王景環(huán),吳 浩,劉正才
(1. 湘潭大學土木工程與力學學院,湖南 湘潭 411100)
不透水面是指阻止水分下滲到土壤的城市人工地面,主要包括屋頂、停車場、水泥道路和瀝青道路等不透水的表面[1]。以往研究[2-14]表明,不透水面與地表溫度之間存在著明顯的正相關(guān),但其二者間影響機制及其變化規(guī)律的定量關(guān)系仍不確定。本文提取長沙市不透水面與地表溫度數(shù)據(jù),探究二者的影響機制及其規(guī)律。這一研究在揭示城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境變化的關(guān)系、設(shè)計城市規(guī)劃方案和城市環(huán)境綜合治理等方面具有重要意義。
長沙市是湖南省的省會,位于湖南東北部(111°53′~114°15′E,27°51′~28°41′N),湘江中下游和長瀏盆地的西緣。長沙屬亞熱帶季風氣候,雨熱同期,夏季常出現(xiàn)高溫炎熱天氣。截至2019年末,長沙市生產(chǎn)總值達到11 574.22億元,常住人口為839.45萬人,城鎮(zhèn)化率為79.56%。
本文相關(guān)Landsat8 影像均來自美國地質(zhì)調(diào)查局(http://glovis.usgs.gov/),長沙市處于2景影像之間,條帶號分別為123/40,123/41。本文選取了2013年7月、2016年7月和2018年7月的影像數(shù)據(jù),遙感影像晴朗無云、成像清晰,輔助數(shù)據(jù)為長沙城市行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)。
常用的水體指數(shù)為歸一化水體指數(shù)(NDWI),但此指數(shù)僅僅考慮了植被對水體提取的影響,忽略了其其他地物對水體提取過程的影響。因此本文采用由徐涵秋[15]提出的改進型歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)來提取城區(qū)的水體。
式中,GREEN為可見光的綠光波段;MIR為中紅外波段的反射率。
徐涵秋教授基于改進型歸一化水體指數(shù)(MNDWI)所提出的歸一化不透水面指數(shù)(NDISI),解決了目前不透水面提取方法中存在過多人為干預(yù)的問題[16]。
式中,NIR、MIR1 和TIR 分別為影像的近紅外、中紅外1和熱紅外波段;VIS1為可見光中的某一波段。實驗研究發(fā)現(xiàn),采用式(2)提取不透水面,不能充分剔除水體對不透水面的噪聲影響,將式(2)中的可見光(VIS1)替換為上文2.1 中改進型歸一化水體指數(shù)(MNDWI),誘發(fā)擴大水體與不透水面的反差,具體公式為:
在預(yù)處理階段,需要對影像的熱紅外、近紅外中紅外第一波段和計算得到的MNDWI 指數(shù)進行歸一化處理,將其均拉伸至[0,1]確保所有數(shù)據(jù)量化級一致[17]。
本文采用大氣校正法對Landsat8 的影像進行地表溫度反演[18]?;驹頌閺男l(wèi)星傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去大氣對地表熱輻射的影響,得到地表熱輻射強度,進而轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的地表溫度。將計算得到的歸一化植被指數(shù)(NDVI)轉(zhuǎn)換計算成地表植被蓋度(Pv),通過Pv可計算地表比輻射率(ε),公式如下:
利用地表比輻射率,結(jié)合影像所對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)(大氣在紅外波段的透過率τ、大氣向上輻射亮度L↑、大氣向下輻射亮輻射亮度L↓)可計算得到黑體輻射亮度,進而根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)求得地表溫度:
式中,b10 為Landsat8 影像中的熱紅外波段,即第10波段。大氣校正法所得到的溫度為真實的地表溫度值,單位是℃。
利用文2.2 中的公式計算出長沙主城區(qū)的不透水面指數(shù),結(jié)合歸一化植被指數(shù)(NDVI)和改進型歸一化水體指數(shù)(MNDWI)進行掩膜處理,選取長沙城區(qū)較集中部分為興趣區(qū),將2013 年與2018 年不透水面信息做差值處理,結(jié)果如圖1所示。
圖1 長沙主城區(qū)NDISI提取結(jié)果
長沙市多山地,且城區(qū)較為集中,通過圖1 分析可知2013—2018 年這5 a 間長沙地區(qū)不透水面的面積增長較為明顯,城區(qū)中心的不透水面向外有明顯擴張,且城市周邊的不透水面分布聚集于圖1 左上角(長沙市西北地區(qū)),集聚效應(yīng)較好。其他區(qū)域分散存在更多的不透水面,較為顯著,城區(qū)發(fā)展也在不斷向外延伸。
利用大氣校正法反演地表溫度的結(jié)果需要與實際溫度進行對比,驗證反演結(jié)果的可靠性。通過往年的天氣預(yù)報查詢長沙市整體溫度與反演結(jié)果進行對比,分析結(jié)果見表1。
表1 實際氣溫與反演溫度對比
表1 的數(shù)據(jù)表明,利用大氣校正法得到的地表溫度與實際氣溫相比,差值均在±1℃的范圍內(nèi),可以確定大氣校正法結(jié)果與真實氣溫一致,其結(jié)果可用于后續(xù)研究分析。
為了能夠更好地研究長沙主城區(qū)不透水面的變化情況,將不透水面蓋度(ISF)作為參考數(shù)據(jù)與地表溫度(LST)進行比較分析。對不透水面與溫度數(shù)據(jù)分別進行線性關(guān)系和指數(shù)關(guān)系擬合,結(jié)果見表2。
表2 LST與ISF關(guān)系擬合結(jié)果
y為地表溫度(LST),x為不透水面蓋度(ISA),R2為擬合優(yōu)度。從表2可知,各年份的擬合相關(guān)系數(shù)都達到了0.800 級以上,由此可見,不透水面與地表溫度之間的關(guān)系十分明顯,兩者呈較強的正相關(guān),表明不透水面蓋度的增加推動了城市溫度的上升。從2種擬合結(jié)果的擬合優(yōu)度對比中可以看出指數(shù)的擬合結(jié)果會比線性的擬合結(jié)果擬合優(yōu)度略好,但二者擬合優(yōu)度相差很小,因此2種擬合結(jié)果無區(qū)別。
為了更準確地探究不透水面對地表溫度的影響機制,本文對提取結(jié)果進行分段處理,計算出各階段不透水面蓋度下不透水面的變化對地表溫度的影響幅度,即地表溫度增幅,計算結(jié)果見表3。
其中,不透水面蓋度大于85%的數(shù)據(jù)量過少,無法擬合其相關(guān)關(guān)系。
將表3 中的數(shù)據(jù)制作成折線圖進行表示,如圖2所示。
表3 ISF分區(qū)及其對應(yīng)的地表溫度增幅表
圖2 各不透水面蓋度及其對應(yīng)的地表溫度增幅圖
由圖2 可知,不透水面蓋度(ISF)與地表溫度(LST)的關(guān)系隨著ISF 的增加而發(fā)生變化,當ISF 小于70%時,LST 的變化幅度較為平緩;ISF 大于70%時,LST的變化幅度較為劇烈,ISF為70%是二者影響機制發(fā)生變化的突變點。
結(jié)合表3 中的詳細數(shù)據(jù),在2013 年度的數(shù)據(jù)中,ISF在0~70%的數(shù)據(jù)擬和結(jié)果大致平緩,ISF對LST的影響強度大致為15,即ISF在70%以下時,ISF每增加1%,LST 增加0.15℃左右;而當不透水面蓋度超過70%時,影響強度突變成40,即在此蓋度下,ISF 每增加1%,LST增加0.4℃左右。
在2016 年的數(shù)據(jù)中,當蓋度低于70%時,ISF 對LST 影響強度為17;但當ISF 超過70%以后,其影響強度直接上升至47。在2018年的數(shù)據(jù)中,當ISF低于70%時,ISF對LST影響強度為13,但當ISF超過70%以后,其影響強度直接上升至38。
研究表明,高不透水面蓋度地區(qū)的升溫幅度遠高于低不透水面蓋度地區(qū),且不透水面蓋度分水嶺為70%。本文采用逐像元的采樣方法與回歸分析方法,即提取、計算和擬合過程中,每一個ISF 對應(yīng)一個LST 值,二者的定量關(guān)系基于研究區(qū)所有像元值統(tǒng)計得出,細致、客觀、全面地揭示不透水面對地表溫度的影響機制。
1)本文通過對長沙主城區(qū)的不透水面和地表溫度數(shù)據(jù)進行研究分析,發(fā)現(xiàn)不透水面與地表溫度不透水面呈明顯正相關(guān),且高不透水面蓋度地區(qū)的增溫幅度遠大于低不透水面蓋度地區(qū),其突變點為70%。
2)考慮到城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的和諧關(guān)系,合理配置各類地表地物,科學布局城市周邊生態(tài),將不透水面蓋度始終控制在70%以下,使不透水面所造成的增溫幅度較為平緩,減少城市擴張給自然生態(tài)所帶來的破環(huán),平衡經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系,確保經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。
3)本文所采用逐像元法,基于大量的樣本數(shù)據(jù),客觀、準確地揭示了不透水面和地表溫度之間的關(guān)系。使用逐像元法進行采樣和分析,對于真實、客觀地刻畫研究對象之間定量關(guān)系有著重要且深遠的意義。