陳 倩, 周啟剛, 金亞美

(重慶工商大學(xué) 旅游與國土資源學(xué)院, 重慶 400067)

基于LandsatTM的重慶都市區(qū)地表熱環(huán)境時空變化研究

陳 倩, 周啟剛, 金亞美

(重慶工商大學(xué) 旅游與國土資源學(xué)院, 重慶 400067)

隨著城市化進(jìn)程的加快、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市結(jié)構(gòu)相應(yīng)發(fā)生了一系列的改變，對城市的生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了巨大的影響，城市熱島效應(yīng)問題尤為突出。文章選取重慶都市區(qū)為研究對象，以Landsat-TM1988，2000和2011年三期夏季遙感影像為數(shù)據(jù)源，基于RS和GIS，采用單窗口算法對地表溫度進(jìn)行反演，并對城市地表溫度的時空變化、熱中心以及城市建設(shè)用地重心遷移進(jìn)行分析，探討城市地表熱環(huán)境與城市擴(kuò)張及下墊面的響應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果表明：1988—2011年，研究區(qū)地表溫度在空間上的分布存在明顯差異性，區(qū)域溫度整體有所上升，熱環(huán)境問題日益嚴(yán)重；熱中心與建設(shè)用地重心兩者地遷移具有高度一致性；熱環(huán)境效應(yīng)強(qiáng)度與建設(shè)用地的分布情況大致呈正相關(guān)，與植被或水域的分布情況呈負(fù)相關(guān)。研究結(jié)果可為采取合理措施改善城市地表熱環(huán)境效應(yīng)、優(yōu)化城市生態(tài)環(huán)境提供參考。

城市熱環(huán)境； 單窗口算法； 建設(shè)用地擴(kuò)張； 下墊面； 重慶都市區(qū)

隨著全世界工業(yè)化、城市化的迅猛發(fā)展，全球氣候變暖已受到科學(xué)界和社會廣泛關(guān)注[1]。在城市化快速發(fā)展的背景下，熱環(huán)境空間變化對城市生態(tài)問題有著深遠(yuǎn)的影響[2-3]。目前，大量研究利用熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度來研究城市熱環(huán)境變化過程[4-5]。特別是近三十年以來，許多學(xué)者研究分析了土地利用變化與地表溫度、地表熱環(huán)境之間的關(guān)系以及時空變化的趨勢與規(guī)律[6-9]。重慶市直轄以來，城市快速發(fā)展[10]，城市熱環(huán)境效應(yīng)問題突出。城市熱島效應(yīng)是城市綜合問題，是城市生態(tài)環(huán)境問題的主導(dǎo)因素之一，也是當(dāng)前環(huán)境學(xué)研究的重要課題[11]，因此，開展對城市熱環(huán)境的研究迫在眉睫。除此之外，城市熱環(huán)境的動態(tài)研究有助于了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化過程，對城市可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實意義，并將其與建設(shè)用地的擴(kuò)展進(jìn)行聯(lián)合分析，有利于城市結(jié)構(gòu)與區(qū)域生態(tài)環(huán)境之間響應(yīng)機(jī)制的理解[12]。文章以重慶都市區(qū)為研究區(qū)，利用三期夏季遙感影像數(shù)據(jù)反演地表溫度和植被覆蓋率，并對城市地表熱環(huán)境的時空變化、熱中心的遷移、建設(shè)用地的擴(kuò)張以及城市植被覆蓋率的分布進(jìn)行系統(tǒng)分析，探討城市地表熱環(huán)境與建設(shè)用地擴(kuò)張及下墊面之間的響應(yīng)關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

重慶市位于我國西南部，與湖北、湖南、貴州，四川及陜西接壤，地跨東經(jīng)105°17′—110°11′、北緯28°10′—32°13′，是長江上游地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、科技、文化和教育中心，也是我國綜合交通樞紐和重要的經(jīng)濟(jì)增長極之一。重慶的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，2011年重慶經(jīng)濟(jì)增速位居全國第一，截至2011年常住人口為772.31萬人。重慶都市區(qū)包括渝中區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、南岸區(qū)、北碚區(qū)、渝北區(qū)和巴南區(qū)9個行政區(qū)，總面積為5 465 km2，占全市總面積的6.63%。研究區(qū)地貌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以丘陵、山地為主，氣候溫和，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，冬暖夏熱，無霜期長、雨量充沛、終年少霜雪，多霧。

重慶自直轄以來，經(jīng)濟(jì)、社會和文化等方面快速發(fā)展，致使城市化進(jìn)程加快。隨著城市的快速發(fā)展，其土地利用格局發(fā)生了改變、生態(tài)環(huán)境受到影響。下墊面性質(zhì)的改變、人口的急劇增長、汽車尾氣以及工業(yè)廢氣的大量排放，使其地表溫度發(fā)生變化，出現(xiàn)城市熱島效應(yīng)。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究分別以Landsat-TM在1988，2000，2011年的三期夏季遙感影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，其軌道號為127039，127040，128039，128040。所有影像數(shù)據(jù)采用ALBERS投影，中央經(jīng)線采用東經(jīng)105°，雙標(biāo)準(zhǔn)緯線采用分別為北緯25°和47°。其中TM影像數(shù)據(jù)1，2，3，4，5，7波段的空間分辨率均為30 m，第六波段分辨率為120 m。同時還收集了1988，2000，2011年1∶10萬的研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及其它相關(guān)社會經(jīng)濟(jì)和人口數(shù)據(jù)。

2.2 遙感影像的預(yù)處理

衛(wèi)星在遙感成像時，飛行器的姿態(tài)、高度、速度、大氣折射以及傳感器自身性能等因素造成影像發(fā)生畸變，因而遙感影像的預(yù)處理是一個必不可少的步驟。本文主要對遙感影像進(jìn)行了幾何校正、輻射校正等處理，輻射校正減少因傳感器的靈敏度特性引起的誤差，大氣校正減少大氣散射和吸收帶來的影響[13]。

2.3 研究方法

2.3.1 地表溫度的反演 地表溫度是地表自然生態(tài)環(huán)境的一個重要物理參量[20]，目前利用遙感圖像反演地表溫度的方法有很多，如劈窗算法、地表溫度與比輻射率分離算法、單窗口算法和普適性單通道算法[14-15]，但適宜用于Landsat TM反演地表溫度的常用方法有2種，即覃志豪等[16]提出的單窗口算法和Jimenez-Munoz等[17]提出的普適性單通道算法。這兩種算法都有各自的特點[15]，其差異主要在于對地表輻射率、大氣平均溫度、大氣投射率的估算，而在實際的運(yùn)用中卻很多研究驗證認(rèn)為在大氣平均溫度與水汽含量較高時采用覃志豪的單窗算法進(jìn)行地表溫度的反演結(jié)果精度更高，而采用普適性單通道算法的結(jié)果往往會產(chǎn)生較大偏離[18-19]。本文以重慶山地城市區(qū)為研究區(qū)并以夏季作為研究時點，夏季的重慶炎熱濕潤，因此本文采用單窗口算法對研究區(qū)的地表溫度進(jìn)行反演，其地表溫反演具體算法如下[16]：

Ts= {A6(1-C6-D6)+[B6(1-C6-D6)+

C6+D6]T6+D6×Ta}/C6

(1)

C6=ε×τ

(2)

D6=(1-τ)[1+τ×(1-ε)]

(3)

式中：Ts——地表溫度(K)；A6，B6——常數(shù)，分別為-67.355 35，0.458 608；ε——地表輻射率；τ——大氣透射率；T6——TM6的像元亮度溫度；Ta——大氣平均溫度(K)。其中，T6的計算公式如下[16]：

T6=K2/ln(1+K1/Lλ)

(4)

Lλ=Lλ(min)+[Lλ(max)-Lλ(min)]Qdn/Qmax

(5)

式中：K1，K2——發(fā)射前預(yù)設(shè)常量，針對Landsat5-TM遙感影像數(shù)據(jù)，K1=60.776 mW/(cm2·sr·μm)，K2=1 260.56 K；Lλ——TM遙感器所接收到的輻射強(qiáng)度[mW/(cm2·sr·μm)]；Lλ(min)，Lλ(max)——最小和最大輻射強(qiáng)度，其中對于Landsat5，Lλ(min)=0.123 8 [mW/(cm2·sr·μm)]，Lλ(max)=1.56 [mW/(cm2·sr·μm)]；Qdn——像元灰度值，Qmax——像元灰度最大值為255。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，大氣平均溫度Ta與近地面溫度(大約距離地面2 m)T0存在線性關(guān)系，并且這種關(guān)系隨季節(jié)和地理位置的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，其公式如下[20]:

熱帶平均大氣(北緯15°，年平均)

Ta=17.9767+0.91715T0

(6)

中緯度夏季平均大氣(北緯45°，7月)

Ta=16.0110+0.92621T0

(7)

中緯度冬季平均大氣(北緯45°，1月)

Ta=19.2704+0.91118T0

(8)

根據(jù)重慶所處的地理位置東經(jīng)105°17′—110°11′，北緯28°10′—32°13′以及遙感影像的拍攝時期為夏季等因素，文本選取公式(7)計算大氣平均溫度。T0是根據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站中的地表溫度實時監(jiān)測數(shù)據(jù)確定，如表1所示。

表1 1988-2011年夏季平均濕度與近地面溫度統(tǒng)計表

地表輻射率的大小主要取決于遙感器的波段區(qū)間與地表物質(zhì)結(jié)構(gòu)[21]。地表輻射率可分別針對水體、建設(shè)用地與自然表面進(jìn)行計算，其中普遍認(rèn)為水體在熱波段輻射率很高，非常接近于黑體，其地表輻射率為0.995，對于建設(shè)用地的發(fā)射率大多在0.960～0.980之間變動，根據(jù)重慶都市區(qū)的實際情況將建設(shè)用地的地表輻射率設(shè)置為0.970較為合理。自然表面地表輻射率的計算方法如下[22]:

(9)

Rv=0.9332+0.0585Pv

(10)

Rs=0.9902+0.1068Pv

(11)

Pv=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)

(12)

式中:ε——自然表面的地表輻射率；PV——植被在該混合像元內(nèi)的構(gòu)成比例；RV，Rs——植被和裸土的溫度比率；εV，εs——植被和裸土的輻射率值，可分別取0.986，0.972 15；dε——植被和裸土兩種地表類型熱輻射量相互作用，其中當(dāng)PV大于0.5時，dε=0.003 796(1-PV)，當(dāng)PV小于或等于0.5時，dε=0.003 796PV。

一般情況下，大氣水分含量在0.4～3.0 g/cm2變動區(qū)間,大氣透射率可根據(jù)不同氣溫條件下的水分含量來計算，根據(jù)專家的研究結(jié)果大氣透射率可以通過與水分含量建立線性函數(shù)關(guān)系來計算，如表2所示[23]。

由于本文的數(shù)據(jù)源為夏季遙感影像，又根據(jù)當(dāng)時國家實時監(jiān)測情況(中國氣象監(jiān)測站，重慶監(jiān)測站點在沙坪壩區(qū))，重慶早上9:00—10:00的大氣水分含量在0.4～1.6之間，如表2示。即選擇公式：τ=0.974 290～0.080 07w對大氣投射率進(jìn)行計算。

表2 大氣透射率與水分含量的函數(shù)關(guān)系表

2.3.2 植被覆蓋度的反演 歸一化植被指數(shù)(NDVI)，是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子[24]，TM4對綠色植物類別差異最敏感，TM3葉綠素的主要吸收波段，區(qū)分植物種類與植物覆蓋率。其計算公式為如下：

NDVI=(TM4-TM3)/(TM4+TM3)

小兒腹瀉的發(fā)病因素較多,其主要的臨床表現(xiàn)為大便次數(shù)增多以及大便性狀改變,如果患兒不能及時有效的治療,則會導(dǎo)致其營養(yǎng)不良以及發(fā)育緩慢,因此有效的治療措施是保證患兒健康的關(guān)鍵[1],而此次研究旨在分析小兒腹瀉采用微生態(tài)制劑治療的臨床效果,特選擇80例患兒進(jìn)行研究,報道如下。

(13)

NDVI的值在[-1，1]之間變動，無植被的裸土地區(qū)，NDVI值很低，近于0；而植被密度較高的區(qū)域，NDVI的值較高，大于0.7[24]。

2.3.3 城市熱中心模型模擬 本研究通過地表溫度反演的結(jié)果設(shè)置一個閾值，提取熱中心范圍。首先以Landsat TM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，然后分別反演1988,2000,2011年地表溫度。其具體的判定模型如下所示[22]：

ROIi∈HI(LSTROI>(LSTmean+Std))

(14)

式中：ROIi——研究區(qū)中某一興趣區(qū)；HI——熱中心區(qū)域；LSTROI——興趣區(qū)的平均溫度；LSTmean——地表平均溫度；Std——地表溫度標(biāo)準(zhǔn)差。并根據(jù)如下公式計算出熱島重心[25]：

(15)

2.3.4 城市建設(shè)用地重心遷移模型 土地利用類型的重心變化能具體反映出土地利用的空間分，其研究的計算模型如下[26]：

(16)

式中：Xt，Yt——第t年建設(shè)用地的重心坐標(biāo)；cti——第i塊建設(shè)用地斑塊的面積；xi，yi——第i塊建設(shè)用地斑塊的重心坐標(biāo)。結(jié)合各時期建設(shè)用地重心坐標(biāo)，可計算出建設(shè)用地遷移率，具體公式如下：

(ti+1-ti)

(17)

式中：xti,yti——某時期建設(shè)用地重心的坐標(biāo)值；ti+1-ti——地類重心轉(zhuǎn)移的時間間隔；Vti+1-ti——時間為ti+1-ti內(nèi)的地類重心年遷移率。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市地表溫度時空分布變化分析

本文選取重慶都市區(qū)為研究范圍，利用覃志豪提出的單窗口算法，基于Landsat1988—2011年三期TM遙感影像反演城市地表溫度，并在ERDAS9.1中將結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化為攝氏溫度，1988—2011年重慶都市區(qū)地表溫度分布圖所示(附圖1)。

從附圖1中可以看出，重慶都市區(qū)地表溫度不同時間的空間分布呈現(xiàn)出明顯的差異性，這種差異隨時間而發(fā)生改變并呈現(xiàn)出一定規(guī)律性。

從地表溫度的空間分布情況分析，并結(jié)合附圖1—2可以看出地表溫度的分布于建設(shè)用地的分布呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。高溫區(qū)的分布較為集聚，主要以渝中區(qū)為分布中心以及各區(qū)縣的建制鎮(zhèn)所在區(qū)域；中溫區(qū)類似同心圓分布，圍繞在高溫區(qū)的四周，并向各個方向延伸；低溫區(qū)主要分布在水域(長江與嘉陵江)以及森林覆蓋率較高的地方(主要集中在重慶都市區(qū)的四條山脈：縉云山、中梁山、銅鑼山和明月山)。除此之外，從地表溫度的分布結(jié)構(gòu)能夠發(fā)現(xiàn)重慶都市區(qū)內(nèi)存在明顯的熱島現(xiàn)象。

從時間序列上來分析地表溫度的變化，地表溫度隨時間而發(fā)生改變，且體現(xiàn)出一定的階段性與規(guī)律性。從總體上來分析，1988—2011年中高溫區(qū)空間分布范圍逐年增大，主要以渝中區(qū)為中心向西南和東北方向逐年擴(kuò)張，與建設(shè)用地擴(kuò)張方向基本一致，其中2011年在兩江新區(qū)以及南岸茶園新區(qū)出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)。1988—2000年份高溫區(qū)空間分布主要集中在重慶市嘉陵江和長江交匯地帶，這兩年相比較而言，高溫區(qū)在此處的分布程度呈現(xiàn)下降趨勢，但出現(xiàn)了兩個較為明顯的新熱中心(渝北區(qū)西南部和沙坪壩北部)，2000—2011年，高溫區(qū)分布范圍呈現(xiàn)明顯上升趨勢，新增建設(shè)用地成為高溫區(qū)的集聚區(qū)域。從中溫區(qū)分布情況來看，其主要分布在新增建設(shè)用地外圍，1988—2000年，中溫區(qū)處于緩慢減少階段，特別是沙坪壩區(qū)與大渡口區(qū)；2000—2010年處于快速發(fā)展階段。而低溫區(qū)分布范圍呈波動式變化，1988—2000年，低溫區(qū)分布范圍減少；2000—2011年，低溫區(qū)分布范圍增加，主要分布在較大型山脈及水域的兩側(cè)。由以上分析可以得出，重慶都市區(qū)在1988—2011年，城市熱環(huán)境問題日益凸顯、呈現(xiàn)出熱島效應(yīng)。

3.2 城市建設(shè)用地重心與熱島重心遷移分析

通過ArcGIS軟件的分析功能模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取建設(shè)用地的重心與城市熱中心的坐標(biāo)。首先從三期土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中提取城市建設(shè)用地信息，根據(jù)公式(13)從地表溫度反演結(jié)果中提取熱島范圍，并生成不同時期城市建設(shè)用地空間分布圖和熱中心空間分布圖。然后將城市用地圖斑和熱中心圖斑的面狀信息轉(zhuǎn)化為點狀信息，分別得到不同時期各城市用地圖斑和熱中心圖斑的幾何中心坐標(biāo)，根據(jù)公式(14)、(15)計算不同時期重慶市建設(shè)用地重心點和熱島中點的坐標(biāo)，如附圖3所示。

由附圖3建設(shè)用地重心和熱中心的遷移情況可看出，1988—2011年建設(shè)用地與城市熱中心都有較大的遷移，總體上兩者的重心向都市區(qū)的東北方向遷移。1988—2000年，城市重心點向西偏移且偏移距離較小，而熱中心向東北方向偏移且偏移的距離較大；2000—2011年共11a間，建設(shè)用地重心急劇向東北偏移，說明這一階段城市的擴(kuò)展方向以向北發(fā)展為主，熱中心仍然向北偏移且偏移量仍較大，這主要是由于兩江新區(qū)位于研究區(qū)的東北部，在此期間兩江新區(qū)作為國家綜合配套改革試驗新區(qū)正處于大力發(fā)展的階段。

結(jié)合表3從兩者重心的轉(zhuǎn)移速率來分析，1988—2000年，熱中心遷移速率大于建設(shè)用地遷移速率，建設(shè)用地的遷移速率為0.06km/a，熱中心的遷移速率為0.53km/a；2000—2011年，建設(shè)用地遷移速率大于熱中心遷移速率，建設(shè)用地的遷移速率為0.41km/a，熱中心的遷移速率為0.34km/a?？偟膩碚f1988—2011年間，建設(shè)用地的遷移速率逐年加快，熱中心的遷移速率逐年減慢。由此看以得出，建設(shè)用地和熱中心擴(kuò)張的遷移都受到區(qū)域地形地貌條件的影響，尤其是大型山脈，且對建設(shè)用地的影響更為明顯。

表3 重慶都市區(qū)建設(shè)用地和熱中心遷移速率

由以上分析可以得出，重慶都市區(qū)近23 a來城市擴(kuò)展方向經(jīng)歷了“西拓”和“北移”兩個階段。2000年之后，由于城市向西已擴(kuò)展至中梁山下，發(fā)展空間較為有限，而隨著重慶市交通條件的不斷改善，城市的發(fā)展越過了嘉陵江的阻隔，向北尋求新的發(fā)展空間，使得嘉陵江以北的大片區(qū)域成為城市發(fā)展的主要方向。城市擴(kuò)展方向和熱中心偏移方向的這種變化特征與重慶市“兩江四山”的地形地貌條件是密切相關(guān)的，且城市擴(kuò)展與熱中心偏移密切相關(guān)。因此熱中心的偏移方向也是以“北移”為主，與建設(shè)用地的擴(kuò)張保持高度一致。

3.3 城市地表熱環(huán)境與下墊面時空變化分析

探求城市地表熱環(huán)境與下墊面之間的關(guān)系已成為研究熱環(huán)境的熱點之一[27]，并且城市下墊面的性質(zhì)特征是形成熱島效應(yīng)的主要原因之一。許多研究認(rèn)為，植被有緩解熱的功能、是減緩城市熱環(huán)境的重要生態(tài)因子[28-29]。本文利用林地、建設(shè)用地和水域等下墊面因子在不同地表溫度下所占的比例，對城市地表熱環(huán)境和下墊面之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。

在ERDAS 9.1中，通過空間建模的方法對地面溫度進(jìn)行分類，并對分類結(jié)果進(jìn)行聚類統(tǒng)計，再做去除分析，使聚類圖像中的小類組合并到相鄰的最大分類中，最后獲取地表溫度的等級分布圖，并以自然斷點法將其分為低溫、較低溫、中溫、較高溫以及高溫5大類。然后運(yùn)用Arcgis的空間統(tǒng)計模塊將地表溫度分布圖與土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，獲取不同地表溫度級上各下墊面的分布情況，如表4所示。

表4 1988-2011年重慶都市區(qū)各下墊面在各地表溫度級的面積比例統(tǒng)計 %

從表4可以看出，不同地表溫度級上各下墊面的分布情況具有明顯的差異性。隨著地表溫度等級的增加，林地所占比例呈現(xiàn)出正態(tài)分布的趨勢，且3 a中，最大值均出現(xiàn)在較低溫區(qū)內(nèi)，分別為97.10%，89.77%和75.75%，而最小值多出現(xiàn)在低溫區(qū)和高溫區(qū)，這說明林地對較低溫區(qū)和中溫區(qū)的貢獻(xiàn)最大，而對低溫區(qū)和高溫區(qū)的影響最小。隨著溫度等級的增加，2011年建設(shè)用地所占比例持續(xù)上升，而1988年和2000年建設(shè)用地呈現(xiàn)出先上升后下降的波動性變化趨勢；1988—2011年，建設(shè)用地在較高溫、高溫以及中溫的分布最大，其中在1988年建設(shè)用地在較高溫和高溫等級中所占比重均超過70%，這表明建設(shè)用地在城市熱環(huán)境效應(yīng)中的貢獻(xiàn)率是最大的。隨地表溫度等級的增加水域所占百分比急劇減小，1988年和2011年水域所占比重的最高值均出現(xiàn)在低溫區(qū)內(nèi)，分別為52.63%和92.42%，其次是較低溫區(qū)，分別為2.82%和8.62%，這說明水域地對低溫區(qū)的貢獻(xiàn)最大；而2000年，隨著溫度等級的升高，水域所占比例呈現(xiàn)先下降再上升再下降的趨勢，其中產(chǎn)生突變是由于河流干涸、大量灘涂裸露，從而引起地表溫度升高。

由以上分析可得出，建設(shè)用地、植被覆蓋率以及水域都是影響城市熱中心的重要因素。其中，熱島效應(yīng)的強(qiáng)度與建設(shè)用地的分布大致呈正相關(guān)，而與植被覆蓋率或是水域的分布呈負(fù)相關(guān)；建設(shè)用地的混領(lǐng)土、瀝青地面和各種建筑材料對城市熱島的影響相當(dāng)大，建設(shè)用地面積增加，環(huán)境溫度急劇上升，形成城市熱島的可能性就越大。

4 結(jié) 論

本文基于RS和GIS技術(shù)，采用單窗口算法對重慶都市區(qū)1988—2011年的地表溫度進(jìn)行反演，并過對城市地表溫度的時空分布差異、熱島重心的遷移、城市建設(shè)用地重心遷移以及城市植被覆蓋率的分析，探討城市熱環(huán)境與城市擴(kuò)張以及城市下墊面的響應(yīng)關(guān)系。得到結(jié)論如下：

(1) 1988—2011年，重慶都市區(qū)的地表溫度整體有上升的趨勢、呈現(xiàn)出同心圓分布，熱環(huán)境問題日益嚴(yán)重；新增建設(shè)用地容易形成新興的熱島區(qū)。為了有效地減緩熱島效應(yīng)、優(yōu)化人居生態(tài)環(huán)境，應(yīng)加重對新建區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的綠化措施。

(2) 1988—2011年，重慶都市區(qū)熱中心的遷移與建設(shè)用地重心遷移表現(xiàn)出相似性，均向東北、東南方向遷移；二者的遷移均受到區(qū)域特殊的地勢地貌的影響，且建設(shè)用地的遷移受到的限制更大。

(3) 建設(shè)用地、植被覆蓋率以及水域都是影響城市熱環(huán)境的重要因素，且熱島效應(yīng)的強(qiáng)度與建設(shè)用地的分布大致呈正相關(guān)，與植被覆蓋率或水域的分布呈負(fù)相關(guān)。

(4) 針對Landsat TM遙感影像，能夠反映研究區(qū)夏季的溫度趨勢，但由于原始數(shù)據(jù)的時期無法統(tǒng)一到同一時刻，本文的研究結(jié)果只適用于夏季。

(5) 對于研究區(qū)城市熱島與下墊面的相關(guān)性分析，本文只是對其響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析而沒有進(jìn)行空間相關(guān)性分析。例如采用全局Moran’S I模型統(tǒng)計檢驗城市熱島與下墊面的空間自相關(guān)性，這有助于更加前面的認(rèn)識熱島效應(yīng)。同時這部分內(nèi)容也是作者下一步要做的研究與探索。

[1] 王艷姣,張培群,董文杰,等.基于MODIS數(shù)據(jù)的重慶市地表熱環(huán)境效應(yīng)研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(3):98-103.

[2] 葉彩華,劉勇洪,劉偉東,等.城市地表熱環(huán)境遙感監(jiān)測指標(biāo)研究及應(yīng)用[J].氣象科技,2011,39(1):95-101.

[3] 季青,余明.基于CBERS-02 IRMSS和MODIS 數(shù)據(jù)的地表溫度反演與熱環(huán)境評價[J].地理與地理信息科學(xué),2009,25(6):78-81.

[4] 宮阿都,江樟焰,李京,等.基于LandsatTM圖像的北京城市地表溫度遙感反演研究[J].遙感信息,2005(3):18-20.

[5] 胡弟維,周啟剛,趙予爽,等.基于LandsatTM的地表熱環(huán)境對城市擴(kuò)展的響應(yīng):以重慶市南岸區(qū)為例[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,29(11):79-86.

[6] 錢樂祥,丁圣彥.珠江三角洲土地覆蓋變化對地表溫度的影響[J].地理學(xué)報,2005,60(5):761-770.

[7] 劉強(qiáng),何巖,崔保山.洮兒河流域土地利用變化對地表蒸散量的影響[J].資源科學(xué),2007,29(4):121-126.

[8] 高志強(qiáng),寧吉才,高煒.基于遙感的沿海土地利用變化及地表溫度響應(yīng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(9):274-281.

[9] 周啟剛,張葉,楊霏,等.三峽庫區(qū)生態(tài)屏障帶劃分與土地利用現(xiàn)狀研究:以重慶市萬州區(qū)為例[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,29(11):65-72.

[10] Qigang Z, Fei Y, Zezhong M, et al. Researches on remote sensing monitoring of newly-construction land based on double-difference model in Chongqing city, China[C]∥Environmental Science and Information Application Technology (ESIAT), 2010 International Conference on. IEEE, 2010:786-789.

[11] 徐旺全.基于Landsat熱紅外數(shù)據(jù)的南京市城市熱島時空效應(yīng)研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué),2012.

[12] 鄧玉嬌,匡耀求,黃寧生,等.溫室效應(yīng)增強(qiáng)背景下城市熱環(huán)境變化的遙感分析:以廣東省東莞市為例[J]. 地理科學(xué),2008,28(6):814-819.

[13] 劉孝趙,熊顯名,滕惠忠,等.基于TM遙感圖像的預(yù)處理分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2008(9):26-27.

[14] 白潔,劉紹民,扈光.針對TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)的地表溫度反演與驗證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(9):148-154.

[15] 陳命男,張浩,唐靖寅,等.上海城市地表熱環(huán)境多時期遙感研究[J].中國環(huán)境科學(xué),2011,31(7):1143-1151.

[16] 覃志豪, Minghua Z, Karnieli A, et al. 用陸地衛(wèi)星TM6數(shù)據(jù)演算地表溫度的單窗算法[J].地理學(xué)報,2001,56(4):456-466.

[17] Jiménez-Muoz J C, Sobrino J A. A generalized single-channel method for retrieving land surface temperature from remote sensing data[J]. Journal of Geophysical Research,2003,108(D22):ACL2.1-ACL2.9.

[18] 樊輝.基于LandsatTM熱紅外波段反演地表溫度的算法對比分析[J].遙感信息,2009(1):36-40.

[19] 杜嘉,張柏,宋開山,等.基于Landsat-5TM的洪河濕地地表溫度估算方法對比研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2009,24(3):312-319.

[20] 葉智威,覃志豪,宮輝力.洪澤湖區(qū)的LandsatTM6地表溫度遙感反演和空間差異分析[J].首都師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,30(1):88-95.

[21] 王情,張廣錄,王曉磊,等.基于RS和GIS的城市熱島效應(yīng)分析:以石家莊市為例[J].世界科技研究與發(fā)展,2008,30(3):320-323.

[22] 覃志豪,李文娟,徐斌,等.利用LandsatTM6反演地表溫度所需地表輻射率參數(shù)的估計方法[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2005,22(B10):129-137.

[23] 劉朝順,高煒,高志強(qiáng),等.基于ETM+遙感影像反演不同土地利用類型地表溫度的研究[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報,2008,31(4):503-510.

[24] 孫紅雨,李兵.中國地表植被覆蓋變化及其與氣候因子關(guān)系[J].遙感學(xué)報,1998,2(3):204-210.

[25] 周兆葉,儲少林,王志偉,等.基于NDVI的植被覆蓋度的變化分析:以甘肅省張掖市甘州區(qū)為例[J].草業(yè)科學(xué),2009,25(12):23-29.

[26] 李建輝,周啟剛,陳倩,等.基于RS和GIS的建設(shè)用地變化研究:以重慶市主城九區(qū)為例[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,29(1):76-81.

[27] 潘竟虎,劉春雨,李曉雪.基于混合光譜分解的蘭州城市熱島與下墊面空間關(guān)系分析[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2009,24(4):462-468.

[28] 陳峰,何報寅,龍占勇,等.利用LandsatETM+分析城市熱島與下墊面的空間分布關(guān)系[J].國土資源遙感,2008,20(2):56-61.

[29] 張浩,王祥榮.城市綠地的三維生態(tài)特征及其生態(tài)功能[J].中國環(huán)境科學(xué),2001,21(2):101-104.

ResearchonTemporalandSpatialChangesofLandThermalEnvironmentBasedonLandsatTMinChongqingMetropolitanArea

CHEN Qian, ZHOU Qi-gang, JIN Ya-mei

(SchoolofTourismandLandResources,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China)

With the speedup of the urbanization and economic, a series changes of urban structure happened, which had a great influence on urban ecological environment, particularly on the heat island effect. Chongqing metropolitan area was taken as study area, the three periods of TM images from 1988 to 2011 in summer were chosen as the basic data sources. Based on GIS and RS, land surface temperature was inversed by the single-window method. The temporal and spatial changes of land surface temperature, translation of heat island center and urban center were analyzed systematically in this paper. The relationship between urban thermal environment, urban expansion and city underlying surface were investigated. The results indicate that there are obvious distributions of land surface temperature from 1998 to 2011 and regional temperature increased. The effects of thermal environment become serious. The heat center has highly consistency with migration of urban center. The intensity of thermal environment effects has positive correlation with distribution of construction, but has negative correlation with distribution of vegetation cover or water area. The results can provide references for improving effects of thermal environment and optimizing ecological environment of urban area.

urban thermal environment; generalized single channel method; construction expansion; underlying surface; Chongqing metropolitan area

2013-12-02

：2014-01-22

國家自然基金(41101503)；國家社科基金重大項目(11&ZD161)

陳倩(1989—),女,重慶人,碩士研究生,主要研究方向為3S技術(shù)應(yīng)用及土地資源管理。E-mail:66156132cxp@163.com

周啟剛(1976—),男,重慶銅梁人,博士,副教授,主要從事3S理論與應(yīng)用和土地資源管理。E-mail:zqg1050@126.com

X144

：A

：1005-3409(2014)06-0084-06