奎屯河流域中下游地表溫度對LUCC響應監測研究

朱晶晶，潘 鑫，楊英寶*，王愛輝，胡 佳

（1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100）

奎屯河流域中下游地區是我國最大野生次生林和白梭梭自然保護區所在地。該保護區在2001 年上升為國家級自然保護區。保護區以及保護區外4 000 km2范圍是由河谷林、梭梭林和其他旱生型植物檉柳、胡楊等形成的荒漠植被區，是奎屯河流域西北部的天然屏障。近年來，由于人口的增長、資源的縮減、不合理的開發等使該區域生態環境受到一定程度的干擾，因此對奎屯河中下游地區實施動態監測對于保護其生態環境具有重要意義。

土地利用/覆被變化（LUCC）作為揭示區域環境變化的重要途徑，是人類活動與自然環境相互作用最直接的表現形式。隨著LUCC 在可持續發展研究中的地位越來越重要，許多學者[1-2]從不同方面深入研究了LUCC 與生態環境等之間的關系。地表溫度（LST）是生態環境變化的一個重要因子，已有學者[3-4]對其展開研究，并證明LUCC 與LST 相結合研究區域的生態環境是一個重要的發展方向。

傳統的LUCC 動態監測方法費時費力、效率低下[5]；而遙感在全球與區域尺度的土地覆蓋研究與應用方面不斷出現新方法[6]，不僅可提供分辨率高、時效性強的城市土地覆被變化信息，還可提供由熱紅外波段反演的同步LST 信息[3]。遙感與GIS 技術的結合更能充分發揮二者的優勢，為研究區域提供實時動態監測的強大功能，以期為該區域資源管理和生態安全保障提供科學依據。以往針對奎屯河流域研究較多的是利用LUCC 進行生態系統服務功能評價等，因此本文基于兩期遙感影像，通過遙感和GIS 技術提取了LUCC，并采用單窗算法反演得到LST 分布；進而對2000-2010 年奎屯河流域中下游地區的LUCC 動態變化進行監測和分析，并結合LST 分布分析了LUCC 對LST 的影響。

1 研究區概況

奎屯河流域位于新疆天山北坡中部，準噶爾盆地西南緣，烏魯木齊以西220 km。流域總面積約為28 300 km2，其中中下游區域面積約為3 058 km2，地理坐標為83°22′00″～84°36′00″E，44°40′00″～45°03′00″N。奎屯河水系包括3 條較大河流，自東向西依次為奎屯河、四棵樹河、古爾圖河，均發源于天山中段北坡，位于烏蘇市境內，多年平均徑流量之和超過6.034×108m3，是烏蘇市、農七師、奎屯市、獨山子區社會經濟發展的寶貴資源。流域地處歐亞大陸腹地，屬典型大陸性干旱氣候，光照充足、熱量豐富，降水稀少、蒸發量大；年均氣溫為7.3 ℃，年均降水量為150～170 mm，年均蒸發量為1 710～1 930 mm。流域屬沖洪積傾斜平原地貌，地勢西高東低，南高北低，海拔為250～500 m；地表多為戈壁或亞砂土，其土種質地多屬砂壤土[1]。研究區內耕地、草地、沙地是優勢地類，林地、水體和鹽堿地占地面積相對較少。研究區范圍如圖1 所示，為假彩色合成遙感影像。

圖1 研究區范圍

2 研究數據與方法

2.1 數據來源與預處理

LUCC 數據來源于2000-06-27 和2010-06-15 兩期Landsat 5 影像數據可見光波段，空間分辨率為30 m；LST 反演數據來源于兩期影像數據熱紅外波段，空間分辨率為120 m。

首先利用Google Earth 對各期遙感影像進行幾何精糾正，再進行大氣校正、輻射定標等預處理。

2.2 LUCC 分類信息提取

根據奎屯河流域土地利用特點，參考有關文獻[2,7]的土地利用分類情況，將土地利用類型國家標準重新分類為6 種，即耕地、林地、草地、水體、沙地、鹽堿地。草地實際包括梭梭、檉柳以及其余雜草群落；林地包括胡楊、檉柳以及其余雜草群落，根據草地變化估算梭梭和白梭梭的變化趨勢，為該自然保護區提供生態保障。根據上述各地類的波譜特性及其在遙感影像上的紋理和位置布局等特征，結合地形圖、野外調查資料照片等數據確定各類地物對應的影像和判別標準。

根據上述分類標準，本文采用最大似然分類法對奎屯河中下游區域進行解譯，并通過目視解譯對細節進行人工勾繪解譯工作，獲得研究區兩期LUCC 專題圖。

2.3 LST 反演

LST 由傳感器觀測得到的輻射強度所對應的亮度溫度進行演算獲得，因此在利用單窗算法計算前，必須先從TM6 數據中求算亮度溫度。計算的近似公式為[8-10]：

式中，T6為像元亮度溫度（K）；K1和K2為傳感器發射前預設常量，所用遙感影像均為Landsat5 TM 影像，上述常量為已知值。

然后利用覃志豪[11]等提出的單窗算法LST 演算公式計算LST，即

式中，Ts為像元的LST（K）；a6和b6為統計常量，對于TM/ETM+ 傳感器，其值分別為-67.355 351 和0.458 606；C6與D6為中間變量，C6=ε6τ6，D6=(1-τ6)×[1+(1-ε6)τ6]。

由上述公式可知，該算法需得到地表比輻射率（ε6）、大氣透射率（τ6）和大氣平均作用溫度（Ta）3 個參數才能進行像元LST 反演。通常，ε6與地表構成有關，可通過統計ε6與植被指數之間的關系間接獲得[12-14]；而τ6和Ta則可通過各地氣象觀測站得到的水汽含量和溫度數據等計算獲得[15]，本文利用MODIS水汽數據得到影像拍攝時刻研究區的平均水汽含量，并通過查找歷史氣象數據得到當天溫度數據。

計算得到參數后，即可通過單窗算法計算每個像元的LST[16-18]，進而獲得整幅影像的LST 分布。由于實驗需對兩期影像的LST 分布變化進行分析，本文采用歸一化處理方法消除兩個時期之間的氣候、溫度等因素的影響。歸一化公式為：

式中，x＇為歸一化LST，取值范圍為0～1；xi為該像元計算得到LST。

2.4 轉移矩陣模型

轉移矩陣模型可清晰反映各種土地類型變化的結構特征和各種類型轉移去向，對奎屯河中下游地區LUCC 的驅動機制分析意義重大。轉移矩陣的表達式為：

式中，i和j為土地利用類型；Aij為類型i轉化為類型j的面積，當i=j時，Aij為i類型未發生轉入轉出的面積。

3 研究結果與分析

3.1 LUCC 特征分析

2000 年和2010 年奎屯河中下游區域的LUCC 分布如圖2 所示，可以看出，奎屯河下游東側分布大片耕地和少量水體、西側分布大片草地，中游南側主要分布草地、沙地以及少量鹽堿地，河岸分布林地；四棵樹河與古爾圖河兩側主要分布沙地、草地和鹽堿地，兩岸分布林地；2010 年東部耕地擴張、草地縮減，河流兩側鹽堿地分布增加。

2000-2010 年各土地利用類型面積變化如表1 所示，可以看出，奎屯河中下游區域各土地利用類型存在不同程度的變化，其中耕地、水體和鹽堿地面積呈明顯上升趨勢，草地面積呈明顯下降趨勢，林地面積呈略微上升趨勢，沙地面積呈略微下降趨勢。在變化明顯的各種土地利用類型中，草地面積從2000 年的37.6%減少為2010 年的28.9%，總減少面積達266 km2；而耕地面積則從651 km2增加到896 km2；鹽堿地面積年增長率也達4.8%，其總變化面積達75 km2；水體面積年增長率為3.7%，增加面積為6.6 km2。相對變化較小的林地與沙地的面積分別變化了3.9 km2和-64 km2，年變化率分別為0.30%和-0.67%。

由上述數據統計分析可知，2000-2010 年奎屯河中下游區域的草地被人為開墾和被沙地侵蝕，面積逐年明顯減少；耕地和水體面積則由于人工開墾開發而顯著增加；隨之而來的鹽堿地面積也呈逐年大量增長趨勢；林地與沙地總體相對較穩定，無太大變化。

圖2 2000年和2010年奎屯河中下游地區植被覆蓋類型分布

表1 2000-2010年不同時期奎屯河中下游區域不同植被類型變化

3.2 LUCC 轉移過程

本文利用兩期土地利用類型分布圖，通過疊加分析得到2000-2010 年奎屯河中下游區域的LUCC 轉移矩陣，如表2 所示，更清晰地展示了各地類的面積轉移過程，便于分析LUCC 特征。

表2 2000-2010 年奎屯河中下游區域LUCC 轉移矩陣/km2

由表2 可知，10 a 間耕地、水體、沙地等轉出類型較少，其中耕地幾乎無轉出，而轉入為耕地的地類則較多，主要轉入地類為草地，共有196.28 km2草地被人為開墾成為耕地；水體的主要轉出類型為耕地和林地，主要轉入類型為林地和草地；沙地主要轉出類型為草地和鹽堿地，主要轉入類型為草地。由耕地的轉移矩陣可知，由于人口增加和社會經濟發展，大量草地被開墾為耕地，部分鹽堿地被改良成為正常產量的耕地，結合圖2 可以看出，耕地整體呈向中間草地擴張的趨勢。水體雖在整個研究區域中所占面積比例最小，但其增長幅度很大，歸因于人類對水資源的開發和水利工程的建設，以滿足耕地不斷擴張帶來的對灌溉水量需求的增長。沙地面積較為穩定，與草地相互轉化，結合圖2 可以看出，中下游西北角區域在2000 年處于草地中的沙地，由于生態環境的改善，沙土質量在2010 年改善成為適合雜草群落等生長的土壤；而位于南側沙地附近的草地，則由于超載過牧和風沙侵蝕被同化為沙地。

10 a 間除耕地和水體大幅增加外，鹽堿地面積增長幅度也較大。鹽堿地轉出為其他類型土地的總面積為52.79 km2，而其他類型土地轉化為鹽堿地的面積則達127.81 km2。近年來，全球氣候變暖帶來了流域降雨量的增長[19]，而奎屯河中下游地形平坦，排水出路不暢，加之不合理灌溉，導致地下水位上升易于積鹽；且研究區地下水以氯化鈉型和硫酸鈉型為主[20]，沙漠周緣強烈蒸發作用使地下水和土壤中的鹽分隨水分運移而匯集于地表形成大片鹽堿地。

林地面積變化較為穩定，但并非毫無變化，林地轉出部分僅占67%，轉出類型在各地類均有覆蓋，主要為草地和耕地。林地的退化可能與流域地下水大量無規劃開采而導致的地下水位持續下降有關[21]，且人口增長加大對糧食作物的需求使得耕地由東向西沿河大面積擴張，部分林地被開墾為耕地。林地的主要轉入類型為草地，耕地擴張伴隨著人類活動范圍的擴大，2010 年新增耕地范圍內的林地仍存在，表明人類對林地實施了保護措施。另外，由于近年來流域生態保護措施的實施到位以及生態環境的改善，部分沿河兩岸林地面積有所擴大。

3.3 LST 對LUCC 的響應

根據研究區的兩期遙感影像，本文通過單窗算法反演得到像元的LST，從而得到2000 年和2010 年奎屯河中下游區域的LST 分布圖，如圖3 所示，可以看出，2000-2010 年研究區的LST 差異明顯，尤其是LUCC 較大的區域，2010 年中間草地部分的LST 明顯低于2000 年，近耕地部分的草地溫度接近于耕地，表明流域生態環境改善較大，草地植被覆蓋密度提高，由低覆蓋稀疏草地逐漸成為中高覆蓋草地。

圖3 2000年和2010年奎屯河中下游地區LST分布圖

本文通過遙感影像對該結果進行驗證，奎屯河中下游區域2000 年和2010 年兩期假彩色合成遙感影像如圖4 所示，2010 年影像中間草地部分呈類似于耕地的紅色，而2000 年相同位置部分幾乎無紅色，這與反演得到的LST 分布圖相當吻合，表明該地區生態恢復狀況非常可觀。

圖4 奎屯河中下游地區2000年和2010年假彩色合成遙感影像

本文計算得到整個研究區的平均LST 在2000 年為47.14℃，在2010 年達到49.57℃。為得到更精確的結果，將反演所得LST 分布圖進行歸一化處理，得到2000 年與2010 年的歸一化LST 分別為0.597 和0.595，說明歸一化處理能剔除氣候變暖等外界因素對LST 的影響。

為了更直觀地對LST 與土地利用類型之間關系進行分析，將歸一化處理后的奎屯河中下游區域LST 分布圖與LUCC 分布圖通過空間疊加分析進行分區統計，分別得到2000 年和2010 年各土地利用類型的平均歸一化LST，如圖5 所示。

圖5 奎屯河中下游地區2000年和2010年不同土地利用類型的LST變化

由圖5 可知，LST 從低到高依次為水體、耕地、林地、草地、鹽堿地和沙地，其中水體歸一化LST 在2000 年和2010 年分別為0.115 和0.136，為所有地類中最低，歸因于水體白天的高反射率和低吸收率；耕地、林地由于植被覆蓋度高、蒸騰作用強導致LST 較低，其歸一化LST 在2010 年分別為0.421 和0.452；而草地和鹽堿地的LST 相近且較高，在2010 年分別達到0.623 和0.631，由于二者植被覆蓋與植被密度低，而鹽堿地表層鹽堿聚集，植被覆蓋度更低，因此LST 更高；沙地由于沙石導熱快而溫度最高，其歸一化LST 在2000 年和2010 年分別達到0.744 和0.775。

草地和鹽堿地的LST 均有小幅降低趨勢，其中草地面積雖大幅縮減了23.17%，但其歸一化LST 仍降低了2.96%，原因為其植被覆蓋度升高，表明草地植被覆蓋情況對LST 具有重要影響；而鹽堿地面積增長幅度達到48.32%，其LST 卻降低了4.15%，可能是由于流域生態環境的改善致使鹽堿地的鹽堿化程度降低而植被生長增加。

為了更便捷地觀察生態恢復對鹽堿地LST 的影響，本文分別以研究區中部鹽堿地轉化為草地的部分以及東部鹽堿地轉化為耕地的部分為例，與2000 年和2010 年歸一化LST 分布圖作疊加分析，得到鹽堿地轉化為植被部分的LST 變化情況，如表3 所示。

表3 2000-2010年鹽堿地轉化為植被部分的LST變化

由表3 可知，2000 年鹽堿地的LST 分別為0.71 和0.60，二者溫度不同的原因主要是轉化為草地部分的鹽堿地位于沙地中，而轉化為耕地部分的鹽堿地則被耕地與草地圍繞；2010 年鹽堿地有13.07%恢復為草地，其LST 降為0.62，降低了12.66%；有14.59%開墾成為耕地，其LST 降低了0.13，變化率達-21.01%，表明生態恢復對LST 降低有促進作用。

耕地與林地的LST 接近且呈上升趨勢，上升幅度較大，尤其是耕地的歸一化LST 增長幅度達24.63%，然而其面積增長了37.55%，分析其原因為所獲取的2010 年遙感影像相較于2000 年提早了近兩周，作物生長度與密度較低，且結合遙感影像可知，2010 年耕地區域顏色比2000 年淺，因此前者LST 較高；而林地面積變化較小，增長率為2.95%，但由于草地大面積縮減，尤其是林地附近草地的退化，使得林地的LST 上升了19.35%。

4 結 語

在城市化的影響下，2000-2010 年奎屯河中下游區域LUCC 分布發生了顯著變化，同時其LST 分布也發生了改變，具體結論為：

1）奎屯河流域中下游地區主要分布有草地、耕地、沙地、鹽堿地、林地和水體，其中草地在2000 年的面積占比為37.6%，2010 年的面積占比28.9%，大幅縮減；耕地面積占比由21.3%增長到29.3%；鹽堿地面積占比由5.1%增長到7.6%；水體面積增長率達3.73%；林地（4.4%）、沙地（30%）較為穩定。

2）人類開墾大量草地（17.1%）以及其他地類為耕地，耕地面積總增長率達37.6%；另外，部分草地（12.3%）可能由于地下水不合理開采和過度放牧退化為鹽堿地和沙地；隨著生態環境恢復草地植被覆蓋度上升，部分草地（3.4%）生長成為林地。鹽堿地面積的增長主要為草地退化和沙地恢復（5.4%）。

3）各地類LST 從低到高依次為水體、耕地、林地、草地、鹽堿地和沙地，10 a 間除草地與鹽堿地LST 小幅降低外，其余地類LST 均呈上升趨勢。在氣候、環境和人為等因素的影響下，鹽堿地中有13.1%恢復為草地和林地，該部分LST 下降了12.7%，另有14.6%被開墾為耕地，該部分LST 下降了21%；草地面積縮減但植被覆蓋度顯著增大，其LST 下降了3%。由上述兩種代表地類發生的LST 變化響應可知，研究區域生態環境呈較好的恢復狀態。