莫新宇，祝善友，張 磊

（1.南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院，江蘇 南京 210044）

近幾十年，我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，土地利用規(guī)模迅速增長(zhǎng)，土地利用方式發(fā)生劇烈改變，隨之日益顯著的城市熱島效應(yīng)對(duì)城市的氣候環(huán)境、公共健康、經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了許多負(fù)面影響，引起人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注。開(kāi)展熱島效應(yīng)的時(shí)空演變及其機(jī)理研究，可以為政府部門的規(guī)劃與決策提供一定的支持，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展[1-10]。

蘇州城市的快速擴(kuò)張實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代與傳統(tǒng)的共存，是我國(guó)城市化進(jìn)程中的典型代表。本文以蘇州市為例，研究了城市快速擴(kuò)展過(guò)程中土地利用/覆蓋類型與城市熱島的時(shí)空變化，并著重分析了下墊面變化對(duì)熱島時(shí)空變化的影響。

1 研究區(qū)概況

本文選取蘇州部分區(qū)域作為研究區(qū)，包括金閶區(qū)、滄浪區(qū)、平江區(qū)、吳中區(qū)（部分）、相城區(qū)、蘇州工業(yè)園區(qū)、蘇州高新區(qū)和虎丘區(qū)。

蘇州位于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)太湖以東，地處溫帶，氣候溫和，雨量充沛。全市地勢(shì)低平，自西向東緩慢傾斜，平原占總面積的55%，西部有低山丘陵零星散布，境內(nèi)河港交錯(cuò)，湖蕩密布。作為江蘇省第二大城市，蘇州是江蘇省重要的經(jīng)濟(jì)、對(duì)外貿(mào)易、工商業(yè)和物流中心城市，也是重要的文化、藝術(shù)、教育和交通中心。全市面積8 488 km2，2010年全市戶籍人口達(dá)637.77萬(wàn)人，經(jīng)濟(jì)總量名列全國(guó)第五。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本文使用的數(shù)據(jù)是1986-07-25和2004-07-26的Landsat5 TM影像，2幅影像的成像季節(jié)及時(shí)間差異較小，具有較強(qiáng)可比性。利用已校正好的1995年同一區(qū)域TM影像作為基準(zhǔn)，選取地面控制點(diǎn)并采用多項(xiàng)式擬合方法分別對(duì)2幅影像進(jìn)行幾何校正，校正均方根誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)。對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的影像利用研究區(qū)行政區(qū)劃矢量圖進(jìn)行裁切，并使用多光譜影像薄云去除算法[11]對(duì)影像作去云處理。

2.2 土地利用類型分類

根據(jù)TM影像的實(shí)際可解譯能力及研究需求，參考《土地利用現(xiàn)狀分類》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 21010-2007），將研究區(qū)域劃分為人工建筑、水體、裸地、農(nóng)地和林地5種類型。分類方法為基于單變量的決策樹(shù)（UDT）法，該方法充分利用各地物在多波段內(nèi)的差異，有效降低異物同譜、同物異譜對(duì)分類的干擾[12]。在分類過(guò)程中，選擇TM遙感影像的第1～5和7波段，并構(gòu)造一系列新變量，包括歸一化植被指數(shù)（NDVI）、纓帽變換后的亮度分量、綠度分量和濕度分量、主成分變換后的第一主分量，構(gòu)建11個(gè)波段特征參與分類。通過(guò)對(duì)不同波段彩色合成圖像的目視解譯，在影像上選取各類訓(xùn)練樣本，對(duì)2個(gè)時(shí)期影像分別進(jìn)行決策樹(shù)分類，得到土地利用分類圖（見(jiàn)圖1）。

2.3 地表溫度反演

覃志豪等根據(jù)地表熱輻射傳輸方程推導(dǎo)出了對(duì)參數(shù)需求較少的單窗算法[13]。本文基于該算法，利用TM圖像第6波段反演研究區(qū)的地表溫度。由于城市地表具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，精確求算每個(gè)像元的比輻射率存在困難。在實(shí)際操作中，根據(jù)覃志豪等人的研究成果[14], 將水體、植被、裸土和人工建筑的比輻射率分別確定為 0.995、0.986、0. 972 15和0.97。研究區(qū)地表溫度分布如圖2所示。

圖1 研究區(qū)土地利用分類圖

圖2 研究區(qū)地表溫度分布圖

3 研究結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

如圖1所示，1986年蘇州建成區(qū)基本呈塊狀集聚形態(tài)，主要集中在老城區(qū)及護(hù)城河外沿，建成區(qū)外為大面積農(nóng)田覆蓋，田間農(nóng)村零星分布，沿水網(wǎng)有中小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)，且相互間獨(dú)立。經(jīng)過(guò)近20 a的城市化建設(shè)，蘇州市建成區(qū)面積成倍增長(zhǎng)，主城區(qū)自古城向外擴(kuò)張，外部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)模擴(kuò)大，開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)迅速，蓬勃發(fā)展的道路交通系統(tǒng)縱橫交錯(cuò)，將整個(gè)區(qū)域串聯(lián)。隨著城市人口的遷入和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，生活用地與工業(yè)用地成為土地利用的主要驅(qū)動(dòng)因子[15]。分別統(tǒng)計(jì)了2個(gè)年份研究區(qū)內(nèi)不同下墊面類型面積（見(jiàn)表1），從1986年至2004年，研究區(qū)內(nèi)人工建筑面積增長(zhǎng)了77.46%，地表植被覆蓋則大幅減少，降幅達(dá)24.31%，同時(shí)伴隨著部分水網(wǎng)的淤積以及填湖造陸，水體面積減少了12.75%，城市密集的建筑工程也使得裸地面積增長(zhǎng)了75.60%。

表1 不同土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)/km2

3.2 城市熱島效應(yīng)時(shí)空分布與變化

受數(shù)據(jù)獲取時(shí)的環(huán)境條件影響，反演得到的不同時(shí)期地表溫度難以直接比較，但成像環(huán)境并不改變地表溫度相對(duì)強(qiáng)弱的空間分布特征，因此可以通過(guò)對(duì)城市地表熱場(chǎng)劃分等級(jí)來(lái)分析地表熱場(chǎng)的相對(duì)時(shí)空變化。以往研究大多基于反演得到的地表溫度或其變形形式，并在其取值范圍內(nèi)進(jìn)行等間距密度分割[6,16]，這種硬分級(jí)在最佳分割點(diǎn)及分級(jí)數(shù)的確定上主觀性較大，在熱島的空間分布和溫度變異的細(xì)節(jié)表現(xiàn)力等方面存在不足[17]。

均值-標(biāo)準(zhǔn)差法利用地表溫度均值和不同倍數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的組合來(lái)劃分地表熱場(chǎng)等級(jí)，從而有效地界定熱島區(qū)域[18]。標(biāo)準(zhǔn)差反映了溫度相對(duì)于平均溫度的偏離程度，而均值與標(biāo)準(zhǔn)差的組合能夠一定程度上體現(xiàn)同類地物間的相關(guān)性及不同地物溫度的變異性。均值-標(biāo)準(zhǔn)差法在一定程度上減小了背景差異影響，提高了不同時(shí)相溫度數(shù)據(jù)的可比性。

通過(guò)對(duì)不同分級(jí)數(shù)情況下的結(jié)果對(duì)比，最終將蘇州市轄區(qū)內(nèi)地表溫度以μ(均值 )、μ±0.5σ(σ為標(biāo)準(zhǔn)差 )、μ±σ為分界點(diǎn)分為6個(gè)等級(jí)：特高溫區(qū)、高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中溫區(qū)、次低溫區(qū)和低溫區(qū)，并相應(yīng)賦予編號(hào)1～6。分級(jí)后的結(jié)果分布（如圖3所示）較符合實(shí)際情況，能夠表征地表溫度相對(duì)高低，且對(duì)熱場(chǎng)的細(xì)節(jié)表現(xiàn)較好。選擇特高溫區(qū)和高溫區(qū)作為熱島范圍，計(jì)算城市熱島所占面積百分比（R）和熱島強(qiáng)度（P），計(jì)算公式為：

式中，i為熱島區(qū)對(duì)應(yīng)的溫度級(jí)數(shù)；Ai為溫度級(jí)i的面積；S為研究區(qū)面積；TH為熱島區(qū)平均溫度值；Tv為熱島區(qū)外區(qū)域溫度級(jí)對(duì)應(yīng)的平均溫度值。

圖3 研究區(qū)熱場(chǎng)等級(jí)分布圖

根據(jù)圖3可知，1986年熱島所占面積百分比為22.07%，熱島強(qiáng)度為3.12°，2004年的熱島所占面積百分比為31.64%，熱島強(qiáng)度為4.76°。在1986年，蘇州地表熱島區(qū)域表現(xiàn)為以主城區(qū)為主體的獨(dú)立團(tuán)狀斑塊以及主城區(qū)外鄉(xiāng)村為代表的零散小型熱點(diǎn)。到了2004年，轄區(qū)內(nèi)熱島地區(qū)廣泛分布，原有小型熱點(diǎn)聚合成大面積連續(xù)斑塊，呈現(xiàn)較規(guī)則的多邊形輪廓，有典型的城市街區(qū)特征，道路形成了明顯的高溫“廊道”將地表分割，并貫穿各個(gè)熱島斑塊。結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)熱島現(xiàn)象在范圍與程度上皆明顯加重。

3.3 土地利用/覆蓋類型變化與城市熱島效應(yīng)變化的關(guān)系

對(duì)比圖1～圖3可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地表熱場(chǎng)分布與下墊面類型分布存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了分析轄區(qū)下墊面變化與地表熱場(chǎng)等級(jí)變化的關(guān)系，將1986年的熱場(chǎng)分級(jí)圖減去2004年的熱場(chǎng)分級(jí)圖，得到地表熱場(chǎng)等級(jí)變化圖（見(jiàn)圖4）。令取值5、4、3的區(qū)域?yàn)榈燃?jí)大幅增加區(qū)，取值2、1的區(qū)域?yàn)榈燃?jí)稍有增加區(qū)，取值0的區(qū)域?yàn)榈燃?jí)不變區(qū)，取值-1、-2的區(qū)域?yàn)榈燃?jí)稍有降低區(qū)，取值-3、-4、-5的區(qū)域?yàn)榈燃?jí)大幅降低區(qū)。結(jié)合地表熱狀況變化圖和地表分類圖，統(tǒng)計(jì)各變化程度內(nèi)不同地物類型在1986年和2004年的面積百分比，結(jié)果如表2所示。

圖4 1986年～2004年研究區(qū)地表熱場(chǎng)等級(jí)變化圖

由表2可知，地表熱狀況變化方向及變化程度受土地利用/覆蓋類型間轉(zhuǎn)化的影響明顯，熱等級(jí)增強(qiáng)伴隨著植被覆蓋、水體向人工建筑的高強(qiáng)度轉(zhuǎn)化；相反，大面積植被、水體的恢復(fù)可以有效緩減地表熱效應(yīng)；而等級(jí)不變則意味著該區(qū)域下墊面類型構(gòu)成基本未改變。在空間上，原有建成區(qū)熱等級(jí)幾乎不變，熱等級(jí)增強(qiáng)區(qū)與新建成區(qū)相吻合，主要表現(xiàn)為3類：位于獨(dú)墅湖、澄湖及太湖西岸的填湖造陸區(qū)；位于蘇州工業(yè)園區(qū)、高新區(qū)以及吳中區(qū)吳縣經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的工廠、倉(cāng)儲(chǔ)用地；隨農(nóng)村地區(qū)城鎮(zhèn)化而擴(kuò)大的新建商業(yè)、生活用地。下墊面介質(zhì)的熱傳導(dǎo)率、熱容量等特征決定了不同土地利用類型具有各自的熱學(xué)特征和輻射特征，人工建筑主要表現(xiàn)為水泥、瀝青、磚瓦等材料構(gòu)成的不透水下墊面，儲(chǔ)熱能力及熱輻射能力都高于其他類型下墊面，而城鎮(zhèn)街區(qū)特有的空間結(jié)構(gòu)不利于地表湍流的熱傳輸，更加劇了熱島效應(yīng)。

表2 不同熱場(chǎng)等級(jí)變化程度內(nèi)1986、2004年各地物面積百分比/%

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用1986年、2004年2期Landsat5 TM數(shù)據(jù)，分類得到蘇州地區(qū)土地利用類型圖，并基于反演出的地表溫度進(jìn)行地表熱場(chǎng)分級(jí)，對(duì)地表類型和城市熱島效應(yīng)的時(shí)空變化進(jìn)行了分析，其主要結(jié)論如下：

1）農(nóng)村城鎮(zhèn)化和開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)是研究區(qū)城市擴(kuò)張的主要方式，城市化過(guò)程中下墊面結(jié)構(gòu)變化顯著，人工建筑面積增長(zhǎng)了77.46%，相應(yīng)的是地表植被覆蓋降幅達(dá)24.31%，水體面積減少了12.75%。

2）蘇州城市熱島效應(yīng)在近20 a內(nèi)顯著增強(qiáng)。2004年研究區(qū)城市熱島范圍在1986年老城區(qū)的基礎(chǔ)上大幅擴(kuò)張，熱島強(qiáng)度由3.12°增至4.76°。熱島分布由獨(dú)立斑塊聚合成大面積連通斑塊，呈現(xiàn)較規(guī)則的多邊形輪廓，有明顯的城市街區(qū)特征，道路形成的“廊道”貫穿整個(gè)區(qū)域。

3）不同下墊面類型對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響不同，下墊面類型的變化程度決定了熱島強(qiáng)度的變化方向。水體及大面積植被如耕地、森林的溫度較低，可以有效緩減地表熱效應(yīng)，而人工建筑區(qū)特別是工業(yè)用地、高人口密度的商業(yè)、生活用地溫度較高，是城市的主要熱源。

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