西安市植被覆蓋度與城市地表溫度的關(guān)系研究

楊軍軍，羅 謙，樊 云

（1.咸陽師范學(xué)院 資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，城市熱島效應(yīng)成為一個越來越嚴(yán)重的問題。城市熱島效應(yīng)是由于下墊面性質(zhì)的改變，城市區(qū)域溫度高于郊區(qū)溫度的現(xiàn)象[1]。

熱島效應(yīng)的日益嚴(yán)重，惡化了城市的生態(tài)環(huán)境，影響著當(dāng)?shù)鼐用竦纳鷳B(tài)環(huán)境健康[2]。胡光庭[3]等分析了陽江市的綠地空間分布及其熱環(huán)境，得出植被覆蓋度每增加10%、地表溫度降低0.35℃，以及不同綠地斑塊對周圍環(huán)境的影響有較大差異的結(jié)論；王蕾[4]等基于SPOT5影像發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)綠地面積與農(nóng)業(yè)綠地最低溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，植被覆蓋度對緩解城市熱島效應(yīng)具有調(diào)節(jié)作用；龐光輝[5]等研究了沈陽市植被覆蓋度變化及其與降溫效應(yīng)的關(guān)系，結(jié)果表明植被覆蓋度每增加10%、地表溫度可降低0.71℃。綜上所述，諸多學(xué)者已對植被覆蓋度與地表溫度間的關(guān)系做了深入分析和研究[6-8]，但隨著區(qū)域和研究季節(jié)的不同，二者間的量化關(guān)系具有不同的響應(yīng)程度。鑒于此，為了對近年來西安市植被覆蓋度與地表溫度間的關(guān)系進(jìn)行深入分析，

本文擬對西安市2017年的典型影像進(jìn)行量化分析，以期為當(dāng)?shù)爻鞘幸?guī)劃和管理部門提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

西安市位于渭河流域中部關(guān)中盆地，地理位置為107.4°～109.49°E、33.42°～34.45°N，北鄰渭河和黃土高原、南鄰秦嶺。西安市平原地區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，冷暖干濕四季分明。西安市下轄11個市轄區(qū)、2個縣。本文選取的研究區(qū)為高陵區(qū)、灞橋區(qū)、雁塔區(qū)、碑林區(qū)、未央?yún)^(qū)、灃西新城、灃東新城、涇河新城等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文采用的遙感影像數(shù)據(jù)為2017年4月1日陜西省西安市少云的Landsat8影像，條帶號為127，云量為0.16；數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，清晰少云、數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。由于云量較大，植被生長狀態(tài)最好的夏季影像未被選用。在反演地表溫度前，需對影像進(jìn)行預(yù)處理，主要包括輻射定標(biāo)和大氣校正，其目的在于最大程度地減少由傳感器誤差、大氣誤差、光照條件、地面起伏等因素導(dǎo)致的影像光譜失真現(xiàn)象。

2.2 地表溫度反演

地表溫度是衡量地球環(huán)境變化的重要參數(shù)之一，遙感技術(shù)是現(xiàn)代重要的對地觀測手段。本文基于Landsat8影像，采用輻射傳輸方程[9]反演地表溫度，計算公式為；

式中，ε為地表比輻射率；TS為地表真實溫度，單位為k；B(TS)為黑體輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過率。

溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度為；

地表真實溫度可由普朗克公式的反函數(shù)獲取，則有；

2.3 植被覆蓋度估算

目前已有很多利用遙感測量植被覆蓋度的方法，常用方法是利用植被指數(shù)（NDVI）近似估算植被覆蓋度。利用NDVI估算植被覆蓋度的計算公式為[10-11]；

式中，NDVIsoil為無植被覆蓋的地表NDVI值；NDVIveg為有植被覆蓋的地表NDVI值。

3 研究結(jié)果與分析

由于本文采用的是2017年4月初的遙感影像數(shù)據(jù)，因此常綠植被可被準(zhǔn)確估算，落葉植被的生長剛剛開始，NDVI估算值會整體偏小。本文主要關(guān)注地表覆被情況與地表熱環(huán)境間的關(guān)系，可從空間上得到很好的統(tǒng)計和驗證，因此在一定程度上研究結(jié)果與遙感影像所選取時間段的關(guān)系不是很大，但不同時間段的遙感影像反映的城市地表溫度的閾值范圍并不一樣，也就是說如果不同研究之間的地表溫度閾值不同的話，研究結(jié)果之間不能做簡單的對比分析。經(jīng)統(tǒng)計，研究區(qū)的植被覆蓋度在0.15～1之間（圖1），西北方向比東南方向的植被覆蓋度高，這些區(qū)域主要為關(guān)中平原的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，且主要河流（渭河、涇河、灃河、灞河以及浐河等）周邊地區(qū)的植被覆蓋度也較高。由圖1b可知，西安市存在較明顯的城市熱島效應(yīng)，主要河流所在地區(qū)的地表溫度相對較低，其余地區(qū)的地表溫度相對較高。通過分析西安市主城區(qū)的地表溫度發(fā)現(xiàn)，反演的地表溫度最高為34℃，最低為6℃。

本文將得到的地表溫度與植被覆蓋度進(jìn)行回歸分析，以量化評價植被覆蓋度對城市地表熱環(huán)境的影響，進(jìn)一步清晰二者的關(guān)系。本文在全圖范圍均勻隨機(jī)獲取435個樣點數(shù)據(jù)，按照SPSS分析的格式進(jìn)行整理，經(jīng)過線性回歸分析（圖2），得到的結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1中的參數(shù)得到回歸方程為Y=38.465-33.212X，X為NDVI，Y為地表溫度。隨著NDVI值的降低，地表溫度逐漸升高，NDVI每降低0.1，地表溫度約升高3.3℃。NDVI是植被覆蓋度的量化指標(biāo)，即植被覆蓋度越低，地表溫度越高，該結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[3-4]。由2017年5月的遙感影像可知，顯著性小于0.05，即NDVI與地表熱環(huán)境之間相關(guān)性顯著，受限于影像采集時的地表植被覆蓋度和地表溫度閾值區(qū)間，本文的研究結(jié)果并不能完全代表NDVI與地表溫度在整個溫度區(qū)間的準(zhǔn)確量化關(guān)系，不同研究之間的對比需對該結(jié)果進(jìn)行深入分析，但兩個變量之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著，即地表溫度與植被覆蓋度之間的相對變化趨勢是確定的，線性回歸分析具有一定的可行性。

表1 地表溫度與植被覆蓋度的回歸分析

圖2 研究區(qū)NDVI與地表溫度的線性擬合結(jié)果

4 結(jié) 語

植被覆蓋度是城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)和評價的重要指標(biāo)之一。植被覆蓋度的上升不但能提高城市居住環(huán)境的綠化率和空氣質(zhì)量，還能在一定程度上調(diào)節(jié)城市的熱島效應(yīng)。研究結(jié)果表明，植被覆蓋度與地表熱環(huán)境之間具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即植被覆蓋度越高、地表溫度越低，反之亦然。因此，研究結(jié)果對于優(yōu)化城市環(huán)境、建設(shè)生態(tài)環(huán)境以及合理規(guī)劃植被面積和空間布局，具有較好的參考價值。