山東建筑大學 朱杉杉

城市高度集中著人們商業(yè)、工業(yè)、交通等空間，大量的自然地表被硬化，人類生產生活排放了大量熱量在城市中心揮散不去，使得城市中心的氣溫高于城市周邊地區(qū)，這一現(xiàn)象即城市熱島效應。近些年，城市熱島效應問題日益突出，嚴重影響著城市人居環(huán)境的高質量發(fā)展。熱紅外遙感能獲取地面的熱源現(xiàn)象，隨著熱遙感影像的技術發(fā)展，學者們開始探索城市熱島的影響因素與作用機制，城市的生態(tài)用地與綠色景觀是降溫的一大“利器”，本文以此為出發(fā)點探索生態(tài)空間格局對熱島的影響，希望通過此次研究能夠幫助濟南打造高品質生活空間。

近年來，許多學者開始剖析城市熱島格局與生態(tài)空間格局之間的關系。李樂等[1]利用提取的杭州市區(qū)的建筑用地信息與植被信息，研究其與地表溫度的關系。劉文淵等[2]采用從ETM+影像中提取的不透水面、植被和水體，研究了不同地表類型與地表溫度的關系。袁振等[3]利用從TMSPOT影像中提取的地表溫度與城市綠地斑塊，定量研究了城市綠地對地溫空間格局的影響。王琳等[4]利用從Landsat8影像中提取的地表溫度及其他城市生態(tài)參數(shù)，研究福州市熱環(huán)境的變遷及其形成的原因與驅動力。然而，目前的研究僅限于探討景觀組成[5]或空間分布[6]對城市熱島的影響，較少考慮不同景觀組成與空間分布耦合形成的生態(tài)空間格局對城市熱島效應的影響。

濟南近年來城市用地與生態(tài)空間格局變化巨大，熱島效應問題日益明顯，成為“火爐”城市。本文以濟南市為研究對象，利用2013年與2019年的熱遙感影像數(shù)據剖析濟南市中心城區(qū)熱島的現(xiàn)狀與影響，借助fragstats對不同用地與生態(tài)空間格局進行定性、定量研究，希望通過此次研究有助于城鄉(xiāng)人居環(huán)境的改善。

一、研究區(qū)域與研究方法

（一）研究區(qū)域概況

此次研究區(qū)包含濟南市天橋、市中、歷城、槐蔭、歷下五個行政區(qū)，五區(qū)地處濟南市中心，包含北部城市中心區(qū)與南部山區(qū)，用地類型全面且豐富。

（二）地表溫度反演流程

本文基于大氣校正法，利用envi軟件反演地表溫度。首先，根據熱紅外輻射傳輸方程，通過普朗克定律反解出黑體等效輻射，具體反演步驟參考基于輻射傳輸方程的單窗算法地表溫度反演論文[7]，接著計算歸一化植被指數(shù)與地表發(fā)射率，結合大氣剖面參數(shù)計算同溫度下黑體輻射亮度，最終得出地表溫度。

（三）城市生態(tài)景觀指數(shù)的選取

生態(tài)景觀指數(shù)分為斑塊與景觀兩個層次水平。首先，利用生態(tài)景觀指數(shù)分析了生態(tài)景觀指數(shù)演變。隨后，分析了熱島效應與生態(tài)景觀指數(shù)的關系，以2.5km方形網格對研究區(qū)進行劃分，計算各網格生態(tài)景觀指數(shù)與地表溫度均值，選取10個網格樣本進行相關性分析。在Fragstats4.2中進行計算。

（四）數(shù)據來源與數(shù)據預處理

研究數(shù)據包括:（1）Landsat8遙感影像來源于美國地質勘探局官網。結合數(shù)據源選擇云層量小的數(shù)據，篩選出2013年7月24日與2019年5月22日影像作為研究。（2）研究輔助數(shù)據包括歷年土地變更狀況。土地利用數(shù)據來源于濟南市國土空間規(guī)劃課題組。

二、結果與分析

（一）濟南中心區(qū)地表溫度時空變化分析

由反演結果可知（圖1、圖2）2013年高溫區(qū)與較高溫區(qū)分布在市中區(qū)、歷下區(qū)等中心地帶為斑塊狀分布，南部山區(qū)、黃河兩岸沿線溫度最低，最低溫度為26攝氏度。2019年高溫區(qū)明顯向東發(fā)展，歷城區(qū)整體溫度升高，南部山區(qū)也出現(xiàn)了斑塊狀的高溫區(qū)域，2019年夏季溫度比2013年夏季溫度平均高1.8攝氏度。

圖1 2013年7月24日地表溫度數(shù)據（圖片來源于作者自繪）

圖2 2019年5月22日地表溫度數(shù)據（圖片來源于作者自繪）

（二）景觀類型地表溫度定量分析

城市熱島與用地類型密切相關，不同用地類型地表溫度按從高到低排列依次為:城市建設用地＞村莊建設用地＞裸地＞園地＞風景名勝區(qū)用地＞耕地＞林地＞鹽堿地＞草地＞水域。城市建設用地的平均溫度最高，其次為農村。農村建設用地一般與水澆地混合在一起，存在較多的農村宅基地與水澆地的混合像元，造成水澆地的平均氣溫僅次于建設用地。裸地的平均溫度僅次于建設用地，由于裸地由巖石、黃土地等構成，易于吸收熱量并反射熱量，所以溫度并不低。林地、園地的溫度稍低，其中，灌木覆蓋用地平均溫度高于林地。最低的為大面積的水面，如水庫水面、內陸灘涂等水利及水利設施用地。

（三）地表溫度與生態(tài)景觀格局的關系

1.景觀水平

在fragstats中進行生態(tài)景觀指數(shù)計算，選取具有代表性的指數(shù)。通過表1可知，在景觀層面上，PD（斑塊密度）、LSI（景觀形狀指數(shù)）LPI（最大斑塊指數(shù)）與城市高溫熱島空間有著顯著的相關性。PD用來表示景觀空間的分割性大小，它與城市熱環(huán)境空間有著巨大的關系，說明生態(tài)空間格局受人造要素的影響越大，其分割性越小，城市熱島空間便越不明顯。LSI與城市高溫熱島空間也有著顯著的相關性，說明生態(tài)空間格局的布局越碎片化、形態(tài)越不規(guī)則，城市熱島空間便會越明顯，反之，邊緣規(guī)整、方正的生態(tài)空間格局布局可以降低城市熱島效應。

表1 景觀層面格局與城市熱島空間指數(shù)

2.斑塊類型水平

由表2可知，城市與城鎮(zhèn)建設用地的斑塊類型面積、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、聚集度指數(shù)與城市熱島空間有著顯著的相關性，其景觀分割指數(shù)與城市高溫熱島空間負相關，表明6年來自然景觀地表被大量的硬化地表取代，導致城市高溫熱島效應加劇。水利與水利設施用地的斑塊類型面積、最大斑塊指數(shù)與城市熱島空間有顯著的負相關關系，表明水域尤其是大面積的水域可以緩解熱島空間效應。林地的最大斑塊指數(shù)與地表溫度呈現(xiàn)顯著負相關關系且相關性較高，說明面積較大、集中成片的林地可以降低地表溫度。裸地的面積在此研究中占比較小，暫不考慮。

表2 斑塊層面生態(tài)空間格局與城市熱島空間指數(shù)

三、結論

本文基于熱遙感數(shù)據，分析濟南市中心城區(qū)熱島兩年的時空變化關系，研究不同用地類型和生態(tài)空間格局的分析，結果表明：

（1）2013年至2019年，濟南中心城區(qū)的建設用地類型由最初的635.89km2擴張至674.95km2，增加了近6.15%；2013年林地、水體等綠地的面積高達1407.27km2，至2019年林地、水體等綠地的面積減少為1369.25km2。

（2）從時空關系上分析，2019年研究區(qū)域內的熱島空間占濟南中心城區(qū)的51.76%，遠高于2013年的39.89%，熱島區(qū)域擴大了將近三分之一。從空間上來看，2019年的熱島空間主要分布在歷城區(qū)，且熱島空間已延伸到南部山區(qū)。

（3）分析濟南市中心城區(qū)熱島演變，發(fā)現(xiàn)在斑塊類型水平上，濟南高溫熱島區(qū)域呈聚合、向東向南發(fā)展的趨勢。高溫熱島區(qū)域在生態(tài)空間格局中優(yōu)勢度上升，與此同時，濟南高溫區(qū)域斑塊間的連通指數(shù)增大。

（4）在景觀水平上，濟南高溫熱島區(qū)域形狀復雜程度下降，分割化程度下降，反映出高溫熱環(huán)境區(qū)域擴散明顯，斑塊間的均勻度上升。不同的用地類型對城市熱環(huán)境具有不同的貢獻度，城市建設用地越集中連片，城市熱島空間效應越顯著，而水庫水面、內陸灘涂等水利及水利設施用地則起到降溫的作用。

四、結束語

如今，人們愈發(fā)關注人居環(huán)境的高質量發(fā)展，如何進行空間治理來促進人居環(huán)境的改善是一個值得思考的問題。在未來城市建設中，應盡量將城市綠地集中連片布置，保證連片、成規(guī)模的林地與水體穩(wěn)步增長，做好對城市綠地、水域等景觀的規(guī)劃設計，促進濟南市的健康可持續(xù)發(fā)展。