基于遙感的城市綠色空間演化過程的溫度效應研究
——以福州主城區為例

陳燕紅,蔡芫鑌,仝 川

1 福州大學至誠學院, 福州 350002 2 福建師范大學濕潤亞熱帶生態-地理過程教育部重點實驗室, 福州 350007 3 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007 4 福州大學環境與資源學院, 福州 350116

城市化通常表現為城市人口的大量聚集,廣泛的土地開發活動和大幅減少的綠色空間[1- 3]。在中國,2015年的城市化率為56.10%,預計城市人口在2030年將增長70%[4]?？焖俪鞘谢瘜е碌某鞘袩釐u現象,是影響人類健康和生態系統功能最嚴重的環境問題之一[2,5]。位于城市中的綠色空間,包括林/草地、水體和濕地,在維護城市生態環境中扮演著重要的角色[6],其所帶來的生態效益受到廣泛關注。許多研究表明城市綠色空間可作為減輕熱島效應的有效方法之一。研究提出綠地通過蒸騰作用和遮陰作用能夠有效降低周邊環境溫度[7- 9]；地表水體由于本身的高熱容性和流動性,以及較低的熱輻射率,具有降溫、增濕的作用,既是城市中的“冷島”,也對周邊環境具有顯著的降溫増濕作用[10- 12]；濕地被稱為“地球之腎”、“天然水庫”和“天然物種庫”,在調節區域氣候特征方面亦具有重要作用[13]。因此,關注城市不同綠色空間類型的時空演化與合理配置,緩解城市熱島效應,改善人居環境已然成為當前的重要任務[14- 17]。

相比傳統的大氣溫度測量技術,遙感和地理信息系統技術正廣泛應用于城市熱島效應研究中[18]。遙感分析技術能直觀、動態地獲取下墊面信息和模擬其未來演化方向,并以其他研究方法無法比擬的絕對優勢成為了研究城市冷島強度的重要技術手段。城市景觀的形成和擴張增加了熱島的威脅,由其引起的地表溫度時空變異的定量研究也是多樣化的[19- 21]。土地利用類型/覆蓋和地表溫度之間的關系在不同的研究條件中是不一致的。多數學者對城市的下墊面、土地利用類型、植被覆蓋度、綠色空間格局、不透水面等影響因子已有了大量研究,卻較少從綠色空間演化過程與地表溫差方面討論城市冷熱島與城市綠色空間的關系,對城市綠色空間不同演化類型引起的溫度效應的定量研究也相對匱乏。因此,如何量化城市綠色空間類型演化對地表溫度變化的影響仍然是多個城市應對高溫威脅的關注熱點問題。本研究選取快速城市化背景下的福州主城區為研究對象,利用遙感和地理信息系統軟件平臺及相關統計分析法,著眼于城市綠色空間與地表熱環境演化特征,開展城市綠色空間演化過程的溫度效應定量化研究。研究不僅能有效指導城市綠色空間存量調控建設,而且還可為相關城市規劃設計指標控制提供理論指導與規范,具有重要的理論學術價值,為同類研究和規劃實踐提供案例借鑒。

1 研究數據及方法

1.1 研究區概況

福州市位于中國東南沿海(25°15′—26°39′N,118°08′—120°31′E),是省內最大的工業城市,也是全省政治、經濟、文化中心。近年來,隨著城鎮化進程加速和福州城市發展“東擴南進、沿江向?！睉鹇缘膶嵤?福州主城區下墊面用地類型發生了巨大的變化。在1996—2005年間福州城區以年均6%—7%的速度擴展[22- 23],主城區中建筑用地過多,綠地偏少且破碎嚴重[24],濕地面積不斷減少[25],城市建筑和綠地之間的平均溫差可達4℃[26],建筑不透水面與地表溫度之間表現出明顯的指數函數關系,高不透水面覆蓋地區的升溫要明顯快于低不透水面覆蓋地區,城市熱島嚴重[27- 28]。自2007年起夏熱時段的平均地表溫度高達35—40℃,2013年更是成為“四大火爐”之首[29]。本研究選取福州主城區為研究對象,主要包含鼓樓區、臺江區、晉安區和倉山區四區的建成區部分,總面積約為257.80km2。

1.2 數據源及其預處理

本研究采用數據源分別是覆蓋福州主城區的1993年6月26日、2000年6月29日和2008年7月5日的三景LandsatTM5遙感影像數據與2013年8月4日和2016年7月27日的兩景Landsat8遙感影像數據。所有影像均來源于中國科學院計算機網絡信息中心,無云區能100%覆蓋研究區,影像質量較好。圖像預處理主要包括幾何校正、大氣校正和影像裁剪等。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用/覆蓋分類

根據中國土地資源分類系統的分類標準,結合福州市實際土地利用情況,將研究區的土地利用類型劃分為林/草地、水體、農田、濕地、建設用地和裸地6種類型。本次5個年份遙感影像總體分類精度分別為：84.08%、81.66%、82.70%、80.62%和80.28%；Kappa系數分別達到0.81、0.78、0.79、0.77和0.76；分類等級良好,分類結果可信度較高。再結合國內外研究學者對綠色空間的界定[30- 33]與本研究區域的特點,選取下墊面中對典型的林/草地、水體和濕地為綠色空間研究對象。

1.3.2綠色空間演化過程的界定

綠色空間的演化過程可分為以下4種情況：綠色空間擴張,即非綠色空間類型向綠色空間的轉變；綠色空間損失,即綠色空間向非綠色空間的轉變；綠色空間交換,即綠色空間之間的相互轉換；綠色空間不變,即綠色空間類型未發生改變。通過ArcGIS 10.2軟件工具對5個年份的綠色空間專題圖進行疊置分析,可得到1993—2000、2000—2008、2008—2013、2013—2016和1993—2016的5個時段的綠色空間動態演化情況(圖1)。

圖1 研究區綠色空間演化過程變化圖Fig.1 Temporal variations of the urban green space evolution of Fuzhou city

1.3.3地表溫度反演與溫度標準化分級

在利用Landsat衛星遙感數據反演地表溫度時,國內外普遍采用的方法主要有熱輻射傳輸方法、單窗算法、劈窗算法和單通道算法,大量研究證明了這些算法的可行性[34- 38]。其中,覃志豪等人提出的單窗算法(2001年)簡便易行,所涉參數較易獲取,反演精度能夠滿足要求,故而本研究選用此方法進行地表溫度的反演[38]。對Landsat TM 5和Landsat OLI 8的熱紅外波段反演5景遙感影像的地表溫度,具體步驟如下：

(1)熱紅外波段灰度值(DN值)轉化為相應的輻射強度值：

Lλ=gain×DN+offset

(1)

式中,Lλ表示傳感器接收到的熱輻射強度,W m-2sr-1μm-1；DN表示熱紅外波段的像元灰度值,即Landsat 5的第6波段和Landsat 8 TIRS載荷的第10波段的亮度值；gain和offset分別為熱紅外波段對應的增益和偏置。

(2)熱輻射強度值轉化為亮度溫度：

(2)

式中,Tb為像元的亮度溫度,K；K1和K2為常量,對于Landsat 5衛星,K1=607.76W m-2sr-1μm-1,K2=1260.56K；對于Landsat 8衛星,K1=774.89W m-2sr-1μm-1,K2=1321.08K。

(3)計算地表溫度(LST)：

(3)

C=τ×ε

(4)

D=(1-τ)[1+τ(1-ε)]

(5)

式中,TS為像元的實際地表溫度,K；a和b為常量,a=-67.355351,b=0.458606；Ta為大氣平均作用溫度,K；τ為大氣透射率；ε為地表比輻射率。

在標準大氣狀態下(天空晴朗、沒有渦旋作用),大氣平均作用溫度是地面附近氣溫的線性函數,用熱帶平均大氣公式(6)近似地推算Ta[39]：

Ta=17.9769+0.91715T0

(6)

式中,T0為地面附近氣溫,K。

采用NASA提供的大氣校正參數計算器和MODTRAN軟件獲取大氣透射率。

采用歸一化植被指數閾值法[40]估計地表比輻射率ε：

(7)

(8)

dε=(1-εu)(1-Pν)Fεν

(9)

式中,εv為植被比輻射率,取值0.99；εu為城市表面比輻射率,取值0.92；dε為包括自然表面的幾何分布和內部反射的影響；F為形狀因子,取值0.55；NDVImax取0.5,NDVImin取0.2。

(4)溫度標準化分級

為了消除誤差增加不同時像溫度數據的可比較性,研究采用地表溫度標準化分級公式(10)對絕對溫度進行處理。后采用Jenks提出的自然間斷點分級法[41]對TN進行重分類可得到1993—2016年研究區地溫等級分布圖(圖2)。其中,將低溫區和次低溫區合并為冷島區域,次高溫區、高溫區和超高溫區合并為熱島區域。

(10)

式中,TN為地表溫度標準化值；LST為地表溫度,min及max分別代表其最小值和最大值。

圖2 研究區溫度等級分布圖Fig.2 Distribution of different temperature degrades

1.3.4統計分析

(1)疊置分析

首先分別進行兩個年份土地利用/覆蓋類型的變化檢測。利用ArcGIS 10.2中的Map Calculator工具將兩個時相的土地利用類型分別編號,相同地類編號相同,再分別將兩時相的分類結果圖作如下式疊加計算,由此可以獲得前后兩時相土地利用變化情況。其中：i1和i2分別是前后兩個年份土地利用類型圖中每個地類的編號。如數字1—6分別代表水體、林/草地、農田、建設用地、濕地和裸地；而疊置后的兩位數如11表示水體不變,12則表示水體演化成林/草地,以此類推。

i1 =i1×10+i2

(11)

(2)重心分析

研究通過ArcGIS 10.2技術平臺的Mean Center工具實現冷/熱島重心、城市重心和綠色空間重心的提取[21,42],從而進一步揭示城市不同用地類型的空間演變規律與地表熱環境演變趨勢的關系。

(3)剖面線分析

分別選取1993年、2000年、2008年和2016年4個年份的地表溫度等級和相應年份的土地利用/覆蓋類型,以及1993—2016年的地表溫差和對應的土地利用/覆蓋變化作為分析對象,提取剖面沿線的地類與地表熱環境特征變化分析,以更有效揭示城市沿線不同用地類型引起的溫度效應。

2 結果與討論

2.1 城市綠色空間演化過程變化特征

對各年份土地利用類型進行疊置分析,得到城市綠色空間在不同研究階段的演化情況(圖1、表1)。從面積變化大小來看,各研究階段中,綠色空間不變面積>綠色空間損失面積>綠色空間擴張面積>綠色空間交換面積；1993—2016年,城市綠色空間不變、損失、擴張和交換的面積演化速率分別為1.66、2.02、0.21、0.10km2/a。結合1993—2016年的土地利用轉移情況表(表2)發現,綠色空間損失部分主要轉化為建設用地,其中尤以林/草地損失最多,表現為：林/草地(16.80km2)>水體(11.74km2)>濕地(1.76km2)。演化過程中,綠色空間擴張與損失的面積差均為負值,且在2000—2008年這一階段相差最多,為22.21km2?？臻g分布上看,面積差值最大的區域為倉山區(-33.23km2),其次是晉安區(-6.03km2)和鼓樓區(-1.96km2),最小的是臺江區(-0.55km2)。

表1 研究區1993—2016年不同綠色空間演化過程面積變化統計結果

表2 研究區1993—2016年土地利用轉移變化面積統計結果/km2

2.2 城市地表溫度變化特征

從面積大小上來看(表3),各研究階段中,不變的冷島區>不變的熱島區> 由冷島區轉為熱島區>由熱島區轉為冷島區。此外,不變的冷島區面積波動較大,呈現出先下降后上升的趨勢,而不變的熱島區的面積變化趨勢則相反。再者,由冷島區向熱島區轉化的面積波動范圍為3.45—19.72km2,由熱島區向冷島區轉化的面積則較少,范圍在0.21—1.93km2之間。

1993—2016年,冷島不變區、熱島不變區、冷島損失區和熱島損失區的年變化量分別達到5.33、0.49、1.47、0.12km2/a。從溫度等級轉移情況上來看(表4),不同的溫度分布區有較大變化,冷島區面積大幅減少,熱島區面積顯著增加。低溫區與次低溫區面積損失分別為25.41km2和40.40km2,年變化率為1.10km2/a和1.76km2/a。其中,次高溫區面積增加最為顯著,其次是高溫區和超高溫區。熱島區從1993年開始逐漸上升,至2008年達到最大值,后又下降,至2016年又有所回升。熱島區面積增加最為明顯的是倉山區,其次是晉安區和鼓樓區；而臺江區的熱島區面積則有所減少。這與綠色空間損失與擴張的空間分布情況一致。因此,城市冷/熱島區分布變化與下墊面土地利用/覆蓋變化情況息息相關。

表3 研究區各階段冷/熱島斑塊轉移情況統計結果

UCI: 冷島區Urban cold island; UHI: 熱島區Urban heat island

表4 1993—2016年研究區溫度等級轉移情況統計結果/km2

LST: 地表溫度Land surface temperature

2.3 綠色空間演化過程的溫度效應

2.3.1基于空間重心法的城市冷/熱島演化

通過空間重心法分析城市冷/熱島重心與城市重心的遷移變化情況(圖3)發現,2000年之前,城市重心和熱島重心轉移方向不完全一致；2000年以后,城市熱島重心與城市重心偏移方向基本吻合,且逐漸聚集；而城市冷島重心則越來越偏離熱島和城市重心。結合不同綠色空間類型的重心位置遷移情況(圖3)發現,林/草地、水體和濕地3種綠色空間類型均發生了較大的位移,位移最大的是濕地,表明其受到的干擾最為強烈；其次是水體,最后是林/草地。這說明城市熱島重心與城市重心轉移方向有關,而城市冷島的重心與城市綠色空間分布關系密切。城市下墊面土地利用/覆蓋類型的變化是造成城市地表溫度擾動的重要因素。

圖3 1993—2016研究區綠色空間、城市重心和冷/熱重心位置變化圖Fig.3 Movement track of the gravity center of UGS, city and cold/heat island from 1993 to 2016圖中的X、Y軸分別為地理坐標(WGS84)轉換為工程坐標(Beijing54)后的橫、縱坐標值

2.3.2城市下墊面土地利用變化的溫度效應

從不同溫度等級與用地類型分布變化情況來看(圖4),1993年和2000年,研究區以低溫區和次低溫區為主,分布著大量的城市綠色空間和較少的建設用地類型；以建設用地為主的次高溫、高溫和超高溫區分布較少。2008年后,大量的綠色空間被建設用地占用,次高溫區和高溫區面積顯著擴大,在浦下洲濕地范圍甚至出現了超高溫區。2016年,超高溫區消失,但仍有較多的高溫區分布。

從地表溫差與用地變化關系上看出(圖5),1993—2016年,福州主城區地表溫差呈峰谷交替態勢出現。峰值主要由綠色空間轉化為建設用地或裸地的綠色空間損失過程引起的,其溫差高于平均地表溫差；波谷位置多由綠色空間不變過程引起,溫差低于平均地表溫差；此外,由建設用地或裸地轉化為綠色空間的擴張過程所引起的地表溫度降溫較小,這主要由于綠色空間演化方式并非是成片擴張,而是在建設用地中零星式的擴散,其引起的溫差必然受到周邊用地類型的影響。定量研究不同綠色空間演化過程引起的溫度效應尤為重要。

圖4 1993—2016剖面線不同溫度等級與用地類型分布變化圖Fig.4 Profile analysis of the relationship between LST grade and LULC from 1993 to 2016溫度等級1—6分別代表低溫、次低溫、中溫、次高溫、高溫和超高溫；用地類型1—6分別代表水體、林/草地、農田、建設用地、濕地和裸地；LST(land surface temperature),表示地表溫度；LULC(land use/land cover),表示土地利用/覆蓋

圖5 研究區1993—2016年地表溫差與用地變化關系剖面圖Fig.5 Profile analysis of the relationship between LST difference and evolution type from 1993 to 2016

2.3.3不同綠色空間演化過程的溫度效應

圖6 1993—2016年不同綠色空間演化類型溫度效應圖 Fig.6 Temperature effect of different types of UGS evolution from 1993 to 2016

采用隨機采樣的方式,對1993—2016年間,研究區100組不同綠色空間演化類型及相應的地表溫度變化數據進行統計分析。從結果上看(圖6),不同綠色空間演化類型引起的降溫效應依次排序為：綠色空間擴張>綠色空間不變>綠色空間交換>綠色空間損失。值得注意的是,綠色空間損失引起的平均地表溫差約為+7.0℃,表現為升溫作用；而綠色空間擴張帶來的平均地表溫差約為-5.0℃,表現為降溫作用,二者產生的平均升降溫作用并不相同。因此,由用地類型轉變帶來的溫度變化并非簡單的“對等”關系。這是由于在快速的城市化進程中,對綠色空間的擠占通常是成片且較為聚集的,這很大程度上削弱了綠色空間的冷島效果。相反,綠色空間的擴張往往是通過邊緣式或飛地式的方式實現,周邊環境的變化使其并不能完全抵消先前由于綠色空間的異地損失所帶來的升溫?？傊?城市綠色空間損失和擴張之間存在較大的不均衡性,由此引起了地表溫差的不均勻分布。而針對城市下墊面土地利用/覆蓋類型的優化調控,尤其是對綠色空間存量的科學調配,值得學者們進一步研究。

3 結論

本研究以福州市主城區綠色空間為研究對象,利用疊置分析法、空間重心法和剖面分析等方法,定量分析福州城市綠色空間演化過程及其引起的地表溫度變化。結果表明：(1)1993—2016年,福州主城區下墊面土地利用/覆蓋變化顯著,城市建設用地面積大幅增加,綠色空間數量明顯減少,城市地表升溫明顯。(2)城市下墊面地表溫度等級空間分布變化較大,冷島區面積大幅減少,熱島區面積顯著增加。(3)城市熱島重心與城市重心的遷移方向有關；城市冷島重心則與城市綠色空間的分布關系密切。(4)城市綠色空間的不同演化過程所引起的地表溫度變化不盡相同,綠色空間擴張和綠色空間損失分別有著最大的降溫和升溫效果。

因此,采用多方法耦合分析不同綠色空間演化類型引起的地表溫差,可定量出不同綠色空間演化類型引起的地表溫度變化。本研究以獨特的視覺和方法,表征了城市下墊面不同溫度等級和土地利用/覆蓋類型的空間分布變化及關系,有效識別了不同綠色空間演化過程所引起的地表溫度變化差異,為城市綠色空間健康發展提供了嶄新思路和科學依據。

綜上所述,城市綠色空間作為城市的“綠脈”,在緩解城市熱島效應方面具有重要作用?？焖俚某鞘谢l展過程中,下墊面的土地利用/覆蓋變化是引起福州主城區地表溫度變化的重要因素。而城市綠色空間損失的日益加劇與不合理的綠色空間布局擴張方式,一定程度上加劇了城市熱島效應。在未來,應進一步將城市綠色空間統籌進城市復合生態系統加以規劃和管理,著力提升城市下墊面用地類型在質量和數量方面的配置水平,以有效緩解城市熱島效應,為綠色城市可持續、健康發展提供支持。

致謝：本研究是在福州大學至誠學院、福建師范大學濕潤亞熱帶生態-地理過程教育部重點實驗室、福建師范大學地理科學學院和福州大學環境與資源學院的共同合作下完成。