基于不同土地利用類型的植被指數與地表溫度的關系——以張家口市為例

曹倩倩,劉瑞芬

基于不同土地利用類型的植被指數與地表溫度的關系——以張家口市為例

曹倩倩,劉瑞芬*

河湖生態修復與藻類利用湖北省重點實驗室, 湖北工業大學土木建筑與環境學院, 湖北 武漢 430068

本文以河北省張家口市區六個區作為研究對象，基于Landsat 8遙感影像、土地利用數據和ArcGIS空間分析技術，獲取歸一化植被指數()以及陸地表面溫度（）的空間分布，并采用多重比較量化分析六種土地利用類型下、值的差異，最后通過線性回歸方法分析不同土地利用類型與之間的關系。結果表明，張家口市區的和的空間上值的分布呈相反趨勢。對于而言，城鄉工礦居民用地與耕地、草地、林地等土地利用類型存在顯著性差異；對于而言，耕地與草地、林地、城鄉工礦居民用地等土地利用類型存在顯著性差異。不同土地利用類型下的和呈現出明顯的負相關關系，判定系數2=0.519。結果可以為張家口市城市生態規劃以及緩解熱島效應提供科學依據。

土地利用; 地表溫度; 植被指數

在快速城鎮化的過程中，水泥和瀝青的硬化人工地表逐漸取代了自然地表，城市土地覆蓋的局部景觀格局的改變使得整個區域的生態環境狀況發生了變化[1]，以及人口的快速增長和工業的發展，大氣環境、地表結構和人為熱排放等多種因素相互作用，從而使得城市內部溫度要高于郊區的溫度，形成了熱島效應[2]。植被覆蓋可以通過蒸騰作用影響著地表的能量平衡[3]，植被的光合作用還可以將光能轉化為化學能[4]，通過蒸騰作用和光合作用影響著地氣之間的熱交換形式和減小太陽輻射效應，從而降低地表溫度，進而緩解城市熱島效應。植被指數()用來衡量植被覆蓋度。城市的不同土地利用類型如建設用地、耕地、林地有不同的植被覆蓋度，對地表溫度()也有著不同的影響，因此量化城市尺度下不同土地利用類型的植被覆蓋度及植被覆蓋度對地表溫度的影響可以指導土地利用布局，對緩解城市熱島效應和構建生態友好城市有著重要的意義。

近年來隨著遙感技術的發展，星載遙感傳感器可以以較短的周期和成本快速準確的獲取地表的下墊面的溫度特征[5]，因此在土地利用及其覆蓋變化與的關系的研究中得以廣泛應用。牟雪潔[6]、彭文甫[7]、劉宇[8]等人從熱島效應分布特征的角度探究了研究土地利用與之間的關系；彭璐[3]、高尚[4]等人使用遙感影像研究的變化值對變化的影響，量化變化值和變化值之間的線性關系，研究表明不同的范圍對的影響不同；Wilson JS[9]、岳文澤[10]、Lo CP[11]、周媛[12]等人運用遙感影像和GIS空間分析技術探討了不同土地利用類型下的、值的差異，以及不同土地利用與之間的關系，研究均表明、在不同土地利用下存在差異，并且與存在著明顯的負相關關系，該研究為城市規劃以及綠地系統規劃提供技術支撐和依據。但是這些研究的研究區域多集中于南方植被茂盛的城市，例如福建省廈門市、平澤島以及上海市,對于北方植被較稀疏的城市研究比較少。本文以北方城市張家口市區為例，利用張家口市區一級土地利用類型shp文件和Landsat8遙感影像進行和地表溫度的反演，量化與的關系，進而探討不同土地利用類型下的與之間的關系，對張家口緩解城市熱島效應和建成更加生態友好城市的生態規劃提出依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及數據來源

張家口市屬于河北省西北部區域（如圖1），介于113°50′～116°30′E，39°30′～42°10′N之間。張家口市整體地勢西北高、東南低，有壩上高原區、壩下山間盆地區兩大典型地貌區，兩種地貌以陰山山脈大馬群山分水嶺為界，屬溫帶大陸性季風氣候，有干旱、風沙、霜凍和雹災等主要災害。

本文研究區域為張家口市區，包括橋東區、橋西區、宣化區、崇禮區、下花園區、萬全區等六個區（如圖1），區域面積達6429 km2。土地利用類型主要分為耕地、草地、林地、城鄉工礦居民用地、水域、未利用土地等六大類型，占地比分別為36.5%、32%2、24.49%、6%、1%、0.01%。

圖 1 張家口市區的地理位置以及各個分區

本研究以2015年7月12日河北省張家口市Landsat 8遙感影像作為數據源，其空間分辨率為30 m，包括陸地成像儀OLI含9個波段和熱紅外傳感器TIRS含2個波段等11個波段。應用Landsat8 OLI的第4、5波段進行研究區的波段運算，同時利用Landsat8 OLI獲得的第4、5波段運算得到的和Landsat8 TIRS10反演研究區的。同時結合張家口市2015年的土地利用現狀shp文件，將研究區的土地利用類型分為耕地、草地、林地、城鄉工礦居民用地、水域、未利用土地等六種類型（如圖2）。從研究區的土地利用布局來看，林地主要集中于崇禮區，草地主要集中在萬全區和橋東區兩個區域，建設用地大多數分布于橋東區、橋西區、宣化區，耕地和草地為主要用地類型，面積百分比為68.5%。

圖 2 張家口市區土地利用類型圖

1.2 植被指數及地表溫度計算

歸一化植被指數提取，有研究表明指標可以很好的表征植被覆蓋狀況和地表輻射溫度[11]。通過綠色植物的紅外波段和近紅外波段反射光譜的差異可以進行的計算。波段運算時，先要對Landsat8 OLI的遙感影像進行輻射定標和大氣校正，然后對經過處理的遙感影像進行波段運算。的計算公式如（1）所示。計算出來的值介于-1～1，一般認為在植物的生長季節>0，表示有植被覆蓋，值越大說明植被越茂盛，超過0.5表明植被生長茂盛[12]。

式中：5，4分別表示紅光波段Band4和近紅外波段Band5的灰度值。

地表溫度反演，本研究利用Landsat8 TIRS10波段所接收到的地面各處的熱輻射值進行定量反演，采用胡德勇[13]的改進的Landsat8陸地表面溫度計算的方法：利用ENVI軟件進行遙感影像處理，首先分別對Landsat8 OLI和Landsat8 TIRS10數據進行輻射定標，接著對Landsat8 OLI數據進行大氣校正、利用其第4、5波段進行和植被覆蓋度計算（見式2）、再進行地表比輻射率的計算（見式3、4、5），結合基于Landsat8 TIRS10數據進行輻射亮度的計算以及從航天局獲取的大氣剖面參數，進行同溫度下黑體輻射亮度的計算（見等式6），最后運用波段運算得出（見式7）。

基于像元二分模型估算植被覆蓋度計算，NDVI裸土或者建筑表面的值，NDVI為全植被覆蓋區的值。本研究區域實際的植被覆蓋狀況將NDVI設置為0.05，將NDVI設置為0.7，當像元的>NDVI時，代表全植被覆蓋，P=1；當像元的>NDVI時，代表裸土，P=0。

城鎮地表、自然地表兩類混合像元地表比輻射率計算。植被、建筑表面、裸土的純凈像元的地表發射率分別為ε=0.986、ε=0.970、ε=0.972，城鎮地表可大致看作是建筑表面和植被組成的，自然地表可看作是植被和裸土組成的。

地表比輻射率計算公式中，溫度比率R定義為R=(T/)4，植被R、建筑表面R、裸土R的溫度比率可以使用上式的公式求出[14]：

式中T，T分別代表亮溫和地表溫度（K），代表TIRS波段；L(T)為亮溫為T時傳感器接收到的輻射能量(W?m-2?sr-1?μm-1)；L(T)為為T時的輻射能量(W?m-2?sr-1?μm-1)；τ為大氣透過率（無量綱）；ε代表地表發射率（無量綱）；L↓為大氣下行輻射(W?m-2?sr-1?μm-1)；L↑為大氣上行輻射(W?m-2?sr-1?μm-1)。通過航天局獲取的數據張家口市區的τ=0.79，L↓=2.88，L↑=1.69。

地表溫度表達式如上式所示[15]，Landsat8中，通常取1=774.8853，2=1321.0789，再將計算結果的單位轉化成攝氏度。

1.3 研究方法

研究主要用到的數學分析方法有post-hoc多重比較分析、線性回歸分析。多重比較方法是通過對總體均值之間的兩兩比較，來檢驗各個因素總體均值之間相等或者差異的關系。線性回歸分析是利用數學關系來確定兩種或者兩種以上的變量之間的相互依賴的定量關系的統計分析方法。

本研究中使用post-hoc多重比較分析的方法，分析耕地、草地、林地、城鄉工礦居民用地、水域兩兩土地利用之間總體均值差，分析兩種土地利用類型之間、的差異程度。使用線性回歸分析，分析基于土地利用類型的和之間的線性關系，判斷對不同土地利用類型的的影響程度。

構建特征剖面，以張家口市政府（114.892，40.774）為中心原點坐標，分別向東西南北四個方向延展至區域邊界，最終形成東西、南北兩個方向的軸線（如圖3），在ArcGIS軟件中進行數據處理，獲得東西、南北兩條軸線上和的值剖面。

圖 3 東西、南北方向特征剖面軸線

2 結果與分析

2.1 NDVI與LST計算結果與剖面變化情況

張家口市區與空間分布如圖4所示，二者值的空間分布具有相反的趨勢，值大（?。┑膮^域一般較?。ù螅＞唧w來說，在研究區域東北部的值相對較大，相應的的值比較?。坏妮^大值出現在區域中部和南部。同樣的，和空間分布呈相反的趨勢在同類型研究中均有發現[16,17]，充分說明區域的植被覆蓋會直接影響到，主要通過影響熱輻射、熱動力和土壤水分等地表特征來使得發生變化[18]。

(a)NDVI空間分布圖；(b)LST空間分布圖

和在東西和南北兩個方向剖面的值的變化趨勢情況如圖5。東西方向最大值為0.79，其土地利用類型為林地，最低值為0.09，其土地利用類型為城鄉工礦居民用地。還可觀察到東西方向剖面居中區域，當林地與城鄉工礦居民用地相鄰時，林地的要明顯高于城鄉工礦居民用地的，如圖5(a)所示。的最高值及次高值分別為48.88 ℃和48.59 ℃，所對應的土地利用類型為耕地和城鄉工礦居民用地，最低值為22.63 ℃，所對應的土地利用類型為林地。張家口市的耕地類型有水田和旱地兩種，種植的作物類型也較多樣，不同的作物類型對溫度造成的影響也不同，導致東西方向上耕地溫度值（范圍為24.96～48.88 ℃）波動比較大，出現耕地溫度偶然值是最高值的現象。南北方向的最大值及最小值分別為0.71和0.07，所對應的土地利用類型為林地和城鄉工礦居民用地，與東西向的極值相同。南北方向的最高值為47.1 ℃，對應的土地利用類型為草地，最低值及次低值分別為30.11 ℃和30.29 ℃，對應的土地利用類型為耕地和林地。草地的出現最高值一方面可能是受到周邊土地利用類型的影響，如圖5(d)右側區域，城鄉工礦居民用地周邊的草地較高，另一方面可能草地生長狀況不太好，出現了相對裸露的地表，較低就出現草地的溫度最高的現象。

從圖中可以看出，東西和南北方向的與總體呈現出相反的變化趨勢，增長時，減少，在高值區時對應的處于低值區，和的折線圖關于水平方向對稱。但對于同一種土地利用類型（如林地），當其最大時對應的不一定最小，為深入分析不同土地利用類型下的、的差異性，需對研究區的土地利用類型的和進行統計分析。

(a)東西方向NDVI變化趨勢 (c)南北方向NDVI變化趨勢(b)東西方向LST變化趨勢 (d)南北方向LST變化趨勢

2.2 不同土地利用類型的NDVI與LST統計分析

本文利用ArcGIS軟件對土地利用類型數據與、的柵格圖像分別進行疊加，分區統計不同土地利用類型下的、的平均值（對應區域的像元均值）和標準差，統計結果如圖6所示。結果表明，不同土地利用類型下的、的平均值有所差異。林地的平均值最大為0.65，耕地和草地的平均值均為0.46，城鄉工礦居民用地平均值最低為0.29。林地的平均值最小為34.21 ℃，耕地和草地的平均值也較接近，城鄉工礦居民用地平均值最高為40.84 ℃。其中林地的最大對應的最低，城鄉工礦居民用地的最低對應的最大。有研究發現[19]，林地在所有土地利用類型中，對溫度的影響最大，與本文結果一致。

圖 6 不同土地利用類型下的NDVI、LST平均值及標準差

從上文結果來看，不同的土地利用類型上的和的平均值存在差異，但是平均值并不能表示這種差異的顯著程度。為深入了解不同土地利用類型之間兩兩的差異顯著程度，采用了TamhanceT2 post-hoc多重比較對東西、南北兩個軸向上土地利用類型的、的均值差進行分析，檢驗結果如表1，表2所示。對于來說，耕地與林地、城鄉工礦居民用地，林地與草地、城鄉工礦居民用地，草地與城鄉工礦居民用地等五組土地利用類型下存在顯著性差異。對于來說，耕地與林地、草地、城鄉工礦居民用地，林地與草地、城鄉工礦居民用地等五組土地利用類型下存在顯著性差異。

多重比較分析的結果進一步證實，林地與耕地、草地的存在著顯著的差異，出現這種差異可能是由于林地與耕地、草地的葉面積指數()有所差異。葉面積指數是指植物所有葉片面積的總和與植物所覆蓋的地面面積的比值，能夠反映截獲的太陽輻射、進行氣體交換的潛在的葉片[20]。根據謝軍飛[21]的研究，林地最大值介于3.18～3.81之間，作物的最大值為1.44，草地的最大值為2.36，因此一般而言林地的值是要高于耕地和草地的。又由于與存在相關關系[22-23]，Baret[24]認為兩者之間的函數關系可近似表示為：=1-exp（-K*），消光系數K取值范圍為0.7～1.4，因此林地和耕地、草地也出現顯著性差異。城鄉工礦居民用地與耕地、林地、草地的均存在著顯著性的差異，這是由于城市化過程中人口聚集，對大自然進行森林采伐以及地面硬質化等，導致城鄉工礦居民用地缺乏綠色植被[25]，所以城鄉工礦居民用地的最低。

不同土地利用類型的出現顯著差異也與有關。在沒有水分限制時，主要表示地表蒸散，包括蒸發（裸土以及植被冠層截獲水分的蒸發）和植物的蒸騰，很大程度上有蒸散的能量（潛熱）來決定[26]。顯熱和潛熱通過近地層大氣和下墊面能量和水分交換而產生[27]。在植被生長旺盛的地方，和值高，植被生命活動旺盛，蒸騰量大，蒸騰阻力小，潛熱占比增大，地表溫度降低[26]。由于林地的是要高于耕地、草地，且劉鳳山[28]的模擬結果顯示，森林(=2.23)>農田(=1.04)>草地(=0.62)，三者的蒸騰量不同，潛熱占比不同，因此三者的也存在著顯著性的差異。城鄉工礦居民用地與耕地、林地的存在著較大的差異，但是與草地的差異性并不顯著。顯著是因為城鄉工礦居民用地為人工地表植被較少，其較耕地、林地等自然地表的低，植被的蒸騰量小，地表溫度高。與草地的差異不顯著，有可能是相鄰的城鄉工礦用地與草地進行氣體交換、流通，形成局部氣體環流[29]，所以差異不明顯。

表 1 土地利用類型的NDVI多重比較

表2 土地利用類型的LST多重比較

*平均值差值的顯著性水平為0.0001

2.3 不同土地利用類型的LST與NDVI的定量關系

張家口市的與的線性回歸分析如圖7所示，總體來說與呈明顯的負相關關系，判定系數2=0.519。岳文澤對于上海城市市區的和的研究，和存在著明顯的負相關關系，判定系數2=0.497，與本文的研究結論一致。對不同的土地利用類型的與的線性回歸分析如表3所示。水域的與為負相關關系，但是其線性關系不強烈，有研究表明，水體具有特殊性，其和具有正相關關系[30,31]，與本文研究結果相反，這可能是由于本文研究中水域的樣本數量較少（見表3），導致線性關系不明顯，水域的和的相關關系仍需要進一步探究。除水域外，其它四種類型的土地利用的和呈現明顯負相關關系，且線性關系較顯著，相關的線性回歸函數如表3所示。一次項系數最大的是耕地，最小的是城鄉工礦居民用地，代表著隨著的增加，耕地的降低的最快、城鄉工礦居民用地的降低的最慢，耕地比城鄉工礦居民用地隨著的變化的敏感性比較高。

圖 7 NDVI與LST的線性回歸圖

表 3 不同土地利用類型的回歸函數分析

3 結論

本文基于Landsat8遙感影像數據和GIS空間分析技術，分析了張家口市區和的空間格局，范圍為-0.55～0.94，的范圍為1.02～59.9 ℃，且兩者的空間上值的分布呈相反趨勢。東西、南北兩條特征剖面線同樣顯示，各方向上的兩者均呈現相反的變化趨勢，增長時減少，高時對應的低，東西和南北方向的的最高值對應的均是林地，最低值對應的均是城鄉工礦居住用地，且各方向的和的折線圖關于水平方向對稱。

不同土地利用類型下的、的平均值有所差異，在所有類型中林地的平均值最大為0.65，耕地和草地的平均值均為0.46，城鄉工礦居民用地平均值最低為0.29；林地的最小為34.21 ℃，耕地和草地的也較接近。

不同的土地利用類型下、存在顯著性差異。對于而言，城鄉工礦居民用地與耕地、草地、林地等土地利用類型存在顯著性差異；對于而言，耕地與草地、林地、城鄉工礦居民用地等土地利用類型存在顯著性差異。研究區域除水域之外的與的回歸函數為顯著的負相關關系。不同的土地利用類型的負相關關系的相關程度不同，不同的土地利用類型的對于的影響效果不同。其中，耕地的變化對影響較大，城鄉工礦居民用地的對影響比較小。本文研究成果能夠為緩解城市熱島效應提供理論依據，可以為張家口市的城市生態規劃提供科學依據。

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Relationships between Normalized Vegetation Index and Land Surface Temperature Based on Different Land Use Types——A Case of Zhangjiakou City

CAO Qian-qian, LIU Rui-fen*

430068,

Based on Landsat 8 remote sensing data and ArcGIS spatial analysis technology, the spatial normalized vegetation index () and surface temperature () were studied for Zhangjiakou City in Hebei Province. Different values ofandfor six land use types were characterized and compared by the multiple comparisons method. Finally, the relationship betweenandof different land use types was analyzed by the linear regression method. The results show that the spatial distributions ofandin Zhangjiakou City have opposite trends. For, there are significant differences among urban-rural construction land, cultivated land, grassland, woodland and other land use types. For, there are significant differences among cultivated land, grassland, forest land, and urban-rural construction land. The negative relationships exist betweenandunder different land use types, and the determination coefficient2=0.519. The study provides a scientific basis for urban ecological planning and heat island alleviation in Zhangjiakou City.

Land use; land surface temperature; normalized vegetation index

S181

A

1000-2324(2021)06-0955-09

2021-10-26

2021-11-12

國家自然科學基金青年科學基金資助項目:基于優先流控制的綠色屋頂植物-人工基質結構優化設計(51909081);國家科技重大專項水專項項目(2017ZX07101003-08)

曹倩倩(1997-),女,碩士研究生,主要研究方向:低影響開發技術及城市規劃. E-mail:1141617706@qq.com

通訊作者:Author for correspondence. E-mail:ruifen1986@aliyun.com