王梦娇，魏东岚

(辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029)

1 引言

近年来，随着经济的发展，城市的扩张，越来越多的土地被开发利用，绿地面积不断缩小，全球范围内气温逐渐变暖，导致温室效应、热岛效应的出现。由钢筋混凝土组成的不透水面积不断扩大,加上大量的人为热量进入城市大气,造成了城市热量累积,影响了城市居民的生理和心理健康,严重降低了人们的生活质量[1,2]。

而城市绿地的热环境效应也受多种因素的影响[3], 就城市绿地自身的多种属性来说, 热环境效应与城市绿地斑块种植植物种类、绿地斑块所处的位置、城市绿地斑块的分布都有关系[4]。地表温度既是重要的气象和生态环境要素, 也是地球能量和水分平衡最重要的环境参数之一[5]，通过温度可以反映绿地斑块对周边热环境的影响。

由于遥感以及计算机技术的飞速发展，使得越来越多的方法被用来研究绿地斑块对热环境的影响[6]，获取温度的方法是地表温度反演法，然后根据绿地斑块提取出所需要的参数[7](斑块周长、斑块面积[8]、形状指数和植被覆盖度)，以温度与绿地斑块为原始数据，利用回归分析法得到绿地斑块各指标与温度的相关性，进而得到周边热环境与绿地斑块的关系。

2 研究数据

2.1 研究区概况

石家庄市是河北省省会，北纬37°27′～38°47′，东经113°30′～115°20′，市区总面积为2220 km2，属于温带季风气候，降水集中在夏季，高温多雨，石家庄年总降水量，401.1～752.0 mm，年平均温度为13.5 ℃。本文以石家庄市区为研究中心，包括新华区，长安区，裕华区，桥西区四区；以石家庄市区的14个公园(图1)为具体的研究对象探究绿地斑块与热环境之间的相互关系。

注：0～13斑块分别为长安公园、希望绿洲公园、体育公园、富强公园、和平公园、滨河公园、丁香园、槐北公园、世纪公园、少年活动中心、卡龙公园、水上公园、东环公园、西清公园

2.2 数据来源及处理

本研究涉及的主要数据有Landsat8 OLR的石家庄市2019年7月1日的遥感影像数据、石家庄市城区矢量数据，公园绿地矢量数据。首先利用ENVI软件对Landsat数据进行几何校正，然后进行图像融合，图像镶嵌和裁剪，辐射定标，并提取植被覆盖度即NDVI，最后对Landsat 8OLR的热红外波段进行地表温度反演，反演后可以得到所需辐射亮度，进而得到地表温度。利用ArcGIS提取绿地斑块参数，SPSS软件对绿地斑块各参数与绿地斑块温度进行回归分析。

3 研究方法

3.1 地表温度反演

本文根据著名的大气校正法，利用Landsat8[9]的热红外影像数据记录的热红外信息来识别地物和反演地表温度[10, 11]。基于遥感数据的地表温度反演技术已经得到了广泛的应用，也得到了不同程度的提升。

在遥感平台进行探测时，即使遥感正常工作，获取的数据都多多少少会有误差。一是由于大气散射，吸收所造成的太阳辐射衰减；二是地形原因所造成的衰减。有些衰减没有必要进行校正，但是对于从植被中提取的各种参数是有必要进行大气校正的[12]。

3.1.1 辐射定标

辐射定标是进行大气校正最为基础的一步，将传感器记录的无量纲的热红外波段的值转换成具有实际物理意义的大气顶层辐射亮度。参考公式为：

Lλ=gain×DN+offset

(1)

式(1)中，gain为NASA提供的传感器每个波段的增益，offset 为每个波段的偏移。

3.1.2 地表植被覆盖度

计算植被覆盖度首先应计算归一化植被指数[13]，参考公式为：

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

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

(2)

式(2)中，Pv为植被覆盖度指数，NDVI为归一化植被指数，NDVI1代表裸土或无植被覆盖区域NDVI值，NDVI2则代表完全植被覆盖区域NDVI值。NDVI1，NDVI2分别取0.05和0.7。

3.1.3 地表比辐射率

参考公式为：

ε=0.9589+0.086Pv-0.0671Pv2

(3)

式(3)中，ε为城镇区地表比辐射率，Pv为地表的植被覆盖度。

3.1.4 温度反演

参考公式为[14]：

B(TS)=[Lλ-Lu-τ(1-ε)Ld]/τε

(4)

式(4)中，Lu为大气向上辐射亮度，Ld为大气向下辐射亮度，τ为大气在热红外波段的透过率，ε为地表比辐射率。

3.2 城市绿地信息提取

在提取绿地斑块时，首先在石家庄市公园绿地专题图中将公园绿地绘制成SHP文件；再次与分类好的遥感图像叠置，观察是否属于植被范围内；最后再去实地进行考察，改正错误，最终完成绿地斑块以及信息的提取。查阅论文，并根据以往的经验绿地斑块的形状指数计算方式如下：

D=C/(2× √πA)

(5)

式(5)中，C为绿地斑块的周长，A为绿地斑块面积。

图2 研究区绿地斑块温度分布

本文主要利用ENVI进行几何校正，用以校正由传感器本身的高度、姿态、地形、地球曲率等不稳定性而造成的遥感图像畸变。选择热红外波段并选择中心波长10.900的波段进行辐射定标获得的结果精度相对较高，进而得到辐射定标结果；然后利用近红外波段与红波段计算归一化植被指数；进一步利用归一化植被指数计算出植被覆盖度；进而计算出地表比辐射率，根据地表比辐射率与辐射定标的结果得出同温度下黑体辐射亮度图；再根据公式(4)得出地表温度图；使用石家庄市区的SHP文件对温度图进行裁剪，得到石家庄市区温度图；将温度图以灰度图的形式表示出来，最终获得所需TIFF文件。

使用ArcGIS提取出公园绿地，并利用其几何计算功能计算出绿地斑块的面积、周长、形状指数，然后制作并导出地图。 使用SPSS软件的分析功能进行回归分析，同时制作出曲线图。

4 结果分析

绿地斑块的各种信息：平均温度、植被覆盖度、面积、周长、植被指数见表1。

从表1可以看出，绿地斑块温度最低的是32.561 ℃的滨河公园，而植被覆盖度并不是最高的，仅有0.566，进一步分析得知滨河公园紧挨民心河，而水的比热容较大在白天升温慢，水的温度要低于周边建筑物的温度，也就造成了即使滨河公园的植被覆盖度不是最高的但温度也是最低的，与此例相似的还有水上公园；而温度次之为33.649 ℃的世纪公园，它对应植被覆盖度是最高的，温度最高的为36.337 ℃的体育公园，植被覆盖度最低仅为0.411，因此可以得出植被覆盖度和周围环境对绿地斑块温度有影响；面积最大的为滨河公园0.4482 km，面积最小的是丁香园0.022 km；周长最大的为世纪公园4.557 km，周长最小的为丁香园0.912 km;植被指数最大的和平公园1.856，植被指数最小的为东环公园1.100。为进一步分析绿地斑块周边温度与绿地斑块各信息的关系，以表1数据为基础进行回归分析，得出绿地斑块平均温度与植被覆盖度、植被指数、周长、面积的关系，进一步深化总结，为解决温室效应提供依据。

表1 绿地斑块信息

4.1 植被覆盖度与绿地斑块平均温度的关系

从图3可以看出，石家庄市公园的植被覆盖度与公园内绿地斑块的平均温度成负相关，即植被覆盖度越高绿地斑块平均温度越低。根据SPSS得出r=-0.552，根据相关系数显著性检验表得知在0.05水平上显著相关，可信度高达95%，说明植被覆盖度对热环境会产生一定的影响，人们在城市建设、城镇发展的过程中不能忽略植被覆盖度对热环境的影响，日常生活以及公园的建设中要提高公园的植被覆盖度，以降低周围温度。

图3 植被覆盖度对绿地斑块平均温度影响

4.2 绿地斑块面积与绿地斑块平均温度的关系

从图4可以看出，石家庄市公园绿地斑块面积与绿地斑块平均温度成负相关，即绿地斑块面积越大绿地斑块平均温度越低。根据SPSS得出r=-0.48，根据相关系数显著性检验表得知在0.05水平上显著相关，可信度高达95%，说明绿地斑块面积对热环境也有积极作用，人们在城市的建设中要大面积地增加城市绿地，以降低周围温度。

图4 绿地斑块面积与绿地斑块平均温度的关系

4.3 绿地斑块周长与绿地斑块平均温度的关系

从图5可以得出，绿地斑块周长与绿地斑块平均温度成负相关，即绿地斑块周长越大绿地斑块平均温度越低。根据SPSS得出r=-0.63，根据相关系数显著性检验表得知在0.02水平上显著相关可信度高达98%，说明人们在城市的建设中应适当增加绿地斑块周长，以降低周围温度。

图5 周长与绿地斑块平均温度关系

4.4 植被指数与绿地斑块平均温度的关系

因为样本数过少，数据并不集中，图6中得出，形状指数与绿地斑块平均温度并没有形成明显的相关关系，根据SPSS得出r=0.04,根据相关系数显著性检验表得知在0.05水平上显著相关，可信度未达到5%，所以形状指数与绿地斑块平均温度无明显相关性。

图6 形状指数与绿地斑块平均温度关系

5 结论与讨论

本文讨论了绿地斑块自身属性对绿地斑块周边热环境的影响。根据以上数据与实验可得出以下结论：绿地斑块内的平均温度与植被覆盖度、绿地斑块面积、绿地斑块周长成反比趋势，所以在公园的建设以及建成区发展的过程中，设计者可以适当增加绿地斑块的面积、植被覆盖度、周长就可以降低绿地斑块的局部平均温度，这样既有利于缓解温室效应又可以提高人类生活质量和幸福程度；而绿地斑块内的平均温度与绿地斑块的形状指数所成关系并不明显，主要原因是任何面积或者不同覆盖程度的绿地斑块形状各异，绿地斑块形状与绿地斑块覆盖度无明显关系。

经过调查，绿地斑块的平均温度与绿量也有很大关系[15, 16]，绿量与植被覆盖度不同，能更为直观地表达出不同植被类型对环境的贡献度，得知乔木绿量大于灌木，灌木绿量大于草本植物，即绿量越大温度越低，建议各地公园不仅要增大植被覆盖度、面积、周长，还要增大绿量，绿量将会大量用于以后的研究中。绿地斑块温度也可能与植被覆盖种类有关系，在日后进行研究时应进一步设置对照组进行细化分析。