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快速城市化期间植被覆盖和表面反照率的修正：以中国华南地区为案例
- 侯美亭 中国气象局干旱气象研究所，兰州730020，中国；
中国气象局培训中心，北京100081，中国
2.胡永红 中国科学院，遥感与数字地球研究所数字地球重点实验室，北京100094，中国
3.何玉亭 宾夕法尼亚州立大学气象学系，University Park，PA 16802，USA
摘要：植被覆盖率（GVF）和地表反照率是重要的地表参数，通常用于对环境梯度和人类活动影响很大的气候和地表模型进行验证。在这项研究中，使用1990年到2000年的Landsat主题映射/增强主题映射加图像导出精细分辨率GVF和反照率值，以检测GVF和反照率值与华南地区广东省广州市显著性城市化相关参数空间梯度的关系。使用从MODIS Collection 5产品得到的中度分辨率GVF和反照率数据集，分析2001 至2007年间城市快速扩张下GVF和反照率的季节变化。结果表明，1990年短波反照率从城市中心到天然土地有着明显的下降趋势。然而，由于低反照率的城市建筑的扩增和多异质性的土地覆盖格局，观察到2000年沿城乡梯度的短波反照率没有明显的变化趋势。估计GVF的阈值（〜0.21）用于确定与植被分数相关的反照率的变化。通过城市扩张改造的植被覆盖层改变了表面反射率并影响了表面能量平衡，这意味着在城市地区吸收的大部分能量可能转化为热能，其在表面附近加热并作为长波辐射发射。
关键词：反照率 绿色植被分数 土地利用 城市化
1 引言
城市发展常通过不断改变的土地利用和覆盖，而造成地表、景观格局，甚至当地气候的巨大改变（Brest 1987; Gomez et al.2004; Sailor 1995; Wang et al.2009）。经济发展和人口增长带来的城市扩张改变了城市及其周边地区的土地，造成了世界许多地方，特别是东亚地区的绿色植被覆盖（Jenerette et al.2007）、地表反照率（Sailor 1995）、表面粗糙度和辐射的变化（Christen et al.2007）。同时，城市化也改变了城市或郊区的景观镶嵌格局，这些变化包括高层建筑的修建，道路和其他城郊结合部柏油路的扩建，农田和林地的流失，并且在许多情况下，城市公园等增加城市绿地的增加。因为太阳辐射被城市建筑隔离，所谓的城市热岛（UHI）的扩张被认为是城市化的直接后果。UHI对城市能源消耗和人类健康有重大影响，因此在城市规划期间要周密考虑；同时，可以利用绿色植被通过捕获太阳能和产生水通量来缓冲城市热岛的影响，绿色植被覆盖率也是影响地气系统中水文循环和水与能量交换的关键地表参数。利用遥感数据来推导出叶面积指数（LAI）和植被覆盖率（GVF）这一类地表参数，已经成为开发气候模式或地表模型中地表方案的有效方法（Gutman and Ignatov 1998; Montandon and Small 2008; Zeng et al.2000），基于空间的技术还可用于检测植被性质的季节性循环，否则只得在该领域耗费高强度劳力和大量时间来收集实时数据。尽管使用传统的图像处理方法计算遥感图像中的GVF是固有的局限性，这些由背景土和岩石的光谱优势所造成的局限性，遥感提供了一种在多数情况下调查异质景观植被特性的有效途径（Gutman and Ignatov 1998; Middleton 1991; Smith et al.1990）。
城市化进程通过改变土地利用和土地覆盖，影响水文系统，改变生物地球化学循环和气候，驱使了多尺度的环境变化（Grimm et al.2008），经济发展也吸引了周边农村将食物、纤维、水和工业材料流入市区（Foley et al.2005）。这些过程通过系统地消除城市附近的自然条件，将周边地区快速转变为郊区景观。中国大城市的戏剧性城市化是一个非常普遍的现象，能在十年甚至更少的时间内将大片农田和林地转化为城市化地区，而中国东部的土地利用格局大幅度变化，导致地表特性快速变化，因此，如果这些模型将这些变化作为重要的推动力，就必须充分考虑区域气候模式中用于模拟的动态地表计划。在本文中，我们选择大广州作为研究区域，分析了年代际时间尺度上植被覆盖变化的空间格局、趋势和幅度，以检查推动这些变化的城市化等关键过程以及改变GVF对地面反照率的影响。
2 方法
2.1 研究区域和数据
中国南方最大的城市广州，自1970s以来经历了显著性的城市化，尤其在1990年后加速发展（Weng 2001）。这个大城市位于珠江三角洲北部22°~23°N、112°~114°E之间，占地面积7,434.4km2，管辖人口达700万（2000年），2001年之前，广州市包括市中心和四乡镇在内的8个行政区。我们的研究区覆盖了整个大广州城市地区，包括市中心（市区）和毗邻农村城东、花都、从化和番禺（图1）。
在本研究中，选择具有相似采集季节的Landsat TM / ETM 图像（TM：1990年10月13日、ETM ：2000年9月14日），用于推导植被覆盖率和反照率的高分辨率地表数据集，中度分辨率下表面反照率和植被的特征来自MODIS 系列5数据集。2002 ~2008年《广州统计年鉴》收集了人口普查资料。
图（1）：华南广州地区
（左上）的接壤地图，
广州地区城乡县域的空间
分布（右下）
2.2 Landsat图像的辐射校准和大气校正
任何卫星图像的原始数字编号（DN）都需要进行校准，以减少水蒸汽和空气污染颗粒带来的干扰，并在将图像数据转换为辐射值之前订正卫星发射参数的增益。因此，首先对所选的Landsat图像进行基本的辐射和几何校正。本研究中使用的Landsat 5 TM / ETM 图像的DN使用方程式（1）、（2）转换为大气顶（TOA）辐射。
（1）
（2）
其中R是TOA辐射率（mW cm-2 sr-1），QCALmax = 255，QCALmin = 0，并且Lmax和Lmin可以从Landsat图像的头文件中获得。使用ENVI软件中的光谱超FLAASH模块来完成Landsat卫星辐射的大气校正，以获得表面反射率。FLAASH采用MODTRAN辐射传输源代码，这被认为是用于减少大气吸收和扩散效应的可选方法。
2.3 GVF的计算
作为广泛使用于植被指数获取的混合线性模型，GVF在整个图像中被拉伸以量化植被丰度（Gallo et al.2001; Gutman and Ignatov 1998; Montandon and Small 2008），方程（3）中每个网格单元的植被覆盖率已经被提出用于检查土地覆盖物粗糙度（Gutman和Ignatov 1998）：
（3）
其中NDVI是使用红外和近红外波长的光谱辐射率计算的归一化差异植被指数（NDVI），NDVImax和NDVImin是最大（茂密植被）和最小（裸地）NDVI阈值。在本研究中，我们分别选择0.05和0.70作为最小和最大的NDVI阈值（Zeng et al。2000）。
使用方程（4）来推导Landsat TM / ETM 图像的NDVI值：
（4）
其中和是Landsat TM / ETM 的band4和band3的光谱反射率。
2.4 表面反照率的推导
表面反照率表示物体或地表反射的太阳辐射与入射辐射量的百分比。最初，默认的波段反照率是可见光（波长0.4-0.7mu;m，相应频率430-750THZ）的反照率，如地球平均反照率为0.39(Comins and Kaufmann III 2002)。可见光的能量和反射率取决于波长，较短的波段具有比其他可见光带更高的能量水平和更低的色散。近红外（NIR）（波长0.7-1.3 mu;m，频率230-430 THZ）辐射由吸水值定义，其在不透水的地表损耗较低，用于通过卫星检测地球和大气之间的能量交换趋势。短波（SW）（波长10-100 m，频率3-30 MHZ）辐射携带太阳能中的大部分能量，影响着地球气候，其被广泛应用于气候模式参数化。
表面反照率是气候变化分析和建模的关键变量（Palle et al. 2004; Roesch and Roeckner 2006; Winton 2006）。从实践的角度来看，遥感已广泛用于推导地面反照率，提出了使用Landsat TM / ETM 或MODIS图像的不同波段组合推导宽带反照率的几种算法（Liang 2000）。
对于Landsat TM / ETM 可参照方程（5）：
（5）
对于MODIS可参照方程（6）：
（6）
其中，alpha;short是全反照率，alpha;1，alpha;2，alpha;3，alpha;4，alpha;5和alpha;7分别是Landsat TM / ETM 中 band1，band2，band3，band4，band5和band7的光谱反射率。
衍生自Landsat TM / ETM 的可见光和近红外（NIR）反照率分别用等式（7）和（8）计算求得：
（7）
（8）
3 结果与讨论
3.1 表面反照率和植被覆盖率趋势
随着城市面积的扩大和人口的增加，广州地区的城市化进程从1990年到2000年一直在加速发展。同时，城市化面积由3.3％提高到5.6％，城镇人口占总人口的比例从67％上升到81％。这种剧烈的城市化导致地表属性如植被覆盖、反照率和地表温度的快速变化，在1990 至2000年的十年间，广州市不同分区的GVF和反照率变化如图2所示。由图可知，除了从化以外，其他各子区域的GVF均有所下降，所有子区域的SW反照率均有所上升，而可见光和近红外波段的反照率变化不明显，表明SW反照率可能比其他因素更敏感，其可用于检测城市化造成的地表特征变化。然而，由于不同时期的经济发展引起的地表性质的变化，导致GVF和SW反照率的增长可能发生在从化。森林和农田是从化的主要景观，而在二十世纪七十年代，该地区森林被大面积砍伐，而植树造林允许森林恢复，尽管新植被覆盖面比以前更均匀。
图2：1990年和2000年，广州地区不同子区域的绿色植被覆盖（GVF）、可
见光、近红外和短波反照率。该图基于每个子区域的Landsat TM / ETM 图像
上的随机像素，柱形图代表GVF，折线代表反照率。
与番禺（0.5417）和花都（0.6416）相比，从化（0.7724）和增城（0.7421）的绿色植被覆盖最密集，2000年的城市覆盖是最低的（图2）。这与郊区城市化造成的人为影响一致，番禺城市化面积扩大至11.8％，其次是花都（9.9％）、增城（5.9％）和从化（2％）。番禺和花都分别位于广州南部和西部，城市化速度比从化（北）和增城（东）都快，其主要是因为前两者被指定为技术创新和新工业开发区。
3.2 陆地反照率与植被分数之间的关系
我们研究了城市化过程中反照率与GVF的关系，以进一步量化城市化对地表参数的影响。首先在人为影响的梯度下分析了SW反照率的空间特征。选择SW反照率沿白线的像素变化来代表1990年和2000年间广州地区的城乡迁移（图3）。沿城市到农村白线像素的SW反照率显示2000年的空间波动幅度比1990年更大，尤其是在线的初始段（~ 0-20 km）。这表明，SW反照率的分布由于局部土地改良的地表性质而变得更加不均匀，而在1990年至2000年期间，内陆郊区的土地覆被变化较于外郊更为戏剧化；SW反照率随着植被和人为梯度的变化而变化，1990年从城到乡村显着下降（rho;lt;0.01）（图3a）。然而，2000年沿着城乡梯度的反照率变化非常微小（图3b），可能是由于1990到2000年期间内城郊区的农田被低反照率的城市建筑材料所取代。图4显示了广州地区SW /可见/近红外反照率与GVF的关系。可以看出，在反照率和GVF之间的关系可能发生变化的情况下，检测到GVF阈值为0~0.21。当GVF为lt;0.21时，随着GVF的增加，可见反照率无显著变化（图4a），SW / NIR反照率增加（图4b，c）；当GVFgt;0.21时，GVF的增加对SW /可见/ NIR反照率有显著的负面影响。
图3：1990年(a)和2000年(b)与城市 中心的距离相关的植被覆盖率(GVF)和短波反照率的变化。从Landsat
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