紅沙核電站周邊區域地表熱環境反演研究

黃梅花 童新華 韋燕飛

（1、南寧師范大學 地理科學與規劃學院，廣西 南寧530001 2、南寧師范大學 自然資源與測繪學院，廣西 南寧530001）

熱島效應隨著城市化的推進而不斷加劇，成為了影響城市環境問題的因素之一。近年來，遙感技術的快速發展為城市熱環境研究提供了一種新方法，基于遙感圖像數據，可以對研究區域進行大規模的熱環境分析[1]。Kim、潘欣等[2-8]多位不同的研究者，分別采用聚類分析算法等多種研究方法，對國內外多個城市進行熱環境研究，各研究表明，熱環境的分布與地理位置、時間緊密相關，受下墊面類型、季節、人類生產建設等因素影響。

核技術的快速發展給人類社會帶來巨大的便捷，同時也帶來了許多問題[5]。本文以紅沙核電站周邊區域為研究對象，利用2003 年到2018 年獲取的Landsat TM/ETM/OLI 數據，結合單窗算法對研究區陸域及海域進行時空熱環境反演，觀察研究區時空植被覆蓋度變化，研究其地表熱環境現狀及分布特征，為后期紅沙核電站的建設以及城市規劃提供有效的學術支撐，同時，對保護北部灣海洋生態環境的穩定也具有重要意義。

1 研究區概況

本文研究區域選定于防城港紅沙核電站及其周邊區域，位于 地 理 坐 標108° 22'23″ E-108° 46'48″ E，21° 31'24″N-21°48'11″N 的區域范圍內。研究區分布著柳鋼防城港鋼鐵基地、大西南臨港工業園區等大型工業、欽州港經濟開發區、紅沙核電站廠、商業基地，是一個受人類開發活動影響較大的區域。紅沙核電站位于廣西壯族自治區防城港市港口區光坡鎮紅沙村，是少數民族地區建設的首個核電站[8]。

2 數據來源與研究方法

數據來源及研究方法：

根據研究區的實際情況，選取了覆蓋研究區的3 期Landsat ETM/OLI 美國NASA 陸地衛星作為數據源，獲取時間分別為2003 年1 月15 日、2014 年1 月21 日、2018 年2 月1 日。

2.1 地表比輻射率

利用ENVI5.1 依次計算NDVI 和PV 指數，并考慮城鎮和水體2 種地表類型，如下：

式中，NIR 表示近紅外波段；R 表示紅光波段；在像元統計結果中分別選取NDVI 極大值為95%，極小值為5%。ε、εV 分別表示地表比輻射率和植被比輻射率，εi 為裸露地表比輻射率（取0.960），dε 表示地表幾何分布及內散射效應。

2.2 地表輻射亮溫計算

將Landsat 影像的熱紅外波段像元灰度值轉換為輻射強度值，并計算出相應的輻射亮溫值。公式如下:

式中的Lλ、DN 分別表示地表的熱輻射強度值和熱紅外波段的灰度值，gain、offset 表示波段增益系數和偏移系數。Lmin表示傳感器可探測到的最小輻射亮度，Lmax表示傳感器可探測的最大輻射亮度[6]，Tb表示Landsat 熱紅外波段的像元輻射亮溫值，K1、K2為常數。

2.3 大氣透射率τ 的估計

大氣透射率τ 通過NASA 官網（https://atmcorr.gsfc.nasa.gov/）上查詢獲取，利用大氣校正參數計算器計算得出大氣透射率分別為τ2003=0.75，τ2014=0.60，τ2018=0.84。

2.4 大氣平均作用氣溫的估計

在標準大氣壓的條件下，平均大氣溫度與表面溫度存在一定的關聯關系，其表達式為：

表達式中T 表示地面平均溫度。

2.5 地表溫度反演

地表溫度的計算，可根據上述計算出的數據，結合單窗算法模型得出表達式（9），反演出地表溫度在不同時刻的地表溫度值：

式中，Ts 表示地表溫度真實值；Ta 表示大氣平均作用溫度（K）；Tb 表示像元輻射亮溫值（K）；C 和D 為中間變量，其中C=ε×τ，D=（1-τ）［1+（1-ε）τ］；a 和b 為變量系數，取值為a=-67.355351、b=0.458606。Ε 為熱紅外波段的地表比輻射率值，τ 為大氣透過率值。

3 結果與分析

3.1 熱環境格局分布特征

3.1.1 熱環境空間分布特征

本文對地表溫度進行密度分割，可看出地表溫度不同范圍分布情況，如圖1，可以看出2003 年整體地表溫差不大，熱環境相對均衡穩定，溫度值主要集中在7℃-19℃之間；2014 年研究區陸域和海域的地表熱環境差異明顯，其中高溫區主要分布在柳鋼防城港鋼鐵基地、大西南臨港工業園區、紅沙核電站廠、欽州港經濟開發區的部分裸地及建成區等區域，這些地區平均氣溫高達25℃以上。由于城市化的建設，植被區遭到破壞，各類廠區基地面積逐年增長，但綠化面積未能及時填充，成為導致氣溫升高的原因之一；2018 年研究區陸域與海域地表熱環境差異較小，其中地表最低溫主要分布于海陸過渡區域。地表高溫區與2014 年高溫區大致相同，溫度較2014 年低得益于對紅樹林海岸的修復以及加大對城市“綠地建設”的投入，有效的緩解建設用地的氣溫。

圖1 地表溫度密度分割結果圖

總體上可以看出，近15 年來，高溫地區均集中在工業區、建成區等植被較為稀少的區域。而在林地、山地等植被覆蓋的區域，溫度則在15-20℃之間浮動。在部分沿海區域，紅樹林得到有效的保護，熱環境較為緩和，體現了建立紅樹林保護區的顯著成效。

3.1.2 熱環境等級分布特征

為了更直觀地表現氣溫分布情況，本文對研究區的地表溫度熱力等級進行劃分。對于LST 而言，采用極差標準化方法對進行處理，可使不同時期的LST 數據具有較好的可比性，公式為：

式中：Ni 代表第i 個像元標準化后的值；Tmin代表LST 的最小值；Ti 代表第i 個像元的LST 值；Tmax代表LST 的最大值。結合研究區的實際情況，可將地表溫度劃分為5 個等級，分別為高溫區、次高溫區、中溫區、次低溫區和低溫區。其中，高溫區和次高溫區被定義為城市熱島區域。

經分析，2003 年地表溫度整體相對平穩，結合上訴地表溫度密度分析，該時期的地表溫度整體在7℃-19℃之間，海岸線周邊，溫度則在次低溫區；2014 年，高溫區則集中在柳鋼防城港鋼鐵基地、大西南臨港工業園區、紅沙核電站廠、欽州港經濟開發區的部分裸地及建成區等區域，大部分則處于次低溫區，約在19℃左右；2018 年沿海大部分地區則演變成低溫區，由于近年來沿海紅樹林等植被得到有效保護，使得沿海溫度有下降的趨勢，而研究區西部的大西南臨港工業園區、西北部的南蛇頭嶺工業園區、及東部的圈海養殖等區域的周邊地區演變成次高溫和高溫區，這是由于這類產區的擴建，使得建設性用地面積上升，周邊綠化面積下降，導致溫度升高。

3.1.3 熱環境區域演變情況

由于人為的干預，研究區部分地區在15 年間發生了不小的變化。部分地區從2003 年氣溫緩和的低溫區，演變成2018 年的高溫區，主要表現在柳鋼防城港鋼鐵基地、大西南臨港工業園區等工業區及建成區，這些地區植被遭到嚴重破環，異軍突起成為了氣溫較高的高溫區。而在沿海紅樹林地區，由于近年來建立起自然保護區，由原來的次高溫區演變成為次低溫區，氣溫趨向緩和。除此之外，部分地區由于城市化的進程，人類活動也使小部分發生了溫度等級變化，如填海造陸、海上養殖、退耕還林、人造公路等，都會引起溫度等級的變化。

3.2 植被覆蓋時空分布特征

根據歸一化植被指數計算得出各時段的植被覆蓋分布情況。經分析，2003 年至2018 年植被變化不大，大部分地區處于植被覆蓋中、高水平。但從局部分析，近十五年間，研究區中北區、西南部以及西部地區植被覆蓋率明顯下降，由于臨港工業園區、南蛇頭嶺工業園區等廠區的建立及擴張，植被覆蓋率急劇下降，從而影響周邊地區熱量的吸收與擴散，導致該地區溫度上升；除此之外，部分沿海地區建立起自然保護區，植被得到有效保護，植被覆蓋率有所上升，進而使周邊地區溫度下降，如西南部沿海地區。

4 結論

通過對研究區2003、2014、2018 三個時段的熱環境反演研究分析，得出以下結論：

研究區低溫區、次低溫區主要分布在水域、山林等區域，這類地區均在15℃以下；而高溫區、次高溫區多處于人類活動較為頻繁的建成區。

2003 年到2014 年間溫度變化較大，上升趨勢明顯，主要原因在于沿海地區大量紅樹林不斷被破壞，以及城市建設用地急速擴張，導致地表溫度不斷升高。該年段出現負值主要是受影像云量的影響，導致的偏差。2014 年出現較高的溫度值主要受干旱氣候的影響。

2014 年到2018 年間溫度下降趨勢明顯，主要原因在于國家注重生態環境修復與保護，加大了綠色建設的投入，努力修復沿海紅樹林生態系統，使得該區域的地表溫度有所下降。