喀斯特城市植被覆盖度时空变化对地表温度的影响

王修信,朱启疆,梁宗经,罗涟玲,农京辉,汤谷云

(1.广西师范大学计算机科学与信息工程学院,广西桂林 541004;

2.北京师范大学地理学与遥感科学学院,遥感科学国家重点实验室,北京 100875）

喀斯特城市植被覆盖度时空变化对地表温度的影响

王修信1,2,朱启疆2,梁宗经1,罗涟玲1,农京辉1,汤谷云1

(1.广西师范大学计算机科学与信息工程学院,广西桂林 541004;

2.北京师范大学地理学与遥感科学学院,遥感科学国家重点实验室,北京 100875）

随着桂林喀斯特城市的快速扩展、地表植被覆盖度的变化,城市热岛现象越来越明显。以桂林1989-2006年5景TM/ETM遥感图像为数据源,利用遥感归一化植被指数反演植被覆盖度Pv,利用Qin单窗算法反演地表温度ts,分析Pv空间和时间变化对ts的影响。结果表明,在空间上ts随Pv的提高而降低,呈明显负相关关系。在时间上Pv＜0.2面积比例逐年增加,1989年7.8%、1991年15.2%、2000年20.7%、2005年21.1%、2006年22.7%;而Pv≥0.7面积比例逐年减少,1989年49.2%、1991年27.4%、2000年27%、2005年16.5%、2006年11.1%。其导致地表温度高于茂密林地表面温度的比率z＞20%的高温像元比例逐年上升;而z≤10%的低温像元比例逐年下降,1989年28.9%、1991年25.4%、2000年23.7%、2005年22.2%、2006年20.4%。植被覆盖的喀斯特山峰呈现显著的凉岛现象,从而调节喀斯特城市气候环境。

喀斯特城市;植被覆盖度;地表温度;遥感反演

0 引言

定量研究植被覆盖变化对改善由于城市规模扩张、人口聚集所引发的城市热环境问题的作用,是当前“城市气候与环境”的重要研究内容。喀斯特城市的特点是石灰岩山峰镶嵌于市区,其植被除了人工种植的城市绿地、行道树等以外,还有覆盖喀斯特山峰、自然生长的喀斯特植被。桂林位于广西东北部岩溶盆地,是典型的喀斯特城市,近10多年来随着城市的快速扩展,近郊区的农田、林地等有植被覆盖的自然地表逐渐为建筑物、道路等无植被覆盖的不透水地表所代替,而且城市边缘或近郊的一些喀斯特山峰成为获取建设工程石料的途径而导致其上喀斯特植被遭受严重破坏、大面积石灰岩山体完全裸露,呈现越来越明显的城市热岛现象。地面空气温度受地表温度的直接影响,而植被覆盖度是影响地表温度的重要因素,因此研究喀斯特城市植被覆盖度的时空变化对地表温度影响具有重要意义。

地表温度的获取主要有常规的定点实验观测方法和遥感反演方法。常规观测方法由于空间分布的不均匀和观测条件的种种限制,较难推算城市地表温度分布的变化情况,而遥感反演方法是快速获取城市大面积地表温度的唯一经济、可行方法。对Landsat卫星等只有一个热红外波段的数据,遥感反演方法主要有辐射传输方程法、Qin单窗算法、Jimenez-M unoz单通道算法3种[1]。辐射传输方程法所需卫星过境的大气廓线等数据较难获取,限制了其应用。单窗算法、单通道算法直接包含大气与地表比辐射率影响,简单易行且精度较高,而单窗算法反演地表温度的精度相对较高[2-4]。

迄今为止,已有大量利用遥感反演方法研究植被覆盖度对城市地表温度影响的成果[5-12],但未见反演喀斯特城市地表温度的研究;由于遥感反演的不同时相地表温度的范围不同而不能直接比较,不少研究只使用一景图像,只分析植被覆盖度空间变化对地表温度的影响[10-12],未研究其时间变化对地表温度的影响;不少研究反演星上亮度温度(地表传感器温度）代替实际地表温度[10-12],而由于大气辐射和地表热特性影响,亮度温度与实际地表温度存在较大差距,此差距在晴朗干燥天气约5～10℃,而在空气湿度较大天气可达15℃以上[13]。

针对桂林喀斯特城市快速扩展呈现的热岛问题,对桂林1989-2006年5景 TM/ETM遥感图像,利用遥感归一化植被指数反演植被覆盖度,提出喀斯特山峰混合像元比辐射率估算方法,使Qin单窗算法适用于喀斯特城市并利用其反演地表温度,从而分析喀斯特城市植被覆盖度空间和时间变化对地表温度的影响及喀斯特植被覆盖的喀斯特山峰对改善喀斯特城市热环境的作用。

1 植被覆盖度与地表温度的遥感反演

首先对遥感图像进行辐射定标计算其光谱辐射亮度、反射率,利用MODTRAN进行大气校正。植被覆盖度的反演:

其中:0.0≤Pv≤1.0;ρ3、ρ4为波段3、4反射率;NDV Iv、NDV Is分别为茂密植被覆盖区、裸露地表归一化植被指数值:NDV I≥NDV Iv时像元被植被完全覆盖,Pv=1;NDV I＜NDV Is时像元完全裸露,Pv=0。

Qin单窗算法反演地表温度[1]:

其中:a=-67.355351,b=0.458606,C=ετ,D=(1 -ε）[1+(1-ε）τ];亮度温度利用热红外波段反演: T6=K2/ln((K1/R6）+1）,K1、K2为常数。Ta= 16.011+0.92621Ta0,Ta0为近地表空气温度。大气透过率:τ=0.974290-0.08007w(当0.4＜w＜1.6 g/cm2）,τ=1.031412-0.11536w(当1.6＜w＜3.0 g/cm2）;大气总水分含量w=w(0）/Rw(0）,w(0）为距地面约2 m高处空气水分含量,从气象数据获取; Rw(0）为地面附近空气水分含量占大气水分总含量的比率,在无探空数据时用标准大气比率替代。

地表比辐射率取水体εw=0.995,植被εv= 0.985,从ASTER光谱实验室(www.asterweb.jp l. nasa）取平均值获得土壤εs=0.973,水泥建筑εm= 0.968,石灰岩εr=0.960。对于水体,ε=εw;对于其他区域,提出喀斯特山峰混合像元比辐射率的估算方法,由于石灰岩间土壤基本为喀斯特植被覆盖,故其混合像元主要由植被与石灰岩构成,ε=Pv Rvεv+(1-Pv）Rrεr+dε,dε=(1-εr）(1-F）εv;对城市建筑与绿化林木构成的混合像元,ε=Pv Rvεv+(1-Pv）Rmεm;对植被、裸土构成的混合像元,ε=Pv Rvεv+(1-Pv）Rsεs。其中Rm、Rv、Rr、Rs分别为不透水地表、植被、石灰岩、裸土温度比率,由Pv估算[14]; dε为混合像元植被和石灰岩间由于地形引起的热辐射相互作用修正;地形因子F根据不同几何分布取值[15]。

2 桂林喀斯特地区实验结果分析

实验选取桂林Landsat卫星1989年9月13日TM、1991年10月30日 TM、2000年10月30日ETM、2005年9月9日TM、2006年9月21日TM共5景遥感图像,利用遥感归一化植被指数反演植被覆盖度Pv,利用单窗算法反演地表温度ts,结果见图1、图2。可以看出,表面温度较低的漓江穿城而过, 1989—2006年桂林城市向桂林北站周边、城东高新技术开发区、城南瓦窑周边、城西琴潭路周边等方向快速扩展,植被覆盖度低的深黑色面积快速增加,地表温度较高的面积也随之快速增加,新开发的城区由于植被覆盖度较低而地表温度较高;在城区镶嵌着七星公园(普陀山等）、叠彩山、西山、穿山、骝马山、老人山、南溪山、靖江王城(独秀峰）等较大的喀斯特山峰,其植被覆盖度一直保持较高而地表温度较低。

对反演的地表温度进行验证:甲天下水泥广场、榕湖水体等地物的表面温度空间差异较小,2006年卫星过境时利用手持式红外测温仪沿选定的巡回观测线路2 m间隔测量表面温度,取平均值作为面测量值;借助高分辨率遥感图像和 GPS数据定位,使用ENV I软件在反演温度图像中自动计算子窗口中像元的平均温度作为地物的表面温度。经比较,地表温度反演值与测量值误差在2℃内,因此反演地表温度能较准确地反映喀斯特城市地表温度的分布。

分别对5景遥感反演图统计除水体外地物Pv以0.1等间距范围内像元ts的平均值,绘制ts均值随Pv变化图,结果见图3,空间上,ts均随Pv的增加而降低,呈明显负相关关系。

统计遥感反演Pv的分布比例,结果见表 1。1989-2006年研究区内Pv＜0.1的面积比例由4%逐年升到15.3%,Pv＜0.2的面积比例为1989年7.8%、1991年 15.2%、2000年 20.7%、2005年 21.1%、2006年22.7%,呈逐年上升趋势;与此同时,Pv≥0.9的植被高度覆盖面积比例由36.1%逐年降到3.7%,Pv≥0.7的植被中度覆盖面积比例为1989年49.2%、1991年27.4%、2000年27%、2005年16.5%、2006年11.1%,呈逐年下降趋势。

图3 地表温度均值随植被覆盖度变化Fig.3 Average surface temperature change with vegetation coverage

由于温度范围不同而无法直接比较不同时相遥感反演ts图,因此在 GPS数据和高分辨率遥感图像的支持下使用ENV I软件ts图中提取郊区茂密林地表面温度tf,计算像元ts高于tf的相对倍数z=(tstf）/tf(ts＞tf）,使得不同时相的ts图具有可比性,统计z等间距范围内的像元比例,结果见表2。1989—2006年研究区内ts＞tf的像元比例逐年上升,1989年63.2%、1991年 67.2%、2000年 70.4%、2005年73.7%、2006年76.3%;0＜z≤10%的低温像元比例逐年下降,1989年28.9%、1991年25.4%、2000年23.7%、2005年22.2%、2006年20.4%,而z＞20%的高温像元比例也逐年上升。

表1 植被覆盖度分布比例Table 1Proportion of vegetation coverage distribution %

表2 地表温度高于郊区林地温度的像元比例Table 2Proportion of pixels with higher surface temperature than that of suburban forest %

3 结论

在同一时相遥感图像的空间上,桂林喀斯特城市地表温度均随植被覆盖度的增加而降低,呈明显负相关。1989—2006年,桂林喀斯特城市的快速扩展使得植被覆盖度低、地表温度较高的面积逐年快速增加,而林地、农田等植被覆盖度高、地表温度较低的面积快速减少。植被覆盖度Pv＜0.1和Pv＜0.2的面积比例逐年上升,而Pv≥0.9和Pv≥0.7的植被覆盖面积比例逐年下降,其导致地表温度高于郊区茂密林地表面温度的像元比例逐年上升,地表温度高于茂密林地表面温度的比率z＞20%的高温像元比例也逐年上升,而z≤10%的低温像元比例逐年下降。

桂林喀斯特城市的特点就是覆盖着喀斯特植被的石灰岩山峰镶嵌于市区,其喀斯特山峰植被覆盖度普遍保持较高,喀斯特植被整体的蒸腾作用较大而吸收热量较多,地表温度较低,影响其上及周边空气温度,形成局地小气候环境,呈现显著的城市凉岛现象,对调节喀斯特城市气候环境具有重要作用。如果以灌丛和阔叶林为主的喀斯特植被被人为破坏,由于石灰岩间的土壤土层瘠薄、喀斯特植被的生长速度十分缓慢,喀斯特山峰短时间内很难恢复植被覆盖,容易造成土壤侵蚀、大面积石灰岩裸露的石漠化现象,而大面积裸露的石灰岩热容量较大,其在太阳直接辐射下吸收、贮存大量热量,使得失去植被覆盖的喀斯特山峰在喀斯特城市形成新的城市热岛,因此喀斯特山峰的植被保护对喀斯特城市气候环境的改善至关重要。

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Influence of Spatio-tem poral Change of Vegetation Coverage on Land Surface Tem perature in Karst City

WANG Xiu-xin1,2,ZHU Qi-jiang2,L IANG Zong-jing1,LUO Lian-ling1,NONGJing-hui1,TANG Gu-yun1
(1.College of Com puter Science and Inform ation Technology,Guangxi N ormal University,Guilin 541004; 2.State Key Laboratory of Remote Sensing Science,School of Geography and Remote Sensing Science, Beijing N ormal University,Beijing 100875,China）

Stronger and stronger urban heat island effect could be feltw ith karst Guilin City rapid expansion and vegetation coverage variance.Thus,vegetation coveragePvwas retrieved w ith NDV I,land surface temperature(LST）was got by Qin Monow indow algorithm respectively from five TM/ETM images of Guilin during 1989 to 2006.Influence ofPvspatio-tempo ral variance on LST was analyzed.Results show that LST possesses a negative correlation withPvin space as it reduces w ith the enhancement ofPv.W hile the area p ropo rtion ofPv＜0.2 increases,w hich is 7.8%in 1989,15.2%in 1991,20.7%in 2000, 21.1%in 2005 and 22.7%in 2006,the area p roportion ofPv≤0.7 decreases,w hich is 49.2%in 1989,27.4%in 1991,27%in 2000,16.5%in 2005 and 11.1%in 2006 over the period.It results in rapid rising of high LST pixel p roportion ofz＞20%and rapid falling of low LST pixel p ropo rtion ofz≤10%by year,w hich is 28.9%in 1989,25.4%in 1991,23.7%in 2000,22.2% in 2005 and 20.4%in 2006.The vegetated karst hills show strong urban cool island effect and can imp rove urban microclimate environment in the karst cities.

karst city;vegetation coverage;land surface temperature;remote sensing retrieval

TP79;X171

A

1672-0504(2011）04-0107-04

2010-12-28;

2011-03-04

国家自然科学基金项目(41061040）

王修信(1963-）,男,博士,教授,主要从事生态环境遥感研究。E-mail:xxwangbnu@163.com