王敬文 趙微 葉江霞 朱洪琴 張明莎
(西南林業(yè)大學(xué),昆明,650224)(昆明理工大學(xué))(西南林業(yè)大學(xué))
地表溫度是研究陸地表面與大氣之間相互作用的重要參數(shù),對(duì)物種的適生性及棲居具有重要的決定作用[1],并影響區(qū)域及全球生態(tài)系統(tǒng)。山地地表溫度場(chǎng)格局及其影響要素定量化分析,準(zhǔn)確刻畫山地地表水熱環(huán)境、了解山地生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空分布特征,對(duì)生物多樣性保護(hù)、物種分布建模及全球氣候變化的研究具有重要意義。
傳統(tǒng)的地表溫度場(chǎng)獲取主要有應(yīng)用氣象站點(diǎn)的內(nèi)插法[2-5],由于氣象站點(diǎn)分布較為稀疏,且極易受環(huán)境的影響,致使溫度場(chǎng)的內(nèi)插精度不高[6-7]。隨著遙感技術(shù),特別是熱紅外遙感的發(fā)展,使大面積地表溫度場(chǎng)的獲取成為可能。中分辨率成像光譜儀(MODIS)及Landsat熱紅外波段成為地表溫度反演的主要數(shù)據(jù)源[8],Landsat 8數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于城市熱島效應(yīng)分析、植被時(shí)空分布格局等[9-17]。目前,對(duì)地表溫度遙感獲取主要運(yùn)用單波段的單通道算法[18-20]、劈窗算法[21-23]、多波段算法[24]以及Gerace et al.[25]提出的削減雜散光帶來的誤差影響的雙通道矯正算法。Wang et al.[19]提出的針對(duì)landsat-8 TIRS10波段改進(jìn)后的單窗算法(IMW),通過改進(jìn)大氣平均作用溫度參數(shù),對(duì)真實(shí)氣溫?cái)?shù)據(jù)的反演精度能夠保持在1.4 K左右[26]。但由于衛(wèi)星過境時(shí)間的限制,難以獲得與其同步的地面觀測(cè)值,加之地面觀測(cè)點(diǎn)稀疏,現(xiàn)有地表溫度遙感反演中,較少考慮實(shí)測(cè)近地面溫度的空間和時(shí)間尺度[27-28],從而極大影響地表溫度場(chǎng)的精準(zhǔn)性。
隨著地表溫度反演算法的發(fā)展,山地地表溫度與影響要素的關(guān)系分析越來越受到關(guān)注,主要集中在山地地形效應(yīng)。MODIS系列產(chǎn)品應(yīng)用于大尺度的地域分析,以高程、坡度、坡向、緯度等大尺度地形因子影響下的地表溫度格局分析[29-34],但很少考慮到小尺度微地形作用下的影響,以及人居環(huán)境,包括水資源布局[35]、居民區(qū)、植被覆蓋等對(duì)地表溫度關(guān)系的研究較少[36]。因此,山地溫度格局的定量化分析,應(yīng)綜合考慮影響溫度的宏觀環(huán)境因子及微自然格局及人文因素[37-40]。
為獲取更為精準(zhǔn)的地表溫度,以Landsat-8為遙感數(shù)據(jù)源,結(jié)合地面同步的常規(guī)氣象站點(diǎn)及微氣象站點(diǎn)觀測(cè)值,以典型山地代表的云南滇中作為研究區(qū),通過對(duì)地表溫度場(chǎng)反演,結(jié)合區(qū)域地理環(huán)境及人居環(huán)境空間精細(xì)化模擬表達(dá),定量分析山地溫度場(chǎng)的空間格局,揭示影響山地溫度格局的驅(qū)動(dòng)因素及其規(guī)律,為山地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)提供重要基礎(chǔ)。
以云南省的滇中部分地區(qū)為研究區(qū),主要包括昆明市、玉溪市、紅河州及曲靖市大部分地區(qū)。區(qū)域內(nèi)地形以山地和山間盆地為主,屬滇東高原盆地,山地地勢(shì)起伏較大。該地區(qū)屬亞熱帶氣候,日照充足,四季如春,氣候宜人,干濕季分明;土壤類型以紅壤為主,植被類型多樣。區(qū)域內(nèi)人居環(huán)境特征明顯,城市聚集,是云南省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心,區(qū)域內(nèi)人文元素豐富。具有豐富的山地植被,如滇中植被垂直帶譜完整的轎子雪山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、滇中向滇南延伸的哀牢山;高原湖泊有滇池和撫仙湖、陽(yáng)宗海和湯池。
研究數(shù)據(jù)源主要有l(wèi)andsat-8 OLI、SRTM DEM 90m,MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),具體的時(shí)間為2015年5月28日3時(shí)34分;MODIS數(shù)據(jù)選擇的為時(shí)間相近的LB1數(shù)據(jù),來源美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/);地面同步觀測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù),采用云南省常規(guī)氣象站點(diǎn)及云南電網(wǎng)微氣象站點(diǎn)的逐時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù),共計(jì)171個(gè)觀測(cè)站點(diǎn);人居環(huán)境獲取采用珞珈一號(hào)夜視燈光遙感數(shù)據(jù)(源于http://www.hbeos.org.cn/)。對(duì)獲取的Landsat-8 OLI影像數(shù)據(jù),利用數(shù)字地形模型對(duì)圖像進(jìn)行幾何精校正[41]、輻射定標(biāo)處理,用ENVI的FLAASH進(jìn)行大氣校正。
地表溫度選擇連續(xù)性約束和亮度梯度約束的多窗口區(qū)域匹配算法(IMW)為地表溫度反演方法。
IMW算法結(jié)構(gòu)主要根據(jù)地表熱輻射傳輸方程,推導(dǎo)出利用熱紅外波段數(shù)據(jù)反演地表溫度,以landsat-8第10波段為例,其計(jì)算公式為:
Ts=[a10(1-C10-D10)+(b10(1-C10-D10)+C10-D10)
T10-D10Ta]/C10。
式中:Ts是基于landsat-8第10波段反演得到地表溫度;Ta是大氣平均作用溫度(見表1);T10是landsat-8第10波段觀測(cè)的地表星上亮溫;a10和b10為系數(shù)(見表2);C10和D10為算法內(nèi)部參數(shù)(C10=τ10×ε10,D10=(1-τ10)[1+(1-ε10)τ10]。式中,τ10和ε10分別為第10波段大氣透過率和地表比輻射率)。根據(jù)在NASA官網(wǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算出大氣熱紅外波段的透過率為0.73。
表1 熱紅外波段大氣平均作用溫度估算方程[42]
利用地面171個(gè)常規(guī)氣象站點(diǎn)及微氣象站點(diǎn)同步觀測(cè)數(shù)據(jù),并隨機(jī)選取20個(gè)用于精度檢驗(yàn)。研究選擇中緯度夏季估算方程。
表2 不同溫度范圍內(nèi)的地表溫度反演回歸系數(shù)a10和b10的取值[19]
采用通用的地表比輻射率估計(jì)方法,即簡(jiǎn)單地將地表視為水體、建筑、自然表面等地類構(gòu)成,其中水體利用歸一化差異水體指數(shù)進(jìn)行提??;建筑提取方法綜合選取具有較高精度的垂直不透水層指數(shù)(PII)[43-48]。對(duì)于自然表面像元,可簡(jiǎn)單認(rèn)為是植被和裸土組成的混合像元,將水體、建筑、植被、裸土的地表比輻射率分別設(shè)置為:ε10ω=0.991、ε10m=0.962、ε10s=0.966、ε10v=0.973[49]。對(duì)自然表面可根據(jù)像元的植被覆蓋度來估算,具體估算方法參考文獻(xiàn)[19]的模型如下:
地表溫度主要受下墊面性質(zhì)的影響,選取地理環(huán)境因子及人居環(huán)境因子定量分析山地溫度格局的影響因子。
地理環(huán)境因子:地理環(huán)境因子主要選取海拔高度、坡度、坡向及能描述地貌隆起、切割程度的度量指標(biāo)—地形起伏度[52], 地形起伏度是最高點(diǎn)海拔高度與最低點(diǎn)海拔高度的差值,以相對(duì)高差更加準(zhǔn)確表達(dá)區(qū)域地形的隆起或切割的地貌形態(tài)特征,更能反映山地溫度的立體變化和微地形特征。利用均值變點(diǎn)法[53]提取地形起伏度,通過鄰域計(jì)算,窗口逐一設(shè)置為2、3、…、49 km進(jìn)行試驗(yàn),選擇最佳窗口為18 km,獲得地形起伏度空間格局(如圖1a)。
圖1 山地溫度主要影響因子格局
人居環(huán)境因子:以研究區(qū)內(nèi)水域、植被覆蓋及居民區(qū)共同刻畫人居環(huán)境。以歸一化植被指數(shù)作為植被覆蓋度指標(biāo)(見圖1b)。利用歸一化差異水體指數(shù)(INDW)[54]表達(dá)水域的空間影響,計(jì)算如公式為:INDW=(G-R)/(G+R)。其中:G為綠波段的亮度值(對(duì)應(yīng)第3波段),R為近紅外波段的亮度值(對(duì)應(yīng)第5波段)。為定量表達(dá)水域的空間影響,以成本距離計(jì)算其格局(見圖1c)。
為客觀表達(dá)人類居住場(chǎng)所空間格局,利用分辨率為130 m的珞珈一號(hào)夜視燈光數(shù)據(jù)提取居民區(qū),并以成本距離模擬人居活動(dòng)場(chǎng)所的空間格局(見圖1d)。
為探究地表溫度與地理環(huán)境及人居環(huán)境因子的定量關(guān)系,將反演的地表溫度、地形起伏度、水域空間格局、高程、人居活動(dòng)空間格局和歸一化植被指數(shù)等進(jìn)行相關(guān)性分析(見表3)。
表3 各因子間的相關(guān)性
3.1.1 地表溫度與大尺度地形環(huán)境的關(guān)系
以海拔100 m為遞增步長(zhǎng),坡向按照陰坡和陽(yáng)坡進(jìn)行劃分;為克服高程數(shù)據(jù)誤差對(duì)坡度估計(jì)帶來的誤差,參照文獻(xiàn)[8]對(duì)坡度大于5°的地表溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,按照5°分階,由于40°以上區(qū)間坡度地面較少,將坡度40°以上歸為一類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;將各影響變量按照分區(qū)與地表溫度在該區(qū)間的平均值進(jìn)行曲線擬合選出最佳曲線進(jìn)行分析。
由圖2可知,海拔對(duì)地表溫度影響的曲線擬合關(guān)系,回歸決定系數(shù)(R2)為0.899 8,當(dāng)溫度變化為10 ℃時(shí),海拔變化為2 000 m。海拔在1 000~1 500 m溫度略有波動(dòng)且有上升趨勢(shì),海拔1 500 m以上時(shí),溫度隨海拔上升有明顯的下降趨勢(shì),基本成對(duì)數(shù)關(guān)系,這與文獻(xiàn)[56-57]的研究結(jié)果具有相似的規(guī)律,隨著海拔的增大,地表溫度逐漸降低,地表溫度隨海拔的變化率為:海拔變化100 m,地表溫度變化0.5 ℃。
由圖2可知,坡度對(duì)地表溫度影響的曲線擬合關(guān)系,回歸決定系數(shù)(R2)為0.930 3,坡度對(duì)地表溫度的線性影響較為明顯,隨著坡度上升溫度具有顯著下降的趨勢(shì),與文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果一致。
根據(jù)陰陽(yáng)坡的劃分規(guī)律,將坡向劃分為陰坡(337.5°~67.5°)、半陰坡(67.5°~112.5°、292.5°~337.5°)、陽(yáng)坡(157.5°~247.5°)、半陽(yáng)坡(112.5°~157.5°、247.5°~292.5°)。
圖2 地表溫度與海拔的關(guān)系
圖3 地表溫度與坡度的關(guān)系
由圖4可知,坡向與地表溫度影響的曲線擬合關(guān)系發(fā)現(xiàn),回歸決定系數(shù)(R2)為0.884 7,模型擬合效果好。地表溫度隨坡向變化的關(guān)系是先升高后逐漸降低,再上升的趨勢(shì),大致呈現(xiàn)正弦三角函數(shù)關(guān)系,這與文獻(xiàn)[58]利用坡向構(gòu)建太陽(yáng)輻射(與地表溫度有關(guān))的關(guān)系函數(shù)一致;在陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡,地表溫度隨坡向的變化而降低,在陰坡和半陰坡,地表溫度隨坡向的變化而升高,且北坡溫度低于南坡的溫度,與文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)論一致。
在柴油降解的初期,搖瓶?jī)?nèi)的柴油呈膜狀漂浮在水面上,水相澄清。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),水相開始逐漸變渾濁,柴油呈油滴狀。隨著培養(yǎng)時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng),柴油液滴越來越小直至液面上無明顯油滴,液相呈乳白色。發(fā)酵液離心去除菌體后用鹽酸調(diào)節(jié)至pH=2.0,在4 ℃下冷藏過夜,無沉淀產(chǎn)生。用氯仿-甲醇(2∶1,體積分?jǐn)?shù))混合液萃取發(fā)酵液中的表面活性劑,將萃取液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后得到物質(zhì)為棕黃色粉末。
圖4 地表溫度與坡向的關(guān)系
3.1.2 地表溫度與地形起伏度
由圖5可知,利用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法,對(duì)地形起伏度分類,研究與地表溫度受地形起伏度的影響。地形起伏度與地表溫度的曲線擬合的決定系數(shù)(R2)為0.898 1。地形起伏度小于600時(shí),地表溫度隨地形起伏度的關(guān)系基本呈下降的趨勢(shì);而地形起伏度大于600時(shí),地表溫度隨地形起伏度略有上升的趨勢(shì)。
圖5 地表溫度與地形起伏度的關(guān)系
3.1.3地表溫度與植被覆蓋度、水域和人居環(huán)境的關(guān)系
由圖6可知,在植被覆蓋方面,利用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法,將植被覆蓋度分為20類,分析植被覆蓋度與地表溫度的關(guān)系,植被覆蓋度與地表溫度的擬合曲線的決定系數(shù)(R2)為0.875 6。隨著植被覆蓋度的增大,溫度逐漸降低,但并不是明顯的線性遞減,而是略成對(duì)數(shù)遞減關(guān)系。
圖6 地表溫度與植被覆蓋度的關(guān)系
由圖7可知,利用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法(Jenks),對(duì)水域空間影響進(jìn)行分類,研究地表溫度受水體的影響。地表溫度與水域空間格局?jǐn)M合關(guān)系的決定系數(shù)(R2)為0.714 1。隨著水域影響空間距離的增加,地表溫度下降極為明顯[59],距離水體越近地溫越高。但在某些區(qū)位也略有增加,這是因?yàn)樗w對(duì)區(qū)域的地表溫度具有增加效應(yīng)。
圖7 地表溫度與水域空間格局的關(guān)系
由圖8可知,在人居活動(dòng)影響格局方面,利用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法,分析人居活動(dòng)影響空間格局與地表溫度關(guān)系。人居活動(dòng)影響空間格局與地表溫度曲線擬合的決定系數(shù)(R2)為0.725 9。隨著人居活動(dòng)影響空間距離的逐漸增大,地表溫度有較為明顯的增加,與文獻(xiàn)[60]的研究結(jié)論一致。
圖8 地表溫度與人居活動(dòng)空間格局的關(guān)系
利用漁網(wǎng)工具采集研究區(qū)域內(nèi)3 000 m的邊長(zhǎng)的網(wǎng)格樣點(diǎn),去除異常數(shù)據(jù)后,剩余31 899個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)用于分析地表溫度反演模型。根據(jù)每個(gè)地形特征與地表溫度之間的相關(guān)性,進(jìn)行多元回歸分析,使用逐步回歸方法建立相關(guān)模型(見表4、表5)。
表4 多元回歸分析
由表4、表5可知,模型經(jīng)7次逐步回歸,7個(gè)原始變量均被保留,且常數(shù)和各變量都通過T檢驗(yàn),方差膨脹因子均較小,沒有多重共線性,模型的R2為0.42。地表溫度反演模型為:
y=311.023-22.449x1-0.025x2-0.008x3-0.007x4-
0.002x5-0.003x6+0.003x7。
式中:y表示地表溫度,x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7分別表示歸一化植被指數(shù)、坡度、坡向、地形起伏度、海拔、人居活動(dòng)影響空間格局、水域影響空間格局。
表5 模型系數(shù)及檢驗(yàn)
由圖9可知,通過計(jì)算并經(jīng)單位換算后的地表溫度反演結(jié)果,地表溫度最高值為49.15 ℃,最低溫為0.82 ℃,平均溫度為24.92 ℃。
利用大氣平均作用溫度估算方程將地表溫度的反演結(jié)果,轉(zhuǎn)化為與實(shí)測(cè)溫度類似的大氣溫度進(jìn)行精度檢驗(yàn),采用平均絕對(duì)誤差、平均相對(duì)誤差和均方根誤差評(píng)估溫度實(shí)測(cè)值與地表溫度反演值和MODIS的差異(見表6)。
由表6可知,反演的地表溫度比MODIS溫度產(chǎn)品的平均絕對(duì)誤差值小0.31 ℃、平均相對(duì)誤差值小2.15%、均方根誤差值小5.87 ℃,表明地溫反演精度較MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品較好,與文獻(xiàn)[61]得出的結(jié)論一致。
表6 地表溫度反演精度驗(yàn)證
由圖9可知,地表溫度宏觀格局,可明顯看出高溫主要集中在昆明市富明、祿勸、石林等區(qū)域,紅河地區(qū)的開遠(yuǎn)、建水、彌勒等區(qū)域,玉溪市的華寧和易門區(qū)域;較高溫則出現(xiàn)在昆明市主城區(qū)、呈貢、晉寧、嵩明、宜良、安寧等區(qū)域,玉溪市的紅塔和新平區(qū)域,曲靖市的陸良和師宗區(qū)域,紅河州的部分地區(qū);溫度較低區(qū)域主要分布在紅河的石屏以及玉溪市的大部分地區(qū)。
地表溫度整體格局,從高至低依次是昆明、曲靖、紅河、玉溪,這與區(qū)域大型水體的距離、植被覆蓋高低、地形起伏、海拔、人居環(huán)境密切相關(guān)。特別是昆明作為云南最大的人居聚集地,城市溫度相對(duì)較高,但周邊因山體地形及大型水體滇池及城市面山植被覆蓋的調(diào)溫作用,使其溫度較低。
圖9 地表溫度反演結(jié)果
溫度的分布格局主要與區(qū)域地理環(huán)境特征有關(guān),整體上,曲靖市東北部、中部的昆明市(主要包括主城區(qū)與嵩明、石林、呈貢等區(qū)域)、玉溪市(主要包括紅塔、江川、澄江、通海等區(qū)域),及紅河州大部份地區(qū)地形起伏度較低,而昆明市(主要包括富明、祿勸、宜良、安寧等區(qū)域)、玉溪市和紅河州(主要包括石屏、開遠(yuǎn)、彌勒、瀘西等區(qū)域)地形起伏度較高。
研究區(qū)域溫度格局與水體分布,受滇池的影響,昆明主城區(qū)與安寧、晉寧等地整體溫度略比其他地區(qū)低,陽(yáng)宗海周邊也呈現(xiàn)這一規(guī)律,但由于水域面積較小,影響范圍有限;玉溪市的撫仙湖周邊這一效應(yīng)也較明顯,如澄江、江川和紅塔地區(qū)靠近湖體周邊地區(qū)溫度較低。從一定程度能說明水體對(duì)周邊地表具有降溫作用,但受到水域面積及距離的影響。
利用同一區(qū)域的Landsat-8影像數(shù)據(jù),以及相對(duì)密集的近地表溫度同步觀測(cè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù),結(jié)合IMW算法反演的地表溫度,對(duì)比MODIS地表溫度產(chǎn)品和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),總體反演的地表溫度精度明顯優(yōu)于MODIS數(shù)據(jù),表明可實(shí)現(xiàn)地表溫度場(chǎng)的精確獲取。
地表溫度不僅與宏觀的地形要素有關(guān),還與微地形及人居環(huán)境作用關(guān)系密切。地表溫度數(shù)據(jù)空間分布與地形起伏度、海拔、坡向、坡度、水域影響格局、人居活動(dòng)影響格局具有不同程度的相關(guān)規(guī)律,植被覆蓋度對(duì)地表溫度的負(fù)相關(guān)影響最為顯著。近年來,云南省將生態(tài)文明建設(shè)放在首要位置,提出2020年全省森林覆蓋率提升到65%以上的增長(zhǎng)目標(biāo),提升人居環(huán)境的同時(shí),也對(duì)地表溫度起到較好的調(diào)節(jié)作用;地形起伏度精確刻畫了微地形差異,對(duì)地表溫度的空間格局具有明顯的影響;海拔對(duì)地表溫度整體上不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,當(dāng)海拔小于1 500 m時(shí),地表溫度與海拔正相關(guān),當(dāng)海拔超過1 500 m時(shí),隨著海拔的逐漸增高,對(duì)地表溫度的影響則呈對(duì)數(shù)線性遞減。坡度對(duì)地溫的影響是線性遞減的關(guān)系;而人居活動(dòng)空間影響隨著距離增加,地表溫度逐漸降低,反映“城市熱島”增溫效果;水域影響空間格局,與地表溫度整體成負(fù)相關(guān);坡向與地表溫度不成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,在陰坡和半陰坡的范圍內(nèi)成正相關(guān),而在陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡的范圍內(nèi)成負(fù)相關(guān)關(guān)系。
通過對(duì)山地地表溫度影響因素定量分析,可以應(yīng)用宏觀地形及微地形的地理環(huán)境和人居環(huán)境因子的山地溫度綜合模型,實(shí)現(xiàn)山地溫度場(chǎng)時(shí)空格局的精細(xì)化模擬。通過對(duì)地表溫度場(chǎng)反演,結(jié)合區(qū)域地形及人居環(huán)境模擬,定量分析山地溫度場(chǎng)的空間格局,揭示影響山地溫度格局的驅(qū)動(dòng)因素及其規(guī)律,為山地生態(tài)系統(tǒng)研究提供重要基礎(chǔ),在生物多樣性保護(hù)、物種分布建模及全球變化等研究中具有重要意義。
研究充分利用了現(xiàn)有常規(guī)氣象站點(diǎn)及微氣象站點(diǎn)同步氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了基于Landsat-8的地表溫度的精確反演,為山地溫度場(chǎng)的研究應(yīng)用提供了基礎(chǔ)信息;應(yīng)用遙感與GIS模擬了研究區(qū)域宏觀地形及微地形、人居環(huán)境要素的空間格局,分析了各要素對(duì)山地溫度的空間定量關(guān)系,最后構(gòu)建了基于地理環(huán)境與人居環(huán)境共同作用的山地溫度模型。山地溫度場(chǎng)的空間格局,不僅受下墊面宏觀地形、微地形及人居環(huán)境影響,還與宏觀上山地緯度、海陸位置、大氣環(huán)流及其動(dòng)態(tài)等因素有關(guān),綜合分析影響要素,構(gòu)建更為精確的山地溫度場(chǎng)是今后研究趨勢(shì)。