基于地表溫度和植被指數(shù)的鄭州市熱島效應(yīng)分析

王燕強,杜婷婷,葉希琛,何林倩,徐暢,王德彩,岳慶玲

（1.河南科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,北京100083；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河南鄭州450002）

在經(jīng)濟全球化的大背景下,城市化進程日益加快,生活質(zhì)量的提高帶動了人口數(shù)量的上升.城市化發(fā)展順應(yīng)了時代潮流,是社會進步的標志,但不能忽視的是城市化發(fā)展過程產(chǎn)生了大量的不透水物體,如水泥路、鐵路、廣場等,這些地面特性的改變產(chǎn)生了一系列的環(huán)境問題[1].當前環(huán)境最突出的問題即城市熱島效應(yīng),降低了空氣質(zhì)量,影響了人類的生活舒適度,因此研究地表溫度、減緩熱島效應(yīng)可以為改善環(huán)境質(zhì)量提供決策依據(jù).

地表溫度地表溫度作為評價環(huán)境質(zhì)量的影響因子,對研究城市熱島效應(yīng)具有非常重要的意義[2-3].隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,基于熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度為遙感數(shù)據(jù)獲取提供了新的途徑.近年來,較多研究基于遙感反演獲取的地表溫度分析城市熱島效應(yīng)的時空變化[4-9].如趙夢溪等[8]利用輻射傳導(dǎo)法反演地表溫度,對佳木斯城市地表溫度和植被覆蓋度的空間動態(tài)性進行了深入研究；赫韞韜等[9]利用TM6 遙感數(shù)據(jù)反演了哈爾濱城市地表溫度,通過劃分亮溫等級來反應(yīng)熱島效應(yīng)的空間格局.

地表溫度受植被覆蓋等地表下墊面影響[10-11],因此地表溫度與歸一化植被指數(shù)（NDVI）等之間的關(guān)系值得深入研究.侯光雷等[12]利用MODIS 數(shù)據(jù)對吉林省中部地區(qū)的地表溫度進行反演,研究了吉林省中部農(nóng)業(yè)區(qū)地表溫度的空間分布特征及地表溫度與土地利用類型之間的關(guān)系；萬繼康利用利用Landsat8多時相遙感影像獲取北京建成區(qū)NDVI 和地表溫度,再將地表溫度和NDVI 結(jié)合說明地物變遷與城市熱環(huán)境的影響[13].2000 年以來,鄭州市城市進程加快,基于地表覆蓋變化的鄭州市熱島效應(yīng)研究報道卻較少[14-15].

本研究以鄭州市為研究區(qū),利用Landsat 遙感數(shù)據(jù)獲取NDVI 和地表溫度空間分布數(shù)據(jù),分析地表溫度和NDVI 的時空變化特征,并基于線性回歸方程對地表溫度與NDVI 的相關(guān)性進行深入分析,以期探討鄭州市熱島效應(yīng)時空變化特征及其與NDVI 的相關(guān)關(guān)系, 從而為鄭州市的城市規(guī)劃及其環(huán)境管理提供參考.

1 數(shù)據(jù)源及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市位于華北平原南部、黃河下游,總面積 7 446 km2,介于東經(jīng) 112°42′～114°14′,北緯 34°16′～34°58′之間.屬溫帶季風氣候,春夏秋冬四季分明,全年平均氣溫15.6 ℃,平均降雨量542.15 mm.地勢西南高、東北低,西南部為丘陵地區(qū),向北為黃土平原.作為中原中心城市,城市化進程不斷加快,改變了鄭州市的小氣候,尤其是地表溫度.

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究從地理空間數(shù)據(jù)云平臺獲取2001 年、2008 年、2015 年三期遙感影像數(shù)據(jù).2001 年和2008年的遙感影像是由Landsat5 攜帶的傳感器TM 所拍攝,2015 年的遙感影像是由Landsat8 衛(wèi)星拍攝.預(yù)處理工作主要包括幾何校正、輻射定標、裁剪和大氣校正等過程,在ENVI5.1 軟件中完成.

1.3 研究方法

地表溫度的遙感反演算法主要有輻射傳輸方程法、單窗算法和劈窗算法等[16].其中輻射傳輸方程法物理過程明確,反演精度較高[17],因此本研究采用輻射傳輸方程法反演鄭州市地表溫度,具體過程利用ENVI5.1 軟件完成.

1.3.1 NDVI 的計算 NDVI 對于植被的生長狀況及覆蓋度情況具有良好的反應(yīng)效果,可將植物與其他物體區(qū)分開來,計算公式為

式（1）中：NIR 和R 分別代表近紅外波段和紅色波段處的反射率值.

NDVI 的取值范圍為[-1,1],當?shù)乇肀辉?、水、雪覆蓋時,NDVI 顯示為負值；當?shù)孛鏋閹r石或裸土時,NDVI 等于0；當?shù)孛嬗芯G色植被覆蓋時,NDVI 顯示為正值,NDVI 值與植被覆蓋度成正比,NDVI 值越大,植被覆蓋度越高.

1.3.2 植被覆蓋度（PV）計算 衛(wèi)星拍攝出來的陸地影像可以劃分為水體、自然表面和城鎮(zhèn)3 部分,利用遙感影像計算植被覆蓋度,主要是對植被所占的像元數(shù)進行分析

式（2）中：NDVIV 表示植被 NDVI 的閾值,NDVIS 表示裸土上 NDVI 的閾值.不同地區(qū) NDVIV 和NDVIS 取值不同.黃煥春[18]在研究天津市熱島效應(yīng)演變機制中兩個分別取值0.70、0.05,對于鄭州市的研究中分別取值0.70、0.當某個像元的NDVI 大于0.70 時,PV 取值為1；當NDVI 小于0 時,PV 取值為0.

1.3.3 地表比輻射率計算 地表比輻射率是指相同溫度和波長下, 物體的輻射強度與黑體輻射強度的比值.陸地表面既有水體,又有植被和房屋建設(shè),利用像元法計算各部分的地表比輻射率

式（3）、式（4）中：符號ε 表示地表比輻射率,PV 表示植被覆蓋度,水體的比輻射率值默認為0.995.綜合水體、自然表面和城鎮(zhèn)3 者的地表比輻射率值,就是整個地區(qū)的地表比輻射率.

1.3.4 相同溫度下黑體輻射亮度值計算 衛(wèi)星傳感器接收到的來自大氣的熱紅外輻射能量可分兩部分：直接輻射能量和經(jīng)地表反射后的輻射能量.黑體的輻射亮度值計算公式為

式（5）、式（6）中：TS 為地表實際的溫度值,B（TS）為黑體的亮度溫度值,τ 為大氣透過率,L↑、L↓分別表示大氣向上的輻射能量和向下的輻射能量.τ、L↑、L↓的數(shù)值可在NASA 官網(wǎng)中獲取,具體結(jié)果見表1.

表1 各年份大氣輻射參數(shù)Tab.1 Parametersof atmospheric radiation in each year

1.3.5 地表溫度反演 根據(jù)上述黑體的輻射亮度值,求出地表的真實溫度

對于Landsat5 TM,K1=607.76,K2=1 260.56；對于Landsat8 TIRS,K1=774.89,K2=1 321.08.

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI 時空變化特征分析

鄭州市2001、2008 和2015 年的NDVI 空間分布見圖1.NDVI 的取值范圍為 [-1,1],2001 年鄭州市NDVI 的最小值是-0.13,最大值是0.61,平均值為0.2；2008 年最小值是-0.29,最大值是0.62,平均值為0.16；2015 年最小值是-0.13,最大值是0.60,平均值為0.23.

圖1 NDVI 值及變化情況Fig.1 Value and variation of NDVI

由圖1 可知,2001 年、2008、2015 年,城市擴建區(qū)域增大,許多地區(qū)的NDVI 值出現(xiàn)降低的現(xiàn)象；起初2001 年NDVI 值小于0.25 的區(qū)域主要集中在鄭州主城區(qū)；到2015 年,整個鄭州市普遍出現(xiàn)NDVI 值小于0.25 的區(qū)域,在中牟縣、新鄭市、滎陽市、新密市等地區(qū)變化明顯.2013 年提出“一帶一路”計劃之后,全國城市化率不斷上升,鄭州市作為河南省省會及“一帶一路”沿線的主要城市變化特別明顯,經(jīng)濟實力逐漸提升,城市化發(fā)展日漸加快,向國際化的大都市邁進.鄭州市大力發(fā)展了城市交通運輸業(yè),如新鄭機場的改善以及航空港的建設(shè),大大占用了土地面積,因此出現(xiàn)了大量NDVI 值低的區(qū)域,加上市區(qū)空氣流通差,產(chǎn)廢氣的車輛多,長期生活在市區(qū)的鄭州市民普遍覺得市內(nèi)溫度比市區(qū)外高出許多.從整體上看,2001 年、2008、2015 年,整個鄭州市 NDVI 值逐漸降低.

2.2 地表溫度時空變化特征分析

根據(jù)地表溫度反演公式,計算出了2001 年、2008 年和2015 年的地表溫度,結(jié)果顯示：在2001 年8月6 日的地表溫度圖中,8 月份最低溫度是17.12 ℃,最高溫度是56.00 ℃,平均溫度為34.44 ℃,標準差為2.44；在2008 年地表溫度圖中,最低溫度7.29 ℃,最高溫度46.18 ℃,平均溫度是29.19 ℃,標準差為3.42；在2015 年地表溫度圖中,最低溫度13.13 ℃,最高溫度57.79 ℃,平均溫度是35.43 ℃,標準差為4.12.2001、2008、2015 年,地表溫度呈先降低后升高的趨勢.

根據(jù)地表溫度的不同,將各年份的地表溫度劃分5 個層次的溫度區(qū)間,分別用低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)表示.溫度分區(qū)有等距法和均值標準差法兩種方法,王瑩瑩[19]通過研究發(fā)現(xiàn)均值標準差法對熱島區(qū)域反映真實,從而利用其研究了合肥市的城市熱島變化.本研究也選用均值標準差法進行溫度劃分,溫度等級劃分結(jié)果見表2.

表2 溫度等級劃分Tab.2 Temperature grading

各年份溫度等級面積分布結(jié)果見表3.

表3 各年份溫度等級面積分布表Tab.3 Area distribution of temperature grades in each year %

由表3 可知,各年份次低溫區(qū)所占百分比均為最大.與2001 年相比,2008 年低溫區(qū)面積增加了約2.88 個百分點,而次低溫區(qū)面積減少了2.49 個百分點；與2008 年相比,2015 年次低溫區(qū)面積減少了6.81 個百分點,中溫區(qū)增加了3.56 個百分點,低溫區(qū)和次高溫區(qū)面積幾乎不變.通過表3 數(shù)據(jù)分析,2001年、2008 年、2015 年,次低溫區(qū)的面積在不斷地減少,次高溫區(qū)和高溫區(qū)面積在不斷地上升.各年份地表溫度分布結(jié)果見圖2.

圖2 各年份地表溫度分布Fig.2 Surface temperature distribution in each year

由圖2 可知,2001 年、2008 年、2015 年,鄭州市次高溫區(qū)和高溫區(qū)的區(qū)域變化明顯,整體上呈現(xiàn)出擴大的趨勢,這與城市化發(fā)展進程密切相關(guān).2001 年高溫區(qū)和次高溫區(qū)主要分布在鄭州市區(qū)、登封市、新密市和新鄭市南部地區(qū),高溫區(qū)在鄭州主城區(qū)和登封市比較集中,在新密市、新鄭市地區(qū)呈分散狀態(tài).2001年登封市NDVI 值低的地區(qū)面積比較小,但高溫度面積卻異常的大,造成這種現(xiàn)象的原因可能是登封市內(nèi)有旅游景點,受人為活動的影響,導(dǎo)致此處的溫度較高；到2008 年,高溫區(qū)已經(jīng)從鄭州市區(qū)蔓延到了東南方,中牟縣溫度變化最大,由點狀開始向面狀發(fā)展；到2015 年,高溫區(qū)普遍增多,尤其是鄭州市市區(qū)及周邊地區(qū),高溫區(qū)分布集中,在登封市最西部也出現(xiàn)了集中分布的高溫區(qū).張茜等利用1960—2010 年鄭州市城區(qū)站、郊區(qū)站的氣象觀測數(shù)據(jù)和鄭州市統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)資料研究鄭州是熱島效應(yīng)也發(fā)現(xiàn)二十世紀九十年代后熱島強度上升程度日益顯著[14].地表溫度的變化趨勢大體上由西南向東北發(fā)展,并且與NDVI值的變化趨勢具有一致性,即NDVI 值降低的地區(qū)溫度則升高.

2.3 地表溫度與NDVI 關(guān)系分析

將同一年份的NDVI 變化與地表溫度變化對比,發(fā)現(xiàn)NDVI 值變化與地表溫度變化存在空間上的一致性,即NDVI 值高的地區(qū)其地表溫度比NDVI 值低的地區(qū)低.NDVI 在時間上的變化也與地表溫度一致,以鄭州市區(qū)為觀察點,2001 年、2008 年、2015 年,NDVI 值低的區(qū)域向周邊擴展,溫度高的區(qū)域也隨之增多.

為了驗證兩者關(guān)系,對地表溫度與NDVI 建立一元回歸方程,分析兩者之間的關(guān)系.本次研究選取了100 個點,提取的地表溫度—植被覆蓋度散點圖（見圖3）.研究發(fā)現(xiàn),當NDVI 值越大時,地表溫度就越低,兩者之間呈負相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性越來越明顯.

圖3 地表溫度-NDVI 散點圖Fig.3 Surface temperature-scatter diagram of NDVI

3 小結(jié)

基于Landsat 遙感影像提取2001 年、2008 年、2015 年鄭州市的地表溫度,分析地表溫度的時空變化,并對地表溫度與NDVI 的關(guān)系展開分析.NDVI 值低的區(qū)域集中分布在鄭州主城區(qū),受城市化發(fā)展的影響,隨著時間的變化分布面積逐漸向郊區(qū)擴展；2001 年、2008 年、2015 年次低溫區(qū)面積逐漸減少,次高溫區(qū)、高溫區(qū)面積逐漸增加；從整體上看,溫度增加的方向大致由西南向東北發(fā)展；城市化發(fā)展進程對地表溫度有著非常大的影響.

鄭州市城區(qū)擴建導(dǎo)致建筑對土地的利用過多,植被能利用的土地過少,綠化面積主要集中在公園,對道路兩旁的綠化還有待加強.影響地表溫度升高的原因有很多,植被覆蓋度只是作用因子之一,加強對綠地的保護與建設(shè),增強環(huán)保意識,凈化空氣,提高空氣質(zhì)量,減少熱輻射量,為人類創(chuàng)造一個舒適的生活環(huán)境空間.