基于Landsat影像的合肥市地表溫度空間特征分析

王 璐, 吳兆福, 余 敏, 張春菊,2, 張 辰, 黃建偉

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.自然資源部 城市國土資源監測與仿真重點實驗室,廣東 深圳 518000)

隨著城市化進程的不斷發展,城市擴張過程加劇了城市熱島效應[1]。由于植被、土壤等自然地表逐漸被建筑物等熱容量大的不透水面所替代[2],城市地表溫度逐漸升高,進而引發城市熱島效應等一系列生態環境問題,影響人類居住環境空間分布格局[3]。因此,研究城市地表溫度的空間分布對城市可持續化發展與城市規劃具有重要意義。目前基于遙感影像開展的城市熱環境研究主要集中在以下3個方面:

(1) 常用地表溫度反演方法(主要包括輻射傳導方程算法、單窗算法及分裂窗算法等[4-7])的對比及驗證。考慮到熱紅外傳感器(thermal infrared sensor,TIRS)第11波段定標偏差較大,美國地質勘探局(United States Geological Survey,USGS)建議使用單通道(TIRS第10波段)進行地表溫度反演[8]。其中輻射傳導方程算法具有較好的反演精度及牢固的物理基礎,被廣泛使用。

(2) 地物覆蓋類型與地表溫度的相關性分析[9-10]。針對不透水層、土壤、植被對地表溫度的影響程度,可以利用線性回歸和地理加權回歸(geographically weighted regression,GWR)分別從全局和局部角度進行分析[11-12],結果表明,不透水層覆蓋率與植被覆蓋率分別與地表溫度呈現正相關和負相關關系。

(3) 地表熱環境時空變化特征分析[13-14]。城市擴張導致不透水層面積增加,是導致城市熱環境問題顯著,進而引起城市熱島效應的主要原因。目前,基于地表溫度反演的城市熱環境時空變化格局相關研究中,空間定量分析很少,而標準差橢圓(standard deviational ellipse,SDE)可以較好地定量反映空間結構發展狀況。文獻[15]利用SDE研究長三角城市群綠色發展均衡狀況,并分析其障礙因素;文獻[16]使用SDE來記錄美國季節性龍卷風活動空間擴散的變化。

近年來,合肥市城市化進程快速發展,引起城市擴張,導致地表覆蓋發生明顯變化,也加劇了城市熱島效應[17-18]。但是,基于熱紅外遙感影像的不透水層覆蓋情況與地表溫度變化之間的相關性不明確,對合肥市地表溫度空間演化特征的相關定量研究較少。

本文利用輻射傳導方程算法,對合肥市多期Landsat遙感影像進行地表溫度反演,使用監督分類法提取不透水層及植被地物類型,通過GWR分析合肥市不透水層對地表溫度的影響程度,對反演后不透水層、土壤、植被對應的地表溫度進行SDE時空變化格局定量分析,揭示合肥市近年來城市空間發展的演化特征,以期為合肥市未來的城市規劃提供參考。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

合肥市(30°57′～32°32′N,116°41′～117°58′E)位于中國華東地區、長江三角洲西側,下轄4個行政區、4個縣,代管1個縣級市,全市總面積為11 445.1 km2;其屬于亞熱帶季風性濕潤氣候,四季分明,氣候適宜;地形上,以平原和丘陵為主,平均海拔為20～40 m。合肥市GDP在2008年為不到2 000億元[19],到2020年突破萬億元[20],截至2020年城鎮化率[21]已達到76.33%。城市化進程加劇,植被、土壤面積縮小,不透水層面積擴張顯著。本文主要對合肥市近年來發展較為迅速的包河區、瑤海區、廬陽區、蜀山區4個行政區進行分析,影像圖如圖1所示(http://www.gscloud.cn)。

圖1 2020年合肥市4個行政區影像

1.2 數據源

選擇合肥市2008年10月15日、2011年10月8日Landsat 7 ETM+影像和2015年10月11日、2018年10月3日、2020年10月24日Landsat 8 OLI/TIRS遙感影像進行地表溫度反演和地物分類,遙感影像云量均小于5%,數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)。以合肥市(31°46′N,117°18′E)和巢湖市(31°37′N,117°52′E)2個站點對應影像成像時間前后3 d溫度平均值作為溫度反演的驗證數據,溫度數據來源于全國溫室數據系統(http://data.sheshiyuanyi.com/WeatherData)。

2 研究方法

2.1 輻射傳導方程算法

對于輻射傳導方程算法涉及的熱紅外數據,選擇Landsat 7 ETM+影像第6波段,Landsat 8 OLI/TIRS影像第10波段。輻射傳導方程算法又稱為大氣校正法,算法公式如下:

Lλ=τ[εI(λ,T)+(1-ε)Ld]+Lu

(1)

(2)

其中:Lλ為傳感器接收的輻射亮度,由真實輻射、大氣上行輻射Lu及大氣下行輻射Ld組成;τ為大氣透過率;ε為地表比輻射率;I(λ,T)為黑體輻射亮度;Ts為亮度溫度;K1、K2為衛星相關參數。2種衛星使用的參數K1、K2見表1所列。

表1 Landsat 7、Landsat 8衛星參數K1、K2取值

τ、Lu和Ld均可在美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)官網(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中通過輸入影像成影時間及研究區中心經緯度獲取。

將影像大致分為植被、水體、建筑物,水體的地表比輻射率值為0.995,植被和建筑物地表比輻射率εveg、εbuilding的計算公式分別為:

(3)

(4)

其中,PV為植被覆蓋度值。

為了驗證算法的反演精度,將該算法計算結果與地面站實測溫度進行對比。

2.2 GWR分析

考慮到不透水層對城市地表溫度空間分布及空間異質性的影響較大,而傳統線性回歸只能反映在區域上整體的擬合效果,難以反映局部空間關系,本文使用添加了地理位置信息函數的GWR[22-23],通過建立空間范圍內每個空間格網處的局部線性回歸方程來擬合不透水層覆蓋率與地表溫度值之間的關系,其中全局擬合系數R2是根據每個格網處不透水層覆蓋率與地表溫度值之間的關系而得出的,GWR模型表達式為:

(5)

其中:(Ui,Vi)為第i個點的坐標;β0為截距值;βi為第i個點的第k個回歸系數;εi為誤差項;xik為不透水層覆蓋率;Yi為地表溫度值。

對于GWR的空間尺度影響,根據文獻[11]的研究結果,地表溫度與地物覆蓋率相關性研究的最佳格網單位長度為500～650 m,文獻[12]對武漢市的研究中,以500 m為格網單位長度。因此,本文以500 m為格網單位長度。

2.3 SDE分析

考慮到不透水層及植被、土壤對地表溫度的增溫與降溫效應[9-10],分別提取不透水層及植被、土壤對應的溫度點數據進行空間對比分析,將分類影像與溫度影像導入MATLAB中,提取同一地物類型對應的溫度點數,μB、μV分別為全部不透水層及植被、土壤對應溫度點的平均值,σB、σV分別為全部不透水層及植被、土壤對應溫度點的標準差。考慮到多年來地表覆蓋變化可能引起對應點數的溫度變化異常,為了反映整體變化趨勢,對不同地物類型對應的溫度數據進行統計分析,提取1倍標準差之內的地表溫度點T(TB∈[μB-σB,μB+σB],TV∈[μV-σV,μV+σV])開展分析,并將溫度幅值作為權重參與SDE計算。

SDE分析是對點數據的分布和方向特征進行時空分析,其中橢圓中心坐標(ESD(x,y))和旋轉角(θ)的表達式為:

(6)

(7)

本文中,SDE走向代表地物分布趨勢,橢圓覆蓋面積表示集聚范圍,橢圓旋轉角度表示集聚方向;定義橢圓旋轉角度為在WGS-84(World Geodetic System,世界大地測量系統)坐標系下以南北軸按順時針旋轉與橢圓長軸重合的角度,用以反映全局特征。

3 實驗結果與分析

3.1 輻射傳導方程算法反演精度驗證與地表覆蓋

輻射定標、大氣校正、圖像裁剪等影像預處理工作都在ENVI 5.3軟件中進行,根據輻射傳導方程算法反演合肥市5期影像的地表溫度,并與站點溫度對比分析。結果表明:反演溫度與實測溫度擬合系數為0.98,但是反演溫度比站點實測溫度偏高7 ℃左右,誤差可能與陸地熱輻射和大氣影響有關[24]。因此,可以使用輻射傳導方程算法反演的地表溫度進行空間特征分析。

采用監督分類中支持向量機結合目視解譯的方法,將研究區地物分為水域、植被、土壤、不透水層4種,4種地物的分類精度均高于90%,Kappa指數均高于0.9。結合溫度反演結果,可進一步分析城市熱環境突出原因[25]。本文以包河區2020年的地表溫度與地物分類結果為例進行分析。包河區2020年10月20日地表溫度與地物分類如圖2所示。

圖2 包河區2020年10月20日地表溫度與地物分類

(1) 不透水層主要分布在城市中心商業區,植被、土壤則分布在城市綠地植被、郊區農田及自然地表處,不透水層地表溫度相對于植被、土壤等自然地表溫度偏高,符合客觀規律。

(2) 植被、土壤等自然地表覆蓋率從主城區到近城區再到郊區逐步增高,其空間分布格局對分析不透水層及植被、土壤的SDE都產生重要影響。

3.2 GWR分析

由于包河區、廬陽區水系較為發達,包含巢湖、董鋪水庫等眾多不透水層地表覆蓋率為0的區域,會對實驗結果產生影響[12],在包河區、廬陽區以不透水層地表覆蓋率、水域地表覆蓋率作為自變量;而在蜀山區、瑤海區以不透水層地表覆蓋率作為自變量。GWR模型的全局擬合系數R2結果如圖3所示。R2可以反映不透水層對地表溫度的影響程度,R2值越大,表明影響程度越大。由圖3可知:4個行政區全局R2基本達到0.8以上,不透水層覆蓋度與地表溫度之間存在明顯的正相關關系;在時間特征上,2008—2020年,包河區與廬陽區的R2變化較為平穩,均在0.9以上;而蜀山區與瑤海區的R2整體呈現遞增趨勢,表明不透水層面積對地表溫度的影響程度整體呈現增加趨勢。

圖3 合肥4個行政區GWR模型全局擬合系數

3.3 SDE分析

3.3.1 不透水層異常點的分布與點數提取

為了進一步分析異常點分布位置,選取包河區某街道分類影像作為底圖,其不透水層對應地表溫度異常點分布如圖4所示。圖4中,零散點為不透水層對應地表溫度超過和低于1倍標準差的極高溫、極低溫的溫度異常點。由圖4可知:溫度異常點的空間分布較為離散;極高溫點主要分布在城市中的水泥地、混凝土、沙礫等處,在城市住宅小區中會成塊出現;極低溫點一般出現在瀝青路面等處。考慮到合肥市2008—2020年地表覆蓋變化顯著,同一空間該點對應的溫度數據也發生明顯變化,不利于地表溫度空間特征的定量分析,因此,分別計算不透水層及植被、土壤對應的1倍標準差以內(保證該點對應的溫度基本穩定、地物類型沒有發生變化)的點,進行空間橢圓分析。

圖4 包河區某街道不透水層對應地表溫度異常點分布

采用MATLAB軟件提取1倍標準差以內不透水層及土壤、植被溫度點數,結果如圖5所示。

圖5 4個行政區不透水層及土壤、植被溫度點數年變化趨勢

由圖5可知,合肥市4個行政區的不透水層對應溫度點數呈現逐年增加的趨勢,而植被、土壤對應的溫度點數逐年減少,這在一定程度上反映出近年來合肥市城市化進程不斷加快的狀況。以蜀山區2008—2020年結果為例,不透水層點數增幅為169%,土壤、植被點數降幅為16%。

由圖5并結合圖3分析可知:蜀山區、瑤海區不透水層增長幅度變化較大,而擬合系數整體呈現遞增情況,擬合系數增加與不透水層覆蓋率增加有關;包河區、廬陽區不透水層變化相對平緩,因此擬合系數也趨于穩定。

3.3.2 SDE結果分析

運用SDE對合肥市4個行政區城市化空間格局演化趨勢進行分析。2008—2020年4個行政區不透水層及植被、土壤對應1倍標準差以內的地表溫度點SDE結果如圖6所示,底圖為2020年地物分類圖;不透水層對應地表溫度點SDE參數見表2所列。

表2 2008—2020年合肥市4個行政區不透水層對應地表溫度點SDE參數

圖6 2008—2020年合肥市4個行政區不透水層及植被、土壤對應地表溫度點SDE分布

(1) 包河區不透水層及土壤、植被中心穩定,但是不透水層橢圓覆蓋面積明顯擴張,旋轉角度由2008年的5°順時針增加至2020年的19°。不透水層變化區域主要對應包河區北部的主城區,新增不透水層主要對應巢湖以北的濱湖新區、緊鄰濱湖發展的包河經濟開發區,表明包河區城市發展進程逐漸向東北、西南部偏移。

(2) 蜀山區不透水層中心變化幅度相對于其他3個區比較明顯,橢圓面積對應的集聚范圍擴大135.25 km2,集聚方向穩定在以東南方向為主的120°左右,并有小幅度的逆時針(向西北方向)變化趨勢。不透水層主要集中在合肥市經濟技術開發區(經開區)、國家級合肥高新技術產業開發區(高新區)、政務文化新區(政務區)、正在建設中的合肥科學城及位于西北方向的新橋國際機場。

(3) 廬陽區2008—2011年不透水層主要集中在東部地區,集聚方向穩定在90°,但在2011—2020年,橢圓方向向西北方向偏移16°。橢圓集聚范圍由2008年的44.43 km2擴大到2020年的70.39 km2,表明廬陽區經濟發展主要集中在北二環以南的商貿金融城和北部的廬陽經濟開發區。

(4) 瑤海區不透水層橢圓特征趨于穩定,橢圓集聚方向逐漸向東部偏移,穩定在170°,集聚范圍擴大23.75 km2。不透水層主要集中在中部,表明瑤海區近年持續推進舊城更新,中部靠東部地區相繼出現的科技產業、商貿城帶動了瑤海區發展。

綜上所述,4個行政區的土壤、植被橢圓特征趨于穩定,橢圓集聚方向與不透水層相似,集聚范圍無顯著變化;不透水層的橢圓中心趨向于穩定,橢圓分布特征與城市發展進程一致,橢圓覆蓋范圍有明顯擴張趨勢,主要集中在未被用于經濟發展的自然地表處;在整體表現上,2020年包河區、蜀山區、廬陽區橢圓長軸較2008年明顯增大,表明不透水層分布在西南—東北、東南—西北、東南—西北方向明顯擴張,城市發展方向以其為主導。

4 結 論

(1) 輻射傳導方程算法適用于合肥市的地表溫度反演,合肥市熱環境分布特征與城市化發展建設方向一致,主城區溫度較高,郊區溫度偏低,不透水層地表溫度高于土壤、植被等自然地表。

(2) 不透水層與地表溫度的GWR分析表明,合肥市4個行政區的整體擬合系數基本達到0.8,包河區與廬陽區擬合系數隨時間變化較為穩定,達到0.9,而蜀山區與瑤海區擬合系數呈現遞增趨勢。不透水層的變化對合肥市GWR的整體擬合系數數值有重要影響。

(3) SDE分析結果表明,合肥市4個行政區不透水層橢圓集聚范圍明顯增加,其演化趨勢與城市擴張趨勢一致,其中蜀山區橢圓集聚范圍與中心變化幅度較其他3個區更為顯著,主要呈現向西北方向擴展。

合肥市4個行政區的地表溫度空間特征變化表明,合肥市近年來城市化發展迅速,城市擴張加劇,由原來的以主城區發展為中心轉變為以濱湖新區、國家級合肥高新技術產業開發區、政務文化新區、廬陽經濟開發區等地區共同發展,這些地區地表溫度明顯高于其他區域,將成為城市生態環境治理重點。城市化發展迅速會導致城市熱環境問題顯著,因此合肥市在快速發展的同時應合理規劃與治理,并制定城市可持續協調發展的有效措施。本文在遙感數據的地面驗證以及與熱島強度的聯合研究方面還存在不足,對地理信息、水文、氣象等因素缺乏綜合分析,這些都是進一步研究的方向。