遙感和GIS技術支持下的樂山城市“綠心”地溫特征

趙銀兵，倪忠云，郭善云，劉洋，魏云，周宇航

(1.成都理工大學旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，成都610059;2.四川省氣象局，成都610072)

綠心被稱為城市之肺，是城市綠地系統(tǒng)的一種特殊形式，具有提高城市(群)的景觀異質性、調節(jié)城市生態(tài)環(huán)境質量、保護生物多樣性與動物棲息地和生態(tài)旅游等多種價值[1]。綠心一詞最早出現在1958年制定的《荷蘭蘭斯塔德發(fā)展綱要》[2－3]。澳大利亞的阿德萊德城(Adelaide)、E霍華德提出的“田園城市”是“綠心”理論的先驅[4]，公園系統(tǒng)理論、景觀生態(tài)理論和綠色生態(tài)網絡理論對其具有完善作用[5－11]。綠心在形態(tài)及功能上需要滿足5個條件:位于城市結構中心位置;不同職能分工組團圍合形成;構成城市空間結構;規(guī)模閾值達到生態(tài)環(huán)境的標準值;服務對象為中心或中心城區(qū)[12－13]。四川省樂山市在1987年規(guī)劃了城市“綠心”，通過持續(xù)建設與管理，實現了“綠心環(huán)形城市”布局，形成了“山水中的城市，城市中的森林”[14－16]，樂山“綠心”已經成為眾多城市規(guī)劃建設與生態(tài)環(huán)境保護的學習典范。關于綠心的功能演替、構建方式、應用實踐等方面的研究不斷深入，綠心的降溫信息提取與分析成為研究重點之一，遙感和GIS是重要的研究技術手段。

1 研究區(qū)概況

為深入研究城市綠心與周圍環(huán)境的差異，按照由大到小、由外而內、由簡到精的原則，劃定樂山地區(qū)、建成區(qū)和綠心3個研究層次(圖1)。樂山地區(qū)的地理坐標:103°28'23″—103°56'07″E，29°15'36″—29°41'24″N，東西長約45 km，南北寬約47 km。建成區(qū)整體呈現“人”字形，楊灣－蘇稽－水口、通江－柏楊壩－舊城－冠英等地主要沿青衣江和岷江呈近南北向展布，沙灣－沫東－安谷－車子等地則主要沿大渡河呈南西－北東東向延伸。據形態(tài)學計算方法[17]，應用遙感影像提取建成區(qū)的空間形態(tài)指標:形狀比為0.19，延伸率為7.78，緊湊度為0.22，標準面積指數為0.42，整體反映建成區(qū)空間的非均質、非緊湊擴張?zhí)卣?。城市綠心位于中心城區(qū)，西鄰青衣江，南臨大渡河，東隔建成區(qū)朝向岷江，東西長約4 km，南北寬約3 km，周長約13 km，面積約8 km2，似“心”狀[14]。綠心具有不同空間尺度的自然地理環(huán)境多重屬性，地形地貌、氣象水文和植被蓋度等是影響其地溫和綠島效應的重要因素。

圖1 樂山地區(qū)Landsat-5 TM3(R)2(G)1(B)彩色合成影像Fig.1 Landsat-5 TM 3(R)2(G)1(B)color composite image in Leshan area

1.1 地形地貌特征

樂山地區(qū)位于四川盆地向川西山地的過渡地帶，地貌涵蓋平原、丘陵、低山和中山4種類型，區(qū)內最小高程323 m，最大高程2 016 m，平均高程480 m;建成區(qū)最小高程327 m，最大高程736 m，平均高程382 m;綠心最小高程360 m，最大高程445 m，平均高程390 m，整體高出建成區(qū)8 m，表現出其山“高”特征。地貌分維值反映地表連續(xù)變化特征，應用滑動窗口技術計算[18]:樂山地區(qū)平均分維值2.01，標準差0.050，處于低維度以及向中維度過渡的區(qū)域，具有平原及山地的雙重屬性;建成區(qū)平均分維值約2.00，標準差0.007;綠心平均分維值約2.00，標準差0.004，綠心內部起伏較小，形成輕微凸起于建成區(qū)的下墊面，利于吸收南面及東西兩側來自江面的水汽，促進植被生長。從坡向分布來看，樂山地區(qū)北東、東、南東、南的坡向面積約占36.82%，臨近岷江西面、青衣江西面、大渡河南面，光照充足，植被發(fā)育;南西、西、北西的坡向面積約占34.54%，靠近岷江東面、青衣江東面、大渡河北面，光照強烈，植被較發(fā)育;北坡面積約占28.64%，與低山綠地毗鄰，濕度大，植被發(fā)育。綠心的陽坡及半陽坡吸收大量水汽，促進植物光合作用和植物蒸騰作用;陰坡緊鄰低山綠地，利于形成較為完整的綠地空間。

1.2 氣象水文特征

樂山地區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均日照率約30%，年均氣溫約15℃，年降水量＞1 000 mm，年均相對濕度78%。綠心年降水量則高達1 360 mm，≥0.1 mm降水量的雨日174.9 d，年平均相對濕度81%[19];樂山地區(qū)處于氣壓梯度的緩變區(qū)，主導風向為北風，其次為西北風，整體利于水汽流動，對形成綠心的高植被覆蓋率具有積極作用。

受岷江水系控制，樂山地區(qū)的支水系發(fā)育。青衣江呈北西→正南流動，河口年平均流量565 m3/s，河寬約200～600 m，徑流總量18億m3;大渡河呈南西→北東流動，河口年平均流量1 510 m3/s，河寬約250～600 m，徑流總量473億m3;岷江呈正北→正南流動，河口年平均流量2 840 m3/s，河寬約300～600 m，徑流總量為846億m3[20－22]。河流約占樂山地區(qū)面積的4%，水面約占建成區(qū)面積的12%，河面寬、河流深、流速快，河流的流向與主導風向基本一致，與建成區(qū)南北延伸方向相同，良好的水文條件奠定了濱河地區(qū)及綠心的降溫增濕作用的基礎。

2 植被蓋度反演與分析

植被蓋度是決定綠心地溫的直接因素之一，根據遙感數據的可獲取性及數據質量要求，選擇Landsat-5 TM遙感影像(Path 129，Row 40，成像時間:2011－05－17T11:23:03.558—11:23:38.590)作為數據源。選擇TM4波段(近紅外波段)和TM3波段(紅光波段)，在輻射定標和大氣校正的基礎上作波段計算(TM4－TM3)/(TM4+TM3)，計算歸一化植被指數(NDVI)[23]，劃分水體、城鎮(zhèn)和自然表面三大地類，結合土地利用、植被蓋度調查成果，由NDVI推算植被覆蓋度，并將其劃分為高、較高、中、低4個級別(圖2)。

圖2 樂山地區(qū)植被蓋度(2011－05－17)Fig.2 Vegetation coverage of Leshan area(imaging time:May 17th，2011)

樂山地區(qū)的土地利用類型主要為耕地(水田、旱地)、園地(果園和其他園地)、林地(主要為亞熱帶常綠闊葉林)、草地(天然草地)、居住用地、水域、水利設施用地、城鎮(zhèn)、村莊及工礦用地等。非植被區(qū)(包括水面、道路、建筑等)占總面積的12.15%，低植被區(qū)(包括農田和草地等)占總面積的21.22%，中植被區(qū)(包括農田、草地、園地、林地等)約占總面積的35.38%，分布在平原、丘陵、低山與中山區(qū);較高植被區(qū)(包括園地、林地等)約占總面積的24.93%，分布在丘陵、低山區(qū)及中山區(qū);高植被區(qū)主要為林地和高覆蓋園地，約占總面積的6.31%，分布在樂山地區(qū)西部的山地，以及人工集中種植與綠化區(qū)。建成區(qū)植被蓋度較之樂山地區(qū)分異顯著:非植被區(qū)約占建成區(qū)總面積的41.72%，體現其城鎮(zhèn)用地的主體特性;植被覆蓋區(qū)總面積約為58.28%，反映城區(qū)較高的綠化水平;低植被覆蓋區(qū)約占建成區(qū)總面積的31.70%、中植被覆蓋占21.75%，較高和高植被覆蓋區(qū)約占4.83%;綠心位于建成區(qū)的高植被覆蓋區(qū)，主要為群落類型的黃櫸林、四川大頭茶林、馬尾松林等，另有喬木與草本植物分布[19]，平均植被蓋度達到85%以上，從邊緣向內部過渡，植被蓋度呈遞增趨勢，最高達100%，高植被覆蓋度為綠心的增濕與降溫作用提供了豐富的媒介。

3 地溫反演及特征分析

3.1 地溫反演

城市綠心的作用集中表現在地溫與周圍區(qū)域的顯著差異，呈現出與城市“熱島”相反的“綠島”效應。根據2011－05－17的Landsat-5衛(wèi)星的TM遙感數據的波譜特性，參照文獻[24－28]反演地表溫度的方法，在ENVI 5.1軟件平臺下完成下列操作:對熱紅外數據和可見光數據作輻射定標;對可見光數據作大氣校正;對近紅外波段和紅光波段作去負值處理，計算NDVI，結合Google Earth中影像，比對植被覆蓋率，將NDVI換算為植被覆蓋度;將遙感影像分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面3種類型，估算3種地類的比輻射率，計算地表比輻射率數據;由熱紅外波段的輻射定標值，以及可見光波段的地表比輻射率值，計算地表亮溫;根據普朗克公式的反函數，反演地表溫度;對比樂山城區(qū)(站點坐標:103°45'00″E，29°34'12″N)地溫監(jiān)測值(27.25℃)，該點的反演地表溫度為29.00℃，誤差+1.75℃，精度滿足研究要求;進一步對數據進行分區(qū)裁剪，并作圖面整飾等處理(圖3)。

圖3 樂山地區(qū)TM6反演地溫平面圖Fig.3 Ground temperature map extracted by TM6 in Leshan area

3.2 城市綠心的降溫特征分析

從Landsat-5 TM數據反演的地溫平面分布(圖3)來看，樂山地區(qū)地溫的最大值58.55℃，最低溫度11.91℃，均值30.29℃，標準差3.30℃。建成區(qū)地溫的最大值53.11℃，最低溫度13.53℃，均值31.25℃，標準差4.84℃。地溫的高值區(qū)域分布在楊灣、蘇稽、水口、通江、柏楊壩、舊城的高密度建筑區(qū)、道路及其周圍(圖3)，主要原因在于道路與建筑等形成的不透水面對太陽輻射產生少量反射(反射率＜20%)和大量吸收作用，吸收的輻射多轉化為內能，導致地溫升高。地溫的低值區(qū)域主要為河面，河水降溫的梯度效應明顯，在河面低溫區(qū)的外圍形成狹窄的低溫條帶，較之于不透水面的溫差普遍達5～6℃以上，比植被的降溫效應更加強烈。從降溫的效果來看，流速快、水深大的大渡河較之于匯流前的岷江和青衣江更強。究其原因，水體除對太陽輻射的少量反射外(反射率為10%～20%)，主要產生透射及吸收作用，考慮到水體的清濁、深淺、動靜及比熱容量差異，大渡河及岷江局部降溫效果最顯著。

綠心具有較好的閉合性，且與樂山地區(qū)西北部的成片綠地的低溫屬性趨同。綠心地溫的最大值39.24℃，最低溫25.42℃，均值28.81℃，均值較之樂山地區(qū)低1.48℃，較之建成區(qū)低3.30℃，綠心的邊緣地溫較之相鄰的城區(qū)地溫低1.10～1.60℃(平均低1.37℃)，綜合反映出綠心的“島”狀低溫特征。較之舊城、柏楊壩、蘇稽等地的公園和街頭綠地，綠心的地溫低1.00～2.50℃(平均低2.06℃)，反映出綠心降溫作用的“規(guī)模效應”。綠心地溫的標準差為1.54℃，低于樂山地區(qū)的3.30℃，低于建成區(qū)的4.84℃，地溫差異最小，反映綠心內部的物質均勻程度高于樂山地區(qū)和建成區(qū)。

為刻畫綠心與周邊區(qū)域的地溫差異和線性波動特征，由北至南作AB地溫剖面(圖3、圖4)。從剖面的統(tǒng)計數據來看:綠心以北的通江、青江、柏楊壩城區(qū)，地溫的最大值38.40℃，最小值28.78℃(城區(qū)局部綠地)，平均值33.11℃;綠心地溫的最大值36.17℃(綠心的局部裸露地)，最小值26.25℃，平均值29.68℃，綠心內部的地溫波動1～3℃，綠心的中心區(qū)與邊緣的地溫差4～6℃，剖面經綠心路時躍升至32.75℃;綠心以南的肖壩城區(qū)，地溫的最大值37.83℃，最小值29.17℃，平均值33.64℃，大渡河的地溫均值則低至17.13℃，最低溫達到15.07℃左右;大渡河以南的安谷城區(qū)，地溫的最大值42.47℃，最小值22.73℃，平均值36.30℃。綜合來看，南北剖面上的綠心與城區(qū)的地溫差達到3.43～6.62℃，綠心的低溫特征十分明顯。

垂直AB地溫剖面，跨城區(qū)、青衣江、綠心和岷江，由西至東作CD地溫剖面(圖3、圖5)。從剖面的統(tǒng)計數據來看:蘇稽－水口城區(qū)，最大值38.09℃，最小值26.39℃，地溫均值31.88℃;青衣江，最大值23.12℃，最小值18.79℃，均值20.93℃;綠心地溫的最大值31.78℃(綠心路)，最小值26.25℃，平均值28.27℃，標準差1.34℃，綠心內部的地溫波動1～2℃，綠心的中心區(qū)與邊緣的地溫差3～4℃;綠心東側舊城區(qū)，地溫的最大值40.09℃，最小值31.52℃，平均值35.11℃;岷江，最大值21.10℃，最小值19.00℃，均值20.07℃;岷江東岸，地溫的最大值35.86℃，最小值30.11℃，平均值33.84℃。綜合來看，東西剖面上的綠心與城區(qū)的地溫差3.61～6.84℃，疊加青衣江與岷江的增濕與降溫作用，東西向剖面的低溫特征更加穩(wěn)定，而且比南北向剖面低溫特征更加顯著。

圖4 AB地溫剖面圖Fig.4 AB ground temperature profile

圖5 CD地溫剖面圖Fig.5 CD ground temperature profile

在AB剖面與CD剖面交點的東南側，分布有一條北東－南西向的“綠心路”(圖3、圖4、圖5)，因路面裸露，對綠心的完整性造成不利影響，導致路面地溫明顯升高，綠心路的平均地溫＞31.60℃，較之兩側綠地的地溫高出1.00～1.50℃以上。因此降低綠心路面的影響、恢復綠地系統(tǒng)的完整性對保持低溫系統(tǒng)的完整性至關重要。

3.3 城市綠心的多時相地溫特征分析

為了進一步研究城市綠心在不同季節(jié)的地溫變化及與周圍區(qū)域的差異，在數據的可獲取原則下，增加2001－02－14、2009－03－24、2009－08－31、1992－09－01四個期次Landsat-5 TM數據，與2011－05－17的數據一同構建春季、夏季、秋季和冬季的代表性數據序列，數據成像時間均在當日的11:23，參照上述的數據處理方法，獲取不同期次的樂山地區(qū)、建成區(qū)與綠心的地溫特征數據(表1)，5個期次的反演地溫誤差在－0.90～+1.75℃，平均誤差+0.49℃，能夠客觀地反映對應時段的地溫信息。

從反演的地溫數據來看，綠心的各項地溫統(tǒng)計數據分布相對集中。綠心的地溫最大值從冬季的14.52℃，逐漸上升到春末、夏季的39.24和38.84℃，再降至秋季的32.17℃。地溫最小值從8.10℃，波動上升到25.74℃。綠心的平均地溫11.16～29.71℃，夏季最高，冬季最低，較之建成區(qū)的平均地溫，在5個年份和5個月份均表現出穩(wěn)定的相對低值狀態(tài)，低于建成區(qū)0.22～2.44℃，平均低于建成區(qū)5%(1.29℃)。從地溫的標準差特征來看，總體低于建成區(qū)0.33～3.30℃，平均低于建成區(qū)2.01℃，反映出綠心內部的均勻性遠高于建成區(qū)。綠心也比建成區(qū)小規(guī)模綠地的地溫低2.0℃以上。

表1 多時相遙感影像反演地溫數據Table 1 Ground temperature data extracted by multi-temporal remote sensed images℃

對5個期次的樂山地區(qū)、建成區(qū)、綠心3個層次的地溫特征數據(最大值、最小值、平均值、標準差)進行模擬回歸分析，發(fā)現4個指標均表現出低值先升為高值，高值再回降至低值的過程，指標的波動范圍滿足綠心＜建成區(qū)＜樂山地區(qū)的規(guī)律，綠心在四季均表現出相對的均勻性和低溫性。綠心在建成區(qū)和樂山地區(qū)處于地溫高值時，其與周圍城區(qū)的溫差更大，綠島效應更加凸顯，其生態(tài)價值更為突出。

4 結論

樂山城市綠心因地勢高、臨江河、植被覆蓋度高、面積較大，決定了綠心其內部的相對均勻性和與周圍環(huán)境的差異性，“島”狀的凸起綠地空間決定了其在亮溫與地溫方面的特殊性，與其所處的建成區(qū)相比，表現出較為明顯的低溫特征，在4個季節(jié)，平均比建成區(qū)地溫低1.29℃，平均比樂山地區(qū)低0.13℃，隨地溫的升高，綠心的降溫效應遞增。

綠心的降溫效應對城市規(guī)劃與建設的啟發(fā)意義在于:因地制宜，構建滿足空間位置、面積、體積、蓋度、層次性等多種要素條件的綠地空間，有利于形成真正的綠心，達到降溫與增濕等功能;地溫是太陽輻射和地表響應的結果，地溫的高低與濕度和氣溫等生態(tài)要素具有重要聯系，地溫的多重生態(tài)意義值得挖掘。

利用Landsat-5 TM的熱紅外波段和可見光波段，反演地溫，通過與實測地溫比對，平均誤差約+2.13%，證明單窗算法等地溫反演方法的可行性。限于地溫觀測數據的收集情況，研究區(qū)內的反演地溫與觀測地溫僅能滿足單點驗證關系，后續(xù)的相關研究可通過增加觀測數據的方式進一步提高地溫反演的精度。

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