胡欣雨， 魏凌偉， 莫惠萍， 陸東芳

(福建農(nóng)林大學園林學院，福建 福州 350002)

隨著城市化水平不斷提高，城市的地表溫度也隨之發(fā)生變化，很多城市出現(xiàn)了熱島效應(Urban Heat Island,UHI)。城市區(qū)域的地表環(huán)境逐漸由植被向建筑物、道路等不透水面轉(zhuǎn)化，使地表吸收的太陽輻射能量增加，城市中的高層建筑，阻礙空氣流動，使地表溫度持續(xù)升高，由此引發(fā)的城市熱島效應給生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來了極大的危害[1-2]。地表溫度是指陸地表面與大氣層相互作用形成的臨界層溫度，是反映地表熱環(huán)境的重要指數(shù)[3]，已被廣泛運用到城市熱環(huán)境的研究中。研究溫度的方法主要包括氣象站法、數(shù)值模擬法和遙感測定法[4]。實際地面中氣象站的分布并不均勻，觀測的溫度只能反映局部區(qū)域的溫度，無法準確反映大范圍的溫度，空間連續(xù)性差。數(shù)值模擬法研究尺度一般局限在數(shù)百米至數(shù)千米的范圍內(nèi)，面臨著在更高精度要求下進行城市熱島研究的難題，計算結果存在較大的不確定性[4-5]。熱紅外遙感具有覆蓋范圍廣，時效性高，成本更低的優(yōu)點，可以快速反演出地表溫度，客觀的反映出城市熱環(huán)境[6]。近年來，大量學者利用熱紅外數(shù)據(jù)反演不同空間、不同時間的地表溫度，取得了很好的效果[7-11]。基于本文近15年的時間跨度研究，結合對比Landsat 5 TM、Landsat 7 ETM和Landsat 8 OLI_TIRS的熱紅外波段空間分辨率大小，采用熱紅外波段空間分辨率相近的Landsat 5 TM、Landsat 8 OLI_TIRS熱紅外數(shù)據(jù)作為本研究的主要數(shù)據(jù)源?；贚andsat 5 TM只有一個熱紅外波段和Landsat 8 OLI_TIRS有兩個熱紅外波段的特點，參考前人的研究[12-14]，可采用覃志豪單窗算法和JIMéNEZ-MUOZ普適性單通道算法進行溫度反演。兩種方法都考慮了地表比輻射率和大氣輻射率的影響，反演結果精度較高，但是JIMéNEZ-MUOZ普適性單通道算法只適用于一定的水汽含量范圍，有一定的局限性。所以本研究采用覃志豪等[6]提出的覃志豪單窗算法反演地表溫度，選取鄭州市主城區(qū)作為研究區(qū)域，對鄭州市主城區(qū)熱環(huán)境空間分布特征及其下墊面指數(shù)對熱環(huán)境效應的影響開展研究，以期為鄭州市的環(huán)境生態(tài)規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

如圖1所示，鄭州市是河南省省會城市，位于東經(jīng)112°42′～114°14′、北緯34°16′～34°58′，屬于北溫帶大陸性季風氣候，四季分明，年均氣溫16 ℃，年均降雨量600 mm。鄭州市全市總面積為7 446.2 km2，其中主城區(qū)面積為1 057.2 km2，2016年國家發(fā)改委發(fā)函支持鄭州建設“國家中心城市”[15]，2019年鄭州市的GDP達到了11 589.7億元。近年來，鄭州市經(jīng)濟發(fā)展迅速，逐漸成為中原經(jīng)濟區(qū)的核心城市，這在一定程度上影響了鄭州市土地類型的發(fā)展和居住環(huán)境的變化[16-17]，而城市下墊面的變化是城市熱島效應的重要驅(qū)動因素。因此，本研究著重探討城市地表溫度與下墊面指數(shù)的相關關系。鄭州市主城區(qū)是城市化發(fā)展較快的區(qū)域，故本研究所選范圍為惠濟區(qū)、金水區(qū)、中原區(qū)、二七區(qū)和管城回族區(qū)。

1.2 材料來源與處理

本研究所用數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)，下載鄭州市2004-04-24、2009-04-06、2014-05-06、2019-04-18 4期遙感影像圖，空間分辨率為30 m。下載的遙感圖成像時間相近，且云量較少，遙感圖質(zhì)量較高。借助ENVI5.3軟件對下載的遙感影像圖進行輻射定標、FLAASH大氣校正、拉伸等預處理，通過鄭州市中心城區(qū)矢量邊界進行裁剪，從而得到惠濟區(qū)、中原區(qū)、金水區(qū)、二七區(qū)和管城回族區(qū)的研究范圍。

圖1 鄭州市地理位置與研究范圍Fig.1 The geographical location and research scope of Zhengzhou City

2 研究方法

2.1 地表溫度反演算法

本研究采用覃志豪等[6]提出的覃志豪單窗算法來反演地表溫度，單窗算法主要針對TM數(shù)據(jù)只有一個熱紅外波段的地面溫度反演算法，經(jīng)過眾多學者的驗證，單窗算法具有很高的精度，并且此算法同樣適用于Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)。其反演公式如下：

Ts=(a(1-C-D)+(b(1-C-D)+C+D)Tsensor-DTa)/C

式中:Ts為地表溫度(K)；a、b為參考系數(shù)，當?shù)乇頊囟葹?～70 ℃時，a=-67.355 351,b=0.458 606，C、D為中間變量，其計算公式為：

C=ετ

D=(1-τ)[1+(1-ε)τ]

式中：ε為地表比輻射率，τ為地面到傳感器的大氣總透射率。Tsensor為Landsat 5 TM遙感影像中第6波段的亮度溫度(K)，或為Landsat 8 OLI_TIRS遙感影像中第10波段的亮度溫度(K)；Ta為大氣平均溫度(K)，根據(jù)研究區(qū)域的情況，本研究選擇中緯度夏季大氣模式的大氣平均作用溫度公式來計算大氣平均作用溫度，Ta=16.011 0+0.926 21，T0為近地表空氣溫度(K)。其具體參數(shù)值的詳細計算可以參考覃志豪等[18-19]和楊景梅等[20]學者提出的相關計算方法。

2.2 熱島分級方法

研究采用均值-標準差的方法進行溫度等級的劃分[21]，以μ、μ+0.5std、μ-0.5std、μ+std、μ-std為分割點，將研究區(qū)域劃分6級，劃分等級如表1所示。

表1 研究區(qū)地表溫度等級劃分標準Table 1 Classiication of surface temperature of research area

2.3 地表溫度與下墊面指數(shù)回歸分析

城市熱島效應是自然因素和人為因素共同作用的結果，下墊面性質(zhì)的改變極大的影響了地表溫度的變化[22-24]。為了探究地表溫度與下墊面的關系，選取歸一化植被指數(shù)NDVI[25]、歸一化差異水體指數(shù)MNDWI[26]和歸一化差值不透水面指數(shù)NDISI[27]與地表溫度進行擬合，分析各指數(shù)與城市熱環(huán)境的關系。其指數(shù)公式分別為：

NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)

式中：NIR為近紅外波段；Red為紅波段。

MNDWI=(Green-SWIRI)/(Green+SWIRI)

式中：Green為綠波段；SWIR1為中紅外波段。

NDISI=(TIRS-(MNDWI+NIR+SWIRI)/3)/(TIRS+(MNDWI+NIR+SWIRI)/3)

式中：TIRS為熱紅外波段；NIR為近紅外波段；SWIR1為中紅外波段；MNDWI為歸一化差異水體指數(shù)。

采用歸一化公式，將指數(shù)數(shù)值統(tǒng)一量化到0～1之間，其公式為：

N′=(N-Nmin)/(N+Nmin)

式中：N′為正規(guī)化處理后的數(shù)值，其值在0～1之間；N為初始值；Nmin為N值中的最小值，Nmax為N值中的最大值。

3 結果與分析

3.1 鄭州市主城區(qū)地表溫度的空間分布特征

運用單窗反演溫度的方法，得到2004年、2009年、2014年、2019年4期鄭州市主城區(qū)溫度圖，同時統(tǒng)計出這4年的最高溫度，最低溫度與平均溫度，如圖2、圖3所示。從圖2可以看出，鄭州市主城區(qū)的高溫區(qū)面積越來越大，低溫區(qū)面積逐漸減少。2004年鄭州市主城區(qū)的高溫區(qū)主要分布在三環(huán)以內(nèi)，三環(huán)外的溫度相對較低；2009—2014年，三環(huán)內(nèi)的高溫面積有所下降，但三環(huán)至四環(huán)內(nèi)的高溫面積逐漸增加，高溫區(qū)域呈現(xiàn)出由市中心向外圍轉(zhuǎn)移的趨勢；2019年鄭州市主城區(qū)的溫度普遍較高，低溫區(qū)面積較小，分布較為零散。從圖3可以看出，2004—2014年最低溫度、最高溫度和平均溫度都呈上升趨勢，且2014年的最低溫度、最高溫度和平均溫度都比較高，最高溫度高達38.73 ℃；2014—2019年，最低溫度、最高溫度和平均溫度都逐漸下降，最高溫度減少了5.47 ℃；2004—2019年，最低溫度、最高溫度和平均溫度分別增加了3.94、1.26和4.43 ℃，反映出主城區(qū)溫度普遍較高。

圖2 2004—2019年鄭州市主城區(qū)地表溫度Fig.2 Surface temperature in the main urban area of Zhengzhou City from 2004 to 2019

圖3 2004—2019年鄭州市主城區(qū)溫度變化折線圖Fig.3 A broken line graph of temperature change in the main urban area of Zhengzhou City from 2004 to 2019

3.2 鄭州市熱島空間特征分析

采用上述熱島分級的方法，將高于地面平均溫度即特高溫區(qū)、高溫區(qū)、次高溫區(qū)區(qū)域劃分為城市熱島區(qū)域，結果如圖4、表2所示?；诘乇頊囟鹊目臻g分布特征，統(tǒng)計出三環(huán)內(nèi)的溫度等級面積、三環(huán)至四環(huán)內(nèi)的溫度等級面積和四環(huán)外的溫度等級面積，從而進一步了解城市熱島分布變化的情況。如表3、圖6、圖7、圖8所示。

圖4 2004—2019年鄭州市主城區(qū)溫度等級分布Fig.4 Temperature grade distribution in the main urban area of Zhengzhou City from 2004 to 2019

圖5 2004—2019年地表溫度等級面積分布比例Fig.5 Temperature grade distribution ratio in the main urban area of Zhengzhou City from 2004 to 2019

圖6 2004—2019年三環(huán)內(nèi)溫度等級面積分布比例

圖7 2004—2019年三環(huán)至四環(huán)內(nèi)溫度等級面積分布比例

圖8 2004—2019年四環(huán)外溫度等級面積分布比例

從溫度等級分布圖(圖4)可以看出，鄭州市的城市熱島效應明顯，主要分布在四環(huán)以內(nèi)，熱島區(qū)域從城市中心逐漸向外圍發(fā)展，三環(huán)以內(nèi)的特高溫區(qū)面積減少，中溫區(qū)面積和低溫區(qū)面積有所增加，熱島效應得到緩解。從表2可知，低溫面積所占總面積的比例由2004年的14.23%下降到2019年的7.8%，呈現(xiàn)出下降的趨勢；次中溫面積所占總面積的比例逐漸下降，由2004年的14.43%下降到2019年的10.28%，中溫面積和次高溫面積所占總面積比例呈現(xiàn)上升趨勢，中溫面積比例由2004年的17.95%增加到2019年的25.09%，增加幅度為7.14%，次高溫面積變化幅度較大，面積比例由2004年的21.48%增加到2019年的32.49%，增加幅度為11.01%，高溫面積所占比例由2004年的19.09%變化到2019年的19.35%，變化幅度??；從2004—2019年，特高溫面積占總面積比例逐漸減少，變化幅度較大，由2004年的12.81%減少到2019年的4.99%。從圖5可以看出，中溫、次高溫、高溫面積占總面積比例較大，高溫面積波動較?。?004—2019年，次高溫面積占總面積比例逐漸增加，且面積占比一直最大，中溫面積占總面積比例呈上升趨勢；特高溫、次中溫和低溫面積占總面積比例呈下降趨勢，特高溫面積逐漸減少。

從圖6、圖7、圖8可以看出，2004—2019年，三環(huán)內(nèi)的特高溫和高溫面積比逐漸下降，占三環(huán)內(nèi)總面積比例逐漸減?。淮胃邷孛娣e占區(qū)內(nèi)面積較大，且呈上升趨勢；中溫面積呈上升趨勢，變化幅度較大，由2004的7.69%增加到2019年的26.84%；次中溫面積和低溫面積占比逐漸上升，但占三環(huán)總面積比例較小。2004—2019年，三環(huán)至四環(huán)內(nèi)的次高溫面積逐漸增加，且占區(qū)內(nèi)總面積較大，高溫面積和中溫面積呈上升趨勢，增加幅度較小；特高溫面積、次中溫面積和低溫面積呈下降趨勢，次中溫面積和低溫面積下降幅度較大。2004—2019年，四環(huán)外的低溫面積和次中溫面積呈下降趨勢，低溫面積由2004年的20.45%下降到2019年的10.78%，次中溫面積由2004年的17.49%下降到2019年的9.79%；特高溫面積呈下降趨勢，面積所占比例較?。恢袦孛娣e、次中溫面積和高溫面積所占比例呈上升趨勢，且次高溫面積變化幅度較大，由2004年的19.26%增加到2019年的30.99%。

表2 2004—2019年各等級溫度面積及所占比例統(tǒng)計Table 2 Statistics of temperature area and percentage of each grade from 2004 to 2019

表3 2004—2019年鄭州市各環(huán)線內(nèi)外溫度等級面積統(tǒng)計Table 3 Statistics of temperature grade area of each ring road in Zhengzhou City from 2004 to 2019

3.3 地表溫度與下墊面關系分析

本研究中分別提取2004—2019年歸一化植被指數(shù)(NDVI)、歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)和歸一化差值不透水面指數(shù)(NDISI)，結果如圖9、圖10所示。從空間布局上看，鄭州市主城區(qū)的植被分布呈現(xiàn)出由城中心向外圍遞減的格局，越靠近市區(qū)中心，植被覆蓋度越低，植被斑塊越小，植被斑塊逐漸被蠶食、分割，連接度較差；2004—2009年主城區(qū)中心區(qū)域，植被斑塊明顯消失，植被覆蓋度降低；2014—2019年，二七區(qū)南部丘陵植被斑塊較明顯，植被斑塊較大，其他區(qū)植被斑塊逐漸被分割，植被斑塊逐漸變小，但市中心區(qū)域零散分布較小的植物斑塊，植被覆蓋度有所提高。2004—2019年，城市中心的水體指數(shù)呈現(xiàn)出增加的趨勢，2014年水體斑塊明顯增加，水體指數(shù)提高，2019年水體指數(shù)有所下降，三環(huán)外區(qū)域的水體斑塊明顯減少。2004—2009年，不透水面斑塊明顯增大，不透水面指數(shù)提高；2014-2019年市區(qū)分布零散的水體和植被斑塊，不透水面指數(shù)有所下降。

圖9 2004—2019年鄭州市主城區(qū)歸一化植被指數(shù)變化

借助ArcGIS軟件，將歸一化的2004—2019年各指數(shù)圖與地表溫度圖進行疊加，隨機抽取1 000個點，利用SPSS軟件進行各指數(shù)與溫度的回歸方程分析，結果如圖12—圖14所示。通過回歸方程分析，定量得出溫度與植被指數(shù)、水體指數(shù)和不透水面指數(shù)之間的關系。從圖12—圖14可以看出，地表溫度與歸一化植被指數(shù)、歸一化水體指數(shù)具有負相關關系，地表溫度與歸一化不透水面指數(shù)具有負相關關系；植被指數(shù)每上升0.1，將對地表產(chǎn)生0.8～1.2 ℃的降溫作用，水體指數(shù)每上升0.1 ℃，將對地表產(chǎn)生0.9～1.3 ℃的降溫作用，不透水面指數(shù)每上升0.1 ℃，將對地表產(chǎn)生0.6～1 ℃的升溫作用。鄭州市主城區(qū)地表溫度變化與下墊面變化存在顯著的相關性，不透水面的增加，導致主城區(qū)溫度逐漸增高，而植被和水體對地表溫度有調(diào)節(jié)作用，緩解城市熱島的強度。

圖10 2004—2019年鄭州市歸一化差異水體指數(shù)變化

圖14 2004—2019年鄭州市主城區(qū)地表溫度-歸一化差值不透水面指數(shù)散點圖及回歸關系

4 討論與結論

近年來，由于城市熱環(huán)境對城市居民健康和生態(tài)環(huán)境具有較大的影響，逐漸被人們關注，城市下墊面的變化是城市熱環(huán)境發(fā)展的重要驅(qū)動因素。本研究從近15年鄭州市主城區(qū)地表溫度變化入手，分析2004—2019年鄭州市主城區(qū)熱環(huán)境的時空演變規(guī)律。采用歸一化植被指數(shù)(NDVI)、歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)和歸一化差值不透水面指數(shù)(NDISI)，通過回歸分析，探究地表溫度與各指數(shù)的關系，進而可知城市下墊面的變化影響城市熱環(huán)境的發(fā)展程度。

本研究基于Landsat數(shù)據(jù)，使用覃志豪單窗算法反演鄭州市主城區(qū)地表溫度，分析鄭州市主城區(qū)熱環(huán)境的空間分布特征及其下墊面指數(shù)與地表溫度的關系，研究結果如下：

(1)2004—2019年鄭州市主城區(qū)的高溫度區(qū)域面積越來越大，低溫度區(qū)域面積逐漸減少，低溫度區(qū)域逐漸被高溫度區(qū)域侵占，分布較為零散。高溫度區(qū)域逐漸由三環(huán)內(nèi)向三環(huán)外的區(qū)域發(fā)展，尤其是三環(huán)至四環(huán)內(nèi)的低溫度區(qū)域逐漸被蠶食分割，面積逐漸減少，高溫度區(qū)域逐漸增加，變化明顯。4個時期內(nèi)的最低溫度、最高溫度和平均溫度都呈現(xiàn)上升的趨勢，反映出鄭州市主城區(qū)溫度普遍較高。

(2)鄭州市主城區(qū)具有明顯的熱島效應，主要分布在四環(huán)以內(nèi)。2004—2019年，三環(huán)內(nèi)的熱島斑塊逐漸減小，熱島區(qū)域面積減少，熱島區(qū)域由三環(huán)內(nèi)逐漸向外圍發(fā)展，三環(huán)內(nèi)的熱環(huán)境有所緩解；三環(huán)至四環(huán)內(nèi)區(qū)域的低溫區(qū)斑塊逐漸被分割，熱島區(qū)域逐漸擴大，熱環(huán)境發(fā)展較為劇烈。

(3)從地表溫度與植被歸一化指數(shù)、歸一化差異水體指數(shù)和歸一化差值不透水指數(shù)的擬合方程可以看出，地表溫度與植被、水體具有負相關關系，與不透水面具有正相關關系，植被與水體對地表溫度具有降溫作用，緩解城市熱島效應，而不透水面對地表溫度具有增溫作用，會加劇城市熱島的發(fā)展。從2014年、2019年，鄭州市三環(huán)內(nèi)區(qū)域，逐漸增加了零散的植被斑塊和水體斑塊，特高溫面積減少，低溫面積和次中溫面積增加，而四環(huán)內(nèi)外植被斑塊、水體斑塊逐漸被侵蝕、分割，由片狀斑塊向點狀斑塊發(fā)展，不透水面面積逐漸增加，而低溫和次中溫面積呈下降趨勢，高溫面積逐漸增加，這也驗證了地表溫度與植被、水體具有負相關關系，與不透水面具有正相關關系。

基于本文的研究，在城市化進程中要重視植被和水體資源的保護，在城市規(guī)劃建設的同時考慮到城市生態(tài)環(huán)境問題，提高城市環(huán)境質(zhì)量。城市中不透水面的擴張是城市熱島產(chǎn)生的主要因素，今后的城市建設中要考慮生態(tài)效益與經(jīng)濟效益的平衡，防止城市熱島的加劇，努力為市民創(chuàng)造一個良好的生活環(huán)境。