基于Landsat數據熱島效應與植被的關系研究
——以開封市為例

徐 暢，高 榮

（1.河南農業大學林學院，鄭州 450000；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122）

隨著城市經濟的不斷發展、城鎮環境遭到一定破壞，導致熱量在城區空間范圍內聚集、人地矛盾日益突出，從而形成城市熱島效應。熱島效應的形成原因復雜，人類活動、氣象條件、自然因素、下墊面等均是影響熱島效應強度的重要因素。城鎮發展進程加快，城市內不透水鋪裝的增加，植被、水體、裸土等自然地表的減少，建筑物的增加使得近年來熱島效應愈發嚴重［1，2］。熱島效應不僅影響城市空氣質量，制約城市的經濟發展，甚至威脅人類的身體健康安全［3，4］。因此，探究城市熱島效應對城市綠色健康可持續發展十分必要。

目前主要以地表溫度作為熱島效應高低的評判指標，它是反映地球能量變化的指標之一［5］。隨著遙感技術的不斷發展，大量衛星遙感數據被用于此類研究，如MODIS 系列及Landsat TM/ETM 等數據。近年來，較多學者對城市熱島效應空間變化及影響因素進行了探究。如孫應龍等［6］利用MODIS 遙感衛星數據反演地表溫度，并分析2000 年以來氣象條件、植被對城市氣溫的影響；季青等［7］利用Landsat ETM+衛星獲取的影像對福州市的熱力環境進行研究，結果表明土地利用屬性對地表溫度有一定影響，且植被有利于城市熱島效應的緩解；岳文澤等［8］利用Landsat7 數據對上海市地表溫度與歸一化植被指數（NDVI）間的關系進行分析；黃金海等［9］利用TM影像分析了杭州市城市熱島效應與植被的相關性；裴志方等［10］利用Landsat8 數據研究了鄭州市的熱環境，發現鄭州市高溫區域主要集中在三環內，且地表溫度與植被覆蓋度為負相關關系。

本研究以河南省開封市為例，利用多年遙感Landsat 數據反演植被覆蓋度及城市地表溫度分布規模，并分析多年來的變化趨勢，結合NDVI、植被覆蓋度的變化進行對比分析，探討開封市熱島效應的時空變化特征，以期為開封市經濟建設高效健康發展，為今后研究區科學合理的開展城市生態規劃、綠化建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

開封市地處河南省東部（北緯34°11'45″—35°01'20″，東經113°52'15″—115°15'42″），太行山東南部，西臨鄭州市，總面積達6 266 km2。開封市屬于典型的暖溫帶大陸性季風氣候，植物種類較多。植物除了美化環境外，還能有效阻擋太陽能對城市地表的直接照射，減弱城市地面的地表溫度，緩解城市的熱島效應。隨著城市建設的擴張、不合理的建設規劃、人口數量的擴張及生態環境的破壞，導致熱島效應日益突出，因此探究熱島效應具有現實意義。

1.2 數據來源

本研究所有數據有2008 年、2014 年、2018 年3年Landsat 遙感影像。2008 年的遙感影像是由Land?sat5 攜帶的傳感器TM 獲取，2014 年、2015 年的遙感影像是由Landsat8 衛星獲取，預處理工作主要包括影像的幾何校正、輻射定標、裁剪等處理。

1.3 數據處理及計算

目前主要利用大氣校正法、單窗算法和分裂窗算法反演地表溫度。其中，大氣校正法較為成熟且精度較高［11］，因此本研究利用大氣校正法反演地表溫度，并利用Envi 進行數據處理。數據的預處理主要是為了提高影像質量、減少誤差、增加結果的精準度。

1.3.1 NDVI 與植被覆蓋度計算 植被指數反映地表植被覆蓋情況，是人為因素對環境影響反應的指標之一。植被指數能夠顯著反映地表植被的覆蓋情況，其主要利用遙感Landsat 數據進行反演估算，其數值越大，則植被覆蓋度越高。

式中，NDVI 為歸一化植被指數，NIR、R 分別為近紅外波段、紅色波段處的反射率。利用NDVI數據計算植被覆蓋度。

式中，PV表示植被覆蓋度，NDVIS表示像元為純土壤時的植被指數，NDVIV表示像元為全植被覆蓋下的植被指數。NDVIV=0.70時，NDVIS=0.00，當NDVI大于0.70 時，PV=1；當NDVI 小于0.00 時，PV=0。

1.3.2 地面比輻射計算 在城市熱島效應研究過程中，當下墊面處于100～120 m 時，空間分辨率較復雜，其主要是由于城市中各種建筑物、公路等不透水面鋪裝和城市綠化所影響。因此，將研究區主要劃分為城鎮像元、鄉村和城市及自然表面、各種林地、農田、陸地表面等。其中植被、裸土和建筑表面的比輻射率［12］分別取0.986、0.972、0.970。地面比輻射率可以通過可見光和近紅外光譜信息來估算［13］。因城市中的水體、自然表面、城鎮會使研究產生誤差，為了更加準確地計算研究區地表比輻射率數據，利用覃志豪等［14］的方法分別對其進行分類地表比輻射計算。其中，水體像元比輻射率為固定值0.995，自然表面像元和城鎮區像元比輻射率需要用公式計算。

式中，εsurface和εbuilding分別為自然表面像元和城鎮區像元的比輻射率，PV為植被覆蓋度。

1.3.3 黑體輻射亮度計算 熱紅外輻射亮度值Lλ是由τ、Lu、Ld共3 部分組成。

式中，Lλ為衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值，ε為地表比輻射率，TS為地表的真實溫度，B（TS）為黑體熱輻射亮度，Lu為大氣上行輻射，Ld為大氣下行輻射，τ為大氣透過率。

本研究利用Landsat5、Landsat8影像中MTL.TXT文件中獲取成像時間、中心經緯度，并在NASA 公布的網站通過MODRAN 模型計算得到τ、Lu、Ld。

1.3.4 地表溫度計算 為了更為直觀地衡量城市熱島強度的大小，采用地表溫度（TS）來作為參考依據［15］，并將研究區溫度劃分為5 個溫度分區來反映研究區熱島強度大小。

式中，TS為地表溫度，K1和K2在影像文件說明MTL.TXT 獲取，對于Landsat 5、Landsat 8 遙感數據：K1=607.76、K2=1 260.56；K1=774.89、K2=1 321.08。

2 結果與分析

2.1 NDVI空間變化分析

NDVI 的空間變化是指2008—2018 年研究區內的植被覆蓋變化，利用自然間斷點分級法［16］將研究區NDVI 劃分為5 個等級來反映土地利用中植被覆蓋率的變化情況。由表1 可知，2008 年開封市NDVI最小為-0.54，最大為0.75，平均為0.34；2014 年ND?VI 最小為-0.10，最大為0.56，平均為0.32；2018 年NDVI最小為-0.20，最大為0.59，平均為0.31。

表1 2008—2018 年開封市的NDVI

由圖1 可知，研究區內NDVI 伴隨城市擴建呈降低趨勢，主要以開封市區以內的區域向祥符區、尉氏縣、通許縣、杞縣、蘭考縣擴散。這是由于自2009 年以來政府著重實施開封市工業強市戰略，且國家在2013 年提出的一帶一路、美麗鄉村建設等倡議，加快了開封市城市化建設，使得周邊縣市工廠數量增加、鄉鎮公路和道路完善。在占用土地面積的同時，一部分不透水面鋪裝使研究區內NDVI 降低。面對資源緊缺、生態退化，近年來國家不斷推動生態文明城市的建設，使人們的生態意識不斷增強，城市的綠化數量有所提升，人居環境得到完善。

圖1 2008—2018 年開封市NDVI的空間變化

2.2 城市地表溫度空間變化分析

根據Landsat 遙感數據反演研究區地表溫度，結果（表2）表明，2008 年最低溫度為16.17 ℃，最高溫度為36.86 ℃，平均溫度為25.45 ℃，標準差為2.86 ℃；2014 年最低溫度為11.15 ℃，最高溫度為36.84℃，平均溫度為22.42 ℃，標準差為1.90 ℃；2018 年最低溫度為9.00 ℃，最高溫度為39.82 ℃，平均溫度為29.62 ℃，標準差為3.06 ℃。根據GIS 軟件相等間隔分級功能將研究區溫度劃分為5 個等級，詳見表3。

表2 2008—2018 年開封市的地表溫度 （單位：℃）

表3 2008—2018 年開封市的溫度等級劃分（單位：℃）

為進一步分析開封市2008—2018 年溫度分布特征，提取2008 年、2014 年、2018 年不同溫度等級區域的面積，結果（表4）表明，2008 年以次低溫區為主，占研究區總面積的50.33%，次高溫區僅占總面積的12.50%，而2014 年則以中溫區為主，占總面積的61.65%，比2008 年中溫區增加27.16 個百分點，次低溫區減少15.66 個百分點。這是由于城市工業不斷發展，使得建筑和工業氣體排放增多，一定程度上增加了城市的熱環境；且交通運輸業的發展致使中溫區面積增加，次低溫區面積減少。2018 年以次高溫區為主，占總面積的63.41%，比2008 年增長50.91個百分點，高溫區面積增長9.63 個百分點，次低溫區面積降低49.64 個百分點。在開封市發展建設中，植被覆蓋度減少與不透水面的增加、溫室氣體的排放對城市熱環境影響最大。總體來看，2008—2018 年開封市次低溫區的面積減少，次高溫區和高溫區面積上升。研究表明，城區熱島效應與不透水面有極顯著負相關關系，且人為活動、煤炭燃燒和大氣逆輻射等因素都是增強熱島效應的因素［17，18］。

由圖2 可知，研究區地表溫度空間分布變化明顯，整體上呈高溫擴大趨勢，且由開封市區向祥符區、尉氏縣、通許縣、杞縣、蘭考縣擴散。2014 年汴西區、通許縣高溫區顯著增加，與2009 年以來工廠數量的增加及旅游業的發展有關。熱島的空間變化特征和土地利用變化緊密聯系［19］，開封市工業的不斷發展、新建廠區數量的不斷增加及植被覆蓋率的減少，使2008—2018 年高溫區由開封市區向祥符區、尉氏縣、通許縣、杞縣、蘭考縣擴散增加。

2.3 NDVI與地表溫度相關性分析

對地表溫度與NDVI進行相關性分析，隨機選取121 個樣點，分別對開封市2008—2018 地表溫度與NDVI 進行相關性分析，建立一元回歸方程，從而有效分析地表溫度與NDVI 間關系。由圖3 可知，研究區地表溫度與NDVI 呈負相關，即地表溫度隨NDVI的增加而降低，其結果與已有研究結果［20，21］高度吻合。相關研究表明，當研究區NDVI大于總體用地的30%時，有利于熱島效應的削弱［22］。因此在增加城市NDVI 的同時，減少溫室氣體排出、改進地面材料的透水性等能夠有效緩解城市熱島效應。

3 結論

本研究基于Landsat5、Landsat8 遙感影像，對開封市2008—2018 年城市NDVI、植被覆蓋率、地表溫度進行了反演，對植被覆蓋度以及年平均氣溫進行了分析，主要結論如下。

表4 2008—2018 年開封市各溫度分區分布特征

圖2 2008—2018 年開封市地表溫度的空間分布

圖3 2008—2018 年開封市地表溫度與NDVI的相關分析

1）2008—2018 年開封市熱島面積呈增加趨勢，這是由于開封市工業不斷發展、大量的不透水鋪裝及城市植被覆蓋度的減少、土地利用的不合理導致的。開封市熱島空間分布均存在由開封市區快速向祥符區、尉氏縣、通許縣、杞縣、蘭考縣輻射擴張的趨勢。開封市地表溫度與NDVI呈負相關，在增加植被覆蓋的同時減少不透水面面積能夠有效降低城市熱環境。

2）2008 年以來，開封市年平均氣溫和高溫日數均呈升高趨勢。開封市中溫區、次高溫區明顯增加，次低溫區明顯減少，城區氣溫增加速度大于郊區，為熱島的形成提供了熱量基礎。

3）目前，中國城市化發展迅速，在城市基礎設施不斷完善的同時，應考慮城市生態環境等問題，在發展城市經濟的同時，應科學合理地建設城市，提高城市環境質量。相關研究表明［23］，在發展過程中發現以不透水面為主的人工地表鋪裝、植被覆蓋度的降低是城市熱島效應產生的關鍵因素，而高溫區主要集中在市中心人流量密集區、大型工廠及火車站等建筑群密集和車流量密集區。因此，在今后的城市建設過程中應綜合考慮植被的降溫作用，高度重視城市熱島效應，加強生態文明的建設，為城市綠色健康的發展提供支持。