鄭稚棚 吳鳳敏 賈亞輝 張紅文 劉 穎 陳自力 梁均軍

(1. 重慶市地理信息和遙感應用中心, 重慶 401147;2. 自然資源部國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預警重點實驗室, 重慶 401147)

0 引言

中國正處于高速城市化階段,人口的集聚和城市大規(guī)模建設導致了城市地表溫度明顯高于郊區(qū)[1],對城市生態(tài)環(huán)境和人類生產(chǎn)生活等造成較多不良影響[2],研究城市地表覆蓋與地表溫度之間的影響機制,對改善城市熱環(huán)境影響、指導未來城市規(guī)劃建設有重要意義[3]。城市熱環(huán)境研究主要有三種方法：地面觀測法、衛(wèi)星遙感反演法、數(shù)值空間模擬法[4]。其中,地表溫度衛(wèi)星遙感反演研究主要有輻射傳輸方程法[5]、單通道算法[6]、劈窗算法[7]。陸地衛(wèi)星(Landsat)數(shù)據(jù)溫度反演一般采用單通道算法[8]或輻射傳輸方程法[9]。

已有研究表明,不同土地覆蓋類型對熱輻射影響存在差異,其中房屋建筑、道路等不透水面釋放熱量大、溫度高,而植被、水體等釋放熱量小、溫度低,能夠有效緩解熱島效應[10]。關于城市景觀格局和地表溫度的定量關系,各國學者做了大量研究[11],但采用的遙感數(shù)據(jù)主要為中低分辨率,如利用Landsat、中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)等數(shù)據(jù)獲取土地利用分類、植被指數(shù)、不透水面等數(shù)據(jù)。景觀格局指數(shù)主要用來量化城市空間形態(tài),主要從斑塊類型水平指數(shù)(class level)和景觀水平指數(shù)(landscape level)來分析景觀格局[12]。

南岸區(qū)屬于重慶市中心城區(qū)重要組成部分,社會經(jīng)濟發(fā)展速度快、土地利用強度高,本研究利用2021年Landsat-8數(shù)據(jù)和高精度的地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù),基于輻射傳輸方程法對南岸區(qū)地表溫度(land surface temperature,LST)進行反演,分析不同地表覆蓋和地理單元類型的地表溫度狀況,以100 m網(wǎng)格大小為基礎,采用最小二乘法研究地表覆蓋、地理單元等與地表溫度之間相關性,通過斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、邊緣密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、聚合度等景觀格局指數(shù)計算,分析不同景觀格局下地表溫度特點,希望為城市未來規(guī)劃建設提供一定參考。

1 研究區(qū)及方法

1.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

南岸區(qū)位于重慶市中心城區(qū)東南部,地理坐標為 106°03′14″～106°47′02″E、29°27′02″～29°37′02″N,面積約262 km2,南岸區(qū)西部和北部兩面與長江相鄰,東部和南部與巴南區(qū)相鄰,轄區(qū)內(nèi)有8個街道、7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)[13]。研究選擇衛(wèi)星過境時天氣情況良好的Landsat-8影像,時間為2021年8月2日,南岸區(qū)對應行列號為127/40。Landsat-8熱紅外波段有2個,分別為TIRS10、TIRS11波段,研究采用TIRS10波段進行反演地表溫度。Landsat-8數(shù)據(jù)預處理包括輻射定標、大氣校正和正射校正,通過歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)、植被覆蓋度、比輻射率等參數(shù)計算,進一步反演得到地表溫度,再結(jié)合2021年地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)開展相關性分析和空間格局分析(圖1)。

根據(jù)《自然資源部辦公廳關于印發(fā)2021年全國地理國情監(jiān)測實施方案和技術規(guī)定的通知》(自然資辦函〔2021〕1087號),地表覆蓋分為種植植被、林草覆蓋、房屋建筑(區(qū))、鐵路與道路、構(gòu)筑物、堆掘地表、裸露地表、水域?？傮w上,南岸區(qū)林草覆蓋面積最大,為135.42 km2,占區(qū)域總面積的51.58%;房屋建筑(區(qū))、鐵路與道路、構(gòu)筑物三類總面積為60.97 km2;種植植被面積為28.47 km2,占比為10.84%;水域面積為23.84 km2,占比9.08%。其他使用數(shù)據(jù)包括：行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、1∶50 000數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)等,所有數(shù)據(jù)坐標均統(tǒng)一為國家2000大地坐標系108°帶。

圖1 研究技術路線圖

1.2 地表溫度(LST)反演

研究基于輻射傳輸方法使用TIRS10波段數(shù)據(jù)進行地表溫度反演,計算公式為

式中,Lλ為衛(wèi)星傳感器熱紅外輻射亮度值;Ts為地表真實溫度;τ為大氣透過率;ε為地表輻射率;L↑和L↓分別為大氣上行和下行輻射亮度;K1和K2分別為熱紅外波段定標常數(shù),分別為774.89 W·m-2·sr-1·um-1、1321.08 K。大氣上、下行輻射及大氣透過率數(shù)據(jù),在 NASA 官方網(wǎng)站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中輸入成像時間及中心經(jīng)緯度,得到結(jié)果為3.30 W·m-2sr-1·um-1、5.12 W·m-2sr-1·um-1、0.62。植被覆蓋度Pv計算公式為

(3)

式中,N為歸一化植被指數(shù);Ns為裸土覆蓋像元的N值;Nv為完全植被覆蓋像元的N值。根據(jù)已有研究[8],當N大于0.7或小于0.05時,Pv取經(jīng)驗值分別為1和0,計算地表比輻射率時將地表類型分為3種：水體、城鎮(zhèn)和自然地表,水體比輻射率為0.995,自然地表比輻射率(εns)和城鎮(zhèn)比輻射率(εus)計算公式為

根據(jù)Landsat-8地表溫度反演結(jié)果,南岸區(qū)2021年8月2日3時,地表最高溫度57.63 ℃,最低溫度29.38 ℃,平均溫度為39.55 ℃,標準差溫度為3.66 ℃。根據(jù)重慶市氣象局(http://www.tianqihoubao.com/lishi/chongqing/20210802.html)歷史天氣數(shù)據(jù)顯示,2021年8月2日重慶市全域白天平均氣溫為40 ℃,最低溫度28 ℃,與反演地表溫度基本相符。研究將地表溫度按照均值標準差方法劃分為7級[14],計算公式為

1.2.3 第一章緒論第四節(jié)-內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài) 前人歸納了生理學一個重要的概念為內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，在第三章血液理化特性學習中演繹了酸堿度穩(wěn)態(tài)、滲透壓穩(wěn)態(tài)、第四章動脈血壓穩(wěn)態(tài)、第七章體溫穩(wěn)態(tài)、第十一章內(nèi)分泌中胰島素調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)的演繹等。

(6)

式中,T為溫度分級閾值;A為南岸區(qū)地表平均溫度;sd為南岸區(qū)標準差地表溫度;x為標準差倍數(shù),分別取值為0.5、1.0、1.5(圖2)。結(jié)果顯示,南岸區(qū)全域地表溫度在37.72～39.95 ℃面積最大(51.93 km2),占南岸區(qū)總面積的19.78%,在35.89～43.21 ℃區(qū)間的面積占比超過71%?？臻g上,地表溫度呈現(xiàn)外圍低、中間組團式高溫區(qū),南北條帶狀低溫區(qū)的分布形態(tài),主要由于長江沿西部向北部環(huán)繞而過,具有明顯降溫作用,南北橫穿而過的銅鑼山、明月山,主要由林草覆蓋組成,降溫作用也較為明顯,西部沿長江以及中部的城市主要建設區(qū)域溫度較高。

圖2 研究區(qū)地表溫度分布圖

2 地表覆蓋與LST相關性

2.1 不同地表覆蓋LST分析

研究將地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)與LST柵格數(shù)據(jù)進行空間疊加,分析不同地表覆蓋類型與LST溫度之間的關系(圖3)。其中,房屋建筑(區(qū))、鐵路與道路、構(gòu)筑物、堆掘地表3類主要溫度區(qū)間為39～45 ℃,種植植被、林草覆蓋、裸露地表3類主要溫度區(qū)間為35～42 ℃,水域主要溫度區(qū)間為29～35 ℃。房屋建筑(區(qū))、構(gòu)筑物、堆掘地表3類平均溫度均高于42 ℃,種植植被、林草覆蓋和裸露地表3類平均溫度為39 ℃,水域平均溫度為33 ℃。結(jié)果表明,房屋建筑(區(qū))、鐵路與道路、構(gòu)筑物等人工建設區(qū)域地表溫度明顯高于種植植被、林草覆蓋和水域等有植被和水體覆蓋的區(qū)域;水域降溫效果明顯,溫差與主要人工建設區(qū)域溫差約9 ℃,種植植被、林草覆蓋等具有植被覆蓋的區(qū)域也有一定降溫作用,但溫差約為3 ℃。

圖3 地表覆蓋分類與地表溫度關系圖

2.2 LST網(wǎng)格化分析

研究以50 m、100 m、150 m、200 m不同網(wǎng)格大小,分別分析網(wǎng)格內(nèi)不同地表覆蓋類型面積與地表溫度之間相關性(表1)。其中,種植植被、房屋建筑(區(qū))、構(gòu)筑物隨網(wǎng)格尺度增加相關系數(shù)絕對值增加;林草覆蓋、堆掘地表、水域隨網(wǎng)格尺度增加相關系數(shù)絕對值先增加后減小。結(jié)合Landsat-8數(shù)據(jù)的空間分辨率與不同網(wǎng)格下地表覆蓋類型與地表溫度相關性情況,研究選擇100 m × 100 m大小網(wǎng)格,對不同地表覆蓋類型面積與地表溫度進行 Pearson 相關性分析,計算公式為

(7)

從地表覆蓋類型看,水域面積與LST具有強負相關性,相關系數(shù)為-0.799 8;房屋建筑(區(qū))與LST具有明顯正相關性,林草覆蓋與LST具有明顯負相關性,相關系數(shù)分別為0.529 2、-0.510 9;裸露地表、種植植被與LST相關性不明顯,相關系數(shù)絕對值均小于0.1。表明增加水域、林草覆蓋類型面積對地表具有明顯降溫作用,而增加房屋建筑(區(qū))、鐵路與道路等類型對地表具有明顯增溫作用。

表1 不同網(wǎng)格尺度下不同地表覆蓋類型面積與LST之間相關系數(shù)情況

3 其他要素與LST相關性

根據(jù)已有研究[15],對地表覆蓋類型中不透水面數(shù)據(jù)進行提取,經(jīng)統(tǒng)計,南岸區(qū)不透水面總面積73.37 km2,占區(qū)域總面積的27.95%,不透水面LST區(qū)間為33.15～57.52 ℃,平均溫度42.62 ℃,明顯高于種植植被、林草覆蓋、水域等地表平均溫度,略低于房屋建筑(區(qū))、構(gòu)筑物和堆掘地表。以100 m × 100 m網(wǎng)格分析LST與不透水面面積的線性關系,得到R=0.707 3,表明不透水面對LST具有正向影響,LST隨不透水面面積增加而增加(表2)。

研究利用地理國情城鎮(zhèn)綜合單元中居住小區(qū)、工礦企業(yè)、單位院落以及休閑娛樂、景區(qū)數(shù)據(jù),同樣以100 m × 100 m網(wǎng)格分析不同類型面積與LST之間的關系(表2)。其中,居住小區(qū)LST區(qū)間為35.94～46.87 ℃,平均溫度42.04 ℃;工礦企業(yè)LST區(qū)間35.73～57.63 ℃,平均溫度46.17 ℃,工礦企業(yè)平均溫度明顯高于居住小區(qū)及其他不透水面類型,主要由于工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中可能會產(chǎn)生一定熱量,導致其溫度高于其他區(qū)域;而休閑娛樂、景區(qū)LST區(qū)間為34.75～45.18 ℃,平均溫度(37.93 ℃)明顯比居住小區(qū)、工礦企業(yè)和單位院落低。從Pearson相關系數(shù)看,居住小區(qū)與休閑娛樂、景區(qū)與LST具有一定負相關性,其中休閑娛樂、景區(qū)對地表具有明顯降溫作用,主要由于該區(qū)域有較多林地、草地等植被覆蓋,植被明顯降溫作用使得LST較其他區(qū)域更低;工礦企業(yè)、單位院落與LST具有正向影響,其面積增加會對地表起到增溫作用。

表2 100 m網(wǎng)格中不同地理要素類型與LST情況對比表

4 景觀格局指數(shù)與LST相關性

研究采用斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊緣密度(ED)、聚集度指數(shù)(AI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)作為景觀格局指數(shù),從不同角度分析城市景觀格局對城市地表溫度的影響[16]。其中,PD反映景觀的空間格局,斑塊密度越大,景觀異質(zhì)性越強;LPI反映景觀最大斑塊面積占比,最大斑塊指數(shù)越大,說明該類型規(guī)模越大;ED反映景觀的邊緣效應,邊緣密度越大,斑塊復雜程度越高;SHDI反映景觀異質(zhì)性、多樣性水平,數(shù)值越大說明各斑塊類型在景觀中呈均衡化分布趨勢;AI反映景觀里某一種景觀類型團聚程度或延展趨勢,取值越大,景觀聚合越高(表3)。

表3 景觀格局指數(shù)計算公式表

研究將地表覆蓋分類數(shù)據(jù)按照一級類轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù),利用Fragstats軟件中moving window算法,在Class matrix和Landscape matrix兩個模式下分別選擇對應景觀格局指數(shù)進行計算,并以100 m × 100 m網(wǎng)格分析景觀格局指數(shù)與LST之間關系,結(jié)果表明斑塊密度、邊緣密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、聚合度與LST均有一定相關性,但相關系數(shù)不高,其中香農(nóng)多樣性指數(shù)與LST相關系數(shù)最高,其他類型相關系數(shù)在0.4～0.5之間。

南岸區(qū)總體地表覆蓋斑塊數(shù)量較多、景觀破碎程度較高,平均斑塊密度為4.86個/ha,主要由于南岸區(qū)作為重慶中心城區(qū)重要組成,城市建設導致地表覆蓋較為破碎,斑塊面積較小。最大斑塊指數(shù)呈現(xiàn)水體和林區(qū)較高,房屋建筑(區(qū))、構(gòu)筑物等城市建設區(qū)較低。南岸區(qū)不同地表覆蓋類型邊緣密度差異較大,林草覆蓋邊緣密度最大,平均值為288.17,種植植被次之,平均值為240.57,水域邊緣密度最小,說明林草覆蓋、種植植被等斑塊復雜程度較高,由于重慶是典型的山地丘陵區(qū),地表利用較為破碎,且南岸區(qū)為城市主要建設區(qū)域,建設也可能導致斑塊破碎程度較高;水域邊緣密度較小,主要由于南岸區(qū)主要水域為長江,斑塊復雜程度較低。

南岸區(qū)香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)整體呈正態(tài)分布特征,數(shù)值區(qū)間為0～1.93,平均值為0.68,數(shù)值為0的區(qū)域面積占比為16.47%,說明以100 m為計算窗口有超過16%的區(qū)域只有一個斑塊,位于0.6～1.2區(qū)間的面積占區(qū)域總面積的46.81%,表明南岸區(qū)接近一半的區(qū)域各種類型斑塊分布較為均衡。不同地表覆蓋類型的聚合度(AI)存在一定差異,其中水域的集聚度最高,平均值為93.86,林草覆蓋、堆掘地表聚合度次之,平均值分別為91.02、91.79,鐵路與道路聚合度最低(平均值70.44),主要由于南岸區(qū)水域(長江)為大片連通區(qū)域,使集聚度整體較高?？臻g上,SHDI與LPI分布狀態(tài)相反,SHDI值高的區(qū)域LPI值較低,主要由于香濃多樣性反映圖斑的均衡性,如果均衡性越高說明斑塊數(shù)量越多或者斑塊大小相對均衡,則最大斑塊密度較小。

5 結(jié)束語

研究利用Landsat-8數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)時間2021年8月2日3時)基于輻射傳輸方程法對重慶市南岸區(qū)地表溫度進行反演,以地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)時間2021年6月30日)為基礎,分析不同地表覆蓋和地理單元類型的地表溫度狀況,以100 m網(wǎng)格大小為基礎研究其與地表溫度之間相關性,通過斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、邊緣密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、聚合度等景觀格局指數(shù)計算,分析不同景觀格局下地表溫度特點,得到以下結(jié)論：

(1)2021年8月2日,南岸區(qū)地表整體平均溫度為39.55 ℃,空間上呈現(xiàn)南北條帶狀低溫區(qū)以及組團式高溫區(qū)分布特征,外圍沿長江水域溫度較低,中部城市建設區(qū)域溫度較高。

(2)地表覆蓋分類中,房屋建筑(區(qū))、鐵路與道路、構(gòu)筑物等人工建設區(qū)域地表溫度明顯高于種植植被、林草覆蓋和水域等有植被和水體覆蓋的區(qū)域;水域降溫效果明顯,溫差與主要人工建設區(qū)域溫差約9 ℃,種植植被、林草覆蓋等與主要人工建設區(qū)域溫差約3 ℃。

(3)相關性上,水域面積與LST具有強負相關性,林草覆蓋與LST具有明顯負相關性,房屋建筑(區(qū))與LST具有明顯正相關性,因此增加水域、林草覆蓋類型面積對地表具有明顯降溫作用,而增加房屋建筑(區(qū))、鐵路與道路等類型對地表具有明顯增溫作用。

(4)地理國情其他要素方面,不透水面與LST具有強正相關性,工礦企業(yè)、單位院落與LST具有正向影響,居住小區(qū)與休閑娛樂、景區(qū)與LST具有一定負向影響。

(5)景觀格局方面,南岸區(qū)斑塊密度、邊緣密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、聚合度與LST均有一定相關性,其中香農(nóng)多樣性指數(shù)與LST相關系數(shù)最高,其他類型相關系數(shù)在0.4～0.5之間,表明地表降溫作用上,改變景觀格局指數(shù)具有一定效果,但沒有直接改變地表覆蓋類型作用明顯。

然而,研究也存在一些不足之處,首先,地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)時點與Landsat-8數(shù)據(jù)雖然都處于夏季,但在時間上仍然存在一定差異;其次,地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)主要采用優(yōu)于2 m高分辨率遙感影像通過人工目視解譯得到,而Landsat-8數(shù)據(jù)分辨率為30 m,兩者差異較大。不同時間、不同尺度的數(shù)據(jù)之間空間關系研究可能會對研究結(jié)果造成一定影響。