石家莊市綠地斑塊對(duì)周邊熱環(huán)境的影響研究

王夢(mèng)嬌，魏東嵐

(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

1 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市的擴(kuò)張，越來(lái)越多的土地被開(kāi)發(fā)利用，綠地面積不斷縮小，全球范圍內(nèi)氣溫逐漸變暖，導(dǎo)致溫室效應(yīng)、熱島效應(yīng)的出現(xiàn)。由鋼筋混凝土組成的不透水面積不斷擴(kuò)大,加上大量的人為熱量進(jìn)入城市大氣,造成了城市熱量累積,影響了城市居民的生理和心理健康,嚴(yán)重降低了人們的生活質(zhì)量[1,2]。

而城市綠地的熱環(huán)境效應(yīng)也受多種因素的影響[3], 就城市綠地自身的多種屬性來(lái)說(shuō), 熱環(huán)境效應(yīng)與城市綠地斑塊種植植物種類、綠地斑塊所處的位置、城市綠地斑塊的分布都有關(guān)系[4]。地表溫度既是重要的氣象和生態(tài)環(huán)境要素, 也是地球能量和水分平衡最重要的環(huán)境參數(shù)之一[5]，通過(guò)溫度可以反映綠地斑塊對(duì)周邊熱環(huán)境的影響。

由于遙感以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得越來(lái)越多的方法被用來(lái)研究綠地斑塊對(duì)熱環(huán)境的影響[6]，獲取溫度的方法是地表溫度反演法，然后根據(jù)綠地斑塊提取出所需要的參數(shù)[7](斑塊周長(zhǎng)、斑塊面積[8]、形狀指數(shù)和植被覆蓋度)，以溫度與綠地斑塊為原始數(shù)據(jù)，利用回歸分析法得到綠地斑塊各指標(biāo)與溫度的相關(guān)性，進(jìn)而得到周邊熱環(huán)境與綠地斑塊的關(guān)系。

2 研究數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

石家莊市是河北省省會(huì)，北緯37°27′～38°47′，東經(jīng)113°30′～115°20′，市區(qū)總面積為2220 km2，屬于溫帶季風(fēng)氣候，降水集中在夏季，高溫多雨，石家莊年總降水量，401.1～752.0 mm，年平均溫度為13.5 ℃。本文以石家莊市區(qū)為研究中心，包括新華區(qū)，長(zhǎng)安區(qū)，裕華區(qū)，橋西區(qū)四區(qū)；以石家莊市區(qū)的14個(gè)公園(圖1)為具體的研究對(duì)象探究綠地斑塊與熱環(huán)境之間的相互關(guān)系。

注：0～13斑塊分別為長(zhǎng)安公園、希望綠洲公園、體育公園、富強(qiáng)公園、和平公園、濱河公園、丁香園、槐北公園、世紀(jì)公園、少年活動(dòng)中心、卡龍公園、水上公園、東環(huán)公園、西清公園

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究涉及的主要數(shù)據(jù)有Landsat8 OLR的石家莊市2019年7月1日的遙感影像數(shù)據(jù)、石家莊市城區(qū)矢量數(shù)據(jù)，公園綠地矢量數(shù)據(jù)。首先利用ENVI軟件對(duì)Landsat數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，然后進(jìn)行圖像融合，圖像鑲嵌和裁剪，輻射定標(biāo)，并提取植被覆蓋度即NDVI，最后對(duì)Landsat 8OLR的熱紅外波段進(jìn)行地表溫度反演，反演后可以得到所需輻射亮度，進(jìn)而得到地表溫度。利用ArcGIS提取綠地斑塊參數(shù)，SPSS軟件對(duì)綠地斑塊各參數(shù)與綠地斑塊溫度進(jìn)行回歸分析。

3 研究方法

3.1 地表溫度反演

本文根據(jù)著名的大氣校正法，利用Landsat8[9]的熱紅外影像數(shù)據(jù)記錄的熱紅外信息來(lái)識(shí)別地物和反演地表溫度[10, 11]?；谶b感數(shù)據(jù)的地表溫度反演技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，也得到了不同程度的提升。

在遙感平臺(tái)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，即使遙感正常工作，獲取的數(shù)據(jù)都多多少少會(huì)有誤差。一是由于大氣散射，吸收所造成的太陽(yáng)輻射衰減；二是地形原因所造成的衰減。有些衰減沒(méi)有必要進(jìn)行校正，但是對(duì)于從植被中提取的各種參數(shù)是有必要進(jìn)行大氣校正的[12]。

3.1.1 輻射定標(biāo)

輻射定標(biāo)是進(jìn)行大氣校正最為基礎(chǔ)的一步，將傳感器記錄的無(wú)量綱的熱紅外波段的值轉(zhuǎn)換成具有實(shí)際物理意義的大氣頂層輻射亮度。參考公式為：

Lλ=gain×DN+offset

(1)

式(1)中，gain為NASA提供的傳感器每個(gè)波段的增益，offset 為每個(gè)波段的偏移。

3.1.2 地表植被覆蓋度

計(jì)算植被覆蓋度首先應(yīng)計(jì)算歸一化植被指數(shù)[13]，參考公式為：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

Pv=(NDVI-NDVI1 )/(NDVI2-NDVI1)

(2)

式(2)中，Pv為植被覆蓋度指數(shù)，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVI1代表裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域NDVI值，NDVI2則代表完全植被覆蓋區(qū)域NDVI值。NDVI1，NDVI2分別取0.05和0.7。

3.1.3 地表比輻射率

參考公式為：

ε=0.9589+0.086Pv-0.0671Pv2

(3)

式(3)中，ε為城鎮(zhèn)區(qū)地表比輻射率，Pv為地表的植被覆蓋度。

3.1.4 溫度反演

參考公式為[14]：

B(TS)=[Lλ-Lu-τ(1-ε)Ld]/τε

(4)

式(4)中，Lu為大氣向上輻射亮度，Ld為大氣向下輻射亮度，τ為大氣在熱紅外波段的透過(guò)率，ε為地表比輻射率。

3.2 城市綠地信息提取

在提取綠地斑塊時(shí)，首先在石家莊市公園綠地專題圖中將公園綠地繪制成SHP文件；再次與分類好的遙感圖像疊置，觀察是否屬于植被范圍內(nèi)；最后再去實(shí)地進(jìn)行考察，改正錯(cuò)誤，最終完成綠地斑塊以及信息的提取。查閱論文，并根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)綠地斑塊的形狀指數(shù)計(jì)算方式如下：

D=C/(2× √πA)

(5)

式(5)中，C為綠地斑塊的周長(zhǎng)，A為綠地斑塊面積。

圖2 研究區(qū)綠地斑塊溫度分布

本文主要利用ENVI進(jìn)行幾何校正，用以校正由傳感器本身的高度、姿態(tài)、地形、地球曲率等不穩(wěn)定性而造成的遙感圖像畸變。選擇熱紅外波段并選擇中心波長(zhǎng)10.900的波段進(jìn)行輻射定標(biāo)獲得的結(jié)果精度相對(duì)較高，進(jìn)而得到輻射定標(biāo)結(jié)果；然后利用近紅外波段與紅波段計(jì)算歸一化植被指數(shù)；進(jìn)一步利用歸一化植被指數(shù)計(jì)算出植被覆蓋度；進(jìn)而計(jì)算出地表比輻射率，根據(jù)地表比輻射率與輻射定標(biāo)的結(jié)果得出同溫度下黑體輻射亮度圖；再根據(jù)公式(4)得出地表溫度圖；使用石家莊市區(qū)的SHP文件對(duì)溫度圖進(jìn)行裁剪，得到石家莊市區(qū)溫度圖；將溫度圖以灰度圖的形式表示出來(lái)，最終獲得所需TIFF文件。

使用ArcGIS提取出公園綠地，并利用其幾何計(jì)算功能計(jì)算出綠地斑塊的面積、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)，然后制作并導(dǎo)出地圖。 使用SPSS軟件的分析功能進(jìn)行回歸分析，同時(shí)制作出曲線圖。

4 結(jié)果分析

綠地斑塊的各種信息：平均溫度、植被覆蓋度、面積、周長(zhǎng)、植被指數(shù)見(jiàn)表1。

從表1可以看出，綠地斑塊溫度最低的是32.561 ℃的濱河公園，而植被覆蓋度并不是最高的，僅有0.566，進(jìn)一步分析得知濱河公園緊挨民心河，而水的比熱容較大在白天升溫慢，水的溫度要低于周邊建筑物的溫度，也就造成了即使濱河公園的植被覆蓋度不是最高的但溫度也是最低的，與此例相似的還有水上公園；而溫度次之為33.649 ℃的世紀(jì)公園，它對(duì)應(yīng)植被覆蓋度是最高的，溫度最高的為36.337 ℃的體育公園，植被覆蓋度最低僅為0.411，因此可以得出植被覆蓋度和周圍環(huán)境對(duì)綠地斑塊溫度有影響；面積最大的為濱河公園0.4482 km，面積最小的是丁香園0.022 km；周長(zhǎng)最大的為世紀(jì)公園4.557 km，周長(zhǎng)最小的為丁香園0.912 km;植被指數(shù)最大的和平公園1.856，植被指數(shù)最小的為東環(huán)公園1.100。為進(jìn)一步分析綠地斑塊周邊溫度與綠地斑塊各信息的關(guān)系，以表1數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行回歸分析，得出綠地斑塊平均溫度與植被覆蓋度、植被指數(shù)、周長(zhǎng)、面積的關(guān)系，進(jìn)一步深化總結(jié)，為解決溫室效應(yīng)提供依據(jù)。

表1 綠地斑塊信息

4.1 植被覆蓋度與綠地斑塊平均溫度的關(guān)系

從圖3可以看出，石家莊市公園的植被覆蓋度與公園內(nèi)綠地斑塊的平均溫度成負(fù)相關(guān)，即植被覆蓋度越高綠地斑塊平均溫度越低。根據(jù)SPSS得出r=-0.552，根據(jù)相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表得知在0.05水平上顯著相關(guān)，可信度高達(dá)95%，說(shuō)明植被覆蓋度對(duì)熱環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一定的影響，人們?cè)诔鞘薪ㄔO(shè)、城鎮(zhèn)發(fā)展的過(guò)程中不能忽略植被覆蓋度對(duì)熱環(huán)境的影響，日常生活以及公園的建設(shè)中要提高公園的植被覆蓋度，以降低周圍溫度。

圖3 植被覆蓋度對(duì)綠地斑塊平均溫度影響

4.2 綠地斑塊面積與綠地斑塊平均溫度的關(guān)系

從圖4可以看出，石家莊市公園綠地斑塊面積與綠地斑塊平均溫度成負(fù)相關(guān)，即綠地斑塊面積越大綠地斑塊平均溫度越低。根據(jù)SPSS得出r=-0.48，根據(jù)相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表得知在0.05水平上顯著相關(guān)，可信度高達(dá)95%，說(shuō)明綠地斑塊面積對(duì)熱環(huán)境也有積極作用，人們?cè)诔鞘械慕ㄔO(shè)中要大面積地增加城市綠地，以降低周圍溫度。

圖4 綠地斑塊面積與綠地斑塊平均溫度的關(guān)系

4.3 綠地斑塊周長(zhǎng)與綠地斑塊平均溫度的關(guān)系

從圖5可以得出，綠地斑塊周長(zhǎng)與綠地斑塊平均溫度成負(fù)相關(guān)，即綠地斑塊周長(zhǎng)越大綠地斑塊平均溫度越低。根據(jù)SPSS得出r=-0.63，根據(jù)相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表得知在0.02水平上顯著相關(guān)可信度高達(dá)98%，說(shuō)明人們?cè)诔鞘械慕ㄔO(shè)中應(yīng)適當(dāng)增加綠地斑塊周長(zhǎng)，以降低周圍溫度。

圖5 周長(zhǎng)與綠地斑塊平均溫度關(guān)系

4.4 植被指數(shù)與綠地斑塊平均溫度的關(guān)系

因?yàn)闃颖緮?shù)過(guò)少，數(shù)據(jù)并不集中，圖6中得出，形狀指數(shù)與綠地斑塊平均溫度并沒(méi)有形成明顯的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)SPSS得出r=0.04,根據(jù)相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表得知在0.05水平上顯著相關(guān)，可信度未達(dá)到5%，所以形狀指數(shù)與綠地斑塊平均溫度無(wú)明顯相關(guān)性。

圖6 形狀指數(shù)與綠地斑塊平均溫度關(guān)系

5 結(jié)論與討論

本文討論了綠地斑塊自身屬性對(duì)綠地斑塊周邊熱環(huán)境的影響。根據(jù)以上數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論：綠地斑塊內(nèi)的平均溫度與植被覆蓋度、綠地斑塊面積、綠地斑塊周長(zhǎng)成反比趨勢(shì)，所以在公園的建設(shè)以及建成區(qū)發(fā)展的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者可以適當(dāng)增加綠地斑塊的面積、植被覆蓋度、周長(zhǎng)就可以降低綠地斑塊的局部平均溫度，這樣既有利于緩解溫室效應(yīng)又可以提高人類生活質(zhì)量和幸福程度；而綠地斑塊內(nèi)的平均溫度與綠地斑塊的形狀指數(shù)所成關(guān)系并不明顯，主要原因是任何面積或者不同覆蓋程度的綠地斑塊形狀各異，綠地斑塊形狀與綠地斑塊覆蓋度無(wú)明顯關(guān)系。

經(jīng)過(guò)調(diào)查，綠地斑塊的平均溫度與綠量也有很大關(guān)系[15, 16]，綠量與植被覆蓋度不同，能更為直觀地表達(dá)出不同植被類型對(duì)環(huán)境的貢獻(xiàn)度，得知喬木綠量大于灌木，灌木綠量大于草本植物，即綠量越大溫度越低，建議各地公園不僅要增大植被覆蓋度、面積、周長(zhǎng)，還要增大綠量，綠量將會(huì)大量用于以后的研究中。綠地斑塊溫度也可能與植被覆蓋種類有關(guān)系，在日后進(jìn)行研究時(shí)應(yīng)進(jìn)一步設(shè)置對(duì)照組進(jìn)行細(xì)化分析。