馮徽徽,劉慧平,朱壽東,白 穆

(北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875）

城市擴(kuò)張對(duì)東莞市陸表溫度的影響分析

馮徽徽,劉慧平＊,朱壽東,白 穆

(北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875）

利用1995年12月30日、2003年1月10日兩期Landsat TM/ETM遙感影像反演東莞市陸表溫度(LST）,分析東莞市陸表溫度的總體情況及時(shí)空特征,并通過(guò)引入溫度植被指數(shù)(Temperature-Vegetation Index,TVX）空間方法,研究城市化對(duì)陸表溫度的影響。結(jié)果表明:城市化進(jìn)程是導(dǎo)致東莞市陸表溫度上升的重要原因,這種作用在TVX空間中主要體現(xiàn)在聚類點(diǎn)由高植被覆蓋-低溫度向低植被覆蓋-高溫度區(qū)域的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

城市擴(kuò)張;陸表溫度;時(shí)空特征;溫度植被指數(shù)(TVX）;東莞

0 引言

改革開(kāi)放以來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,東莞市經(jīng)歷了由“三來(lái)一補(bǔ)”帶動(dòng)的“自下而上”的城市化過(guò)程[1-3],城市用地在短時(shí)期內(nèi)迅速擴(kuò)張?？焖俪鞘谢M(jìn)程不僅深刻影響東莞市社會(huì)經(jīng)濟(jì)變革,同時(shí)也對(duì)其資源環(huán)境產(chǎn)生了深刻影響。作為地球資源環(huán)境動(dòng)態(tài)分析的重要指標(biāo),陸表溫度(Land Surface Temperature,LST）對(duì)城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等具有重要作用,它受到許多因素的影響,如季節(jié)因素、下墊面特征、土地利用/覆蓋類型等[4-7]。

近年來(lái),土地利用變化尤其是城市化進(jìn)程對(duì)陸表溫度的影響已成為學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題,如Xiao等[6]通過(guò)分析中國(guó)喀斯特地區(qū)陸表溫度的分布情況,研究了城鎮(zhèn)建筑材料與地表植被對(duì)陸表溫度的影響;宮阿都等[8,9]通過(guò)陸地衛(wèi)星熱紅外單波段分別反演了北京與珠三角地區(qū)的陸表溫度,研究了土地覆蓋變化特別是城市增長(zhǎng)對(duì)地表溫度的影響;劉宇等[10]通過(guò)分析不同時(shí)期東莞市陸表溫度的分布情況,構(gòu)建了熱效應(yīng)貢獻(xiàn)度指數(shù)等3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),定量分析了不同土地利用類型對(duì)城市陸表溫度的貢獻(xiàn)度。這些研究從不同的角度探討了城市化過(guò)程對(duì)地表溫度的影響,但在定量分析及可視化表達(dá)方法的研究上有待進(jìn)一步深化。

本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上,利用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)反演了東莞市陸表溫度,并引入溫度植被指數(shù)(TVX）空間方法,通過(guò)觀察 TVX空間中聚類點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,分析了城市化進(jìn)程對(duì)陸表溫度動(dòng)態(tài)變化的影響。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)處理

本文選取廣東省東莞市(東經(jīng)113°31′～114°15′,北緯22°39′～23°09′）為研究區(qū),區(qū)域東西長(zhǎng)約70.45 km,南北寬約46.8 km,陸地面積2 465 km2[11]。改革開(kāi)放以來(lái),由于國(guó)家政策的引導(dǎo),東莞市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,城市化水平迅速提高,城市在短期內(nèi)占用了大量的農(nóng)業(yè)用地,得到迅速擴(kuò)張(圖1）。

圖1 1995-2003年?yáng)|莞市城市擴(kuò)張F(tuán)ig.1 Urban growth in Dongguan City from 1995 to 2003

主要數(shù)據(jù)包括1995年12月30日、2003年1月10日兩期Landsat TM/ETM影像,軌道號(hào)是122/ 44,成像時(shí)間為北京時(shí)間上午10時(shí)到11時(shí),輔助數(shù)據(jù)包括東莞市行政區(qū)劃圖、2000年?yáng)|莞市土地利用分類矢量圖(作為參照?qǐng)D輔助進(jìn)行其他年份的土地利用分類）。先對(duì)兩期影像進(jìn)行幾何精校正,匹配精度控制在0.5個(gè)像元內(nèi),并將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一采樣成30 m的分辨率;根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(2007年8月10日頒布）及《城鎮(zhèn)地籍調(diào)查規(guī)程》(1989年9月6日頒布）,結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況,通過(guò)在圖像上選取一系列樣本點(diǎn),運(yùn)用CART算法獲取土地利用分類規(guī)則,在ENV I中構(gòu)建決策樹(shù),將研究區(qū)土地利用類型分成農(nóng)用地、林地、水域、城鎮(zhèn)用地及其它用地五大類;最后以東莞行政區(qū)劃圖生成掩膜,對(duì)分類圖像進(jìn)行裁剪,得到只包含東莞市的土地利用分類圖。

2 研究方法

2.1 陸表溫度LST計(jì)算方法

利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行陸表溫度反演已有許多成熟的算法,如分裂窗算法[12,13]、單窗算法等[14-16]。對(duì)于只有一個(gè)熱紅外波段的 TM數(shù)據(jù),一般采用單窗算法反演陸表溫度。本文由于未能獲取到近地表氣溫和大氣水分含量的大氣參數(shù),故無(wú)法使用單窗算法反演地表溫度;另一方面,華南地區(qū)的大氣水汽含量高,使用覃志豪等[16]提出的方法估算大氣透射率會(huì)存在較大的誤差。故本文采用A rtis及 Sobrino等提出的溫度反演方法[17-19],在天空晴朗的條件下,大氣的影響程度在空間上可認(rèn)為一致,其不會(huì)影響陸表溫度的空間相對(duì)分布。具體計(jì)算過(guò)程如下:

(1）輻射亮度Lb的計(jì)算:

式中:Lmax、Lmin分別表示最大和最小熱輻射能量,可從原始影像的頭文件中獲取。

式中:K1、K2為常數(shù)。

式中:λ=11.5μm,α=0.01438 m K,ε表示地表輻射率。ε可參考Sobrino等[18,19]提出的方法進(jìn)行估計(jì):當(dāng)NDV I≥0.7時(shí),ε=0.99;NDV I≤0.05時(shí),ε=0.973; 0.05＜NDV I＜0.7時(shí),ε=0.986+0.004×Pv(Pv表示植被覆蓋度,Pv=[(NDV I-0.05）/0.65]2）。

2.2 溫度植被指數(shù)(TVX）空間軌跡分析方法

自1972年 Rao[5]首次提出利用衛(wèi)星影像測(cè)定城區(qū)的熱運(yùn)動(dòng)軌跡以來(lái),越來(lái)越多的學(xué)者致力于研究土地利用變化(尤其是城市化）、植被指數(shù)等對(duì)陸表溫度的影響[20-23]。本文引入一種研究陸表溫度時(shí)空變化的新方法——溫度植被指數(shù)(TVX）空間方法[5,22],在集成陸表溫度與植被指數(shù)的散點(diǎn)圖空間中研究?jī)烧叩南嗷リP(guān)系:即以陸表溫度與植被指數(shù)分別作為TVX空間的橫、縱坐標(biāo),構(gòu)建 TVX空間;以某類土地利用類型為聚類點(diǎn),計(jì)算其在空間中的位置。通過(guò)分析TVX空間中聚類點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,可以研究陸表溫度的時(shí)空變化特征,尤其是土地利用變化(城市化）對(duì)陸表溫度變化的影響。

為使不同時(shí)相的數(shù)據(jù)有更好的可比性,需對(duì)陸表溫度進(jìn)行歸一化處理,同時(shí)以植被覆蓋度作為植被指數(shù)的分析指標(biāo),具體計(jì)算公式為:

式中:T表示像元平均溫度,Tmin、Tmax分別表示研究區(qū)中溫度最低值和溫度最高值。

式中:NDV I表示像元的平均NDV I值,NDV Imin表示裸土的 NDV I值,NDV Imax表示全植被覆蓋下的NDV I值。本研究采用 Sobrino等[18,19]的估計(jì)方法,NDV Imin取值0.05,NDV Imax取值0.7。

3 結(jié)果分析

3.1 陸表溫度LST反演結(jié)果

根據(jù)式(1）～式(3）,在 IDL編程環(huán)境下,對(duì)Landsat TM/ETM影像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理,反演出多時(shí)相不同季節(jié)的東莞市陸表溫度,并根據(jù)式(4）求出各時(shí)期的歸一化溫度,使各時(shí)相數(shù)據(jù)間具有更好的可比性。最終在A rcGIS9.3中根據(jù)自然斷裂法對(duì)陸表溫度進(jìn)行等級(jí)分類,將其分為低溫、亞低溫、中溫、亞高溫和高溫5個(gè)類別。

(1）1995—2003年研究區(qū)的陸表平均溫度上升幅度較大(表1）,圖2(見(jiàn)封2）顯示了兩個(gè)時(shí)期的陸表溫度分布情況。對(duì)比東莞市土地利用圖與圖2的顯示結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),高溫區(qū)域主要集中在城鎮(zhèn)地區(qū),在空間上呈現(xiàn)以城鎮(zhèn)為中心、沿道路不斷向兩旁延展的線狀格局,低溫區(qū)域主要集中在林地。表明城市化過(guò)程確實(shí)導(dǎo)致研究區(qū)陸表溫度上升,主要原因是由于城市建筑材料(如水泥、磚瓦、瀝青、建筑等）熱容量和熱慣量小,而熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率卻較大,使得接收的太陽(yáng)輻射很快輻射到周圍大氣中,從而導(dǎo)致城區(qū)的陸表溫度高于周邊地區(qū),引發(fā)城市熱島效應(yīng),提高研究區(qū)陸表總體平均溫度。

表1 1995-2003年?yáng)|莞市歸一化陸表溫度 T＊S總體情況Table 1 The overall condition of Normal LST(T＊S） of Dongguan from 1995 to 2003

(2）以土地利用分類圖為掩膜,計(jì)算不同土地利用類型的陸表溫度分布狀況(表2）,結(jié)果表明,城鎮(zhèn)用地、其它用地(主要為未利用地）的陸表溫度一般較高,而農(nóng)用地、林地、水體相對(duì)較低。值得注意的是,1995年的水域平均溫度均大于農(nóng)用地和林地,之后水域溫度逐漸降低,成為各土地利用類型中溫度最低區(qū)域,主要原因可能是1990-1995年?yáng)|莞市水污染較嚴(yán)重,制造業(yè)污水直接排放到河流中[6],導(dǎo)致水體熱容量降低,溫度升高較快。而到后期,隨著東莞市加大對(duì)環(huán)境污染的治理力度,水污染情況得到極大改善,水域在溫度序列中逐漸成為最低的區(qū)域。另需關(guān)注的是,各土地利用類型的溫度標(biāo)準(zhǔn)差均降低較大,表明隨著東莞市加大對(duì)土地資源的管理力度,土地利用方式逐漸趨于合理。早期土地利用類型的溫度標(biāo)準(zhǔn)差均較大,主要是由于1990年以后的開(kāi)發(fā)熱導(dǎo)致大量農(nóng)用地和林地被占用,1995年由于投資鏈斷裂而出現(xiàn)了大批土地撂荒現(xiàn)象,導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)混合像元數(shù)量增大,從而使得其地表輻射溫度具有較寬的變化范圍。水域的溫度標(biāo)準(zhǔn)差逐年遞減,從另一方面表明因水體污染造成水域的不均一性得到改善,水域溫度的變化范圍逐漸減小。

表2 不同土地利用類型的歸一化陸表溫度 T＊S分布狀況Table 2 The distribution of Normal LST(T＊S）of Dongguan with the various land use type

3.2 東莞市陸表溫度LST時(shí)空變化特征分析

根據(jù)各個(gè)時(shí)期的土地利用圖,提取在下一階段轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫氐耐恋乩妙愋?同時(shí)根據(jù)式(4）和式(5）,計(jì)算其變化前后的植被覆蓋度與歸一化陸表溫度,進(jìn)而構(gòu)建TVX空間進(jìn)行分析。由于東莞市城市化過(guò)程中占用最多的是農(nóng)用地和林地,故本文主要針對(duì)這兩種土地利用類型的變化對(duì)陸表溫度的影響進(jìn)行分析,得到TVX空間變化軌跡(圖3）。

圖3 TVX空間變化軌跡Fig.3 The change trajectory of TVX space

(1）TVX空間中聚類點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡揭示了土地利用變化(城市化）對(duì)陸表溫度變化的影響。在城市化早期,林地和農(nóng)用地處于 TVX空間的左上角,該區(qū)域?qū)?yīng)著較高的植被覆蓋度和較低的溫度。隨著城市用地不斷占用林地與農(nóng)用地,被占用的土地類型均沿其斜線軌跡向TVX空間的右下角運(yùn)動(dòng),該區(qū)域?qū)?yīng)較低的植被覆蓋度和較高的溫度。聚類點(diǎn)在TVX空間中的初始位置決定了其運(yùn)動(dòng)變化的方向與幅度。圖3表明,在農(nóng)用地與林地轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)用地的過(guò)程中,陸表溫度與植被覆蓋度的變化情況是,農(nóng)用地:ΔT′farmland=0.107,ΔP′vfarmland= -0.025,林地: ΔT′woodland=0.105,ΔP′vwoodland= -0.064。表明城市化過(guò)程中,隨著植被覆蓋度不斷減小,陸表溫度迅速上升。

(2）為從空間上直觀地研究城市化進(jìn)程對(duì)陸表溫度的影響,本文通過(guò)疊加處理、圖像相減等相關(guān)操作,得到1995-2003年土地利用變化及陸表溫度變化對(duì)比情況(圖4,見(jiàn)封2）。從圖4可以看出,東莞市陸表溫度變化情況與土地利用變化情況相符:增溫幅度最大的區(qū)域主要是農(nóng)用地向城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)化的部分(圖4a中的藍(lán)色部分）及林地轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)用地的部分(圖4a中的綠色部分）,增溫區(qū)域在空間上一般以現(xiàn)有的城鎮(zhèn)為中心向外蔓延。

4 結(jié)論

(1）城市化過(guò)程造成研究區(qū)下墊面性質(zhì)的劇烈變化是引起陸表平均溫度上升的主要原因,其高溫區(qū)域主要以城鎮(zhèn)為中心,沿道路不斷向兩旁延展。此外,1995年與2003年土地利用類型的溫度序列存在細(xì)微的變化,主要是由于環(huán)境污染及盲目開(kāi)發(fā)造成的。需引起注意的是,1995年各土地利用類型的溫度標(biāo)準(zhǔn)差均大于2003年,說(shuō)明陸表溫度的大小與分布對(duì)環(huán)境變化的影響較敏感。

(2）引入TVX空間方法,分析陸表溫度隨土地利用變化(城市化）的變化情況,進(jìn)一步論證城市化過(guò)程與陸表溫度之間存在著較強(qiáng)的正相關(guān),即城市化是造成陸表溫度上升的重要原因。這種利用TVX空間中聚類點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡分析土地利用變化(城市化）對(duì)陸表溫度的影響的方法在國(guó)內(nèi)鮮見(jiàn)報(bào)道。

(3）由于缺乏相關(guān)輔助數(shù)據(jù)的支持,在土地利用分類上只將研究區(qū)分成農(nóng)用地等5類,但對(duì)東莞市而言,農(nóng)用地還可細(xì)分為園地、耕地等類型,其對(duì)陸表溫度的影響各不相同。后期工作中希望可以獲取更多的輔助數(shù)據(jù),進(jìn)行更精細(xì)的土地利用分類,進(jìn)而更準(zhǔn)確地分析不同土地利用類型在城市化進(jìn)程中對(duì)陸表溫度的影響。此外,利用多時(shí)相的影像數(shù)據(jù)分析不同季節(jié)城市化過(guò)程對(duì)陸表溫度的影響也是后續(xù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

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Influence Analysis of Urban ization on Land Surface Temperature in Dongguan City

FENG Hui-hui,L IU Hui-ping,ZHU Shou-dong,BA IM u
(School of Geography and RS,Beijing N orm al University,the State Key Laboratory of Remote Sensing Science,Beijing 100875,China）

In this paper,the influence of urbanization on land surface temperature(LST）was investigated in Dongguan City. Through the temperature retrieval method p roposed by fo rmer researchers,the LSTs of Dongguan were retrieved from two Landsat TM/ETM imagesw hich were taken in 1995 and 2003.Then,the general situation and spatio-temporal characteristicsof LSTs of Dongguan were discussed,the temperature-vegetation index(TVX）space was also introduced to investigate the influence of urbanization over LST.The result indicated that urbanization was an important reason for the LST increase of Dongguan,w hich was confirmed by the trajecto ry from the dense vegetation-low temperature condition to the sparse vegetation-high temperature condition in TVX space.

urbanization;land surface temperature;spatio-tempo ral characteristics;temperature-vegetation index;Dongguan

TP79;P407

A

1672-0504(2010）03-0087-04

2010-02-27;

2010-04-15

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA 120102）;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40671127）

馮徽徽(1986-）,男,博士研究生,主要研究方向?yàn)檫b感城市監(jiān)測(cè)與城市時(shí)空模擬。＊通訊作者E-mail:hpliu@bnu.edu.cn