一種緩解城市熱島效應的城市森林樹種選擇方法
【專利摘要】本發明屬于森林管理技術領域，涉及人工種植樹種的選擇方法。利用相對便捷的數據獲取途徑和較少的資金人員投入，設計一種針對緩解城市熱島效應的具體樹種選擇方法。該方法主要由遙感反演地表溫度、融合地面調查數據、冷熱點空間識別和樹種組成數據挖掘四個階段構成。本發明能從城市尺度緩解城市熱島效應的作用，指導城市森林管理選擇更有效緩解熱島效應樹種，提升城市森林降溫功能水平。
【專利說明】
一種緩解城市熱島效應的城市森林樹種選擇方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于林分改造技術領域，涉及一種樹種選擇的方法。
【背景技術】
[0002]截至2015年，我國森林覆蓋率為21.6%，遠低于世界31%的平均水平，但我國的城鎮化率卻為56.1%，已達到世界平均水平，資源和人口發展的不平衡成為我國城鎮化未來發展的主要問題之一。面對著城市生態系統人口高度密集，土地資源日趨緊張的發展態勢，為了發展經濟和改善人類福利，城市用地在從透水地面(如林地)往不透水地面(如建設用地)轉換，使城市森林面積不斷下降，因此森林結構(如樹種)等因素應納入可持續發展城市森林建設的考量范圍。隨著城市化進程的加速，熱島效應的出現，成為居民生活健康和能源消耗較大的負面影響和經濟負擔。城市森林作為生物圈中銜接自然和人工生態系統的生物體，是一種緩解熱島效應的經濟有效措施，它通過影響大氣水、熱循環，阻擋太陽輻射和蒸散熱量來調節城市氣候，降低其周圍環境溫度。城市冷島是指由于城市內部某些景觀的特性與周圍景觀特性不同，使得自身溫度比周圍城市區域溫度低的現象。國內外研究已表明城市內綠地植物有明顯改善熱島效應的作用。在我國農用地總數呈不斷下降的趨勢下，單純依靠擴大城市林地面積來控制熱島效應實際并不可行，在城市土地資源稀缺的情況下，考慮現有城市森林情況并選擇合適當地的優良降溫樹種對城市森林布局優化具有現實意義。
[0003]上世紀九十年代以前，國內許多城市制定了城市綠化樹種規劃，主要以綠地美學和休閑游憩功能為主，造成城市樹種結構單一，城市森林生態服務功能較低等現象。近年來，國內城市森林的樹種選擇原則逐漸轉變，主要有適地適樹原則、生態和景觀兼顧原則、生物多樣性原則、以喬木為主原則和重視鄉土樹種原則等。但落實到每個城市樹種的選擇上，仍然是從植物學特性和經驗上來判斷，并且由于城市綠地管理部門往往是配合城市發展規劃部門的腳步，缺乏反饋改善環節，這對于整個城市森林的布局十分不利。目前國內對于從整個城市森林空間布局和降溫功能角度出發的指導城市樹種選擇和種植的研究很少，而城市管理者迫切需要一種有效且經濟的減緩熱島效應的方法。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是利用遙感數據和空間分析方法，結合城市森林已有主要喬木樹種，從城市尺度分析城市森林地表溫度的冷熱點區，并挖掘冷熱點區樹種組成數據，從而達到篩選出有效緩解城市熱島效應樹種的目標。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案。
[0006]1.選取研究的城市某年夏季(6-9月)的3-5幅晴朗無云的Landsat遙感影像，根據其熱紅外波段(10.40-12.50 MO進行地表溫度反演，步驟包括輻射校正、大氣校正、熱紅外波段重采樣到30m分辨率和反演算法。
[0007]2.計算每幅影像反演計算得到的研究區地表溫度數據的平均值(Tb)，將柵格的溫度數據中每個像元(30mX 30m)中的溫度(LST)進行歸一化處理，得到TR。依據公式為TR =(LST-Tb)/Tb。將若干幅歸一化溫度柵格數據中，相同空間位置上的像元溫度進行平均，得到夏季城市地表平均溫度空間分布圖。
[0008]3.將各圖層的空間坐標系統一到相同的投影坐標系上，再依據森林資源調查數據庫中已經劃定的城市森林小班斑塊，計算每個斑塊平均歸一化地表溫度。
[0009]4.使用局部64統計方法，在以500米為間隔不斷增加的距離基礎上，通過以下兩個標準選擇最佳分析閾值:a.該閾值距離下與前后變化閾值距離下冷熱點區面積變化是否趨于穩定;b.冷熱點斑塊在該距離范圍內周圍斑塊最少個數是否大于8，即滿足Ord和Getis(1995)提出的自相關正態分布假設前提一一周圍鄰居個數最少為8。在合適的分析閾值下，識別森林斑塊的冷點區和熱點區。
[0010]5.對識別的冷熱點區樹種組成數據進行數據挖掘的分類分析，包括:決策樹、人工神經網絡、貝葉斯分類方法、支持向量機和隨機森林法，對比冷熱點區的樹種組成的差異性，最后選定冷點區的重要組成樹種。
[0011]進一步，所述步驟4)中的冷點區和熱點區的特征為:
熱點區為以Z值大于1.65作的斑塊，表明斑塊與周圍斑塊形成高值與高值聚集狀態;冷點區為Z值小于-1.65的斑塊，表明斑塊與周圍斑塊形成低值與低值聚集狀態。
[0012]本發明從城市區域尺度出發，依據Landsat中高分辨率影像反演得到城市森林地表溫度，使用空間統計分析方法，融合考慮城市氣候情況、空間形態和已有樹種等因素，提出一種篩選有效緩解熱島效應的城市森林樹種選擇方法。此方法是建立在使用空間統計法充分分析影響城市森林地表溫度各驅動因子的影響力大小基礎上的，各因子包括:斑塊面積、優勢樹種、郁閉度、林齡、斑塊形狀、土地質量等級、土層厚度、海拔、坡度、坡向、坡位、人口密度和斑塊周圍不透水面面積比例。結果顯示，除海拔和面積因子外，優勢樹種是主要影響森林地表溫度的因子，所以本方法可為城市森林優化管理布局提供方法和依據，所得結果可指導城市綠化具體實施。
【附圖說明】
[0013]
圖1為本發明的流程圖。
【具體實施方式】
[0014](一)該方法在福建省晉江市使用，通過空間統計方法對城市森林地表溫度主要影響因子驅動力大小進行分析，結果表明樹種是主要影響森林地表溫度的因子，根據此結果在晉江市進行選點改造。晉江市屬于南亞熱帶季風氣候，兼具海洋性氣候特征，四季較為不明顯，5-10月為夏季，年均氣溫在18.3-21.3° C。森林呈現減少和破碎化趨勢，2014年斑塊數約為6 000個，森林總面積為9 566公頃。其【具體實施方式】如下。
[0015]1.使用2014年7月6日、22日和8月7日圖幅號為119/43的包含晉江地區的3幅Landsat 8遙感影像進行反演，將影像進行輻射定標后，使用FLASSSH模型進行大氣校正，隨后使用三次卷積法對熱紅外波段進行重采樣，最后使用單窗單通道反演地表溫度。
[0016]2.將遙感反演的三幅地表溫度柵格圖像的溫度進行歸一化處理，以消除不同時間背景溫度的影響，隨后，求取每個柵格內的歸一化溫度平均值，得到晉江市2014年歸一化地表溫度的空間分布圖(下稱溫度分布圖)。
[0017]3.將溫度分布圖和森林清查資源圖形庫進行空間校準，將投影坐標系統一到WGS1984 UTM (50N)。隨后利用Arcgis空間分析工具箱內的“以表格顯示分區統計”功能，計算每個森林斑塊上平均歸一化溫度。
[0018]4.使用ArcgiS軟件中的“冷熱點分析”功能，以Z值大于1.65作為判斷熱點顯著斑塊，Z值小于-1.65則判斷為冷點顯著斑塊的原則，設置閾值為500-3 500米，并以500米為間隔距離進行探測。結果發現在2 000和2 500米之間，冷熱點面積變化趨于穩定，從62.01%變為62.97%，且最小鄰斑個數為10個和16個。所以，選取其中間值2 250米進行探測，發現在此距離閾值下冷熱點區面積占全市面積的62.55%，平均鄰斑個數為197.1個，最小鄰斑個數為12個，故最佳閾值距離最后確定為2 250米。注意:在判斷周圍鄰斑個數時，是以冷熱點顯著斑塊(Z值絕對值大于1.65)為對象，在該閾值距離范圍內的所有斑塊個數，包括冷熱點顯著斑塊和不顯著斑塊。
[0019]5.用R軟件的rpart Packages對選出的出現頻次大于100的林班主要樹種組成數據進行回歸樹(Classificat1n and regress1n tree, CART)挖掘分析。根據蓄積量將樹種組成數據按比例分列，因變量為空間自相關回歸得到的Z值，自變量為14種主要樹種在各林班所占蓄積的百分比。14種主要樹種有:毛竹(Phyl I os tachys he terocycla)、梓檬桉(Eucalyp tus citr1dora)L i t ch i chinensis') Ν( Casuarinaequiseti folia)、木荷(superba)、巨梭{Eucalyptus grand is)、茶(Camelliasinensis)、杉木(Cunninghamia lanceola ta)、濕;t也豐公(ell1 t tii)、
confusa )、馬尾松(Pin us ?a sso/3 ia/?a )、龍眼(Dimo carpus I ongan )和其它闊葉樹、其他桉樹。
[0020]6.數據挖掘結果顯示龍眼、相思樹和木麻黃為熱點區主要樹種。龍眼蓄積量超過50%的林班集中在熱點區(Z值=4.55)；林班蓄積量主要來自于相思樹(>5%)的斑塊處于熱點區(Z值=2.68);木麻黃蓄積量>5%的林班(Z值=7.25)也都集中在熱點區。冷點區的主要樹種為濕地松(>=5%) (Z值=-9.94)、杉木(>=5%) (Z值=-8.14)及其他闊葉樹(2值=_3.7)。
[0021 ] 7.根據分析結果，2015年在晉江市英林鎮東埔村選取一塊熱點區林班，土壤為磚紅壤性紅壤，立地質量等級3級，面積3.3公頃，樹種組成為70%木麻黃30%相思樹，郁閉度為
0.4，樹齡為29a，平均胸徑為13cm，每畝林木株數為150株，搭配矮灌木。2014年夏季斑塊平均歸一化地表溫度為-0.047，在40.76-41.89 °C之間。在所選林班內進行春季補植胸徑為5cm左右的濕地松、杉木和鄉土闊葉樹大苗的改造，使其均勻分布，使每畝林木株數達到200株。闊葉樹包括秋楓(5iscAo/ia ja vanica)、祀果indica)、小葉格(Fict/smicrocarpa')、菩提格(Fict/s r e I i g i o s a')、包生花 i Michelia alba')、大花紫薇iLagerstroemia spec1sa)、鳳凰木(j9e2o/3ijr regia)等。由于森林經營屬于較為粗放式管理，很難做到對每個樹種的株數控制得很精確，所以沒有提供每畝具體補植濕地松、杉木和闊葉樹的株數。
[0022]由于森林清查資源數據對于樹種的記錄不夠細致，所以在對樹種組成數據進回歸樹分析時，僅對14種主要樹種進行分析，這導致對于闊葉樹種的挖掘不夠詳細，在其他地方應用的時候可使用更細致的樹種組成數據進行分析。
[0023]使用2015年9月11日LandsatS包含晉江的遙感影像數據進行反演計算，得到該林班歸一化平均地表溫度為-0.035，為40.68°C，但已不是熱點區斑塊，表明已不再呈現高值與高值聚集狀態，意味著該斑塊和周圍的斑塊不再形成高溫聚集。
[0024]改造示范結果表明:該斑塊經過本方法所選擇的樹種補植改造后，溫度有所降低，且可能對斑塊周圍也產生一定的影響。從城市尺度劃定了城市森林地表溫度的冷熱點區，為城市森林緩解熱島效應優化管理布局提供了方法和依據。
【主權項】
1.一種基于遙感數據和空間分析的緩解城市熱島效應的森林樹種選擇方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 1)使用夏季(6-9月)的多幅Landsat遙感數據對城市地表溫度進行反演； 2)將地表溫度進行歸一化處理，生成夏季城市地表平均歸一化溫度空間分布圖； 3)計算森林資源調查數據庫中每個城市森林小班斑塊上的平均地表溫度； 4)依據步驟3)的結果，使用局部G1*統計方法，在合適的分析閾值下，識別森林斑塊的冷點區和熱點區； 5)依據步驟4)的結果，對冷點和熱點區樹種組成數據進行數據挖掘的分類分析，篩選冷點區的重要樹種。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟2)中使用的歸一化處理公式如下: Tr = (LST-Tb)/Tb (I) 公式(I)中Tr是歸一化后的溫度，LST代表該柵格的地表溫度，Tb是研究區的平均地表溫度作為背景溫度。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟3)中合適的分析閾值是建立在以500米為間隔不斷增加的閾值基礎上，通過判斷該閾值距離下冷熱點區面積和冷熱點顯著斑塊在該距離范圍內周圍斑塊個數變化趨勢進行選擇的。4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于選擇的標準為冷熱點區面積變化區域穩定，且冷熱點斑塊周圍斑塊的平均和最小個數均大于8。
【文檔編號】G01N21/17GK106055878SQ201610346023
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月24日
【發明人】左舒翟, 任引, 云國梁
【申請人】中國科學院城市環境研究所