基于Landsat系列衛星的地表溫度與植被覆蓋度關系研究

摘 要：該文通過2016年的Landsat 8衛星數據，解譯了北京密云區2016年的土地利用數據。通過2005、2016年的TM/TIRS的熱紅外波段和NDVI值反演了密云區的地表溫度和植被覆蓋度。結果顯示：2005—2016年，密云區地表溫度升高，城市熱島效應明顯；植被覆蓋度與地表溫度呈負相關關系，植被覆蓋度越低，人工表面聚集度指數與分離度指數越高，地表溫度會越高，而植被覆蓋度越高、人工表面分離度越高，越能夠緩解熱島效應。

關鍵詞：土地利用；植被覆蓋度；地表溫度

中圖分類號 P423.7 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）20-0104-04

Study on the Relationship between Miyun Land Surface Temperature and Vegetation Coverage Based on Landsat Series Satellite

Wang Yuehui

（Army Academy of Border and Coastal Defence，Xi'an 710108，China）

Abstract：The article uses the 2016 Landsat 8 satellite data to interpret the land use data.The landsurface temperature and vegetation coverage of miyun region were reflected through the thermal infrared band and NDVI value of TM/TIRS in 2005 and 2016.The results indicated that the landsurface temperature in Miyun County increased and the urban heat island effect highlight during 2005—2016.The vegetation coverage was negatively correlated with landsurface temperature.The vegetation coverage more lower and the concentration index and the separation index of artificial surface more higher，the surface temperature will be more higher.The vegetation coverage more higher and the splitting index of artificial surface more higher，the mitigating effects of the heat island effect will be more remarkable .

Key words：Land use；Vegetation coverage；Land surface temperature

1 引言

密云區在北京城市化極速發展的大背景下，土地利用格局與環境面貌發生了變化。根據北京市統計局2011年統計年鑒資料顯示[1]，北京全社會房屋施工面積從1990年的2864.9萬km2增加到2010年的15572.1萬km2。密云區土地利用分類數據統計結果表明，2005—2016年人工表面面積增加了68.055km2。城市中心熱島效應隨著人口密度和建筑用地面積的不斷增多而逐漸增強，而郊區的大面積自然表面被人工用地代替，植被覆蓋度降低也會產生熱島效應。因此，分析植被覆蓋度與地表溫度的關系對市郊規劃建設具有重要意義。

2 研究區概況與數據來源

本文研究區域為密云區，位于北京市東北部，東、北、西三面群山，中部低緩，溫帶大陸性季風氣候，位于燕山山脈南麓、華北大平原北緣，地理坐標西起東經116°39′33"，東至117°30′25"，東西長69km；南起北緯40°13′7"，北至北緯40°47′57"[2]。

密云區2005年土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心；2005年北京植被覆蓋度數據來源于中國環境科學院；衛星影像數據來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/），其中2005年5月，2016年5月的數據來自Landsat8衛星。氣象數據來源于中國環境氣象中心（http：//cdc.cma.gov.cn/home.do）。

3 研究方法

3.1 陸地表面溫度（LST）反演方法 《NASA技術手冊》提供的輻射定標與亮溫公式[3]是反演表面溫度的常用方法，該方法的精度和可用性也在相同研究區域中得到證明。具體公式如下：

L=gain*DN+offset；

T=k2/ln（k1/L+1）

式中，gain為增益系數（單位：[（W?m-2?sr-1?μm-1）/DN]）；offset為偏移系數（單位：[（W?m-2?sr-1?μm-1）/DN]）；gain與offset值可以在影像頭文件中獲得。L為熱輻射強度值；T為輻射亮溫（單位：k），k1，k2為校定系數，參數詳見表1。

式中，Ts為地表溫度（K）；T為輻射亮溫（K）；[λ]為有效波譜范圍內的最大靈敏度值。其中[λ=11.5μm；][ρ=hc/δ=0.01438mk]；[δ=1.38×10-23J/k]，為玻爾茲曼常數；h=6.626×10-34J·s，為Plank常數；c=2.998×108s，為光速[5]。本文通過相同時間點的地面實測氣溫資料的平均值作為驗證數據源[6]，發現實際溫度與預測溫度相差范圍相差在2℃內，反演數據可用，詳見圖1。endprint

3.2 植被覆蓋度（VCF）反演方法 植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比[7-9]。本文根據NDVI[10]計算植被覆蓋度：

[Fv=NDVI-NDVISNDVIV-NDVIS]

式中Fv為植被覆蓋度，NDVIS、NDVIV分別為純裸地與植被覆蓋區歸一化植被指數值的最小值和最大值。通常情況下，NDVIV與NDVIS取給定置信度的置信區間內的最大值與最小值，以在一定程度上消除遙感圖像噪聲所帶來的誤差[11，12]。本文選取置信區間內的最大值與最小值為0.5%與99.5%。將反演得到的數據與現有的產品數據反演驗證，相差范圍在-0.01%～0.01%，反演數據可用。詳見圖1。

3.3 土地利用分類方法 密云區地物種類齊全，林地、水域、人工表面用地分布特征明顯，所以選取2005年影像的5、4、3波段進行融合，2016年影像的6、5、4波段進行融合，結合2000、2010年密云土地利用數據一級分類的地物特征，利用ENVI5.3軟件的最大似然分類法對2005年與2016年TM數據進行監督分類。將分類影像與同時期同區域的google earth影像進行疊加，目視解譯偏差的分類區域。分類結果如圖2所示。

4 熱環境與植被覆蓋關系分析

北京生態涵養發展區的密云區土地利用分類特征明顯，林地、草地、濕地、耕地、人工表面與其他用地在2005—2016年均有分布于變化，其中人工表面和林地在密云的北部與東南地區主要相互鑲嵌的形式進行分布，在西南地區大面積進行分布。從反演的各項數據來看，密云區西南方向熱島效應明顯，隨著人工表面面積的增多而逐漸升溫，并且2016年整個密云區域的平均溫度都較高與2005年。通過反演數據證明，2005年密云地區的地表溫度最高為34.81℃，最低為4.59℃，平均19.44℃，而2016年最高為47.41℃，最低為-17.79℃，平均為27.47℃，2005年與2016年密云地區的平均植被覆蓋度分別為61%、58.36%，統計出每個地類的LST和VCF，詳見表2。

植被蒸騰的同時加速了陸地表面和大氣層之間潛熱與顯熱的交換，能夠有效的降低地表溫度。因此，建立2005年至2016年的土地轉移矩陣，選取密云地區林地轉為人工表面的區域，建立溫度變化圖（見圖3），通過ArcGIS10.0的Zonal工具統計2016年轉變為人工表面區域的LST與VCF平均值，并建立LST與VCF的回歸方程（見圖4）。

圖1、圖3與圖4定性定量分析表明，植被覆蓋度與地表溫度具有強負相關性，y=-0.2097x+24.296，林地具備較高的植被覆蓋度，所以遠小于同期人工表面的地表溫度，2005—2016年的土地利用格局變化表明，人工表面的擴張和變化從分散到集中、從不規則到規則，比如在密云縣西南區域，有大量耕地變為汽車公司、工廠，分布集中規則，而在東北部地區的人工表面用地零星分散的分布在林地中，由于林地的緩解效應，沒有產生熱島現象。因此，通過Fragstats4.1軟件運算出景觀格局分離度指數（SPLIT）、景觀形狀指數（LSI）以及聚集度指數（AI）。對比2期數據的SPLIT、AI、LSI變化情況分析市郊植被的景觀格局變化對地表溫度的影響見表3。

當景觀中斑塊形狀不規則或偏離正方形時，LSI越大[13]，而SPLIT越大表示斑塊間的距離越大，斑塊在空間分布上越離散[14]。人工表面的景觀形狀指數變低，證明建地規則，而分離度指數大大降低證明建地集中，某種類型地物分布越集中、越規則，越易形成由該地物引起的環境生態效應。因此得知，人工表面分布集中規則產生了熱島效應，而林地面積分布集中能夠緩解鑲嵌其中人工表面的地表溫度。

5 結論

土地景觀格局指數的變化和植被覆蓋度的變化決定了地表溫度的格局變化，城市建設用地集中不規則的擴張加強城市熱島效應的形成，人工表面的LSI、AI指數越大，地表溫度越高。2005—2016年，密云區的人工表面增長面積最大，且以集中規則的方式擴張，導致該地類地表溫度上升，植被覆蓋度下降。人工表面下墊面介質相比林地、濕地、草地能夠吸收更多的太陽輻射，植被覆蓋度低，用于蒸發消耗的熱量少，地表溫度會高，因此熱島效應凸顯，但人工表面分離度指數增高、植被覆蓋度增高會減弱熱島效應的強度。密云區2005年植被覆蓋度高于2016年，地表溫度低于2016年，建筑用地面積增多，密云區西南角熱島效應明顯，但北部和東南部地區植被覆蓋度高，且人工表面用地零星分散的分布在林地中，并沒有產生熱島效應。選取2005—2016年密云區林地轉為人工表面的區域，統計結果表明，該區域2016年地表溫度明顯高于2005年，地表溫度與植被覆蓋度呈明顯的負相關性，因此建立地表溫度與植被覆蓋度的一元二次擬合方程y=-0.2097x+24.296。

依據密云區地表溫度與植被覆蓋度關系的研究結果，提出幾點改善市郊生態環境的建議：（1）避免大面積無規則的人工表面用地的擴張；（2）人工表面的擴展區域多傾向于人口密度低的區域，盡量避免工廠、企業大面積集中擴張原林地、草地等生態區域；（3）加強市郊地區植被規劃建設，人口密度高、建筑密度高的地區應多規劃林地的建設。

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