奎屯河流域中下游地表温度对LUCC响应监测研究

朱晶晶，潘 鑫，杨英宝*，王爱辉，胡 佳

（1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100）

奎屯河流域中下游地区是我国最大野生次生林和白梭梭自然保护区所在地。该保护区在2001 年上升为国家级自然保护区。保护区以及保护区外4 000 km2范围是由河谷林、梭梭林和其他旱生型植物柽柳、胡杨等形成的荒漠植被区，是奎屯河流域西北部的天然屏障。近年来，由于人口的增长、资源的缩减、不合理的开发等使该区域生态环境受到一定程度的干扰，因此对奎屯河中下游地区实施动态监测对于保护其生态环境具有重要意义。

土地利用/覆被变化（LUCC）作为揭示区域环境变化的重要途径，是人类活动与自然环境相互作用最直接的表现形式。随着LUCC 在可持续发展研究中的地位越来越重要，许多学者[1-2]从不同方面深入研究了LUCC 与生态环境等之间的关系。地表温度（LST）是生态环境变化的一个重要因子，已有学者[3-4]对其展开研究，并证明LUCC 与LST 相结合研究区域的生态环境是一个重要的发展方向。

传统的LUCC 动态监测方法费时费力、效率低下[5]；而遥感在全球与区域尺度的土地覆盖研究与应用方面不断出现新方法[6]，不仅可提供分辨率高、时效性强的城市土地覆被变化信息，还可提供由热红外波段反演的同步LST 信息[3]。遥感与GIS 技术的结合更能充分发挥二者的优势，为研究区域提供实时动态监测的强大功能，以期为该区域资源管理和生态安全保障提供科学依据。以往针对奎屯河流域研究较多的是利用LUCC 进行生态系统服务功能评价等，因此本文基于两期遥感影像，通过遥感和GIS 技术提取了LUCC，并采用单窗算法反演得到LST 分布；进而对2000-2010 年奎屯河流域中下游地区的LUCC 动态变化进行监测和分析，并结合LST 分布分析了LUCC 对LST 的影响。

1 研究区概况

奎屯河流域位于新疆天山北坡中部，准噶尔盆地西南缘，乌鲁木齐以西220 km。流域总面积约为28 300 km2，其中中下游区域面积约为3 058 km2，地理坐标为83°22′00″～84°36′00″E，44°40′00″～45°03′00″N。奎屯河水系包括3 条较大河流，自东向西依次为奎屯河、四棵树河、古尔图河，均发源于天山中段北坡，位于乌苏市境内，多年平均径流量之和超过6.034×108m3，是乌苏市、农七师、奎屯市、独山子区社会经济发展的宝贵资源。流域地处欧亚大陆腹地，属典型大陆性干旱气候，光照充足、热量丰富，降水稀少、蒸发量大；年均气温为7.3 ℃，年均降水量为150～170 mm，年均蒸发量为1 710～1 930 mm。流域属冲洪积倾斜平原地貌，地势西高东低，南高北低，海拔为250～500 m；地表多为戈壁或亚砂土，其土种质地多属砂壤土[1]。研究区内耕地、草地、沙地是优势地类，林地、水体和盐碱地占地面积相对较少。研究区范围如图1 所示，为假彩色合成遥感影像。

图1 研究区范围

2 研究数据与方法

2.1 数据来源与预处理

LUCC 数据来源于2000-06-27 和2010-06-15 两期Landsat 5 影像数据可见光波段，空间分辨率为30 m；LST 反演数据来源于两期影像数据热红外波段，空间分辨率为120 m。

首先利用Google Earth 对各期遥感影像进行几何精纠正，再进行大气校正、辐射定标等预处理。

2.2 LUCC 分类信息提取

根据奎屯河流域土地利用特点，参考有关文献[2,7]的土地利用分类情况，将土地利用类型国家标准重新分类为6 种，即耕地、林地、草地、水体、沙地、盐碱地。草地实际包括梭梭、柽柳以及其余杂草群落；林地包括胡杨、柽柳以及其余杂草群落，根据草地变化估算梭梭和白梭梭的变化趋势，为该自然保护区提供生态保障。根据上述各地类的波谱特性及其在遥感影像上的纹理和位置布局等特征，结合地形图、野外调查资料照片等数据确定各类地物对应的影像和判别标准。

根据上述分类标准，本文采用最大似然分类法对奎屯河中下游区域进行解译，并通过目视解译对细节进行人工勾绘解译工作，获得研究区两期LUCC 专题图。

2.3 LST 反演

LST 由传感器观测得到的辐射强度所对应的亮度温度进行演算获得，因此在利用单窗算法计算前，必须先从TM6 数据中求算亮度温度。计算的近似公式为[8-10]：

式中，T6为像元亮度温度（K）；K1和K2为传感器发射前预设常量，所用遥感影像均为Landsat5 TM 影像，上述常量为已知值。

然后利用覃志豪[11]等提出的单窗算法LST 演算公式计算LST，即

式中，Ts为像元的LST（K）；a6和b6为统计常量，对于TM/ETM+ 传感器，其值分别为-67.355 351 和0.458 606；C6与D6为中间变量，C6=ε6τ6，D6=(1-τ6)×[1+(1-ε6)τ6]。

由上述公式可知，该算法需得到地表比辐射率（ε6）、大气透射率（τ6）和大气平均作用温度（Ta）3 个参数才能进行像元LST 反演。通常，ε6与地表构成有关，可通过统计ε6与植被指数之间的关系间接获得[12-14]；而τ6和Ta则可通过各地气象观测站得到的水汽含量和温度数据等计算获得[15]，本文利用MODIS水汽数据得到影像拍摄时刻研究区的平均水汽含量，并通过查找历史气象数据得到当天温度数据。

计算得到参数后，即可通过单窗算法计算每个像元的LST[16-18]，进而获得整幅影像的LST 分布。由于实验需对两期影像的LST 分布变化进行分析，本文采用归一化处理方法消除两个时期之间的气候、温度等因素的影响。归一化公式为：

式中，x＇为归一化LST，取值范围为0～1；xi为该像元计算得到LST。

2.4 转移矩阵模型

转移矩阵模型可清晰反映各种土地类型变化的结构特征和各种类型转移去向，对奎屯河中下游地区LUCC 的驱动机制分析意义重大。转移矩阵的表达式为：

式中，i和j为土地利用类型；Aij为类型i转化为类型j的面积，当i=j时，Aij为i类型未发生转入转出的面积。

3 研究结果与分析

3.1 LUCC 特征分析

2000 年和2010 年奎屯河中下游区域的LUCC 分布如图2 所示，可以看出，奎屯河下游东侧分布大片耕地和少量水体、西侧分布大片草地，中游南侧主要分布草地、沙地以及少量盐碱地，河岸分布林地；四棵树河与古尔图河两侧主要分布沙地、草地和盐碱地，两岸分布林地；2010 年东部耕地扩张、草地缩减，河流两侧盐碱地分布增加。

2000-2010 年各土地利用类型面积变化如表1 所示，可以看出，奎屯河中下游区域各土地利用类型存在不同程度的变化，其中耕地、水体和盐碱地面积呈明显上升趋势，草地面积呈明显下降趋势，林地面积呈略微上升趋势，沙地面积呈略微下降趋势。在变化明显的各种土地利用类型中，草地面积从2000 年的37.6%减少为2010 年的28.9%，总减少面积达266 km2；而耕地面积则从651 km2增加到896 km2；盐碱地面积年增长率也达4.8%，其总变化面积达75 km2；水体面积年增长率为3.7%，增加面积为6.6 km2。相对变化较小的林地与沙地的面积分别变化了3.9 km2和-64 km2，年变化率分别为0.30%和-0.67%。

由上述数据统计分析可知，2000-2010 年奎屯河中下游区域的草地被人为开垦和被沙地侵蚀，面积逐年明显减少；耕地和水体面积则由于人工开垦开发而显著增加；随之而来的盐碱地面积也呈逐年大量增长趋势；林地与沙地总体相对较稳定，无太大变化。

图2 2000年和2010年奎屯河中下游地区植被覆盖类型分布

表1 2000-2010年不同时期奎屯河中下游区域不同植被类型变化

3.2 LUCC 转移过程

本文利用两期土地利用类型分布图，通过叠加分析得到2000-2010 年奎屯河中下游区域的LUCC 转移矩阵，如表2 所示，更清晰地展示了各地类的面积转移过程，便于分析LUCC 特征。

表2 2000-2010 年奎屯河中下游区域LUCC 转移矩阵/km2

由表2 可知，10 a 间耕地、水体、沙地等转出类型较少，其中耕地几乎无转出，而转入为耕地的地类则较多，主要转入地类为草地，共有196.28 km2草地被人为开垦成为耕地；水体的主要转出类型为耕地和林地，主要转入类型为林地和草地；沙地主要转出类型为草地和盐碱地，主要转入类型为草地。由耕地的转移矩阵可知，由于人口增加和社会经济发展，大量草地被开垦为耕地，部分盐碱地被改良成为正常产量的耕地，结合图2 可以看出，耕地整体呈向中间草地扩张的趋势。水体虽在整个研究区域中所占面积比例最小，但其增长幅度很大，归因于人类对水资源的开发和水利工程的建设，以满足耕地不断扩张带来的对灌溉水量需求的增长。沙地面积较为稳定，与草地相互转化，结合图2 可以看出，中下游西北角区域在2000 年处于草地中的沙地，由于生态环境的改善，沙土质量在2010 年改善成为适合杂草群落等生长的土壤；而位于南侧沙地附近的草地，则由于超载过牧和风沙侵蚀被同化为沙地。

10 a 间除耕地和水体大幅增加外，盐碱地面积增长幅度也较大。盐碱地转出为其他类型土地的总面积为52.79 km2，而其他类型土地转化为盐碱地的面积则达127.81 km2。近年来，全球气候变暖带来了流域降雨量的增长[19]，而奎屯河中下游地形平坦，排水出路不畅，加之不合理灌溉，导致地下水位上升易于积盐；且研究区地下水以氯化钠型和硫酸钠型为主[20]，沙漠周缘强烈蒸发作用使地下水和土壤中的盐分随水分运移而汇集于地表形成大片盐碱地。

林地面积变化较为稳定，但并非毫无变化，林地转出部分仅占67%，转出类型在各地类均有覆盖，主要为草地和耕地。林地的退化可能与流域地下水大量无规划开采而导致的地下水位持续下降有关[21]，且人口增长加大对粮食作物的需求使得耕地由东向西沿河大面积扩张，部分林地被开垦为耕地。林地的主要转入类型为草地，耕地扩张伴随着人类活动范围的扩大，2010 年新增耕地范围内的林地仍存在，表明人类对林地实施了保护措施。另外，由于近年来流域生态保护措施的实施到位以及生态环境的改善，部分沿河两岸林地面积有所扩大。

3.3 LST 对LUCC 的响应

根据研究区的两期遥感影像，本文通过单窗算法反演得到像元的LST，从而得到2000 年和2010 年奎屯河中下游区域的LST 分布图，如图3 所示，可以看出，2000-2010 年研究区的LST 差异明显，尤其是LUCC 较大的区域，2010 年中间草地部分的LST 明显低于2000 年，近耕地部分的草地温度接近于耕地，表明流域生态环境改善较大，草地植被覆盖密度提高，由低覆盖稀疏草地逐渐成为中高覆盖草地。

图3 2000年和2010年奎屯河中下游地区LST分布图

本文通过遥感影像对该结果进行验证，奎屯河中下游区域2000 年和2010 年两期假彩色合成遥感影像如图4 所示，2010 年影像中间草地部分呈类似于耕地的红色，而2000 年相同位置部分几乎无红色，这与反演得到的LST 分布图相当吻合，表明该地区生态恢复状况非常可观。

图4 奎屯河中下游地区2000年和2010年假彩色合成遥感影像

本文计算得到整个研究区的平均LST 在2000 年为47.14℃，在2010 年达到49.57℃。为得到更精确的结果，将反演所得LST 分布图进行归一化处理，得到2000 年与2010 年的归一化LST 分别为0.597 和0.595，说明归一化处理能剔除气候变暖等外界因素对LST 的影响。

为了更直观地对LST 与土地利用类型之间关系进行分析，将归一化处理后的奎屯河中下游区域LST 分布图与LUCC 分布图通过空间叠加分析进行分区统计，分别得到2000 年和2010 年各土地利用类型的平均归一化LST，如图5 所示。

图5 奎屯河中下游地区2000年和2010年不同土地利用类型的LST变化

由图5 可知，LST 从低到高依次为水体、耕地、林地、草地、盐碱地和沙地，其中水体归一化LST 在2000 年和2010 年分别为0.115 和0.136，为所有地类中最低，归因于水体白天的高反射率和低吸收率；耕地、林地由于植被覆盖度高、蒸腾作用强导致LST 较低，其归一化LST 在2010 年分别为0.421 和0.452；而草地和盐碱地的LST 相近且较高，在2010 年分别达到0.623 和0.631，由于二者植被覆盖与植被密度低，而盐碱地表层盐碱聚集，植被覆盖度更低，因此LST 更高；沙地由于沙石导热快而温度最高，其归一化LST 在2000 年和2010 年分别达到0.744 和0.775。

草地和盐碱地的LST 均有小幅降低趋势，其中草地面积虽大幅缩减了23.17%，但其归一化LST 仍降低了2.96%，原因为其植被覆盖度升高，表明草地植被覆盖情况对LST 具有重要影响；而盐碱地面积增长幅度达到48.32%，其LST 却降低了4.15%，可能是由于流域生态环境的改善致使盐碱地的盐碱化程度降低而植被生长增加。

为了更便捷地观察生态恢复对盐碱地LST 的影响，本文分别以研究区中部盐碱地转化为草地的部分以及东部盐碱地转化为耕地的部分为例，与2000 年和2010 年归一化LST 分布图作叠加分析，得到盐碱地转化为植被部分的LST 变化情况，如表3 所示。

表3 2000-2010年盐碱地转化为植被部分的LST变化

由表3 可知，2000 年盐碱地的LST 分别为0.71 和0.60，二者温度不同的原因主要是转化为草地部分的盐碱地位于沙地中，而转化为耕地部分的盐碱地则被耕地与草地围绕；2010 年盐碱地有13.07%恢复为草地，其LST 降为0.62，降低了12.66%；有14.59%开垦成为耕地，其LST 降低了0.13，变化率达-21.01%，表明生态恢复对LST 降低有促进作用。

耕地与林地的LST 接近且呈上升趋势，上升幅度较大，尤其是耕地的归一化LST 增长幅度达24.63%，然而其面积增长了37.55%，分析其原因为所获取的2010 年遥感影像相较于2000 年提早了近两周，作物生长度与密度较低，且结合遥感影像可知，2010 年耕地区域颜色比2000 年浅，因此前者LST 较高；而林地面积变化较小，增长率为2.95%，但由于草地大面积缩减，尤其是林地附近草地的退化，使得林地的LST 上升了19.35%。

4 结 语

在城市化的影响下，2000-2010 年奎屯河中下游区域LUCC 分布发生了显著变化，同时其LST 分布也发生了改变，具体结论为：

1）奎屯河流域中下游地区主要分布有草地、耕地、沙地、盐碱地、林地和水体，其中草地在2000 年的面积占比为37.6%，2010 年的面积占比28.9%，大幅缩减；耕地面积占比由21.3%增长到29.3%；盐碱地面积占比由5.1%增长到7.6%；水体面积增长率达3.73%；林地（4.4%）、沙地（30%）较为稳定。

2）人类开垦大量草地（17.1%）以及其他地类为耕地，耕地面积总增长率达37.6%；另外，部分草地（12.3%）可能由于地下水不合理开采和过度放牧退化为盐碱地和沙地；随着生态环境恢复草地植被覆盖度上升，部分草地（3.4%）生长成为林地。盐碱地面积的增长主要为草地退化和沙地恢复（5.4%）。

3）各地类LST 从低到高依次为水体、耕地、林地、草地、盐碱地和沙地，10 a 间除草地与盐碱地LST 小幅降低外，其余地类LST 均呈上升趋势。在气候、环境和人为等因素的影响下，盐碱地中有13.1%恢复为草地和林地，该部分LST 下降了12.7%，另有14.6%被开垦为耕地，该部分LST 下降了21%；草地面积缩减但植被覆盖度显著增大，其LST 下降了3%。由上述两种代表地类发生的LST 变化响应可知，研究区域生态环境呈较好的恢复状态。