基于地表温度和植被指数的郑州市热岛效应分析

王燕强,杜婷婷,叶希琛,何林倩,徐畅,王德彩,岳庆玲

（1.河南科技学院资源与环境学院,河南新乡453003；2.北京林业大学林学院,北京100083；3.河南农业大学林学院,河南郑州450002）

在经济全球化的大背景下,城市化进程日益加快,生活质量的提高带动了人口数量的上升.城市化发展顺应了时代潮流,是社会进步的标志,但不能忽视的是城市化发展过程产生了大量的不透水物体,如水泥路、铁路、广场等,这些地面特性的改变产生了一系列的环境问题[1].当前环境最突出的问题即城市热岛效应,降低了空气质量,影响了人类的生活舒适度,因此研究地表温度、减缓热岛效应可以为改善环境质量提供决策依据.

地表温度地表温度作为评价环境质量的影响因子,对研究城市热岛效应具有非常重要的意义[2-3].随着遥感技术的发展,基于热红外遥感数据反演地表温度为遥感数据获取提供了新的途径.近年来,较多研究基于遥感反演获取的地表温度分析城市热岛效应的时空变化[4-9].如赵梦溪等[8]利用辐射传导法反演地表温度,对佳木斯城市地表温度和植被覆盖度的空间动态性进行了深入研究；赫韫韬等[9]利用TM6 遥感数据反演了哈尔滨城市地表温度,通过划分亮温等级来反应热岛效应的空间格局.

地表温度受植被覆盖等地表下垫面影响[10-11],因此地表温度与归一化植被指数（NDVI）等之间的关系值得深入研究.侯光雷等[12]利用MODIS 数据对吉林省中部地区的地表温度进行反演,研究了吉林省中部农业区地表温度的空间分布特征及地表温度与土地利用类型之间的关系；万继康利用利用Landsat8多时相遥感影像获取北京建成区NDVI 和地表温度,再将地表温度和NDVI 结合说明地物变迁与城市热环境的影响[13].2000 年以来,郑州市城市进程加快,基于地表覆盖变化的郑州市热岛效应研究报道却较少[14-15].

本研究以郑州市为研究区,利用Landsat 遥感数据获取NDVI 和地表温度空间分布数据,分析地表温度和NDVI 的时空变化特征,并基于线性回归方程对地表温度与NDVI 的相关性进行深入分析,以期探讨郑州市热岛效应时空变化特征及其与NDVI 的相关关系, 从而为郑州市的城市规划及其环境管理提供参考.

1 数据源及研究方法

1.1 研究区概况

郑州市位于华北平原南部、黄河下游,总面积 7 446 km2,介于东经 112°42′～114°14′,北纬 34°16′～34°58′之间.属温带季风气候,春夏秋冬四季分明,全年平均气温15.6 ℃,平均降雨量542.15 mm.地势西南高、东北低,西南部为丘陵地区,向北为黄土平原.作为中原中心城市,城市化进程不断加快,改变了郑州市的小气候,尤其是地表温度.

1.2 数据来源及预处理

本研究从地理空间数据云平台获取2001 年、2008 年、2015 年三期遥感影像数据.2001 年和2008年的遥感影像是由Landsat5 携带的传感器TM 所拍摄,2015 年的遥感影像是由Landsat8 卫星拍摄.预处理工作主要包括几何校正、辐射定标、裁剪和大气校正等过程,在ENVI5.1 软件中完成.

1.3 研究方法

地表温度的遥感反演算法主要有辐射传输方程法、单窗算法和劈窗算法等[16].其中辐射传输方程法物理过程明确,反演精度较高[17],因此本研究采用辐射传输方程法反演郑州市地表温度,具体过程利用ENVI5.1 软件完成.

1.3.1 NDVI 的计算 NDVI 对于植被的生长状况及覆盖度情况具有良好的反应效果,可将植物与其他物体区分开来,计算公式为

式（1）中：NIR 和R 分别代表近红外波段和红色波段处的反射率值.

NDVI 的取值范围为[-1,1],当地表被云、水、雪覆盖时,NDVI 显示为负值；当地面为岩石或裸土时,NDVI 等于0；当地面有绿色植被覆盖时,NDVI 显示为正值,NDVI 值与植被覆盖度成正比,NDVI 值越大,植被覆盖度越高.

1.3.2 植被覆盖度（PV）计算 卫星拍摄出来的陆地影像可以划分为水体、自然表面和城镇3 部分,利用遥感影像计算植被覆盖度,主要是对植被所占的像元数进行分析

式（2）中：NDVIV 表示植被 NDVI 的阈值,NDVIS 表示裸土上 NDVI 的阈值.不同地区 NDVIV 和NDVIS 取值不同.黄焕春[18]在研究天津市热岛效应演变机制中两个分别取值0.70、0.05,对于郑州市的研究中分别取值0.70、0.当某个像元的NDVI 大于0.70 时,PV 取值为1；当NDVI 小于0 时,PV 取值为0.

1.3.3 地表比辐射率计算 地表比辐射率是指相同温度和波长下, 物体的辐射强度与黑体辐射强度的比值.陆地表面既有水体,又有植被和房屋建设,利用像元法计算各部分的地表比辐射率

式（3）、式（4）中：符号ε 表示地表比辐射率,PV 表示植被覆盖度,水体的比辐射率值默认为0.995.综合水体、自然表面和城镇3 者的地表比辐射率值,就是整个地区的地表比辐射率.

1.3.4 相同温度下黑体辐射亮度值计算 卫星传感器接收到的来自大气的热红外辐射能量可分两部分：直接辐射能量和经地表反射后的辐射能量.黑体的辐射亮度值计算公式为

式（5）、式（6）中：TS 为地表实际的温度值,B（TS）为黑体的亮度温度值,τ 为大气透过率,L↑、L↓分别表示大气向上的辐射能量和向下的辐射能量.τ、L↑、L↓的数值可在NASA 官网中获取,具体结果见表1.

表1 各年份大气辐射参数Tab.1 Parametersof atmospheric radiation in each year

1.3.5 地表温度反演 根据上述黑体的辐射亮度值,求出地表的真实温度

对于Landsat5 TM,K1=607.76,K2=1 260.56；对于Landsat8 TIRS,K1=774.89,K2=1 321.08.

2 结果与分析

2.1 NDVI 时空变化特征分析

郑州市2001、2008 和2015 年的NDVI 空间分布见图1.NDVI 的取值范围为 [-1,1],2001 年郑州市NDVI 的最小值是-0.13,最大值是0.61,平均值为0.2；2008 年最小值是-0.29,最大值是0.62,平均值为0.16；2015 年最小值是-0.13,最大值是0.60,平均值为0.23.

图1 NDVI 值及变化情况Fig.1 Value and variation of NDVI

由图1 可知,2001 年、2008、2015 年,城市扩建区域增大,许多地区的NDVI 值出现降低的现象；起初2001 年NDVI 值小于0.25 的区域主要集中在郑州主城区；到2015 年,整个郑州市普遍出现NDVI 值小于0.25 的区域,在中牟县、新郑市、荥阳市、新密市等地区变化明显.2013 年提出“一带一路”计划之后,全国城市化率不断上升,郑州市作为河南省省会及“一带一路”沿线的主要城市变化特别明显,经济实力逐渐提升,城市化发展日渐加快,向国际化的大都市迈进.郑州市大力发展了城市交通运输业,如新郑机场的改善以及航空港的建设,大大占用了土地面积,因此出现了大量NDVI 值低的区域,加上市区空气流通差,产废气的车辆多,长期生活在市区的郑州市民普遍觉得市内温度比市区外高出许多.从整体上看,2001 年、2008、2015 年,整个郑州市 NDVI 值逐渐降低.

2.2 地表温度时空变化特征分析

根据地表温度反演公式,计算出了2001 年、2008 年和2015 年的地表温度,结果显示：在2001 年8月6 日的地表温度图中,8 月份最低温度是17.12 ℃,最高温度是56.00 ℃,平均温度为34.44 ℃,标准差为2.44；在2008 年地表温度图中,最低温度7.29 ℃,最高温度46.18 ℃,平均温度是29.19 ℃,标准差为3.42；在2015 年地表温度图中,最低温度13.13 ℃,最高温度57.79 ℃,平均温度是35.43 ℃,标准差为4.12.2001、2008、2015 年,地表温度呈先降低后升高的趋势.

根据地表温度的不同,将各年份的地表温度划分5 个层次的温度区间,分别用低温区、次低温区、中温区、次高温区、高温区表示.温度分区有等距法和均值标准差法两种方法,王莹莹[19]通过研究发现均值标准差法对热岛区域反映真实,从而利用其研究了合肥市的城市热岛变化.本研究也选用均值标准差法进行温度划分,温度等级划分结果见表2.

表2 温度等级划分Tab.2 Temperature grading

各年份温度等级面积分布结果见表3.

表3 各年份温度等级面积分布表Tab.3 Area distribution of temperature grades in each year %

由表3 可知,各年份次低温区所占百分比均为最大.与2001 年相比,2008 年低温区面积增加了约2.88 个百分点,而次低温区面积减少了2.49 个百分点；与2008 年相比,2015 年次低温区面积减少了6.81 个百分点,中温区增加了3.56 个百分点,低温区和次高温区面积几乎不变.通过表3 数据分析,2001年、2008 年、2015 年,次低温区的面积在不断地减少,次高温区和高温区面积在不断地上升.各年份地表温度分布结果见图2.

图2 各年份地表温度分布Fig.2 Surface temperature distribution in each year

由图2 可知,2001 年、2008 年、2015 年,郑州市次高温区和高温区的区域变化明显,整体上呈现出扩大的趋势,这与城市化发展进程密切相关.2001 年高温区和次高温区主要分布在郑州市区、登封市、新密市和新郑市南部地区,高温区在郑州主城区和登封市比较集中,在新密市、新郑市地区呈分散状态.2001年登封市NDVI 值低的地区面积比较小,但高温度面积却异常的大,造成这种现象的原因可能是登封市内有旅游景点,受人为活动的影响,导致此处的温度较高；到2008 年,高温区已经从郑州市区蔓延到了东南方,中牟县温度变化最大,由点状开始向面状发展；到2015 年,高温区普遍增多,尤其是郑州市市区及周边地区,高温区分布集中,在登封市最西部也出现了集中分布的高温区.张茜等利用1960—2010 年郑州市城区站、郊区站的气象观测数据和郑州市统计年鉴数据资料研究郑州是热岛效应也发现二十世纪九十年代后热岛强度上升程度日益显著[14].地表温度的变化趋势大体上由西南向东北发展,并且与NDVI值的变化趋势具有一致性,即NDVI 值降低的地区温度则升高.

2.3 地表温度与NDVI 关系分析

将同一年份的NDVI 变化与地表温度变化对比,发现NDVI 值变化与地表温度变化存在空间上的一致性,即NDVI 值高的地区其地表温度比NDVI 值低的地区低.NDVI 在时间上的变化也与地表温度一致,以郑州市区为观察点,2001 年、2008 年、2015 年,NDVI 值低的区域向周边扩展,温度高的区域也随之增多.

为了验证两者关系,对地表温度与NDVI 建立一元回归方程,分析两者之间的关系.本次研究选取了100 个点,提取的地表温度—植被覆盖度散点图（见图3）.研究发现,当NDVI 值越大时,地表温度就越低,两者之间呈负相关关系,且相关性越来越明显.

图3 地表温度-NDVI 散点图Fig.3 Surface temperature-scatter diagram of NDVI

3 小结

基于Landsat 遥感影像提取2001 年、2008 年、2015 年郑州市的地表温度,分析地表温度的时空变化,并对地表温度与NDVI 的关系展开分析.NDVI 值低的区域集中分布在郑州主城区,受城市化发展的影响,随着时间的变化分布面积逐渐向郊区扩展；2001 年、2008 年、2015 年次低温区面积逐渐减少,次高温区、高温区面积逐渐增加；从整体上看,温度增加的方向大致由西南向东北发展；城市化发展进程对地表温度有着非常大的影响.

郑州市城区扩建导致建筑对土地的利用过多,植被能利用的土地过少,绿化面积主要集中在公园,对道路两旁的绿化还有待加强.影响地表温度升高的原因有很多,植被覆盖度只是作用因子之一,加强对绿地的保护与建设,增强环保意识,净化空气,提高空气质量,减少热辐射量,为人类创造一个舒适的生活环境空间.