基于地表裸露度和地表反照率影响的喀斯特地区热环境变化分析

梁萍萍，刘绥华，贺中华，陈 艳，宋善海，王 堃

(贵州师范大学地理与环境科学学院，贵阳 550001)

喀斯特地区作为地球表层一种具有独特生物化学特征的区域，地表土层浅薄，是典型的脆弱生态环境区域类型[1]，碳酸盐岩出露面积广，结构复杂，形成了非常典型喀斯特景观类型。随着社会经济的不断发展，城乡建设、城市扩张高速发展，人为活动加剧导致土地逐渐退化，水土流失、石漠化等生态环境问题日益突出，地表覆被受到破坏，地表裸露成为常态，因出露的土壤和岩石热容量小，以至周围地表环境的温度升高。同时，大量的人为活动改变了地表性质导致地表反照率发生变化，进而影响着地表温度的变化。地表反照率是指地球表面总的反射的太阳辐射与入射到地表的太阳辐射之比[2]，地表反照率的大小直接影响着地表能量收支情况，影响着局部、区域乃至全球的气候变化。

地表温度(land surface temperature，LST)是反映地表能量平衡的一个重要参数，在研究陆地表面与大气之间相互作用过程中起着重要作用[3-4]，随着遥感技术的不断发展，地表温度在反演方法[5-7]、城市热岛效应[8-9]以及不同影响因素[10-12]等方面都取得了一定的研究成果。对于地表裸露度与地表反照率对地表温度的影响也有部分学者进行了研究。徐涵秋[13]通过对福建省长汀县水土流失区1988—2010年地表裸露度变化及其热环境进行研究，发现地表裸露度每降10%可使地表温度降低0.72～0.94 ℃；陈云浩等[14]对可见光波段地表反照率与地表温度进行线性回归分析，认为在地表反照率较小情况下变化趋势与地表温度一样，但当地表反照率大于某一阈值时，地表温度将随着地表反照率升高而降低；王艳姣等[15]研究表明受到地表植被的调控作用，地表反照率的减少导致地表温度增加；江晓燕等[16]模拟地表反照率变化对城市热岛的影响，发现减小城市反照率0.03会使得城市热岛强度增强0.8 ℃左右。

目前，喀斯特地区地表温度的相关研究成果多集中在植被指数、下垫面等[17-18]因子对地表温度的影响，有关地表裸露度对地表温度的影响、地表反照率对地表温度的影响研究却鲜有报道。基于此，以贵州省典型喀斯特地区安顺市为例，探讨分析了2006—2017年地表裸露度与地表反照率变化对地表温度的影响，其结果对喀斯特地区的气候变化、地表植被的恢复以及热环境的改善具有重大意义。

1 研究区概况

安顺市位于贵州省中西部(图 1)，地处东经105°13′～106°34′，北纬25°21′～26°38′，是长江水系乌江流域和珠江水系北盘江流域的分水岭地带，总面积约9 223.6 km2，其中山地面积占46.8%，丘陵面积占38.2%。境内山高坡陡，土层浅薄，是贵州省水土流失较为严重的区域之一，也是世界上典型的喀斯特地貌集中地区，石漠化较为严重，辖区内的关岭县、镇宁县和紫云县更是被列入国家石漠化防治生态功能区。安顺平均海拔高度在1 102～1 694 m，属典型的高原型湿润亚热带季风气候，年平均气温14 ℃，历史最高温34.3 ℃，历史最低温-7.6 ℃，在季风的影响下，冬无严寒，夏无酷暑，太阳辐射低。

图1 研究区分布

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及预处理

以Landsat影像为主要数据源，分别选用安顺市2006年4月[专题制图仪(thematic mapper, TM)]、2011年5月[增强专题制图仪(enhanced thematic mapper, ETM+)]和2017年5月(OIL_TIRS, OIL为陆地成像仪，TIRS为热红外传感器)的三期影像，每期由行列号127/42和128/42的两景影像拼接而成，因受到喀斯特地貌及多云雨季风气候的影响，数据获取较为困难，三期影像时间间隔不一致。为了减少不同年份的温度差，选用影像均为相近日期的夏季影像，并通过ENVI软件操作平台，对影像进行了辐射定标、地形校正、大气校正、拼接裁剪等预处理工作。

2.2 地表温度的计算

在地表温度遥感反演中主要是应用传感器接收到的地面热辐射强度来推算，即运用热红外波段来反演地表温度。目前，应用热红外波段反演地表温度的方法有很多，如单窗算法(mono-window algorithm，MW)、大气校正法(也称辐射传输方程：radiative transfer equation，RTE)、单通道算法(single channel method，SC)等[5,19-20]。采用大气校正法反演地表温度。大气校正法的基本原理是估计大气对地表热辐射的影响，然后将这一部分从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去，得到地表热辐射强度，再把热辐射强度转化为对应的地表温度。

卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值即辐射传输方程为

Lλ=[εB(Ts)+(1-ε)Ld]τ+Lu

(1)

式(1)中:Lλ为卫星热红外波段的辐射亮度;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；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。

由式(1)可知，温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度B(Ts)为

B(Ts)=[Lλ-Lu-τLd(1-ε)]/τε

(2)

Ts的计算方法可采用普朗克公式的函数：

Ts=k2/ln[k1/B(Ts)+1]

(3)

式(3)中:k1、k2为热红外波段的定标参数。对于TM影像，k1=607.76 W/(m2·μm·sr)，k2=1 260.56 K；对于ETM+影像，k1=666.09 W/(m2·μm·sr)，k2=1 282.71 K；对于TIRS影像，k1=774.89 W/(m2·μm·sr)，k2=1 321.08 K。

在上述地表温度反演过程中，参数地表比辐射率ε可通过覃志豪等[21]提出的方法将遥感影像分为水体、城镇和自然表面三种类型，根据可见光和近红外波段光谱信息计算的归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)和植被覆盖类型得到。Lu、Ld、τ三个大气参数则通过在美国国家航空航天局(NASA)官网(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov)中输入遥感影像成像时间、中心经纬度及其他相关参数获得。

2.3 地表裸露度的计算

在喀斯特自然背景下，人为活动对地表植被、土壤的破坏形成石漠化、水土流失等自然灾害，导致土壤岩石大面积裸露[22]。在喀斯特地区，除居民点、水域、道路区域外，其他区域的土地覆盖结构可分为植被、土壤和岩石三大类[23]，土壤裸露和区域水土流失程度密切相关，而岩石裸露则是表示石漠化程度，由于裸土和岩石具有相似的反射率，因此在喀斯特地区地表的裸露程度是指土壤裸露和基岩裸露的结合，即无植被覆盖的区域。部分学者在研究地表裸露的过程中认为裸露土壤的亮度值能直接反映地表的裸露程度[24-25]，并提出归一化差值裸土指数(normalized difference soil index，NDSI)适合表征水土流失区域的裸土信息。因此，采用归一化差值裸土指数的值来量化地表的裸露程度，计算公式如式(4)所示：

NDSI=(ρb5-ρb4)/(ρb5+ρb4)

(4)

式(4)中:ρb5和ρb4分别为TM影像中第5、第4波段的反射率，由于三期影像的传感器不同，波段所对应的波长也不相同，因此在进行数据处理应选择对应的波段。

为了使不同年份的土壤裸露度能在统一的量纲下进行对比，需对各年份的NDSI进行正规化处理[26-27]，将正规化后的NDSI为0～1，其公式为

NDSI′=(NDSI-NDSImin)/(NDSImax-

NDSImin)

(5)

式(5)中:NDSI′为正规化后的土壤裸露度；NDSI为原始的裸土指数；NDSImax和NDSImin分别为原始裸土指数的最大值和最小值。

2.4 地表反照率的计算

地表反照率的反演原理是地表反射的全部能量与入射的全部能量之比，用公式表示为

α=Fu总/Fd总

(6)

式(6)中:α为地表反照率；Fu总为地表反射率的全部太阳辐射能量；Fd总为地表入射的全部太阳辐射能量。

利用遥感手段估算地表反照率具有观测范围广、时空分辨率高、同一地区可多次重复观测等特点，使得利用卫星遥感数据反演地表反照率成为重要的途径[28]，基于遥感手段的地表反照率反演模型与算法主要有三种，分别为统计模型、地表二向反射特性的双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function, BRDF)模型、能量模型[29-31]，但在区域尺度的反照率反演中，统计模型更具有优势。

统计模型法是直接建立窄波段的大气顶层反射率和地表宽波段反照率之间的统计关系，研究主要参照Liang[32]于2011年发表的9种传感器对应短波窄波段向宽波段反照率的转换系数直接反演研究区的地表反照率，该模型适用于不同下垫面类型和天气条件的反照率反演，其计算公式为

αshort=0.356a1+0.13a3+0.373a4+0.085a5+

0.072a7-0.001 8

(7)

式(7)中:αshort为传感器对应的短波地表反照率；a1～a7分别为各个波段的反照率。

3 结果分析

3.1 地表温度变化

图2 地表温度反演结果

根据式(1)～式(3)的大气校正法反演得到安顺市2006、2011、2017年的地表温度(图 2)，2006—2017年地表温度空间分布特征存在较大差异。在2006年，研究区地表温度呈现出从西南到东北逐渐递减的分布格局，高温区域主要集中在西南部关岭县和镇宁县南部，属于典型的喀斯特区域，石漠化较为严重，植被覆盖低，导致地表升温快，低温区则集中在中部往北部区域。2011年，地表温度高温区域呈现西南部往西北部偏移，并在西秀区和平坝区的交界处形成了明显的热岛现象，主要是因为西秀区属于人口稠密、经济发展较快、植被覆盖较低的区域，低温区域则往东南部偏移。2017年，西秀区热岛现象明显减弱，温度降低，整个安顺市高温区域减少，只有少部分集中在南部石漠化等较为严重的镇宁县、紫云县部分区域，低温区域则零星分布在研究区内各地，西秀区北部和平坝区西北部温度明显下降。从时间来看(表1)，2006年地表最高温为30.64 ℃，地表最低温为11.95 ℃，2011年地表最高温为29.85 ℃，而地表最低温为13.21 ℃，到2017年地表最高温为29.4 ℃，地表最低温则为12.1 ℃。整个研究时间段内平均温最高是2011年17.23 ℃，平均最低温是2017年14.74 ℃。从不同时段来看，2006—2011年平均温升高了2.13 ℃，而到2011—2017年平均温度降低了2.49 ℃，对比历史记录的平均温度，变化趋势相一致，均呈现从升高到降低趋势。

表1 地表温度统计特征

3.2 地表裸露度变化及对LST的影响

通过计算分别得到2006、2011、2017年的地表裸露度，将其正规化后平均分为5个等级，分别为低裸露度、次低裸露度、中裸露度、次高裸露度和高裸露度，利用ArcGIS软件中的统计工具得到不同裸露程度的面积(表2、图3)。

表2 安顺市各级地表裸露度面积变化

图3中影像的亮度情况代表地表裸露情况，在空间分布上存在明显差异，安顺市地表裸露区域主要集中在西南部地区，包含关岭县、镇宁县、紫云县以及西秀平坝部分建成区，在2017年地表裸露度图中看出，高裸露度多集中在西秀、平坝的部分地区，是因为自2012年第八个国家级新区——贵安新区成立后加大了建设力度，导致地表覆盖受到人为破坏，地表裸露度增大。根据表2中不同地表裸露度面积可看出，2006—2017年中低裸露度的面积增加了868.19 km2，中低裸露度面积增加了916.43 km2，而中高裸露度和高裸露度面积大幅度降低，分别降低了855.42、812.3 km2，如地表裸露程度柱状图所示(图 4)，在等级为低裸露度和次低裸露度下2006—2017年裸露面积逐渐增大，到中裸露等级呈持平状态，而在次高裸露度和高裸露度等级，裸露面积逐渐减小，总体呈现升-平-降状态。在时间分布上安顺市2006—2017年整体地表裸露度逐渐下降，根据表3中地表裸露度的统计特征，安顺市的地表裸露度2006—2011年下降了25.9%，2011—2017年下降了36.6%，总体下降了53%，整体的地表裸露情况得到了有效的控制。

表3 地表裸露度统计特征

图4 地表裸露程度柱状图

图5 地表裸露度与地表温度关系回归分析

利用ArcGIS空间分析工具建立渔网格网与格网中心点，批量将各年份的影像中心点像元值提取出来，对地表裸露度与地表温度进行拟合分析，结果如图5所示，地表裸露度与地表温度呈线性正相关。结合表4的回归方程所示，地表裸露度与地表温度的相关系数R2分别为2006年0.450 4、2011年0.472 6、2017年0.405 7，表明在地表裸露区域因为植被覆盖少，裸露地表土壤水分低，热容量较小，导致地表温度随着裸露程度的加剧而上升，反之，地表温度会降低。

表4 地表裸露度与地表温度的回归方程

3.3 地表反照率变化及对LST的影响

地表反照率是遥感反演陆面状况的一个动态地表参数，在地形复杂、地表覆盖类型多样的喀斯特地区，地表反照率受到地表覆盖、天气情况和人为活动等因素的影响而变化，地表反照率的变化影响着地表能量的收支平衡，从而影响着局部、区域乃至全球的气候变化，地表反照率在空间分布上整体变化趋势与地表温度相一致，反演结果如图6所示，2006—2017年地表反照率的空间分布存在明显差异，图6中亮度反映地表反照率的大小。2006年空间分布总体呈现西高东低、北高南低的趋势；2011年地表反照率分布较为均匀，东北部较西南部偏低；而2017年地表反照率平均值明显要低于2006、2011年，呈现西高东低、南高北低趋势。由表5 可知2006—2017年地表反照率平均值呈现逐渐减小的趋势，从2006年的0.167下降到2011年的0.155，降低了7.2%，下降幅度较小，而2011—2017年下降了32.3%，2017年地表反照率平均值为0.105，总体下降了37.1%。

图6 地表反照率反演结果

表5 地表反照率统计特征

根据提取的地表反照率像元值与地表温度像元值进行拟合分析，结果表明地表反照率和地表温度也呈线性正相关(图7)，但是相较地表裸露度，地表反照率与地表温度的相关性较小，结合表6回归方程，地表反照率与地表温度的相关系数R2分别为0.042 9(2006年)、0.126 2(2011年)、0.053 5(2017年)。地表反照率的大小受自然和人为因素影响较大，在植被覆盖较高的区域，植被因其光合作用需吸收大量太阳辐射，导致地表反照率低，地表温度随着降低，而在城区等植被覆盖较低，人为活动较大的区域地表反照率增加使得地表温度随着增大。但在2006年西秀区地表反照率较高，地表温度反而降低，与整体变化趋势相反，是因为在夏季降水量较大，地表较为湿润，地表温度受蒸发潜热等影响导致地表温度较低。

图7 地表反照率与地表温度关系回归分析

表6 地表反照率与地表温度的回归方程

4 结论

通过探讨分析安顺市地表裸露度、地表反照率和地表温度的时空变化特征，以及两者对地表温度的影响，得到以下结论。

(1)研究区地表温度、地表裸露度在2006年呈现西南到东北逐渐递减的分布格局，地表反照率是西高东低的变化趋势，到2011年均呈现出西北部往东南部由高到低偏移，在2017年地表温度明显随着地表裸露度与地表反照率的减少而降低，空间分布较为均匀。2006—2017年地表裸露度、地表反照率与地表温度在空间上整体变化趋势相一致，是影响地表温度的因素之一。

(2)2006—2017年地表平均温度从15.1 ℃上升到17.23 ℃，最后又降低到14.74 ℃，总体下降了2.4%，地表裸露度和地表反照率呈现持续下降趋势，总体分别降低了53%和37.1%。根据统计的地表裸露程度面积，低裸露度的面积增加了868.19 km2，中低裸露度面积增加了916.43 km2，而中高裸露度和高裸露度面积大幅度降低，分别降低了855.42、812.3 km2，总体呈现升-平-降的趋势，说明自然因素及人为因素对地表的破坏得到了有效控制，地表植被正在逐渐恢复，热环境得到有效改善。

(3)地表裸露度与地表反照率和地表温度均呈线性正相关，地表温度随着地表裸露度和地表反照率的增加而上升。反之，地表温度则会降低，但是从相关系数R2表明地表裸露度对地表温度的影响大于地表反照率对地表温度的影响。