南寧市地表溫度與土地利用類型的關系研究

黃永霖,許貴林

(南寧師范大學，廣西 南寧 530001)

1 引言

地表溫度作為地表過程變化的一個重要參數，在全球氣候變化、地表輻射能量平衡、城市熱環境、資源環境監測等研究領域中扮演著重要的角色[1]。城市地表溫度是影響城市環境的指標之一，而城市地表溫度的變化則由諸多因素影響，其中城區的土地利用類型變更頻繁，是直接導致城市地表溫度發生巨變的一個重要因素。近年來，由于城市的快速發展，南寧市的城市結構變化導致城市氣候日趨惡劣,造成嚴重的城市熱島效應。因此探究南寧市城區地表溫度與土地利用類型的關系迫在眉睫,研究兩者作用機理可為南寧市的熱島效應治理提供輔助信息，為南寧市生態環境建設和人居環境優化提供科學依據。

研究地表溫度的方法有很多種,如氣象數據資料觀測法,布點數值觀測法,數據數值化模擬法,遙感數據法等[2]。由于Landsat-8衛星可提供長期、連續觀測且獲取方便的熱紅外遙感數據，加之如今各類反演算法都比較成熟的情況下，運用Landsat-8遙感影像數據并結合各類算法來反演地表溫度進行相關研究在當前應用十分廣泛。目前主流的溫度反演算法有以下幾種：大氣校正法[3](也稱“輻射傳輸方程”；Radiative Transfer Equation,RTE)、單通道算法[4](Jiménez-Muoz等)、單窗算法[5](Qin等，2001)、劈窗算法[6](RozensteinO)。其中,覃志豪等[5]于2001年提出的單窗算法反演的結果精度較高，且得到廣泛的驗證,是常用的算法之一。近年來許多專家學者將該算法作為推算地表溫度的主要方法，并取得了不錯的效果。胡德勇以單窗算法結合Landsat-8遙感影像數據,通過遙感估算城區下墊面的地表發射率、大氣透過率等特征,可以較為準確地估算出地表不同覆被類型的溫度[7]。林平與馬術等人利用Landsat-8數據，通過大氣校正法和單窗算法反演城市地表溫度，表明采用單窗算法的反演結果精度較高[8-9]。熊瑋利用Landsat-8的遙感影像數據源,運用單窗算法對南寧市的熱島效應進行監測分類[10]。

故本研究以南寧市城區為研究區，利用Landsat-8遙感影像數據作為地表溫度反演以及土地利用類型劃分的數據源，采用反演精度較高的單窗算法估算南寧市城區地表溫度，分析城市熱島的空間分布特征；并運用支持向量機算法(SVM)對城區進行土地利用類型劃分，最后對溫度反演結果和土地利用類型的分類結果進行疊置分析，從小尺度城市內部分析地表溫度與土地利用類型的關系。為減緩城市熱島效應、改善城市環境、推進城市綠色發展提供可行性建議。

2 研究區概況

南寧市是廣西壯族自治區的首府城市，是西南出海通道最便捷的樞紐,簡稱邕。南寧市地形是以邕江廣大河谷為中心的盆地形態,地貌類型主要以平地為主,且南寧母親河邕江自西向東橫跨整個南寧市區。因其位于北回歸線南側，屬濕潤的亞熱帶季風氣候，夏季高溫炎熱，溫度大部分在32～35 ℃之間。且近年來南寧市多次上榜全國“火爐”排行，熱環境影響十分惡劣。本研究以南寧市主城區(環城高速公路為界的環狀，東經108°09′～108°35′,北緯22°40′～22°56′)為研究區域，面積約為905.36 km2，如圖1。

圖1 南寧市主城區衛星圖

3 數據來源與技術流程

3.1 數據來源

本文以覆蓋研究區的美國航天航空局Landsat-8衛星遙感影像為主要數據源(表1)。在地理空間數據云網站下載研究區2020年4月27日Lansat-8OLI/TIRS遙感影像，衛星影像過境時為當地時間下午3：10，

表1 Landsat 8影像的主要參數

晴朗無云且能見度高、圖像質量好。且通過查看歷史天氣知道當天當地平均氣溫為24 ℃。Landsat-8衛星搭載2個傳感器(熱紅外傳感器、陸地成像儀)，影像一共有11個波段，且衛星每16 d可以覆蓋全球一次。

3.2 技術流程

利用Landsat-8遙感影像數據為地表溫度反演以及土地利用類型劃分的數據源，采用反演精度較高的單窗算法估算南寧市城區地表溫度，分析城市熱島的空間分布特征；并運用支持向量機算法(SVM)對城區進行土地利用類型劃分，最后對溫度反演結果和土地利用類型的分類結果進行疊置分析，從小尺度城市內部分析地表溫度與土地利用類型的關系。技術流程如圖2。

圖2 技術流程

4 研究方法

4.1 數據預處理

Landsat系列遙感影像會受到大氣傳輸、大氣水汽、大氣中的固體顆粒、太陽輻射及傳感器特征的影響，因此要對遙感影像進行預處理。本研究基于Envi5.3軟件對圖像進行裁剪、輻射定標、大氣校正處理。輻射定標是對DN值與輻射亮度值和溫度值等這些物理量進行轉換，以便進行后續的定量化分析。而大氣校正則可以消除大氣中的水汽、固體顆粒等對影像的影響。對研究區影像進行輻射定標和大氣校正處理的結果如圖3、圖4。

圖3 輻射定標結果

圖4 大氣校正結果

4.2 地表溫度反演

本研究采用覃志豪根據熱傳導方程提出的單窗算法，該算法是為避免對于實時探空數據的依賴而建立的適用于僅有一個熱紅外通道的反演方法[5]。只需要3個參數(地表比輻射率、大氣透射率、大氣平均作用溫)就可以反演地表溫度。在參數有適度誤差時，該方法精度仍然可達<1．1 ℃[5]。

下面將選用Landsat-8TIRS10波段來推導和計算應用于研究區域的單窗算法，如式(1)所示。

TS={a(1-C-D)+[b(1-C-D)+C+D]Tb-DTa}/C

(1)

式(1)中，TS為地表溫度;a，b為地表溫度反演回歸系數，根據經驗參考系數分別取值a=-62.73566，b=0.43404，Tb為地表亮度溫度(K)；Ta為研究區大氣平均作用溫度(K)，C與D為中間變量，計算公式如式(2)、(3)：

C=δτ

(2)

D=(1-τ)[1+τ(1-ε)]

(3)

式(2)、(3)中ε為大氣透過率；τ為地表比輻射率。

4.2.1 地表亮度溫度計算

地表亮度溫度可以由定標后的影像通過普朗克公式計算得到，如式(4)所示:

Tb=K2·ln(K1/L+1)

(4)

在(4)式中，系數為K1，K2，可由影像頭文件獲取。K1=774.89W，K2=1321.08K。

L為輻射亮度，計算公式L=0.055158×DN+1．2378，式中DN為Landsat-8TIRS10波段的灰度值。

4.2.2 地表比輻射率計算

地表比輻射率(ε)又稱發射率，是同一溫度下地表發射的輻射量與黑體發射輻射量的比值,是地表溫度反演的基本參數之一[11]。本研究采用歸一化植被指數(NDVI)和改進歸一化水體指數(MNDVI)來計算地表比輻射率[12]，公式如下：

ε=0.995MNDVI>0 水體

4.2.3 大氣透過率計算

在本研究中，大氣透射率由美國宇航局(NASA)官方網站上的大氣透射率計算工具計算得到。在NASA官方網站 (http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中輸入成像時間以及中心經緯度，即得到大氣透過率。

4.2.4 大氣平均作用溫度計算

大氣平均氣溫計算采用覃志豪[5]提出的公式(表2)計算得到。

表2 大氣平均溫度計算公式

表2中Ta為大氣平均作用溫度；T0為近地表氣溫。本文采用表中式3(中緯度標準大氣)計算大氣平均溫度。

4.3 土地利用類型劃分

在充分考慮南寧市的土地利用結構及地表覆被特征，結合Landsat-8遙感影像數據的分辨率并參考前人的研究結果，本研究將城區土地利用類型劃分為林地、耕地、水體、建設用地、裸地及草地六大類。分類采用支持向量機算法(SVM)的分類方法，該算法是基于傳統統計學理論的機器學習算法，最大的特點就是花費時間短，工作效率高，精度高。最后需要對分類結果進行精度驗證，本研究結合谷歌地圖構建驗證樣本對分類結果進行精度驗證，計算總體分類的精度為87.3%；在圖像上隨機選取的點與實地考察的結果一致，說明分類精確，分類結果符合研究需要。

5 結果分析

5.1 地表溫度反演結果

利用Landsat-8數據反演得到的研究區地表溫度結果見圖5，并查找了2020年4月27日當天南寧市氣溫數據，南寧市當日的最低氣溫與最高氣溫分別為18 ℃和30 ℃，在下午3:00氣溫更是達到了最高氣溫30 ℃，反演結果90%以上像元溫度值位于南寧市當日所查詢的溫度范圍，且從反演的地表溫度圖以及對比南寧市氣象局發布的相關研究成果，可以認定本研究的結果符合實際，有一定的參考價值，因此利用Landsat-8數據探究南寧市城區城市熱島效應是有效可行的。

圖5 南寧市城區地表溫度

通過南寧市主城區地表溫度圖可知，南寧城區當天地表最低溫度為17.7 ℃，最高溫度為44 ℃。根據地表溫度反演實際情況采用自然斷點法將地表溫度反演結果設定為4個溫度區間，分別為低溫區:17.7～23 ℃;中溫區:23～28 ℃;次高溫區:28.0～33.0 ℃;高溫區:33.0～44.0 ℃;得到南寧市熱島強度分布圖，如圖6所示。

圖6 熱島強度分布

從熱島強度分布圖可以看出各溫區區域邊界線明顯，南寧市城區地表溫度存在顯著差異性，表現出城市熱島的基本特征。分別將4個溫度區間的地區提取出來并統計面積占比，見表3，得到低溫區占研究區總面積的4.7%，主要分布在城區東部的林地區域及邕江水域區域、湖泊；中溫區占研究區總面積的45.1%，主要分布在環城區郊外的耕地區域;次高溫區占研究區總面積的45.4%，主要分布在城市建成區;高溫區占研究區總面積的4.8%，主要分布在研究區西部的建筑密集區域及人口密集區。次高溫區及高溫區主要位于邕江兩岸，分布輪廓基本與城市建成區吻合。根據當天氣象資料可知，南寧市當天溫度在18～30 ℃，與實際反演結果大致相同。

表3 地表溫度各區間面積占比情況

5.2 土地利用類型分類結果

將分類結果做成南寧市城區土地利用專題圖(圖7)，分類結果能正確反映南寧市城區的土地利用情況。為了得到各土地類型的面積范圍，對分類結果進行數據統計，統計結果見表4，其中建設用地的面積為37513.36 hm2,占比最大，其次是耕地；而水體面積為3859.44 hm2,占比最小。

圖7 南寧市城區土地利用類型

表4 土地利用類型面積統計

5.3 土地利用與地表溫度的關系研究

為探究不同土地利用類型與地表溫度的關系，對地表溫度反演結果與土地利用分類結果進行疊加分析。并對各地類地表溫度進行統計，得到表5、6。

表5 土地利用類型地表溫度統計 ℃

從表5、表6可以看出，當天南寧市地表最低溫度是17.7 ℃，最高溫度為44 ℃，對應的土地利用類型分別為水體和建設用地。在高溫區中，建設用地的面積最大，其次是裸地。而在低溫區中，水體的面積最大，其次是林地。這可以得出建設用地與裸地對地表溫度的升高貢獻相對較大, 其次是草地、耕地，而林地和水體對地表溫度升高貢獻最小,有明顯降溫作用。

表6 土地利用類型面積統計 hm2

以上結果表明不同的土地利用類型，其地表溫度不同。兩者之間的關系可以用關系式表示為：T建設用地>T裸地>T草地>T耕地>T林地>T水體,其中T代表地表平均溫度。這樣的直接結果就是造成形成以城市建設用地為高溫區的城市熱島效應。熱島效應的出現則會嚴重影響人們的日常生活，而在現實中為了有效應對城市熱島效應帶來的危害，根據本文研究可以從兩個方面入手：一是合理控制城市建筑的密度與高度，還有各類工業用地的規模，避免建設用地無序增長；二是在城市建設過程中適當增加綠化和建造人工湖泊等水體景觀，作為城市氣溫的調節器。以上兩個點可以遏制地表溫度上升，有效緩解城市熱島效應。

6 結論與討論

本文基于 Landsat8 遙感影像數據反演了南寧市城區2020年4月27日的地表溫度，并對城區土地利用類型進行劃分，揭示了該研究區城市熱島效應的基本特征及地表溫度與土地利用類型的關系，得出如下結論。

(1)南寧市城區存在明顯的熱島效應，高溫區域主要分布在建筑密集區與人口密集區域，即西鄉塘區、江南區；(次)高溫區域的輪廓基本與城市建成區輪廓相一致；南寧市城區的地表溫度分布特征為：由城市中心逐漸向郊區降低呈輻射狀。

(2)南寧市綠化建設較好，但城市熱島問題依然嚴重；南寧市城區建設發展較快，城市建成區不斷向外擴張，造成地表溫度有著與建成區向外擴張的趨勢，說明南寧市熱島有外溢效應，故今后在發展經濟的同時也要注意生態環境的建設。

(3)地表溫度與土地利用類型有顯著關系，地表平均溫度表現為:T建設用地>T裸地>T草地>T耕地>T林地>T水體，水體和植被可以降低溫度，對減緩城市熱島效應發揮重要作用，所以在城市建設過程中應加強保護，可適當增加城市綠化或建造人工湖泊等水體景觀。

(4)本研究存在有兩個不足之處：一是僅以一期影像反演地表溫度不具說服力。應以多期影像進行溫度的反演，才能力證研究區存在城市熱島效應，因此需要在接下來的研究中加以改正。二是在對地表溫度的驗證中，本研究僅簡單地用大氣溫度跟地表溫度作對比，這不夠科學嚴謹。因為地表溫度受諸多自然或人為因素的影響，不能直接就認定大氣溫度等同于地表溫度，所以地表溫度和氣溫的關系是一個值得研究的科學問題。