王福海, 馬澤忠,2, 向敬華, 焦 歡

(1.重慶工商大學(xué) 旅游與國土資源學(xué)院, 重慶 400067; 2.重慶市國土資源和房屋勘測規(guī)劃院,重慶 400021; 3.重慶市石柱縣國土資源和房屋管理局, 重慶 409100)

基于TM的重慶山地都市區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展與地表特征參數(shù)時空變化研究

王福海1, 馬澤忠1,2, 向敬華3, 焦 歡1

(1.重慶工商大學(xué) 旅游與國土資源學(xué)院, 重慶 400067; 2.重慶市國土資源和房屋勘測規(guī)劃院,重慶 400021; 3.重慶市石柱縣國土資源和房屋管理局, 重慶 409100)

近年來隨著城市建設(shè)用地的不斷擴(kuò)展，城市生態(tài)環(huán)境問題越來越突出，因此,進(jìn)行建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對地表特征參數(shù)的影響研究顯得十分重要。以重慶都市區(qū)為研究對象，采用1988，2000，2011年 LandsatTM遙感數(shù)據(jù)和1∶50 000DEM數(shù)據(jù)，基于人機(jī)交互解譯和定量遙感技術(shù)相結(jié)合的方法，提取了土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和三個地表特征參數(shù)：地表溫度、NDVI、土壤濕度，并分析建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對地表特征參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：從1988—2011年，重慶都市區(qū)建設(shè)用地主要向西部和北部擴(kuò)展，地表溫度中的高溫區(qū)主要向北遷移，NDVI和土壤濕度在建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的區(qū)域呈下降趨勢；城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展與地表特征參數(shù)的變化趨勢呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，其中，建設(shè)用地的擴(kuò)展與熱環(huán)境呈正相關(guān)且在擴(kuò)展方向具有高度的一致性，與NDVI和土壤濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究成果旨在為改善城市地表熱環(huán)境效應(yīng)、優(yōu)化城市生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)與參考。

建設(shè)用地?cái)U(kuò)展; 地表特征參數(shù); 重慶都市區(qū); TM

當(dāng)城市規(guī)模發(fā)展到一定程度，由于其下墊面的變化，會對地表特征參數(shù)產(chǎn)生影響[1-2]。隨著我國城市化的加快，城市規(guī)模越來越大，對建設(shè)用地?cái)U(kuò)展與地表特征參數(shù)的時空變化進(jìn)行研究具有理論與實(shí)踐意義[3-4]。目前，有關(guān)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對地表特征參數(shù)的影響研究已取得一定成果，主要集中在減少用地?cái)U(kuò)展對地表熱環(huán)境、植被覆蓋、土壤濕度和土壤侵蝕等單一地表參數(shù)的影響研究，對多參數(shù)的影響研究相對缺乏[5]；同時，在研究區(qū)域上，主要集中于東部和沿海城市，對典型山地組團(tuán)狀城市的研究較少[6]。

遙感技術(shù)是快速獲取地表特征參數(shù)的重要手段，目前的研究中可以從CBERS、SPOT、Modis和TM等遙感數(shù)據(jù)獲取這些地表特征參數(shù)[7]。基于TM數(shù)據(jù)的高光譜特性，能快速、準(zhǔn)確地反演多種1∶100 000地表特征參數(shù)[8]。

本文以重慶都市區(qū)為研究對象，采用1988，2000，2011年 LandsatTM遙感數(shù)據(jù)和重慶都市區(qū)25 m×25 m的DEM數(shù)據(jù)，在RS與GIS技術(shù)的支撐下，提取建設(shè)用地?cái)U(kuò)展數(shù)據(jù)和地表溫度、NDVI、土壤濕度地表特征參數(shù)，分析建設(shè)用地?cái)U(kuò)展與地表特征參數(shù)的時空變化過程，以及兩者變化過程中的相關(guān)性，并揭示建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對地表特征參數(shù)影響過程。研究成果可以為城市生態(tài)保護(hù)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

重慶位于四川盆地的東南部，長江的上游，與湖北、湖南、貴州、四川、陜西等省接壤，地跨東經(jīng)105°11′—110°11′、北緯28°10′—32°13′的四川盆地與長江中下游平原的過渡地帶。轄區(qū)總面積為8.24萬km2，屬于中國面積最大的內(nèi)陸城市。有長江和嘉陵江兩江流經(jīng)區(qū)內(nèi)，氣候濕潤溫和。其都市區(qū)主要包括重慶主城九區(qū)，即：渝中區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)、南岸區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、北碚區(qū)、渝北區(qū)、巴南區(qū)；主要分布在長江沿線，四面環(huán)山，以丘陵，低山為主，地形起伏較大，平均高程為400 m。研究區(qū)總面積為5 465 km2，占全市總面積的6.63%，截止2011年常駐人口為772.31萬人；研究區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有氣溫高，日照少，雨季長，濕度大，云霧多，霜雪少，蒸發(fā)量和空氣濕度大，風(fēng)速小，無霜期長等氣候特點(diǎn)，全年平均氣溫18℃，7—8月最熱，35℃以上高溫天氣多達(dá)30～40 d，最多達(dá)68 d，絕對高溫溫值44℃，極端低溫為零下2℃，無霜期310 d以上。平均霧日70 d，最多達(dá)148 d。年降雨量1 100～1 400 mm，四季變化特點(diǎn)是春早，夏熱，秋雨，冬暖。研究區(qū)從南北面向長江嘉陵江河谷傾斜，起伏較大，呈現(xiàn)“一山一槽二嶺”的自然景觀，是典型的特大山地城市。

重慶市作為年輕的直轄市，是西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心之一，對于帶動西南片區(qū)經(jīng)濟(jì)飛速的發(fā)展具有重要的作用。重慶市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快，建設(shè)用地?cái)U(kuò)展進(jìn)一步加快，城市生態(tài)環(huán)境問題日益突出。選取重慶山地都市區(qū)作為研究對象，對于城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展與地表特征參數(shù)的影響研究具有理論與實(shí)踐意義。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究主要采用1988，2000，2011年三期LandsatTM遙感數(shù)據(jù)作為影像數(shù)據(jù)源，所有影像數(shù)據(jù)采用Albers投影，中央經(jīng)線為東經(jīng)105°，雙標(biāo)準(zhǔn)緯線分別為北緯25°和47°。LandsatTM影像數(shù)據(jù)1，2，3，4，5，7波段的空間分辨率均為30 m，6波段分辨率為120 m(表1)。

表1 Landsat TM影像數(shù)據(jù)源

2.2 研究方法

2.2.1 城市建設(shè)用地提取 城市建設(shè)用地的準(zhǔn)確提取是本研究進(jìn)行的前提條件，利用1988，2000，2011年 LandsatTM遙感數(shù)據(jù)，通過人機(jī)交互提取研究區(qū)建設(shè)用地信息，確定出重慶都市區(qū)1988，2000，2011年建設(shè)用地范圍。

2.2.2 歸一化植被指數(shù)反演 對于Landsat TM數(shù)據(jù)而言，歸一化植被指數(shù)通?？杀硎緸椋?/p>

(1)

式中：R3和R4——分別是TM影像波段3和波段4的行星反照率。

利用公式(1)，可反演出1988，2000，2010年的歸一化植被指數(shù)，再根據(jù)自然斷點(diǎn)分級的方法將標(biāo)準(zhǔn)化后的歸一化植被指數(shù)分為低NDVI區(qū)域、較低NDVI區(qū)域、中NDVI區(qū)域、較高NDVI區(qū)域和高NDVI區(qū)域。利用式(2)可得到1988—2000年和2000—2011年研究區(qū)歸一化植被指數(shù)變化分布圖。

NDVIc=NDVIn-NDVIn-1

(2)

式中：NDVIc——前后兩個目標(biāo)年份之間的NDVI變化值；NDVIn——n年份研究區(qū)的NDVI值；NDVIn-1——前一個年份研究區(qū)的NDVI值。

(3)

(4)

(5)

根據(jù)公式(3)、(4)和(5)，可以對重慶都市區(qū)不同研究時段內(nèi)的植被覆蓋情況進(jìn)行總體分析。

2.2.3 地表溫度反演 對于TM數(shù)據(jù)的熱紅外波段來說，通常像元的亮度值越大，陸面溫度越高。研究采用單窗算法計(jì)算像元亮度溫度值[9]，從而獲取重慶都市區(qū)亮度、溫度分布專題圖和相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。利用TM6計(jì)算亮度溫度的過程就是把圖像灰度值(DN值)先轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度值，然后再利用熱輻射強(qiáng)度值推算出所對應(yīng)的亮度溫度值[11-12]。

L(λ)=0.1238+0.005632156QDN

(6)

式中：L(λ)——TM傳感器接收到的輻射強(qiáng)度 ；QDN——圖像像元的DN值。

(7)

式中：T6——TM6的像元亮度溫度；K1，K2——常量：K1=60.776 mW/(cm2·sr·μm)，K2=1260.56。

2.2.4 地表特征參數(shù)中心模型模擬 本研究通過對地表特征參數(shù)反演的結(jié)果設(shè)置一個閾值，提取地表特征參數(shù)中心范圍。首先以Landsat TM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，再分別反演1988，2000，2011年地表特征參數(shù)。其具體的判定模型如下所示：

ROIi∈HI(LSTROI>(LSTmean+Std))

(8)

式中：ROIi——研究區(qū)中某一興趣區(qū)；HI——地表中心區(qū)域；LSTROI——興趣區(qū)的平均地表特征參數(shù)值；LSTmean——計(jì)算地表特征參數(shù)平均值；Std——地表特征參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。并根據(jù)如下公式計(jì)算出地表特征參數(shù)重心[13]：

(9)

2.2.5 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布變化，其研究的計(jì)算模型如下[14]：

(10)

(11)

式中：X，Y——某時期建設(shè)用地重心的X,Y坐標(biāo)值；ti+1-ti分——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。

2.2.6 土壤濕度反演 土壤濕度指數(shù)是反映土壤中水分含量和作物水分狀況的一個指標(biāo)，土壤濕度也是各類生態(tài)系統(tǒng)中的重要因素之一。土壤濕度指數(shù)可用纓帽變換的濕度分量TC3或土壤濕度指數(shù)求取[15]，其公式為：

(12)

式中：TM2和TM5——TM影像的第2波段圖像第5波段圖像的亮度值。

3 結(jié)果與分析

3.1 重慶山地都市區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展分析

通過對重慶都市區(qū)的建設(shè)用地進(jìn)行分析，得出重慶都市區(qū)建設(shè)用地的擴(kuò)展的趨勢，從表2可知，重慶都市區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的趨勢呈現(xiàn)外延式和多核心擴(kuò)展。其中，重慶都市區(qū)各區(qū)均以建制鎮(zhèn)為中心向外擴(kuò)展，同時部分區(qū)域沿長江和嘉陵江兩岸擴(kuò)展。由于縉云山、中梁山、銅鑼山和明月山橫貫于重慶都市區(qū)，跳躍式的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展方式也是重慶都市區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的一個重要類型。

表2 重慶都市區(qū)建設(shè)用地面積表統(tǒng)計(jì)

重慶都市區(qū)1988—2011年，建設(shè)用地?cái)U(kuò)展在時間上呈現(xiàn)明顯的階段性，空間上呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異性。其中，1988—2000年間的城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展面積和擴(kuò)展速度明顯低于2000—2011年，這跟2000—2011年經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市人口的增長是緊密相連的。其中在1988—2000年間，江北區(qū)和九龍坡區(qū)是建設(shè)用地?cái)U(kuò)展最為迅速的區(qū)域，特別是緊靠渝中區(qū)的區(qū)域；而在2000—2011年間，各個區(qū)縣的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展都很迅速，其中渝北區(qū)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展尤為明顯，這主要是由于兩江新區(qū)的成立與發(fā)展導(dǎo)致渝北區(qū)建設(shè)用地快速擴(kuò)展。

總體而言，重慶都市區(qū)建設(shè)用地以渝中區(qū)為中心，沿著東北和東南方向向四周擴(kuò)展，其中2000年以來，渝北區(qū)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展趨勢最為明顯。

3.2 地表特征參數(shù)的變化分析

3.2.1 地表溫度變化分析 利用公式(6)和(7)，對重慶都市區(qū)1988年、2000年和2011年地表溫度進(jìn)行反演，獲得三個年份地表溫度分布圖(附圖3)，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，這種差異隨時間而改變并呈現(xiàn)出一定規(guī)律性。

從空間分布來看，重慶都市區(qū)的中高溫區(qū)分布范圍逐年擴(kuò)大。高溫區(qū)的分布較為集中，主要以渝中區(qū)以及各區(qū)的建成區(qū)所在區(qū)域?yàn)榉植贾行?；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)主要分布在長江與嘉陵江流域以及森林覆蓋率較高的四條山脈：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。

從時間序列上看，地表溫度隨時間而發(fā)生改變，呈現(xiàn)出一定的階段性與規(guī)律性。總體而言，1988—2011年間中高溫區(qū)空間分布范圍逐年擴(kuò)大，主要以渝中區(qū)為中心向西南和東北方向逐年擴(kuò)張，特別是2011年在城市新擴(kuò)展的區(qū)域(兩江新區(qū)以及南岸茶園新區(qū))出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)。其中，1988—2000年高溫區(qū)空間分布主要集中在重慶市嘉陵江和長江交匯地帶，在此期間，重慶都市區(qū)的高溫區(qū)域呈現(xiàn)下降趨勢，但渝北區(qū)西南部和沙坪壩北部出現(xiàn)了較為明顯的新的熱中心；在2000—2011年期間，高溫區(qū)分布范圍呈現(xiàn)明顯上升趨勢。從中溫區(qū)分布看，1988—2000年間，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—2011年期間處于快速發(fā)展階段。低溫區(qū)分布范圍呈波動式變化，1988—2000年期間，低溫區(qū)分布范圍減少；2000—2011年期間，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)。

由以上分析可以看出，重慶都市區(qū)在1988—2011年間，城市熱環(huán)境問題日益凸顯、呈現(xiàn)出熱島效應(yīng)。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，隨著研究區(qū)的中高溫度區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，熱島效應(yīng)嚴(yán)重加劇且有繼續(xù)惡化的趨勢，會對人們的日常生活造成極大的影響。

3.2.2 NDVI變化分析 附圖4表示不同年份NDIV分布，可以看出，重慶都市區(qū)NDVI分布在空間上呈明顯的差異性，這種差異隨時間的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在水平空間分布上，重慶都市區(qū)低NDVI的區(qū)域面積總體呈現(xiàn)增加的趨勢。此外，低NDVI的區(qū)域主要集中在長江嘉陵江流域和建設(shè)用地集中分布區(qū)及其周邊自然植被或園地的交接地帶，少量分布在一些大型基礎(chǔ)設(shè)施所在地。

在垂直空間分布上，重慶市山地丘陵區(qū)的NDVI與較平坦地區(qū)的NDVI呈現(xiàn)出明顯的垂直地帶性。在山地丘陵地區(qū)，植被覆蓋率保持相對穩(wěn)定，且海拔越高，植被覆蓋率越高。這主要是由兩個方面的原因造成的，一方面是由于高海拔地區(qū)地勢陡峭，不利于土地的開發(fā)和利用；另一方面，都市區(qū)各大山脈都劃入了限制建設(shè)區(qū)或禁止建設(shè)區(qū)，使植被得以較好的保護(hù)。地勢平緩區(qū)域?yàn)槿祟惢顒雍徒ㄔO(shè)用地?cái)U(kuò)展的主要區(qū)域，是植被覆蓋率變化最大的區(qū)域，說明建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對農(nóng)田和園地的大規(guī)模替代能顯著改變地表植被的覆蓋狀況。重慶都市區(qū)NDVI分布在時間上呈現(xiàn)出明顯的階段性。從1988—2011年，低NDVI值的區(qū)域面積逐漸擴(kuò)大，特別是渝北區(qū)、南岸區(qū)、九龍坡區(qū)、北碚區(qū)和巴南區(qū)增速最快。這主要是由于直轄以來，這幾個區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，建設(shè)用地面積急劇增加，城市綠化的速度跟不上建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的速度，導(dǎo)致低NVDI區(qū)域面積不斷增加。1988—2011年，高NDVI區(qū)域基本保持穩(wěn)定，只有局部區(qū)域產(chǎn)生變化。

附圖2表示不同時段NDVI分布，可以看出重慶都市區(qū)NDVI值在行政區(qū)域上的分布呈現(xiàn)明顯的差異性。1988—2000年間，巴南區(qū)和北碚區(qū)的NDVI無顯著變化區(qū)域面積較大，說明這兩個區(qū)植被保護(hù)較好；渝北區(qū)、江北區(qū)和南岸區(qū)呈負(fù)向變化的面積比較大，表明這幾個區(qū)的植被覆蓋度呈逐步退化的狀態(tài)，這與建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的趨勢基本一致；九龍坡區(qū)、沙坪壩區(qū)、大渡口區(qū)和渝中區(qū)NDVI呈正向變化，這說明這幾個區(qū)的植被覆蓋呈逐步恢復(fù)的狀態(tài)。2000—2011年間，巴南區(qū)和北碚區(qū)的NDVI無顯著變化的區(qū)域面積比重大致相同；渝中區(qū)、九龍坡區(qū)、沙坪壩區(qū)和大渡口區(qū)NDVI未發(fā)生明顯變化的區(qū)域比重加大，這說明這幾個區(qū)的植被覆蓋率已經(jīng)趨于穩(wěn)定；渝北區(qū)和南岸區(qū)則表現(xiàn)為顯著的負(fù)向變化，說明這兩個區(qū)的植被覆蓋率正在下降。

都市區(qū)城市外圍植被覆蓋負(fù)向變化的集中分布區(qū)幾乎相同，主要分布在大型基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)區(qū)和物流區(qū)所在地，其中，由于大型工業(yè)區(qū)多數(shù)分布在都市區(qū)城市外圍，導(dǎo)致都市區(qū)的城鄉(xiāng)過渡帶成為植被顯著負(fù)向變化的集中分布區(qū)之一?？傊?，不同區(qū)域植被面積的比重和低綠化覆蓋率的建設(shè)用地面積比重，是導(dǎo)致都市區(qū)外圍NDVI顯著正、負(fù)向變化的主要原因。

3.2.3 土壤濕度變化分析 從總體而言，重慶都市區(qū)土壤濕度在不同時間節(jié)點(diǎn)上的空間分布呈現(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。重慶都市區(qū)的土壤濕度逐年降低，但在1988—2000年間，縉云山、中梁山、銅鑼山和明月山為主的四條山脈的土壤濕度則有少量升高的趨勢；在2000—2011年間，整個重慶都市區(qū)的土壤濕度呈現(xiàn)總體下降的趨勢。從土壤濕度的空間分布情況分析，都市區(qū)建成區(qū)的土壤濕度較低，都市區(qū)各大山脈(縉云山、中梁山、銅鑼山和明月山)的土壤濕度較高(附圖5)。

從時間序列上看，重慶都市區(qū)土壤濕度隨時間而發(fā)生變化，且表現(xiàn)出一定的階段性與規(guī)律性。從總體上來分析，1988—2011年間低土壤濕度的區(qū)域分布范圍逐年擴(kuò)大，主要以渝中區(qū)為中心向北方逐年擴(kuò)展，在1988年到2000年間，渝北區(qū)和大渡口區(qū)的土壤濕度明顯降低，而渝中區(qū)的土壤濕度變化不大，這是由于渝中區(qū)已經(jīng)達(dá)到了完全城鎮(zhèn)化，建設(shè)用地沒有繼續(xù)擴(kuò)展的空間。在2000—2011年間，城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展迅速，低土壤濕度的區(qū)域面積增長很快，在主城九區(qū)中沙坪壩區(qū)、江北區(qū)和渝北區(qū)尤為明顯，沙坪壩區(qū)由于大學(xué)城的新建使得這一區(qū)域的濕度降低顯著；而江北區(qū)和渝北區(qū)由于兩江新區(qū)的新建致使土壤濕度的降低也十分明顯。但是渝中區(qū)、九龍坡區(qū)和渝中區(qū)接壤區(qū)域的土壤濕度則有輕微上升的趨勢，這主要是源于重慶市政府在全市的城市綠化建設(shè)的顯著成果。

3.3 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對地表特征參數(shù)變化影響分析

3.3.1 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對地表溫度影響分析 通過公式(7)，(8)和(9)獲取城市建設(shè)用地與城市熱島重心的坐標(biāo)及分布圖，如圖1所示。從圖可以看出，1988—2011年間建設(shè)用地重心與城市熱重心都有較大的遷移且在方向上有高度的一致性，總體上兩者的重心均向都市區(qū)的東北方向遷移。1988—2000年，建設(shè)用地重心向西偏移且偏移距離較小，而熱重心向東北方向偏移且偏移的距離較大；2000—2011年間，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，熱重心仍然向北偏移且偏移量仍較大。

重慶都市區(qū)建設(shè)用地?cái)U(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。建設(shè)用地?cái)U(kuò)展方向和熱重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，且建設(shè)用地?cái)U(kuò)展與熱重心偏移密切相關(guān)。因此熱重心的偏移方向也是以“北移”為主，與建設(shè)用地的擴(kuò)展方向基本一致。

3.3.2 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對NDVI影響分析 以上分析可以看出，重慶都市區(qū)NDVI分布在時空上變化明顯，這種變化和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。對都市區(qū)3個時間點(diǎn)數(shù)據(jù)中的低植被覆蓋率面積與建設(shè)用地面積，低植被覆蓋區(qū)域的重心與建設(shè)用地重心進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3和圖2所示：

從表2和表3可以看出，重慶都市區(qū)低植被覆蓋區(qū)面積在1988—2000年間增幅較小，而2000—2011年間增幅較大；重慶都市區(qū)的建設(shè)用地面積在1988—2000年間的增幅同樣較小，且2000—2011年的增幅較大；其中低植被覆蓋區(qū)域在2000—2011年的增幅達(dá)到1988—2000年增幅的5倍，而建設(shè)用地在2000—2011年的面積增幅是1988—2000年的3倍。就數(shù)量上而言，建設(shè)用地的擴(kuò)展與NDVI的變化有著明顯的相關(guān)性。

從圖2中建設(shè)用地重心和低植被覆蓋區(qū)域重心的遷移情況分析可以看出，1988—2011年間建設(shè)用地的重心與低植被覆蓋區(qū)域重心的遷移的趨勢呈顯著的一致性，總體上兩者的重心向都市區(qū)的東北方向遷移。在1988—2000年間，建設(shè)用地重心點(diǎn)向西偏移且偏移距離較小，植被覆蓋區(qū)域的重心向北方向偏移且偏移的距離較小，在這段時間，重慶市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展還處于起步階段，建設(shè)用地的擴(kuò)展還比較緩慢，由于低植被覆蓋區(qū)域包括水域，因此這個階段兩者的相關(guān)性并不明顯；2000—2011年，重慶都市區(qū)城市建設(shè)的加快，建設(shè)用地重心急劇向東北偏移，低植被覆蓋區(qū)域的重心向東北方向偏移十分顯著，在這個階段兩者之間的相關(guān)性十分突出。

圖2 建設(shè)用地和低植被覆蓋區(qū)重心點(diǎn)坐標(biāo)

由以上分析可以得出，重慶都市區(qū)近23 a來建設(shè)用地?cái)U(kuò)展方向以及低植被覆蓋區(qū)域擴(kuò)展均向東北方向擴(kuò)展，尤其是自2000年后，低植被覆蓋區(qū)域面積的增加幅度與建設(shè)用地面積擴(kuò)展幅度呈明顯的正相關(guān)。城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展方向與NDVI在規(guī)模、方向和趨勢上都呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。

3.3.3 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對土壤濕度影響分析 對土壤濕度和建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提取重慶都市區(qū)偏干旱區(qū)域，并進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，獲取偏干旱區(qū)域的重心的變化趨勢，如表4和圖3所示。

由表2和表4可知，偏干旱區(qū)域的面積總體上是呈明顯的上升趨勢，其中1988—2000年間由于重慶都市區(qū)的發(fā)展還處于發(fā)展的初期，其偏干旱區(qū)域面積的增長率為23%，而2000—2011年間，由于城市化發(fā)展迅速，這一階段的偏干旱區(qū)域面積的增長較為迅速。這與上述城市建設(shè)用地增長、地表溫度、NDVI指數(shù)都有著明顯的相關(guān)性，且保持高度的一致性。

表4 重慶都市區(qū)偏干旱區(qū)面積統(tǒng)計(jì)

從圖3中建設(shè)用地重心和偏干旱區(qū)域重心的遷移情況分析可以看出，在1988—2011年間建設(shè)用地的重心與偏干旱區(qū)域重心的遷移趨勢呈現(xiàn)一致性，總體上兩者的重心向都市區(qū)的東北方向遷移，與地表高溫區(qū)和低植被覆蓋區(qū)的遷移趨勢也是一致的。在1988—2011年間，偏干旱區(qū)的重心遷移距離在1988—2000年和2000—2011年是較為均勻的。其中在1988—2000年間，建設(shè)用地和偏干旱區(qū)域的遷移方向呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，這由于這段時間，重慶市剛剛經(jīng)歷了直轄，在城市的建設(shè)上才處于起步階段。在2000—2011年間，城市建設(shè)用地重心遷移方向與偏干旱區(qū)的遷移方向呈明顯的正相關(guān)，均向東北方向遷移。

圖3 建設(shè)用地和偏干旱區(qū)重心坐標(biāo)分布

由以上分析可以得出，重慶都市區(qū)近23 a來建設(shè)用地?cái)U(kuò)展方向以及偏干旱區(qū)域擴(kuò)展均向東北方向擴(kuò)展。偏干旱區(qū)的擴(kuò)展方向與建設(shè)用地、地表高溫區(qū)和低植被覆蓋區(qū)都具有一定的同向性，而且就變化數(shù)量上也呈明顯的一致性。城市建設(shè)用地的擴(kuò)展與土壤濕度的變化呈明顯的相關(guān)性，且保持高度的一致性。

綜上所述，建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對于地表特征參數(shù)變化關(guān)系十分顯著，建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的方向與地表特征參數(shù)變化區(qū)域的擴(kuò)散方向是大體一致的，而且城市新增建設(shè)用地區(qū)域的地表特征參數(shù)的變化是最為明顯的。

4 結(jié) 論

本文基于RS和GIS技術(shù)，采用定量遙感的方法對重慶都市區(qū)1988—2011年的地表溫度、NDVI和土壤濕度進(jìn)行反演，并對重慶都市區(qū)的地表溫度、NDVI和土壤濕度的時空分布差異、重心的遷移、城市建設(shè)用地重心遷移進(jìn)行分析，探討建設(shè)用地?cái)U(kuò)展與地表特征參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系。

(1) 在1988—2011年，重慶都市區(qū)中高溫區(qū)空間分布范圍逐年擴(kuò)大，主要以渝中區(qū)為中心向西南和東北方向逐年擴(kuò)張，與都市區(qū)建設(shè)用地的擴(kuò)展方向基本一致，這表明重慶都市區(qū)地表溫度的變化與城市發(fā)展密切相關(guān)，且都市區(qū)熱環(huán)境問題日益凸顯；

(2) 在1988—2011年，重慶都市區(qū)低NDVI區(qū)域分布在時空上呈現(xiàn)出明顯的階段性與差異性，低NDVI區(qū)域面積逐年擴(kuò)大；在不同的海拔高度上呈現(xiàn)出明顯的垂直地帶性，海拔越高，NDVI越大；

(3) 在1988—2011年，重慶都市區(qū)低土壤濕度區(qū)域面積逐年擴(kuò)大且主要沿東北方向擴(kuò)展。都市區(qū)各大山脈和長江嘉陵江流域土壤濕度較穩(wěn)定；

(4) 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展是影響地表特征參數(shù)的重要因素。建設(shè)用地?cái)U(kuò)展與中高溫區(qū)擴(kuò)展方向呈正相關(guān)性，隨著建設(shè)用地的環(huán)狀擴(kuò)展，地表的高、中、低溫的區(qū)域呈明顯的環(huán)狀分布；建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的趨勢與植被覆蓋度的擴(kuò)展方向具有反向性，其中新增建設(shè)用地范圍的NDVI變化是最為明顯的，隨著建設(shè)用地的環(huán)狀擴(kuò)展，NDVI降低的區(qū)域呈明顯的環(huán)狀分布；建設(shè)用地的擴(kuò)展范圍內(nèi)的土壤濕度不斷降低，且建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的方向與土壤濕度降低的區(qū)域擴(kuò)展方向具有明顯的一致性。

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Temporal-spatialVariationoftheLandExpansionandtheGroundSurfaceParametersinUrbanAreaofChongqingMountainBasedonTM

WANG Fu-hai1, MA Ze-zhong1,2, XIANG Jing-hua3, JIAO Huan1

(1.SchoolofTourismandLandResources,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China; 2.ChongqingInstituteofSurveyingandPlanningforLand,Chongqing400020,China; 3.ShizhuTujiaAutonomousCountyLandandResourcesandHouseingAuthority,Chongqing409100,China)

Along with the urban construction land expanded in recent years, Urban ecological environment has been becoming an outstanding problem. Therefore, the study on the construction land expansion effects on surface characteristic parameter is very important. This paper took the main urban district of Chongqing as research site. By using 1988, 2000, 1988 LandsatTM 1∶50 000 DEM data and remote sensing data, and based on the method of man-machine interactive interpretation and the technology of quantitative remote sense, the data of land use status and three surface characteristic parameters—land surface temperature, NDVI, soil moisture were obtained, and the influence of the urban construction land expansion characteristic parameters on the surface was analyzed.The results show that: from the 1988—2011, the construction land of the main urban district of Chongqing was mainly expand to the west and north, the high surface temperature has mainly migrated towards to north, NDVI and soil moisture in the area of construction land expansion declined; correlation bwtween the urban construction land expansion and the change trend of surface characteristic parameters was obvious, the positive correlation between thermal environment was significant, and the expansion of construction land was highly consistent with the extension direction, and the relationship between NDVI, soil moisture and the expansion of construction land was negatively correlated. The results can provide the scientific basis and reference for improving urban surface thermal environment effect, optimize the urban ecological environment.

expansion of construction land; terrestrial parameter; main district of Chongqing; TM

2013-08-15

：2013-10-22

國家自然基金項(xiàng)目(41101503);國家社科基金重大項(xiàng)目(11&ZD161)

王福海(1986—),男,重慶人,在讀碩士生,主要研究3S理論與應(yīng)用。E-mail:156938517@qq.com

馬澤忠(1973—),男(土家族),重慶人,教授級高工,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究3S理論與應(yīng)用。E-mail:mazezhong@yahoo.com.cn

F301.2

：A

：1005-3409(2014)04-0107-07