1991_2006年桂林市植被覆蓋度_地表溫度時空變化及相關性研究_W

1、 Landscape Ecology19912006年桂林市植被覆蓋度、地表溫度時空變化及相關性研究 A Research on Spatial-temporal Changes and Correlation between Vegetation Fraction and Land Surface Temperature in Guilin during 19912006梁保平 / LIANG Bao-ping翟祿新 / ZHAI Lu-xin摘要：以典型喀斯特巖溶型城市桂林市為例，利用2期TM影像數據(1991和2006年)，基于混合像元二分模型法，提取區(qū)域 植被覆蓋度，同時定量反演地表溫

2、度(LST)，通過對不同時期植被覆蓋度與土地覆被、地表溫度空間特征及其相關性進行深入剖析，旨在揭示植被覆蓋度與城市熱場的時空變化規(guī)律，以及兩者之間的內在作用機制。研究結果表明：受城鄉(xiāng)建設用地不斷擴張的強烈影響，15年間桂林市植被覆蓋度與地表溫度發(fā)生了較大改變。區(qū)域植被覆蓋面積總體呈現(xiàn)下降態(tài)勢，尤其是城市建成區(qū) 與城鄉(xiāng)過渡地帶的低覆蓋植被衰減最為明顯。城市地表溫度具有逐年增強的趨勢，建成區(qū)日益擴展是產生“熱島效應”的重要原因。相關性研究揭示，植被覆蓋度變化對城市地表溫度具有顯著的正向影響，即植被覆蓋度越高其降溫效應越顯著，這種影響結 果與數據獲取時間有較大關系。因此，加強城市生態(tài)規(guī)劃和園林綠地建

3、設是消減城市熱島的重要舉措。 關 鍵 詞：風景園林；TM影像；桂林市；植被覆蓋度；地表溫度 文章編號：1000-6664(2014)07-0077-05 中圖分類號：TU 986文獻標志碼：A 收稿日期：2012-11-01； 修回日期：2013-06-19 基金項目：國家自然科學基金“快速城市化背景下的廣西典型城市景觀格局演化與生態(tài)效應機制研究”項目(編號41361041)和國 家自然科學基金“漓江流域上游區(qū)氣候和植被變化的生態(tài)水文響應機制研究”項目(編號41261005)共同資助 Abstract: With Guilin city as an example, the informati

4、on of vegetation fraction and land surface temperature (LST) were extracted based on TM images in 2006 and 1991. In order to reveal the spatial-temporal variation and relationship between vegetation fraction and urban heat island (UHI), this paper analyzes the statistical characteristics and the lin

5、ear relationship between vegetation fraction and LST, and the results show that: in the past 15 years, vegetation coverage and LST has undergone a big change, and the vegetation area decreased in total, which is obvious in urban built-up areas and village periphery. On the contrary, LST is tending t

6、o increase year by year. The urban built-up area expansion is a major factor leading to the UHI. The correlation study indicates that vegetation fraction had a strong positive effect on LST, which is related to the time for acquiring that data. Therefore, the primary task for relieving the heat isla

7、nd effect in city is to strengthen the planning and construction of greenbelt ecosystem.Key words: landscape architecture; TM image; Guilin; vegetation fraction; land surface temperature隨著我國城市化進程的加快，城市內部與郊區(qū)平均氣溫差異不斷加大，日益顯著的城市熱島效應(Urban Heat前此類研究多集中在某一時間界面上，未有深入考慮因區(qū)域地表溫度與植被覆蓋度時空演化所造成的相關性差異。另一方面，城市植被覆蓋

8、、熱島強度特征與其所處的自然環(huán)境背景、城市規(guī)模、社會經濟條件等因素具有顯著關的一個重要環(huán)境問題。作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部系，而對位于我國西部典型的喀斯特巖溶區(qū)，社會經濟正分， 植被對于維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和改善城市環(huán)境具有不可忽視的作用。植被通過光合作用、蒸騰和蒸散作用可以降低地表溫度、增加空氣濕度，從而起到調節(jié)區(qū)域溫度的處在快速發(fā)展階段的桂林市而言，開展城市植被覆蓋與熱島效應相關性研究具有重要的現(xiàn)實意義。研究可為城市生態(tài)綠地建設、城市熱島調控以及城市生態(tài)環(huán)境改善提供參 作用。植被覆蓋度(Vegetation Fraction，簡稱FV)是衡考依據。 量區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況和性質的關鍵指標之一。熱

9、環(huán)境遙感1 數據與研究方法 1.1 研究區(qū)概況 研究表明，區(qū)域植被覆蓋狀況直接影響到熱輻射、熱動力以及土壤水分等多種地表特征，導致地表溫度空間分異，兩者之間存在著顯著的相關關系。近10年來，國內外許多學者借助遙感技術對一些大型或超大型城市的植被與城市本研究覆蓋核心范圍為桂林市人動最為頻繁的建成區(qū)，包括秀峰、象山、七星、疊彩、雁山5個城區(qū)。地理位置為東經1094510440，北緯 熱島問 77 園林生態(tài) 24182541。研究區(qū)屬中亞熱帶季風氣候，境內氣候溫和、雨量充沛、光照充足、四季分明且雨熱基本同季。作計表，NDVIveg和NDVIsoil可用置信區(qū)間累積百分數為0.5%和99.5%內的最大

10、值和最小值代替13，最后利用公式(2)計算出桂林市2 期影像的植被覆蓋度。經過對取樣點分類精度綜合評價， 該模為世界上喀斯特(巖溶)地貌分布最為典型的區(qū)域之一，桂林市主要地貌類型有中低山地、巖溶峰林、溶蝕河谷盆地等，形成型分類結果均優(yōu)于最低允判精度0.7的要求，適用于桂林市域內了“秀甲天下”的山水景觀。區(qū)域地帶性植被為亞熱帶常綠闊低山、巖溶谷地區(qū)域的植被蓋度定量分析。 葉林，建成區(qū)內植被主要以人工栽植的觀賞喬木和灌草叢為主。近些年來，桂林市城市化與工業(yè)化發(fā)展呈現(xiàn)加速態(tài)勢，建成區(qū)面積、植被覆被狀況也相應發(fā)生明顯變化，城市熱島效應1.3.2 地表溫度(LST)反演 地表溫度反映的是遙感器在高度所觀

11、測到的熱輻射強度相對應的地面溫度。通常先采用熱紅外波段(TM6)像元灰度值(DN值)轉化為相應的熱輻射強度值，TM影像各像元的輻射強度日益顯著，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量產生了較大影響。 與其DN值有如下的關系。 1.2 數據來源 L= GainDN + Bias(1)研究采用的遙感數據為美國Landsat5系列中TM影其中: L表示TM傳感器接收到的輻射強度；DN表示TM影像的像元灰度值；Gain和Bias分別為TM6的增益和偏置系數。 其次，再將熱輻射強度轉換為像元亮度溫度，計算公式為： 像，波段，空間分辨率30m，其中第6波段(熱紅外波段)為120m。獲是1991年10月30日和2006年9月2

12、1日，TM別取該K 2圖像時間約為上午10：30，這2期影像成像時間基本接近，研= T(2)sln(K /L + 1)究區(qū)上空無云覆蓋，影像質量良好，區(qū)域土地利用被覆蓋1其中：Ts表示像元亮度溫度,單位為K；K1、K2均為常量， -2-1-1對于Landsat5，K1607.76 Wm sr m ，K2 1 260.56K。最后，根據地物的比輻射率將亮度溫度轉化為地表真實溫度，計算公式為： 狀況具有較好的可比性。研究應用第3、4波段區(qū)的NDVI與植被覆蓋度信息， 第6波段用以反度。為保證區(qū)域數據采樣和結果分析的可Brovey法融合后的高分辨率IKONOS表溫經Ts1 + (T s / ) ln

13、間分辨率為1m，成像時間是2006年9月13日，其他相關參考LST =(3)圖件有桂林市1989 年1: 50 000 城區(qū)航空像片、桂林市其中：LST為地表溫度(K)；Ts為輻射亮溫；為熱紅外波段的中心波長，取值為11.5m；hc/(0.014 38mK)，其中光速c=2.998108m/s, 普朗克常數h=6.62610-34Js, 波耳茲曼常數=1.3810-23J/K；為與地物類型有關的比輻射率。由于城市下墊面類型非常復雜，遙感影像上的像元多為不ASTER- DEM數據(30m)、桂林市行政區(qū)劃圖及社會經濟統(tǒng)計年鑒等。 1.3 數據處理方法 1.3.1 歸一化植被指數與植被覆蓋度(FV

14、)提取 植被指數是用來提取植被生長狀況、覆蓋度、季相動態(tài)變化等同地物組成的的混合像元，不同地物類型的比輻射率各不同。根據相關研究14，植被、水體、建筑用地和裸地的值分別可 取0.986、0.995、0.970和0.972。 信息的特征指標。在學者們提出的眾多植被指數中，歸一化植被指數(NDVI)應用研究最為廣泛，它不僅對植被的生物物理特征十分敏感，而且可以有效降低因傳感器觀測角度、太陽輻射強度、地形陰影和土壤背景不同而產生的影響，因此常用于區(qū)2 結果與分析 2.1 區(qū)域植被覆蓋度與土地覆被時空變化特征 為定量評價區(qū)域植被覆蓋的空間格局與動態(tài)變化，我們將桂域和全球性的植被動態(tài)監(jiān)測研究，其計算公式

15、為： NDVI=( NIRR )/( NIRR ) 式中，NIR為TM4(近紅外)波段的亮度值，R為TM3(可見光 紅光)波段的亮度值。 林市土地利用/土地覆蓋劃分為5類區(qū)域：建設用地與裸地、水體、低植被覆蓋、中植被覆蓋和高植被覆蓋區(qū)。其中，低植被對區(qū)域植被覆蓋度的估算，國內外學者多采用像元二分模型法11-12。即一個像元的NDVI值可以表達為由綠色植被部分所貢獻的信息與由無植被覆蓋(裸土)部分所貢獻的信息2部分組成，所以，植被覆蓋度可采用以下公式計算： 覆蓋區(qū)的FV小于30，主要指低產草地、疏林地、棄荒地植被等；中植被覆蓋區(qū)的FV為3060，主要指中產草地、林地、園地及耕地等；高植被覆蓋區(qū)的

16、FV大于60，指植被密集的喬灌林、優(yōu)良牧草地等類型。 FV=(NDVINDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil ) 式中：NDVIveg 和NDVIsoil 分別表示全植被覆蓋的像元和全土壤覆蓋的像元的NDVI值。對于不同時相的遙感影像，2參數會受各類環(huán)境因素的影響而變化，因此, NDVI 和NDVI不根據文中構建的植被覆蓋度模型，同時結合上述植被覆蓋度分類標準，得到桂林市1991、2006年2期植被覆蓋度分類 圖像，通過查詢分類圖層的attribute table，統(tǒng)計出城市主要 78 Landscape Ecology表11991、2006年桂林市植被覆蓋度與土地覆被變化比較

17、用地類型與各級植被覆蓋度的面積，結果見表1。從表1中可以地的地表溫度平均值、標準差值，統(tǒng)計結果顯示見圖1。從地物看出，19912006年，城市植被覆蓋區(qū)面積總體呈現(xiàn)下降趨勢，15年間各類植被用地面積凈減少1 758.73hm2，約占區(qū)域總面積的3.05%。在3種植被類型中，面積比例最大的是中植被覆蓋區(qū)，其2006年的面積是24 650.27hm2，約占全市植被覆蓋總面積的一半，較1991年增加1 234.91hm2，變化率為5.27；其次是高植被覆蓋區(qū)，面積由1991年的12 810.42hm2增加到2006年的15 278.73hm2，凈增面積2 468.32hm2，變化率為19.27；與高

18、、中植被覆蓋類型變化相反，低植被覆蓋類型面積呈現(xiàn)明顯的減少趨勢，其面積由1991年的13 145.4hm2 減少到2006年的7 683.39hm2，凈減少5 462.01hm2，年均減少2.77。從空間上看，植被覆蓋類型具有較大區(qū)域性差異。高、中植被覆蓋區(qū)集中分布在城市遠郊地帶和石山區(qū)，如市區(qū)東北部的堯山風景區(qū)、西部的龍泉山森林公園以及東南部漓江自然風景區(qū)，這些區(qū)域均為城市劃定的重要生態(tài)控制區(qū)與保育區(qū)，隨著桂林市生態(tài)環(huán)境保護工作的不斷加強，區(qū)域植被也得到一定程度恢復和改善。低植被覆蓋區(qū)主要分布在城鄉(xiāng)過渡地帶和一些村鎮(zhèn)外圍區(qū)域，受城鎮(zhèn)化快速擴張的影響，周邊綠色植被逐漸被人工建筑物所取代，因而植

19、被面積衰減最為明顯。 另一方面，桂林市建設用地與裸地、水體面積則呈現(xiàn)日益類型上看，2期地表溫度均值大小排序均為：建設用地與裸地 低植被覆蓋中植被覆蓋高植被覆蓋區(qū)水體。其中，綠色植被的地表溫度相對較低，其值大小與植被覆蓋度密切相關，在劃分的3種植被類型中，高植被覆蓋區(qū)地表溫度最低，2期地表溫度分別為293.3K(1991年)和298.25K(2006年)，低植被覆蓋的地表溫度最高， 其值分別較高植被覆蓋區(qū)高1.62K 和3.28K。因為綠色植被可以通過光合作用、蒸騰以及蒸散作用降低周圍的溫度，同時增加空氣濕度，植被面積越大、郁閉度越高降溫效果越明顯。因此，提高區(qū)域植被覆蓋密度是緩解城市熱島效應的

20、有效途徑之一。 城市建設用地與裸地在各地物類型中地表溫度最高，2期地表溫度值分別是295.3K和303.37K，呈現(xiàn)明顯增長趨勢。由于建設用地主要由磚瓦、水泥、瀝青等不透水層構成，地表蒸散能力較低，其熱容量和熱慣量小，而熱傳導率和熱擴散率大， 一旦受到太陽輻射影響表面溫度極易快速升高。 尤其是在城市建成區(qū)，城市人口、機動車數量多且高度集中，加之城市中高層建筑物與構筑物覆蓋普遍，城市核心區(qū)容易形成較強的“熱島效應”。裸地主要包括無植被覆蓋的土壤和開發(fā)用地，其熱輻射特征與建設用地相類似。水體作為一類特殊的地物，具有熱容量大、熱傳導率小的顯著特點，其溫度變化較為緩慢，因而在各地物類型中溫度最低，2期

21、溫度值都較建設用地擴大的趨勢，2種用地類型面積分別較1991年增加17.52和28.03。前者與桂林市近10年來城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展有直接關系，城市中新興住宅區(qū)、高新開發(fā)區(qū)及交通用地等一大批建設與裸地低5K左右。因而，在城市區(qū)域保留一定的水域面積將對項目的實施，導致此類用地面積大幅度增長，大量涌現(xiàn)的人工建筑不斷侵占了植被用地和自然景觀。后者面積的增長可能與農業(yè)水產養(yǎng)殖業(yè)的較快發(fā)展以及區(qū)域氣候變化等因素有關。 減輕熱島效應、改善城市生態(tài)環(huán)境質量具有良好作用。 2.3 不同時期植被覆蓋度與地表溫度的相關性分析 鑒于水體溫度和植被指數具有正相關的特殊性15，我們對整個研究區(qū)的植被覆蓋和土地分類圖進行了水

22、體掩膜處理。為2.2 桂林市不同植被覆蓋度與土地類型的地表溫度時空變化特征深入分析不同時期植被覆蓋度變化對城市地表溫度的影響效研究借助ArcGIS9.2軟件的空間分析模塊，分別把桂林市應，本研究在剔除掉水體的桂林市遙感影像圖上隨機采集了6001991、2006年的植被覆蓋分類和土地利用圖與同期反演生成的地表溫度圖件進行疊加分析，獲取不同類型植被覆蓋度與用個取樣點作為統(tǒng)計樣本，該研究樣本滿足統(tǒng)計分析獨立、 79等級 1991年 2006年 變化量/hm2 變化率/% 年均變化率/% 面積/hm2比例/% 面積/hm2比例/% 建設用地與裸地水體 低植被覆蓋中植被覆蓋高植被覆蓋 5 582.829

23、.67 2 782.014.83 13 145.4022.77 23 415.3540.55 12 810.4222.19 6 560.7511.36 3 566.866.17 7 683.3913.31 24 650.2742.69 15 278.7326.46 977.92 780.85 -5 462.01 1 234.91 2 468.32 17.52 28.03 -41.55 5.27 19.27 1.17 1.87 -2.77 0.35 1.28 園林生態(tài) 1991年地表溫度 2006年地表溫度 320.00310.00300.00290.00280.00270.00260.00建設

24、用地與裸地水體低植被中植被高植被圖例1取樣點303五城區(qū)界y=-4.489 5x+295.79R2=0.359 9 300km2972941991年291288植被覆蓋度FV2850.000.200.400.600.801.003-1309y=-7.447 5x+303.06306R2=0.587 923032006年300297圖1 桂林市不同植被覆蓋度與土地類型的地表溫度空間統(tǒng)計(1991、2006年) 圖2 桂林市5城區(qū)及取樣點空間分布圖3 1991、2006年桂林市植被覆蓋度與地表溫度的相關性植被覆蓋度FV2940.000.200.400.600.801.003-2隨機分布的前提。取樣

25、區(qū)域為桂林市秀峰、象山、七星、疊統(tǒng)計參數在兩時期有如此大的差異，其原因可能與影像獲取時彩、雁山5個城區(qū)，研究區(qū)域及取樣點分布詳見圖2。通過對所有取樣點的植被覆蓋度和地表溫度值進行回歸分析，生成2參數的二維散點圖與回歸方程(圖3)，回歸方程常數項和系數的間、氣候變化以及城市下墊面的劇烈改變有關，其中，2期影像獲取時間的不同對實驗結果影響最為明顯。由于2期影像獲取時間分別為10月底與9月下旬，年內時差超過一個多月，而秋季城市地表溫度日變化與月變化起伏較大。經查閱桂林市同期氣象數據， 1991 年10月、2006 年9月的平均氣溫分別為20.1t檢 驗p0.05，即系數是有統(tǒng)計學意義的。可以看出，1

26、991年與2006年的相關系數|R|分別大于0.5和0.7，說明植被覆蓋度與地表溫度2參數之間存在較顯著的負相關關系。另一方面，模與25.4，2期相差達5。盡管地表溫度反映的是影像像元型的判定系數R2均通過F檢驗，即p0.05，雖然2期回歸模型的擬合優(yōu)度較低，但是兩者之間的關系是顯著的。模型的判定系對應的地面溫度，而非實際氣溫，但兩者之間具有顯著的協(xié)同變化關系，其變化差異與實驗數據的統(tǒng)計結果具有極高的吻合數呈現(xiàn)增長趨勢，判定系數由1991年的0.359 9提高到2006度。另外， 氣象數據顯示桂林市1991年、2006 年910月的平均氣溫分別為23.2和24.5，也就是說桂林市區(qū)15年間同期

27、熱島強度增加了1.3。這在某種程度上揭示，對于地處巖溶年的0.587 9。該系數揭示了自變量對因變量變化的解釋能力， 也就是說1991年地表溫度變動的36可以由植被覆蓋度的變動得到解釋，2006年的解釋度提高到58.8。通過2期數據谷地的桂林市區(qū)而言，伴隨城市化的快速發(fā)展，城市建成區(qū)內比 較可見，城市植被覆蓋度與城市地表溫度的相關性呈現(xiàn)了人口數量、人工建筑、機動車以及生活熱源等的大量聚集，城增強的特征。1991年與2006年的擬合方程也可解釋為，當植市熱島效應日益強烈，主要表現(xiàn)為研究期內城市地表溫度的明 被覆 顯增長。而作為城市大氣環(huán)境關鍵性調節(jié)因子的綠色植被，其 80地表溫度LST/K 地表

28、溫度LST/K 地表溫度LST/K Landscape Ecology在城市化擴展過程中的生態(tài)調節(jié)功能也越發(fā)突出，即綠參考文獻： 1 WENG Q, LU D, Schubring J. Estimation of land surface temperaturevegetation abundance relationship for urban heat island studiesJ. Remote Sensing of Environment, 2004, 89(4): 467-483. 2 Buy a nt uy e v A, Wu. Urban he a t i s la nds

29、and landscape heterogeneity: linking s p at io t em po ra l variations in surface temperatures to land-cover and socioeconomic patternsJ. Landscape Ecology , 2010, 25(1): 17-33. 3 馬偉，趙珍梅， 劉翔.植被指數與地表溫度定量關系遙感分析： 以北京市TM數據為例J.國土資源遙感，2010(4)：108-112 4 張小飛， 王仰麟， 吳健生， 等. 城市地域地表溫度：植被覆蓋定量關系分析：以深圳市為例J.地理研究，20

30、06，25(3)：369377. 5 韓貴鋒，梁保平.地表溫度與植被指數相關性的空間尺度特征：以重慶市為例J.中國園林，2011(1)： 68- 72. 色植被保存較好的區(qū)域對城市“熱島效應”的降溫作用也越顯著。因此，在當前桂林市城市化快速發(fā)展的背景下，重視城市生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、加強園林綠地建設是改善 城市熱環(huán)境的有效措施之一。 3 結論 利用遙感技術快速提取和反演了典型巖溶型城市的植被覆蓋度與地表溫度等生物物理參數信息，同時結合GIS工具和空間統(tǒng)計分析方法，對桂林市建成區(qū)內的植被覆蓋度與土地覆被、地表溫度的時空演化特征、植被覆蓋度與地表溫度的相關性進行了深入分析。研究結果表明，15年間，桂林市植

31、被覆蓋度與土地覆被以及城市地表溫度發(fā)生了較大改變。受城鄉(xiāng)建設用地不斷擴張的強烈影響，城市植被覆蓋區(qū)面積總體呈現(xiàn)下降趨勢。在統(tǒng)6 陳云浩，杜培軍， 李曉兵，等.基于遙感數據計的3種植被覆蓋類型中，處于城市建成區(qū)與城鄉(xiāng)過渡地帶的低植被覆蓋面積衰減最為明顯，周邊綠色植被正逐漸為城鎮(zhèn)建筑景觀所取代，與研究初期(1991年)相比，的地表信息特征：NDVI-Ts空間描述J.武漢大學學報：信息科學版，2005，30(1)：11-14. 7，申雙和，趙小艷，等.兩種植被指數與地表溫度定量關系的比較研究：以南京市為例J.長江流域 資源與環(huán)境，2011，20(4)：439-444. 8 馬雪梅， 張友靜，黃浩.城市熱場與綠地景觀相關性定量分析J.國土資源遙感，2005(3)：10-13. 9 武佳衛(wèi)