邵亚琴，王姝，吴志刚，王佳佳

(1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010；2.神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000)

包头市工业化不断发展使城市热岛效应越来越明显[1].公园绿地能够调节局部生态环境，缓解热岛效应的影响，其中赛罕塔拉城中草原降温效应最为典型.

面对城市热岛效应和城市公园绿地的降温效应，许多专家和学者展开了大量相关研究工作.阿木拉堵等[2]通过研究西昌市温度的时空变化情况并分析城市热岛效应的驱动因素.周家彬等[3]基于唐山市2015年四季的遥感影像，分析了热岛效应季节性特征.通过研究天津中心城区8处较大的公园绿地，贾琦等[4]得出，对热岛效应影响最大的因素是公园面积和植被覆盖度，其次是水体比例，公园面积、水体、植被是影响地表温度的3个重要因素.还有学者通过距离-温度曲线研究了距离与温度的相关关系[5]，距离公园越远，降温效应越弱.

包头市赛罕塔拉城中草原是全国唯一国家城中草原，有“城市绿肺”之称[6].基于GIS和RS研究赛罕塔拉城中草原对城市的降温效应，对于城市规划中城市绿地合理布局具有实际的指导意义参考价值.

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域概况

赛罕塔拉城中草原是包头市城市自然生态景观园区，其面积超过1万亩，海拔1 034～1 058 m.为研究赛罕塔拉城中草原对周围城区的影响，选取包头市赛罕塔拉城中草原及周围的4个城区(青山区，九原区，昆都仑区，东河区)作为研究的区域，如图1所示.

包头市位于中国北部、蒙古高原南部、内蒙古中北部,南部靠近黄河，阴山山脉贯穿其中.包头市位于东经109°15′～110°26′，北纬40°15′～42°43′，气候全年多风少雨干燥，昼夜温差较大.包头市四季分明，干燥少雨的环境使包头市植被在夏季7、8月份长势最好，在秋冬两季植被大多枯萎衰败.全年平均气温为7.2 ℃，年降水总量421.8 mm.包头市是内蒙古自治区的制造业和工业中心，近年来，包头的工业化和城市化进程在不断加快，导致包头市城市热岛效应日益严重.

1.2 数据来源

采用研究区域的Landsat8-OLI遥感影像进行地表温度反演.下载影像的成像时间均为夏季7，8月份11点多，获取了从2013年到2017年5 a的5期影像，选取的影像云量<5%，数据质量良好，地面特征清晰.

2 研究方法

2.1 地表温度反演方法

目前，基于热红外遥感反演地表温度的算法主要有以下3种：大气校正法(也称“辐射传输方程”，RTE)、单窗算法和分裂窗算法[7].如果测量区域小且天气无云，大气校正法反演后的结果精度是理想的.因此，在这项研究中，使用大气温度校正方法反演地表温度.

大气校正法基本原理为：首先需要估计大气对地表热辐射影响，然后将这部分大气的影响从卫星传感器观测到的热辐射总量中消去，进而就可以得到地表热辐射强度，最后把这一热辐射强度转换为所对应的地表温度[8].卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值由3部分组成：大气向上辐射亮度L↑；地面的真实辐射亮度经过大气层之后到达卫星传感器的能量；大气向下辐射到达地面后反射的能量L↓.卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ的表达式可写为(辐射传输方程)：

Lλ=「εB(Ts)+(1-ε)L↓」τL↑.

(1)

式中：ε为地表比辐射率；Ts为地表真实温度，K；B(Ts)为黑体热辐射亮度，W/m2·sr；τ为大气在热红外波段的透过率.

2.2 地表温度等级划分

为了能够更加直观、定量地分析地表温度，利用均值-标准差法等间距的方法，如表1所示，将反演出的温度划分为5个等级，得到5幅影像的地表温度分级图像.其原理是以地表温度对指定区域平均温度的变异程度作为温度差异的划分依据[9].其中为平均温度，为标准差，为温度值.

表1 地表温度等级划分表

3 结果与分析

3.1 包头市主城区热岛效应时空演化分析

利用大气校正法基于ENVI软件对5幅影像进行地表温度反演得到研究区域的地表温度，通过ArcGIS软件绘制地表温度分布图，如图2所示.

图2 研究区域地表温度分布图(a)2013年8月12日温度反演；(b)2014年7月30日温度反演；(c)2015年7月1日温度反演；(d)2016年7月26日温度反演；(e)2017年7月13日温度反演

由以上研究区域5期地表温度分布图可以看出，地表温度中心城区较高，且随着离中心城区越来越远，地表温度也在逐渐降低，说明包头市中心城区存在着明显的热岛效应.通过地表温度分布可以发现，赛罕塔拉城中草原形成1个明显的低温区，说明城中草原是热岛效应中典型的低温地类.

为了更直观地分析研究区域地表温度的变化规律，根据地表温度划分标准，得到5期地表温度颜色分级结果.如图3所示.

图3 温度分级图像(a)2013年8月12日温度分级；(b)2014年7月30日温度分级；(c)2015年7月1日温度分级；(d)2016年7月26日温度分级；(e)2017年7月13日温度分级

(1)由2013年研究区温度分级图可以看出，高温区大多分布在中心城区处，即昆都仑区，青山区，东河区附近的地表温度较高，地表温度大于34.49 ℃，形成热岛效应.而在大面积高温区的中间，出现了一块规则的次低温区和低温区混合的区域，即为赛罕塔拉城中草原所在的区域.经过调查，在城市中心出现的低温区和次低温区域大多是城市中的公园绿地，如奥林匹克公园、劳动公园、阿尔丁植物园等.低温区域则主要以水体为主，如昆都仑河和研究区南部的黄河都是处于低温区域.

(2)经过比较2014年和2013年的温度分级图像，可以明显看出高温区的面积在不断扩大，热岛效应越来越严重.

(3)由2015～2017年的分级图像可以看出，高温区的分布范围仍在不断由城市中心区域向周围扩张，高温区和次高温区的面积越来越大.部分中温区、次低温区、低温区的区域逐渐转化为高温区和次高温区.但城市中的公园绿地、水体仍是处于低温区.

随着时间的变化，包头市的城市热岛效应在不断由中心城区向周围扩张，城市热岛面积在不断扩大，但城市中的公园、水体却仍能在这种热环境中处于低温状态.其中赛罕塔拉城中草原所在的区域一直低于周围城区的地表温度，由低温区、次低温区、中温区组成，形成一个“冷岛”区域.

3.2 赛罕塔拉城中草原降温效应分析

为了进一步分析赛罕塔拉城中草原对周围城区的降温效应，基于ArcGIS通过做剖面线和缓冲区，分析赛罕塔拉城中草原的降温范围和降温效果.

3.2.1缓冲区分析

选择2017年的地表温度反演结果作为研究对象，以赛罕塔拉城中草原边界向外每隔30 m生成多环缓冲区，直至缓冲区内的温度高于整个研究区温度，即此时赛罕塔拉城中草原的降温效应失效，该距离即为赛罕塔拉对中心城区的降温范围，共生成29个缓冲区多边形环，如图4所示，并统计各缓冲环的平均地表温度，如表1所示.

图4 多环缓冲区图

通过统计结果看出，赛罕塔拉城中草原的地表平均温度随着缓冲距离的增加呈现逐渐上升的趋势，即缓冲距离越大，距赛罕塔拉越远，温度越来越高.当缓冲区距离增加到840 m时，缓冲内地表平均温度为42.772 ℃，与研究区总体地表平均温度42.776 ℃基本相同；而当缓冲区距离继续增加，增加到870 m时，平均温度达到42.809 ℃，此时的缓冲区地表温度高于研究区总体的地表温度，说明该区域超出了赛罕塔拉城中草原的影响范围.因此在不考虑其他因素的情况下，赛罕塔拉城中草原的降温影响范围为840 m，当超过这个范围时，降温作用并不明显.

表2 多环缓冲区地表温度

文章建立了缓冲环到城中草原边界的距离与其对应地表平均温度的相关关系，并拟合出多项式函数：

y=0.001 7x2+0.133 3x+40.329 .

(2)

P<0.05时，R2=0.999 9，二者相关性显著.

3.2.2剖面线分析

为了进一步分析赛罕塔拉城中草原在各个方向的降温效果及其受不同地类的扰动情况，把2017年最大降温范围840 m缓冲区作为研究对象，以赛罕塔拉城中草原的北、西北、东、东北、西、西南、南、东南8个方向去延伸剖面线，并沿剖面线生成各个方向的地表温度变化曲线图，如图4所示.

从图中可以看出，各个方向的地表温度变化曲线图的趋势基本一致，随着缓冲距离的增加，地表温度逐渐升高.比较各方向的地表平均温度，从小到大排列依次为：东北<东<北<西北<西<东南<西南<南，因此可以得出降温效果从强到弱为：东北>东>北>西北>西>东南>西南>南.赛罕塔拉城中草原在各个方向的降温效果均不相同，降温效果最强的是东北方向，降温效果最弱的为正南方向.

为了分析不同方向降温效果受不同地类的影响，提取840 m缓冲区的土地利用类型，结果如图5所示.由缓冲区土地利用类型可以看出，源于劳动公园、奥林匹克公园的降温效果与赛罕塔拉叠加，提高了降温效果，赛罕塔拉北部的降温效果较好.南部建设用地分布比较广且集中，减弱了降温效果，降温效应较差.由此得出，赛罕塔拉城中草原对各个方向的降温效果与周围的土地利用类型有关，植被覆盖越多，降温效果越强；建设用地越多，降温效果越弱.

图5 缓冲区各方向剖面图(a)东-剖面图；(b)东北-剖面图；(c)北-剖面图；(d)西北-剖面图；(e)西-剖面图；(f)西南-剖面图；(g)南-剖面图；(h)东南-剖面图

图6 缓冲区土地利用类型

4 结论与讨论

文章基于Landsat8-OLI 2013～2017年5景遥感影像，利用大气校正法反演了赛罕塔拉城中草原及周围城区的地表温度，从时间尺度、空间尺度、降温范围和降温效果等方面进行分析.

(1)从研究区地表温度分级结果可以得出，包头市的城市热岛效应在不断由中心城区向周围扩张，城市热岛面积在不断扩大，但城市中的公园、水体却仍能在这种热环境中降低地表温度.其中赛罕塔拉城中草原所在的区域一直低于周围城区的地表温度，由低温区、次低温区、中温区组成，形成一个“冷岛”区域，说明赛罕塔拉城中草原在城市热岛效应中能起到降温的作用.

(2)通过城中草原地表温度缓冲区分析可知，缓冲距离越大，距城中草原越远，地表温度越来越高.缓冲距离与地表温度的关系呈正相关，赛罕塔拉城中草原的降温范围临界距离为840 m.

(3)剖面线分析可以看出，赛罕塔拉城中草原在各个方向的降温效果均不相同，降温效果最强的是东北方向，降温效果最弱的为正南方向.赛罕塔拉城中草原对各个方向的降温效果与周围的土地利用类型有关，植被覆盖越多，降温效果越强；建设用地覆盖越多，降温效应越弱.

赛罕塔拉城中草原对包头市热岛效应的缓解作用十分显著.因此，在今后的城市规划中，注重公园绿地合理布局，是城市健康发展的保障.