邵亞琴，王姝，吳志剛，王佳佳

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

包頭市工業(yè)化不斷發(fā)展使城市熱島效應(yīng)越來(lái)越明顯[1].公園綠地能夠調(diào)節(jié)局部生態(tài)環(huán)境，緩解熱島效應(yīng)的影響，其中賽罕塔拉城中草原降溫效應(yīng)最為典型.

面對(duì)城市熱島效應(yīng)和城市公園綠地的降溫效應(yīng)，許多專家和學(xué)者展開(kāi)了大量相關(guān)研究工作.阿木拉堵等[2]通過(guò)研究西昌市溫度的時(shí)空變化情況并分析城市熱島效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)因素.周家彬等[3]基于唐山市2015年四季的遙感影像，分析了熱島效應(yīng)季節(jié)性特征.通過(guò)研究天津中心城區(qū)8處較大的公園綠地，賈琦等[4]得出，對(duì)熱島效應(yīng)影響最大的因素是公園面積和植被覆蓋度，其次是水體比例，公園面積、水體、植被是影響地表溫度的3個(gè)重要因素.還有學(xué)者通過(guò)距離-溫度曲線研究了距離與溫度的相關(guān)關(guān)系[5]，距離公園越遠(yuǎn)，降溫效應(yīng)越弱.

包頭市賽罕塔拉城中草原是全國(guó)唯一國(guó)家城中草原，有“城市綠肺”之稱[6].基于GIS和RS研究賽罕塔拉城中草原對(duì)城市的降溫效應(yīng)，對(duì)于城市規(guī)劃中城市綠地合理布局具有實(shí)際的指導(dǎo)意義參考價(jià)值.

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

賽罕塔拉城中草原是包頭市城市自然生態(tài)景觀園區(qū)，其面積超過(guò)1萬(wàn)畝，海拔1 034～1 058 m.為研究賽罕塔拉城中草原對(duì)周?chē)菂^(qū)的影響，選取包頭市賽罕塔拉城中草原及周?chē)?個(gè)城區(qū)(青山區(qū)，九原區(qū)，昆都侖區(qū)，東河區(qū))作為研究的區(qū)域，如圖1所示.

包頭市位于中國(guó)北部、蒙古高原南部、內(nèi)蒙古中北部,南部靠近黃河，陰山山脈貫穿其中.包頭市位于東經(jīng)109°15′～110°26′，北緯40°15′～42°43′，氣候全年多風(fēng)少雨干燥，晝夜溫差較大.包頭市四季分明，干燥少雨的環(huán)境使包頭市植被在夏季7、8月份長(zhǎng)勢(shì)最好，在秋冬兩季植被大多枯萎衰敗.全年平均氣溫為7.2 ℃，年降水總量421.8 mm.包頭市是內(nèi)蒙古自治區(qū)的制造業(yè)和工業(yè)中心，近年來(lái)，包頭的工業(yè)化和城市化進(jìn)程在不斷加快，導(dǎo)致包頭市城市熱島效應(yīng)日益嚴(yán)重.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用研究區(qū)域的Landsat8-OLI遙感影像進(jìn)行地表溫度反演.下載影像的成像時(shí)間均為夏季7，8月份11點(diǎn)多，獲取了從2013年到2017年5 a的5期影像，選取的影像云量<5%，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，地面特征清晰.

2 研究方法

2.1 地表溫度反演方法

目前，基于熱紅外遙感反演地表溫度的算法主要有以下3種：大氣校正法(也稱“輻射傳輸方程”，RTE)、單窗算法和分裂窗算法[7].如果測(cè)量區(qū)域小且天氣無(wú)云，大氣校正法反演后的結(jié)果精度是理想的.因此，在這項(xiàng)研究中，使用大氣溫度校正方法反演地表溫度.

大氣校正法基本原理為：首先需要估計(jì)大氣對(duì)地表熱輻射影響，然后將這部分大氣的影響從衛(wèi)星傳感器觀測(cè)到的熱輻射總量中消去，進(jìn)而就可以得到地表熱輻射強(qiáng)度，最后把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為所對(duì)應(yīng)的地表溫度[8].衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值由3部分組成：大氣向上輻射亮度L↑；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L↓.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(xiě)為(輻射傳輸方程)：

Lλ=「εB(Ts)+(1-ε)L↓」τL↑.

(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，W/m2·sr；τ為大氣在熱紅外波段的透過(guò)率.

2.2 地表溫度等級(jí)劃分

為了能夠更加直觀、定量地分析地表溫度，利用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法等間距的方法，如表1所示，將反演出的溫度劃分為5個(gè)等級(jí)，得到5幅影像的地表溫度分級(jí)圖像.其原理是以地表溫度對(duì)指定區(qū)域平均溫度的變異程度作為溫度差異的劃分依據(jù)[9].其中為平均溫度，為標(biāo)準(zhǔn)差，為溫度值.

表1 地表溫度等級(jí)劃分表

3 結(jié)果與分析

3.1 包頭市主城區(qū)熱島效應(yīng)時(shí)空演化分析

利用大氣校正法基于ENVI軟件對(duì)5幅影像進(jìn)行地表溫度反演得到研究區(qū)域的地表溫度，通過(guò)ArcGIS軟件繪制地表溫度分布圖，如圖2所示.

圖2 研究區(qū)域地表溫度分布圖(a)2013年8月12日溫度反演；(b)2014年7月30日溫度反演；(c)2015年7月1日溫度反演；(d)2016年7月26日溫度反演；(e)2017年7月13日溫度反演

由以上研究區(qū)域5期地表溫度分布圖可以看出，地表溫度中心城區(qū)較高，且隨著離中心城區(qū)越來(lái)越遠(yuǎn)，地表溫度也在逐漸降低，說(shuō)明包頭市中心城區(qū)存在著明顯的熱島效應(yīng).通過(guò)地表溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，賽罕塔拉城中草原形成1個(gè)明顯的低溫區(qū)，說(shuō)明城中草原是熱島效應(yīng)中典型的低溫地類(lèi).

為了更直觀地分析研究區(qū)域地表溫度的變化規(guī)律，根據(jù)地表溫度劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到5期地表溫度顏色分級(jí)結(jié)果.如圖3所示.

圖3 溫度分級(jí)圖像(a)2013年8月12日溫度分級(jí)；(b)2014年7月30日溫度分級(jí)；(c)2015年7月1日溫度分級(jí)；(d)2016年7月26日溫度分級(jí)；(e)2017年7月13日溫度分級(jí)

(1)由2013年研究區(qū)溫度分級(jí)圖可以看出，高溫區(qū)大多分布在中心城區(qū)處，即昆都侖區(qū)，青山區(qū)，東河區(qū)附近的地表溫度較高，地表溫度大于34.49 ℃，形成熱島效應(yīng).而在大面積高溫區(qū)的中間，出現(xiàn)了一塊規(guī)則的次低溫區(qū)和低溫區(qū)混合的區(qū)域，即為賽罕塔拉城中草原所在的區(qū)域.經(jīng)過(guò)調(diào)查，在城市中心出現(xiàn)的低溫區(qū)和次低溫區(qū)域大多是城市中的公園綠地，如奧林匹克公園、勞動(dòng)公園、阿爾丁植物園等.低溫區(qū)域則主要以水體為主，如昆都侖河和研究區(qū)南部的黃河都是處于低溫區(qū)域.

(2)經(jīng)過(guò)比較2014年和2013年的溫度分級(jí)圖像，可以明顯看出高溫區(qū)的面積在不斷擴(kuò)大，熱島效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重.

(3)由2015～2017年的分級(jí)圖像可以看出，高溫區(qū)的分布范圍仍在不斷由城市中心區(qū)域向周?chē)鷶U(kuò)張，高溫區(qū)和次高溫區(qū)的面積越來(lái)越大.部分中溫區(qū)、次低溫區(qū)、低溫區(qū)的區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)化為高溫區(qū)和次高溫區(qū).但城市中的公園綠地、水體仍是處于低溫區(qū).

隨著時(shí)間的變化，包頭市的城市熱島效應(yīng)在不斷由中心城區(qū)向周?chē)鷶U(kuò)張，城市熱島面積在不斷擴(kuò)大，但城市中的公園、水體卻仍能在這種熱環(huán)境中處于低溫狀態(tài).其中賽罕塔拉城中草原所在的區(qū)域一直低于周?chē)菂^(qū)的地表溫度，由低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)組成，形成一個(gè)“冷島”區(qū)域.

3.2 賽罕塔拉城中草原降溫效應(yīng)分析

為了進(jìn)一步分析賽罕塔拉城中草原對(duì)周?chē)菂^(qū)的降溫效應(yīng)，基于ArcGIS通過(guò)做剖面線和緩沖區(qū)，分析賽罕塔拉城中草原的降溫范圍和降溫效果.

3.2.1緩沖區(qū)分析

選擇2017年的地表溫度反演結(jié)果作為研究對(duì)象，以賽罕塔拉城中草原邊界向外每隔30 m生成多環(huán)緩沖區(qū)，直至緩沖區(qū)內(nèi)的溫度高于整個(gè)研究區(qū)溫度，即此時(shí)賽罕塔拉城中草原的降溫效應(yīng)失效，該距離即為賽罕塔拉對(duì)中心城區(qū)的降溫范圍，共生成29個(gè)緩沖區(qū)多邊形環(huán)，如圖4所示，并統(tǒng)計(jì)各緩沖環(huán)的平均地表溫度，如表1所示.

圖4 多環(huán)緩沖區(qū)圖

通過(guò)統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出，賽罕塔拉城中草原的地表平均溫度隨著緩沖距離的增加呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，即緩沖距離越大，距賽罕塔拉越遠(yuǎn)，溫度越來(lái)越高.當(dāng)緩沖區(qū)距離增加到840 m時(shí)，緩沖內(nèi)地表平均溫度為42.772 ℃，與研究區(qū)總體地表平均溫度42.776 ℃基本相同；而當(dāng)緩沖區(qū)距離繼續(xù)增加，增加到870 m時(shí)，平均溫度達(dá)到42.809 ℃，此時(shí)的緩沖區(qū)地表溫度高于研究區(qū)總體的地表溫度，說(shuō)明該區(qū)域超出了賽罕塔拉城中草原的影響范圍.因此在不考慮其他因素的情況下，賽罕塔拉城中草原的降溫影響范圍為840 m，當(dāng)超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)，降溫作用并不明顯.

表2 多環(huán)緩沖區(qū)地表溫度

文章建立了緩沖環(huán)到城中草原邊界的距離與其對(duì)應(yīng)地表平均溫度的相關(guān)關(guān)系，并擬合出多項(xiàng)式函數(shù)：

y=0.001 7x2+0.133 3x+40.329 .

(2)

P<0.05時(shí)，R2=0.999 9，二者相關(guān)性顯著.

3.2.2剖面線分析

為了進(jìn)一步分析賽罕塔拉城中草原在各個(gè)方向的降溫效果及其受不同地類(lèi)的擾動(dòng)情況，把2017年最大降溫范圍840 m緩沖區(qū)作為研究對(duì)象，以賽罕塔拉城中草原的北、西北、東、東北、西、西南、南、東南8個(gè)方向去延伸剖面線，并沿剖面線生成各個(gè)方向的地表溫度變化曲線圖，如圖4所示.

從圖中可以看出，各個(gè)方向的地表溫度變化曲線圖的趨勢(shì)基本一致，隨著緩沖距離的增加，地表溫度逐漸升高.比較各方向的地表平均溫度，從小到大排列依次為：東北<東<北<西北<西<東南<西南<南，因此可以得出降溫效果從強(qiáng)到弱為：東北>東>北>西北>西>東南>西南>南.賽罕塔拉城中草原在各個(gè)方向的降溫效果均不相同，降溫效果最強(qiáng)的是東北方向，降溫效果最弱的為正南方向.

為了分析不同方向降溫效果受不同地類(lèi)的影響，提取840 m緩沖區(qū)的土地利用類(lèi)型，結(jié)果如圖5所示.由緩沖區(qū)土地利用類(lèi)型可以看出，源于勞動(dòng)公園、奧林匹克公園的降溫效果與賽罕塔拉疊加，提高了降溫效果，賽罕塔拉北部的降溫效果較好.南部建設(shè)用地分布比較廣且集中，減弱了降溫效果，降溫效應(yīng)較差.由此得出，賽罕塔拉城中草原對(duì)各個(gè)方向的降溫效果與周?chē)耐恋乩妙?lèi)型有關(guān)，植被覆蓋越多，降溫效果越強(qiáng)；建設(shè)用地越多，降溫效果越弱.

圖5 緩沖區(qū)各方向剖面圖(a)東-剖面圖；(b)東北-剖面圖；(c)北-剖面圖；(d)西北-剖面圖；(e)西-剖面圖；(f)西南-剖面圖；(g)南-剖面圖；(h)東南-剖面圖

圖6 緩沖區(qū)土地利用類(lèi)型

4 結(jié)論與討論

文章基于Landsat8-OLI 2013～2017年5景遙感影像，利用大氣校正法反演了賽罕塔拉城中草原及周?chē)菂^(qū)的地表溫度，從時(shí)間尺度、空間尺度、降溫范圍和降溫效果等方面進(jìn)行分析.

(1)從研究區(qū)地表溫度分級(jí)結(jié)果可以得出，包頭市的城市熱島效應(yīng)在不斷由中心城區(qū)向周?chē)鷶U(kuò)張，城市熱島面積在不斷擴(kuò)大，但城市中的公園、水體卻仍能在這種熱環(huán)境中降低地表溫度.其中賽罕塔拉城中草原所在的區(qū)域一直低于周?chē)菂^(qū)的地表溫度，由低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)組成，形成一個(gè)“冷島”區(qū)域，說(shuō)明賽罕塔拉城中草原在城市熱島效應(yīng)中能起到降溫的作用.

(2)通過(guò)城中草原地表溫度緩沖區(qū)分析可知，緩沖距離越大，距城中草原越遠(yuǎn)，地表溫度越來(lái)越高.緩沖距離與地表溫度的關(guān)系呈正相關(guān)，賽罕塔拉城中草原的降溫范圍臨界距離為840 m.

(3)剖面線分析可以看出，賽罕塔拉城中草原在各個(gè)方向的降溫效果均不相同，降溫效果最強(qiáng)的是東北方向，降溫效果最弱的為正南方向.賽罕塔拉城中草原對(duì)各個(gè)方向的降溫效果與周?chē)耐恋乩妙?lèi)型有關(guān)，植被覆蓋越多，降溫效果越強(qiáng)；建設(shè)用地覆蓋越多，降溫效應(yīng)越弱.

賽罕塔拉城中草原對(duì)包頭市熱島效應(yīng)的緩解作用十分顯著.因此，在今后的城市規(guī)劃中，注重公園綠地合理布局，是城市健康發(fā)展的保障.