利用地理國情數據研究重慶市南岸區地表溫度影響因子

鄭稚棚 吳鳳敏 賈亞輝 張紅文 劉 穎 陳自力 梁均軍

(1. 重慶市地理信息和遙感應用中心, 重慶 401147;2. 自然資源部國土空間規劃監測評估預警重點實驗室, 重慶 401147)

0 引言

中國正處于高速城市化階段,人口的集聚和城市大規模建設導致了城市地表溫度明顯高于郊區[1],對城市生態環境和人類生產生活等造成較多不良影響[2],研究城市地表覆蓋與地表溫度之間的影響機制,對改善城市熱環境影響、指導未來城市規劃建設有重要意義[3]。城市熱環境研究主要有三種方法：地面觀測法、衛星遙感反演法、數值空間模擬法[4]。其中,地表溫度衛星遙感反演研究主要有輻射傳輸方程法[5]、單通道算法[6]、劈窗算法[7]。陸地衛星(Landsat)數據溫度反演一般采用單通道算法[8]或輻射傳輸方程法[9]。

已有研究表明,不同土地覆蓋類型對熱輻射影響存在差異,其中房屋建筑、道路等不透水面釋放熱量大、溫度高,而植被、水體等釋放熱量小、溫度低,能夠有效緩解熱島效應[10]。關于城市景觀格局和地表溫度的定量關系,各國學者做了大量研究[11],但采用的遙感數據主要為中低分辨率,如利用Landsat、中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)等數據獲取土地利用分類、植被指數、不透水面等數據。景觀格局指數主要用來量化城市空間形態,主要從斑塊類型水平指數(class level)和景觀水平指數(landscape level)來分析景觀格局[12]。

南岸區屬于重慶市中心城區重要組成部分,社會經濟發展速度快、土地利用強度高,本研究利用2021年Landsat-8數據和高精度的地理國情監測數據,基于輻射傳輸方程法對南岸區地表溫度(land surface temperature,LST)進行反演,分析不同地表覆蓋和地理單元類型的地表溫度狀況,以100 m網格大小為基礎,采用最小二乘法研究地表覆蓋、地理單元等與地表溫度之間相關性,通過斑塊密度、最大斑塊指數、邊緣密度、香農多樣性指數、聚合度等景觀格局指數計算,分析不同景觀格局下地表溫度特點,希望為城市未來規劃建設提供一定參考。

1 研究區及方法

1.1 研究區及數據

南岸區位于重慶市中心城區東南部,地理坐標為 106°03′14″～106°47′02″E、29°27′02″～29°37′02″N,面積約262 km2,南岸區西部和北部兩面與長江相鄰,東部和南部與巴南區相鄰,轄區內有8個街道、7個鄉鎮[13]。研究選擇衛星過境時天氣情況良好的Landsat-8影像,時間為2021年8月2日,南岸區對應行列號為127/40。Landsat-8熱紅外波段有2個,分別為TIRS10、TIRS11波段,研究采用TIRS10波段進行反演地表溫度。Landsat-8數據預處理包括輻射定標、大氣校正和正射校正,通過歸一化植被指數(normalized difference vegetation index,NDVI)、植被覆蓋度、比輻射率等參數計算,進一步反演得到地表溫度,再結合2021年地理國情監測數據開展相關性分析和空間格局分析(圖1)。

根據《自然資源部辦公廳關于印發2021年全國地理國情監測實施方案和技術規定的通知》(自然資辦函〔2021〕1087號),地表覆蓋分為種植植被、林草覆蓋、房屋建筑(區)、鐵路與道路、構筑物、堆掘地表、裸露地表、水域。總體上,南岸區林草覆蓋面積最大,為135.42 km2,占區域總面積的51.58%;房屋建筑(區)、鐵路與道路、構筑物三類總面積為60.97 km2;種植植被面積為28.47 km2,占比為10.84%;水域面積為23.84 km2,占比9.08%。其他使用數據包括：行政區劃數據、1∶50 000數字高程模型(digital elevation model，DEM)等,所有數據坐標均統一為國家2000大地坐標系108°帶。

圖1 研究技術路線圖

1.2 地表溫度(LST)反演

研究基于輻射傳輸方法使用TIRS10波段數據進行地表溫度反演,計算公式為

式中,Lλ為衛星傳感器熱紅外輻射亮度值;Ts為地表真實溫度;τ為大氣透過率;ε為地表輻射率;L↑和L↓分別為大氣上行和下行輻射亮度;K1和K2分別為熱紅外波段定標常數,分別為774.89 W·m-2·sr-1·um-1、1321.08 K。大氣上、下行輻射及大氣透過率數據,在 NASA 官方網站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中輸入成像時間及中心經緯度,得到結果為3.30 W·m-2sr-1·um-1、5.12 W·m-2sr-1·um-1、0.62。植被覆蓋度Pv計算公式為

(3)

式中,N為歸一化植被指數;Ns為裸土覆蓋像元的N值;Nv為完全植被覆蓋像元的N值。根據已有研究[8],當N大于0.7或小于0.05時,Pv取經驗值分別為1和0,計算地表比輻射率時將地表類型分為3種：水體、城鎮和自然地表,水體比輻射率為0.995,自然地表比輻射率(εns)和城鎮比輻射率(εus)計算公式為

根據Landsat-8地表溫度反演結果,南岸區2021年8月2日3時,地表最高溫度57.63 ℃,最低溫度29.38 ℃,平均溫度為39.55 ℃,標準差溫度為3.66 ℃。根據重慶市氣象局(http://www.tianqihoubao.com/lishi/chongqing/20210802.html)歷史天氣數據顯示,2021年8月2日重慶市全域白天平均氣溫為40 ℃,最低溫度28 ℃,與反演地表溫度基本相符。研究將地表溫度按照均值標準差方法劃分為7級[14],計算公式為

1.2.3 第一章緒論第四節-內環境穩態 前人歸納了生理學一個重要的概念為內環境穩態，在第三章血液理化特性學習中演繹了酸堿度穩態、滲透壓穩態、第四章動脈血壓穩態、第七章體溫穩態、第十一章內分泌中胰島素調節血糖穩態的演繹等。

(6)

式中,T為溫度分級閾值;A為南岸區地表平均溫度;sd為南岸區標準差地表溫度;x為標準差倍數,分別取值為0.5、1.0、1.5(圖2)。結果顯示,南岸區全域地表溫度在37.72～39.95 ℃面積最大(51.93 km2),占南岸區總面積的19.78%,在35.89～43.21 ℃區間的面積占比超過71%。空間上,地表溫度呈現外圍低、中間組團式高溫區,南北條帶狀低溫區的分布形態,主要由于長江沿西部向北部環繞而過,具有明顯降溫作用,南北橫穿而過的銅鑼山、明月山,主要由林草覆蓋組成,降溫作用也較為明顯,西部沿長江以及中部的城市主要建設區域溫度較高。

圖2 研究區地表溫度分布圖

2 地表覆蓋與LST相關性

2.1 不同地表覆蓋LST分析

研究將地表覆蓋矢量數據與LST柵格數據進行空間疊加,分析不同地表覆蓋類型與LST溫度之間的關系(圖3)。其中,房屋建筑(區)、鐵路與道路、構筑物、堆掘地表3類主要溫度區間為39～45 ℃,種植植被、林草覆蓋、裸露地表3類主要溫度區間為35～42 ℃,水域主要溫度區間為29～35 ℃。房屋建筑(區)、構筑物、堆掘地表3類平均溫度均高于42 ℃,種植植被、林草覆蓋和裸露地表3類平均溫度為39 ℃,水域平均溫度為33 ℃。結果表明,房屋建筑(區)、鐵路與道路、構筑物等人工建設區域地表溫度明顯高于種植植被、林草覆蓋和水域等有植被和水體覆蓋的區域;水域降溫效果明顯,溫差與主要人工建設區域溫差約9 ℃,種植植被、林草覆蓋等具有植被覆蓋的區域也有一定降溫作用,但溫差約為3 ℃。

圖3 地表覆蓋分類與地表溫度關系圖

2.2 LST網格化分析

研究以50 m、100 m、150 m、200 m不同網格大小,分別分析網格內不同地表覆蓋類型面積與地表溫度之間相關性(表1)。其中,種植植被、房屋建筑(區)、構筑物隨網格尺度增加相關系數絕對值增加;林草覆蓋、堆掘地表、水域隨網格尺度增加相關系數絕對值先增加后減小。結合Landsat-8數據的空間分辨率與不同網格下地表覆蓋類型與地表溫度相關性情況,研究選擇100 m × 100 m大小網格,對不同地表覆蓋類型面積與地表溫度進行 Pearson 相關性分析,計算公式為

(7)

從地表覆蓋類型看,水域面積與LST具有強負相關性,相關系數為-0.799 8;房屋建筑(區)與LST具有明顯正相關性,林草覆蓋與LST具有明顯負相關性,相關系數分別為0.529 2、-0.510 9;裸露地表、種植植被與LST相關性不明顯,相關系數絕對值均小于0.1。表明增加水域、林草覆蓋類型面積對地表具有明顯降溫作用,而增加房屋建筑(區)、鐵路與道路等類型對地表具有明顯增溫作用。

表1 不同網格尺度下不同地表覆蓋類型面積與LST之間相關系數情況

3 其他要素與LST相關性

根據已有研究[15],對地表覆蓋類型中不透水面數據進行提取,經統計,南岸區不透水面總面積73.37 km2,占區域總面積的27.95%,不透水面LST區間為33.15～57.52 ℃,平均溫度42.62 ℃,明顯高于種植植被、林草覆蓋、水域等地表平均溫度,略低于房屋建筑(區)、構筑物和堆掘地表。以100 m × 100 m網格分析LST與不透水面面積的線性關系,得到R=0.707 3,表明不透水面對LST具有正向影響,LST隨不透水面面積增加而增加(表2)。

研究利用地理國情城鎮綜合單元中居住小區、工礦企業、單位院落以及休閑娛樂、景區數據,同樣以100 m × 100 m網格分析不同類型面積與LST之間的關系(表2)。其中,居住小區LST區間為35.94～46.87 ℃,平均溫度42.04 ℃;工礦企業LST區間35.73～57.63 ℃,平均溫度46.17 ℃,工礦企業平均溫度明顯高于居住小區及其他不透水面類型,主要由于工業企業在生產過程中可能會產生一定熱量,導致其溫度高于其他區域;而休閑娛樂、景區LST區間為34.75～45.18 ℃,平均溫度(37.93 ℃)明顯比居住小區、工礦企業和單位院落低。從Pearson相關系數看,居住小區與休閑娛樂、景區與LST具有一定負相關性,其中休閑娛樂、景區對地表具有明顯降溫作用,主要由于該區域有較多林地、草地等植被覆蓋,植被明顯降溫作用使得LST較其他區域更低;工礦企業、單位院落與LST具有正向影響,其面積增加會對地表起到增溫作用。

表2 100 m網格中不同地理要素類型與LST情況對比表

4 景觀格局指數與LST相關性

研究采用斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、邊緣密度(ED)、聚集度指數(AI)、香農多樣性指數(SHDI)作為景觀格局指數,從不同角度分析城市景觀格局對城市地表溫度的影響[16]。其中,PD反映景觀的空間格局,斑塊密度越大,景觀異質性越強;LPI反映景觀最大斑塊面積占比,最大斑塊指數越大,說明該類型規模越大;ED反映景觀的邊緣效應,邊緣密度越大,斑塊復雜程度越高;SHDI反映景觀異質性、多樣性水平,數值越大說明各斑塊類型在景觀中呈均衡化分布趨勢;AI反映景觀里某一種景觀類型團聚程度或延展趨勢,取值越大,景觀聚合越高(表3)。

表3 景觀格局指數計算公式表

研究將地表覆蓋分類數據按照一級類轉換為柵格數據,利用Fragstats軟件中moving window算法,在Class matrix和Landscape matrix兩個模式下分別選擇對應景觀格局指數進行計算,并以100 m × 100 m網格分析景觀格局指數與LST之間關系,結果表明斑塊密度、邊緣密度、香農多樣性指數、聚合度與LST均有一定相關性,但相關系數不高,其中香農多樣性指數與LST相關系數最高,其他類型相關系數在0.4～0.5之間。

南岸區總體地表覆蓋斑塊數量較多、景觀破碎程度較高,平均斑塊密度為4.86個/ha,主要由于南岸區作為重慶中心城區重要組成,城市建設導致地表覆蓋較為破碎,斑塊面積較小。最大斑塊指數呈現水體和林區較高,房屋建筑(區)、構筑物等城市建設區較低。南岸區不同地表覆蓋類型邊緣密度差異較大,林草覆蓋邊緣密度最大,平均值為288.17,種植植被次之,平均值為240.57,水域邊緣密度最小,說明林草覆蓋、種植植被等斑塊復雜程度較高,由于重慶是典型的山地丘陵區,地表利用較為破碎,且南岸區為城市主要建設區域,建設也可能導致斑塊破碎程度較高;水域邊緣密度較小,主要由于南岸區主要水域為長江,斑塊復雜程度較低。

南岸區香農多樣性指數(SHDI)整體呈正態分布特征,數值區間為0～1.93,平均值為0.68,數值為0的區域面積占比為16.47%,說明以100 m為計算窗口有超過16%的區域只有一個斑塊,位于0.6～1.2區間的面積占區域總面積的46.81%,表明南岸區接近一半的區域各種類型斑塊分布較為均衡。不同地表覆蓋類型的聚合度(AI)存在一定差異,其中水域的集聚度最高,平均值為93.86,林草覆蓋、堆掘地表聚合度次之,平均值分別為91.02、91.79,鐵路與道路聚合度最低(平均值70.44),主要由于南岸區水域(長江)為大片連通區域,使集聚度整體較高。空間上,SHDI與LPI分布狀態相反,SHDI值高的區域LPI值較低,主要由于香濃多樣性反映圖斑的均衡性,如果均衡性越高說明斑塊數量越多或者斑塊大小相對均衡,則最大斑塊密度較小。

5 結束語

研究利用Landsat-8數據(數據時間2021年8月2日3時)基于輻射傳輸方程法對重慶市南岸區地表溫度進行反演,以地理國情監測數據(數據時間2021年6月30日)為基礎,分析不同地表覆蓋和地理單元類型的地表溫度狀況,以100 m網格大小為基礎研究其與地表溫度之間相關性,通過斑塊密度、最大斑塊指數、邊緣密度、香農多樣性指數、聚合度等景觀格局指數計算,分析不同景觀格局下地表溫度特點,得到以下結論：

(1)2021年8月2日,南岸區地表整體平均溫度為39.55 ℃,空間上呈現南北條帶狀低溫區以及組團式高溫區分布特征,外圍沿長江水域溫度較低,中部城市建設區域溫度較高。

(2)地表覆蓋分類中,房屋建筑(區)、鐵路與道路、構筑物等人工建設區域地表溫度明顯高于種植植被、林草覆蓋和水域等有植被和水體覆蓋的區域;水域降溫效果明顯,溫差與主要人工建設區域溫差約9 ℃,種植植被、林草覆蓋等與主要人工建設區域溫差約3 ℃。

(3)相關性上,水域面積與LST具有強負相關性,林草覆蓋與LST具有明顯負相關性,房屋建筑(區)與LST具有明顯正相關性,因此增加水域、林草覆蓋類型面積對地表具有明顯降溫作用,而增加房屋建筑(區)、鐵路與道路等類型對地表具有明顯增溫作用。

(4)地理國情其他要素方面,不透水面與LST具有強正相關性,工礦企業、單位院落與LST具有正向影響,居住小區與休閑娛樂、景區與LST具有一定負向影響。

(5)景觀格局方面,南岸區斑塊密度、邊緣密度、香農多樣性指數、聚合度與LST均有一定相關性,其中香農多樣性指數與LST相關系數最高,其他類型相關系數在0.4～0.5之間,表明地表降溫作用上,改變景觀格局指數具有一定效果,但沒有直接改變地表覆蓋類型作用明顯。

然而,研究也存在一些不足之處,首先,地理國情監測數據時點與Landsat-8數據雖然都處于夏季,但在時間上仍然存在一定差異;其次,地理國情監測數據主要采用優于2 m高分辨率遙感影像通過人工目視解譯得到,而Landsat-8數據分辨率為30 m,兩者差異較大。不同時間、不同尺度的數據之間空間關系研究可能會對研究結果造成一定影響。