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系可知:地表溫度與植被覆蓋度呈相反的變化趨勢(shì),地表溫度高的區(qū)域植被覆蓋度低。城市中央形成了一個(gè)地表溫度高值區(qū)即城市熱力環(huán)流的范圍,其同時(shí)也是低植被覆蓋區(qū),很好地驗(yàn)證了上述規(guī)律。

        剖面線1貫穿整個(gè)合肥市南北方向,穿過的絕大多數(shù)區(qū)域植被覆蓋度較高,而在恰好穿過合肥市市區(qū)時(shí)地表溫度快速上升、植被覆蓋度快速下降。在穿過巢湖水域時(shí),地表溫度明顯降低,植被覆蓋度為0。剖面線2貫穿合肥市東西方向,除市中心外的其他區(qū)域地表溫度較低、植被覆蓋度較高。

        圖8與圖9雖然分布趨勢(shì)基本相同,但存在部分異常,異常值圖斑主要集中在合肥市西部和南部的肥西縣與廬江縣境內(nèi)。結(jié)合圖4與圖5可知:主城區(qū)西部和南部的肥西縣與廬江縣境內(nèi),大部分地區(qū)為裸土層,多數(shù)為旱地,少數(shù)為水田,城市熱島現(xiàn)象不明顯,植被覆蓋度也不高。

        3.2 地表溫度與植被覆蓋度的定量分析

        分別選取圖7中郊區(qū)和城市的一小段剖面線進(jìn)行隨機(jī)采樣,通過回歸分析[17]進(jìn)一步分析地表溫度與植被覆蓋度之間的定量關(guān)系,結(jié)果如圖10與圖11所示。

        圖10 郊區(qū)地表溫度與植被覆蓋度之間的線性關(guān)系Fig.10 Linear relationship between surface temperature and vegetation cover in suburb areas

        圖11 城區(qū)地表溫度與植被覆蓋度之間的線性關(guān)系Fig.11 Linear relationship between surface temperature and vegetation cover in urban areas

        由圖10可知:郊區(qū)地表溫度與植被覆蓋度具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.712 6, 即相關(guān)系數(shù)為0.84),植被覆蓋度每增加0.1,地表溫度下降0.39 ℃,二者的定量關(guān)系為y=-3.934 4x+26.244。由圖11可知:城區(qū)地表溫度與植被覆蓋度具有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.817 5,即相關(guān)系數(shù)為0.90),植被覆蓋度每增加0.1,地表溫度下降0.6 ℃,二者的定量關(guān)系為y=-6.041x+32.495。

        4 結(jié)論

        (1)地表溫度越高,城市熱島效應(yīng)越明顯。2020年合肥市強(qiáng)綠島區(qū)面積為892.05 km2,綠島區(qū)面積為8 077.62 km2,正常區(qū)面積為2 198.73 km2,熱島區(qū)面積為269.24 km2,強(qiáng)熱島區(qū)面積為7.46 km2。

        (2)2020年合肥市高植被覆蓋度區(qū)域分布在肥東縣、肥西縣、巢湖市和長豐縣,面積為1 585.90 km2;低植被覆蓋度區(qū)域分布在廬陽區(qū)、包河區(qū)和肥西縣等,面積為2 692.36 km2??傮w來說,郊區(qū)植被覆蓋度較高,城區(qū)較低,且呈現(xiàn)出“東高西低、北高南低”的特點(diǎn)。

        (3)地表溫度與植被覆蓋度之間呈現(xiàn)出很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。郊區(qū)植被覆蓋度每增加0.1,地表溫度下降0.39 ℃;城區(qū)植被覆蓋度每增加0.1,地表溫度下降0.6 ℃。

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