饒 蓉，王 航

（韓山師范學院 地理科學與旅游學院，廣東 潮州 521041）

隨城市擴張，環(huán)境問題對人居環(huán)境造成的危害日益明顯.漸漸地，人們意識到適宜的人居環(huán)境必須要有水體、植被才能滿足人們休閑游憩的愿望［1］.城市綠色空間的提出是人居環(huán)境研究向成熟的表現(xiàn).綠色空間是一個由園林綠地、城市林地、三維空間綠化、都市農田和流域濕地等構成的綠色網(wǎng)絡系統(tǒng)［2］.借助于遙感影像動態(tài)監(jiān)測與提取綠色空間演變信息，是進行綠色空間研究的重要手段.隨研究深入，城市綠色空間對于區(qū)域地表溫度的效應研究成為一個重要方向.從最初的以熱紅外影像來分析大尺度區(qū)域熱環(huán)境變化規(guī)律與變化強度［3-4］，到利用無人機遙感研究小尺度的城市熱島中心熱環(huán)境影響因素分析［5］，綠色空間的“綠島效應”及其在人居環(huán)境中的應用價值得到學者們的一致認可［6］.大部分學者采用Landsat 系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取綠色空間數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù).陳燕紅等用Landsat 影像數(shù)據(jù)對福州主城區(qū)綠色空間演化過程的溫度效應進行了研究［7］.李婷婷結合GIS空間分析技術進行了重慶市主城區(qū)綠色空間時空演變及其生態(tài)環(huán)境效應的關聯(lián)性分析［8］.林濤等采用灰色關聯(lián)度分析法，研究了福州主城區(qū)2009-2017年城市綠色空間格局演變的生態(tài)效應［9］.

MODIS數(shù)據(jù)具有高光譜、高時間分辨率優(yōu)勢，為研究地表植被特征和地表溫度反演提供了數(shù)據(jù)基礎，尤其是搭載的EOS/PMODIS探測器，可每天2次對地觀測，所獲取的MOD11A2影像采用相對成熟的分裂窗算法獲取白天和黑夜的地表溫度.借助于MODIS數(shù)據(jù)，李韶穎等以湖北省地級市以上城市城區(qū)為研究對象，研究城鎮(zhèn)化建設與城區(qū)地表溫度效應［10］；Tomlinson 等利用MODIS 數(shù)據(jù)評估了英國伯明翰夏季UHI 對6 月至8 月白天和夜間差異的影響［11］.潘瑩等基于MOD11A2 及MCD12Q1 數(shù)據(jù)，采用均值-標準差法對重慶市的地表熱場進行了分類，再結合環(huán)境評估方法得到重慶市的熱環(huán)境時空特征［12］.王艷姣等利用MOD11A2數(shù)據(jù)，分析了重慶市夏季地表熱場分布情況，并對重慶市夏季地表熱場變化規(guī)律及成因進行了研究［13］.郄宇凡利用MOD11A1 地表溫度數(shù)據(jù)和MOD10A1 積雪反照率數(shù)據(jù)研究了近20年青藏高原冰川表面溫度與反照率時空變化特征［14］.

綜上所述，多數(shù)學者利用Landsat 影像或MODIS 數(shù)據(jù)對城市的下墊面土地利用類型、綠色空間分布特征、各城市地表溫度特征、綠色空間時空演化帶來的生態(tài)環(huán)境效應進行了大量研究，且大部分學者采用一類影像數(shù)據(jù)進行綠色空間信息提取，及地表溫度反演.需要指出的是，Landsat影像雖是中高空間分辨率，適宜于城市尺度綠色空間的研究，然則，其拍攝周期為16天，且影像質量極易受云、霧影響，對于瞬息變化的地表溫度研究而言，用Landsat 影像數(shù)據(jù)反演獲取的地表溫度數(shù)據(jù)，存在準確性不高和時效性差的特征.鑒于此，本文的地表溫度數(shù)據(jù)擬采用更高時間分辨率的MODIS11A2 影像獲取，并結合Landsat影像提取綠色空間和土地覆被數(shù)據(jù).在此基礎上，借助于GIS疊置分析、地統(tǒng)計分析方法進行綠色空間格局的內部結構分析，并聯(lián)合MODIS11A2 溫度反演數(shù)據(jù)，從已有研究鮮少關注的綠色空間演化過程切入，分析綠色空間時空演變對溫度的影響，探討城市熱島及冷島形成的原因和機制，以期為營造人類宜居城市、制定科學有效的緩解城市熱島方案提供借鑒.

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)介紹

重慶市位于中國內地西南部、長江上游地區(qū) （105°11′E-110°11′E、 28°10′N-32°13′N），北部、東部及南部分別有大巴山、巫山、武陵山、大婁山環(huán)繞，東西向有長江、嘉陵江橫貫其中，氣候為亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨.受大山大水雙重分割，片區(qū)內氣流不暢，極易形成下沉增溫，形成焚風效應，產生高溫天氣.

重慶市下轄23個市轄區(qū)、11個縣、4個自治縣，約2 991.4 萬人，是成渝城市群經(jīng)濟最活躍區(qū)域之一.近年來，重慶的城市化進程以每年大于1.43%的速度增長，城市人口密度也急劇增長［15］.隨著重慶市經(jīng)濟和文化的迅速發(fā)展，對城市環(huán)境質量的要求也越來越高.

1.2 數(shù)據(jù)來源

選 取2005 年、2015 年、2018 年、2020 年每年8 月的地表溫度8 天合成的MOD11A2 第6版產品影像，獲取行列號為h27v05、h27v06共計32景影像，其分辨率為1 km，所有MOD11A2數(shù)據(jù)均從NASA官方網(wǎng)站（http：//reverb.echo.nasa.gov/）下載.

采用2005 年、2015 年、2018 年、2020 年的重慶Landsat TM 土地利用遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率30 m，數(shù)據(jù)來自中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn/）.

1.3 數(shù)據(jù)預處理

1.3.1 土地利用/覆蓋分類法

借助于ENVI5.3 和ArcGIS10.2 平臺，對數(shù)據(jù)進行預處理和重分類，將研究區(qū)域的土地利用類型分為：林地、草地、耕地、建設用地、裸地及水體，分類情況見圖2.再基于以上六類進行柵格重分類，將土地利用類型進一步分類為綠色空間、建設用地、裸地、水體.

圖2 研究區(qū)土地利用類型變化圖

1.3.2 綠色空間演化過程的界定

使用ArcGIS 10.2 對4 年內的綠色主題地圖進行疊加分析和柵格重分類，得到2005-2015 年，2015-2018年，2018-2020年2005-2020年這4個時期綠色空間動態(tài)演化情況（圖3）.1.3.3 MODIS溫度產品分析及溫度標準化分級

圖3 研究區(qū)綠色空間演化類型變化圖

調用MODIS TOOL 批處理插件，進行數(shù)據(jù)格式轉換與投影變換，并采用MODIS 賦值NDVI去異常值的方法對數(shù)據(jù)進一步處理.最終將像元灰度值（Digitd Number，DN）轉化為地表溫度T（單位℃）詳細公式如下

采用自然間斷分類方法劃分低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)及超高溫區(qū)，獲得研究區(qū)2005 年到2020 年的溫度等級分布圖（圖4）.最后，再將低溫區(qū)和次低溫區(qū)合并為冷島區(qū)，將次高溫區(qū)、高溫區(qū)和超高溫區(qū)合并為熱島區(qū).

圖4 研究區(qū)溫度等級分布圖

2 結果分析

2.1 綠色空間演化過程變化特征

如表1 所示，2005-2020 年，綠色空間一直呈減少趨勢，植被覆蓋度亦隨之呈現(xiàn)下降趨勢，降低了0.67%；建設用地和水體一直在增加，分別增加了281.25 km2、44.75 km2；各地類演化過程中，水體及建筑用地向林地、耕地和草地的轉入是綠色空間面積增加的直接原因.伴隨綠色空間內部三種地類的互轉，2015-2018 年間，大面積草地轉入林地，同時期耕地的轉入也較其它時段顯著.結合表2，研究區(qū)存在：綠色空間不變面積＞綠色空間轉換面積＞綠色空間減少面積＞綠色空間擴張面積的現(xiàn)象，2005-2020 年四類面積演化率分別為4 314.65 km2/a、939.90 km2/a、57.65 km2/a、17.82 km2/a，綠色空間在2015-2020 年變化最為顯著.綜上，研究區(qū)綠色空間整體呈現(xiàn)微弱減少趨勢；不同的綠地類型之間相互轉換頻繁，以草地轉出為林地最為顯著.

表1 2005—2020年土地利用類型面積轉換（km2）

表2 2005—2020年綠色空間面積變化

2.2 地表溫度變化特征

如表3 所示，熱島區(qū)面積顯著大于冷島區(qū)，且每個研究階段均呈現(xiàn)：熱島區(qū)不變面積＞冷島區(qū)不變面積＞熱島區(qū)變?yōu)槔鋶u區(qū)面積＞冷島區(qū)變?yōu)闊釐u區(qū)面積.2015年以來，研究區(qū)冷熱島演化加劇，2018年以前，冷島轉熱島年速率均高于68.40，2018-2020 年，年速率下降為39.73；冷島轉熱島最顯著演化期發(fā)生在2015-2018 年，而熱島轉冷島顯著發(fā)生期在2018 年-2020 年.表4 展示研究區(qū)同時期溫度變化情況.處于中溫區(qū)、次高溫區(qū)和高溫區(qū)的重慶市轄區(qū)面積，由2005年的72.80%縮小至2020年的63.55%.伴隨超高溫區(qū)的減少，全市溫度向次低溫區(qū)和低溫區(qū)轉移，次高溫區(qū)和高溫區(qū)向中溫區(qū)的轉入是研究區(qū)溫度下降的根本原因.

表3 研究區(qū)各階段冷/熱島斑塊轉移情況統(tǒng)計結果

表4 研究區(qū)2005—2020年溫度等級轉移情況統(tǒng)計結果（km2）

結合表2 和表3，研究區(qū)冷/熱島區(qū)與綠色空間面積變化相一致，2005-2020 年間，綠色空間面積持續(xù)減少，研究區(qū)冷島轉熱島面積持續(xù)增大，變化速率在2015-2018時段達到最快；至2018-2020年，綠色空間面積增加，研究區(qū)熱島轉冷島面積及其演化速率在2005-2020 時段內達到最大.說明了研究區(qū)冷/熱島區(qū)分布的變化與區(qū)域土地利用/覆蓋的變化密切相關.另外，研究還顯示，從2005-2020年，綠色空間減少的面積大于綠色空間擴張的面積，而熱島面積卻不增反降，冷島面積不減反增，這也說明了綠色空間的減少只是增強重慶市熱島效應的因素之一.

2.3 綠色空間演化過程的溫度效應

2.3.1 基于空間重心法的城市冷/熱島演化

重心法是推斷綠色空間演化規(guī)律與地表溫度演變趨勢之間關聯(lián)性的有效方法.由研究區(qū)冷/熱島重心和區(qū)域重心的位置遷移（圖5），發(fā)現(xiàn)從2005 年到2020 年，研究區(qū)冷島的重心越來越偏離熱島重心和城市重心，且冷島重心偏離城市重心的速度越來越快，而非綠色空間的重心逐漸向城市重心聚攏，非綠色空間重心與熱島重心的持續(xù)聚集，與城市發(fā)展過程高度一致.結合不同土地利用類型的重心遷移情況（圖6），發(fā)現(xiàn)林地、草地、耕地的重心都發(fā)生了明顯位移.林地重心持續(xù)偏離城市中心區(qū)域，位移量在所有地類中最大，亦說明了林地空間格局的變化，對研究區(qū)地表溫度變化影響最顯著.耕地的重心由涪陵區(qū)向豐都縣轉移，草地的重心偏移至長壽區(qū)邊界.這表明，城市熱島的重心與城市冷島的重心與城市重心密切相關，研究區(qū)土地利用/覆蓋類型的變化是引起重慶市區(qū)表面溫度變化的關鍵因素.

圖5 研究區(qū)2005—2020年綠色空間、非綠色空間和冷/熱重心位置變化圖

圖6 研究區(qū)2005—2020年不同綠色空間重心位置變化圖

2.3.2 下墊面土地利用變化的溫度效應

分別選取2005 年、2015 年、2018 年及2020 年4 個年份的溫度等級和相應年份的土地利用類型，以及2005-2020年的地表溫差和對應的土地利用類型演化作為分析對象，對其進行堆棧剖面處理，提取剖面沿線的地表類型與地表溫度屬性再進行分析，得到剖面線圖.其中，溫度等級1-6分別表示：低溫、次低溫、中溫、次高溫、高溫和超高溫.

從不同溫度等級與用地類型分布變化情況來看（圖7-10），2005-2015 年，研究區(qū)以高溫區(qū)和次高溫區(qū)為主.2015-2018年，仍有較多的高溫區(qū)分布，綠色空間被占用的面積增多，溫度由超高溫區(qū)向次高溫區(qū)和中溫區(qū)過渡；2018-2020 年，超高溫區(qū)和高溫區(qū)的分布明顯減少，次高溫區(qū)、中溫區(qū)和次低溫區(qū)的分布明顯增多.從地表溫差與用地變化關系上看出（圖11），2005-2020 年，重慶市地表溫差呈峰谷交替趨勢出現(xiàn).在接近100 m 及接近50 m 的距離內分別有兩個很明顯的波谷，此波谷值為負，表現(xiàn)為降溫效應，而引起此次降溫效應的正是綠色空間的擴張，此后溫度逐漸升高，而造成升溫效應的是綠色空間的減少，觀察其他幾個波谷，形成原理一樣，因此可以得出波谷位置多由綠色空間面積減少引起，結合土地利用類型轉移過程可知，綠色空間轉出為建設用地造成區(qū)域溫度上升.特別是2015-2018 年間，綠色空間轉出面積顯著增多，研究區(qū)高溫分布范圍擴大，且溫度由超高溫區(qū)向次高溫區(qū)和中溫區(qū)過渡.

圖7 2005年剖面線不同溫度等級與用地類型分布變化圖

圖8 2015年剖面線不同溫度等級與用地類型分布變化圖

圖9 2018年剖面線不同溫度等級與用地類型分布變化圖

圖10 2020年剖面線不同溫度等級與用地類型分布變化圖

圖11 研究區(qū)2005—2020年地表溫差與用地變化關系剖面圖

3 討論與結論

3.1 討論

以重慶市的綠色空間和地表溫度為對象，探討了在城市化過程中綠色空間時空演化的規(guī)律，量化分析不同演化類型對城市地表溫度的影響.研究表明：（1）綠色空間的演化類型將會影響區(qū)域地表溫度的變化.表2 的統(tǒng)計結果顯示從2015 年到2018 年，重慶市綠色空間減少的速率達到最大，相對應的，表4 的統(tǒng)計結果顯示由冷島區(qū)轉化為熱島區(qū)的速率也達到最大，即綠色空間的減少會促使地表溫度上升；表3 的統(tǒng)計結果顯示從2005-2020 年，林地面積大量增加，相對應的，表5 的統(tǒng)計結果顯示綠色空間的擴張會促使地表溫度下降，四個表的統(tǒng)計結果驗證了該結論，該現(xiàn)象與張棋斐［5］和賈琦［16］的研究相一致.2005年之后，重慶林地面積大量增加，主要與2005年公布的《重慶市林地保護管理條例》的嚴格實施有關［17-18］，而林地增加對于區(qū)域地表的降溫效應，成為重慶市地表溫度表變化的主導因素.（2）城市土地利用/覆蓋類型的變化是引起城市表面溫度變化的關鍵因素.也與陳燕紅［7］等的研究結果相一致.（3）城市熱島重心分布在城市重心附近，而城市冷島重心較熱島重心遠離城市重心分布；由圖5 可知城市熱島重心始終分布在城市重心附近，而冷島重心離城市重心較遠，由此驗證了該結論，亦與曾夢［17］的研究結果一致.（4）城市綠色空間不同演化過程會引起地表溫度發(fā)生不同變化，綠色空間的減少和綠色空間的擴張分別具有最大的制熱和制冷效果，亦與陳燕紅等［18］的研究結果一致.因此，研究綠色空間擴張的溫度效應時，也要關注其分布狀態(tài)，如果綠色空間的擴張并非是大面積連片狀，而是在建設用地中散點式分布，由此引起的溫差必定受到周圍用地類型的影響.如2015-2018 年和2018-2020 年兩個時段，冷/熱島轉換時效性問題.該結論與文獻［7］對于福州市的研究相一致.（5）重慶市夏季的熱島效應強烈，但出現(xiàn)強熱島、極強熱島的地區(qū)與十年前相比，明顯減小，亦與李曉敏等［19］、何澤能［20］等的研究結果一致.今后仍需加強對綠色空間、地表溫度、兩者之間關聯(lián)性的定量研究，以深入揭示綠色空間演化過程中地表溫度的響應.

3.2 結論

本研究采用土地利用/覆蓋轉移分析、空間重心和剖面分析等方法，定量分析了重慶市城市綠色空間的演變過程及其變化以及由此引起的地表溫度效應.結果表明：（1）從2015 年到2018 年，重慶市綠色空間減少的速率達到最大，相對應的，由冷島區(qū)轉化為熱島區(qū)的速率也達到最大，表明綠色空間的演化過程能夠影響地表溫度.（2）城市土地利用/覆蓋類型的變化是引起城市表面溫度變化的關鍵因素.（3）城市熱島重心分布在城市重心附近，而城市冷島重心較熱島重心遠離城市重心分布.（4）城市綠色空間不同演化過程會引起地表溫度發(fā)生不同變化，綠色空間的減少和綠色空間的擴張分別具有最大的制熱和制冷效果.（5）重慶市夏季的熱島效應強烈，但表現(xiàn)為強熱島、極強熱島的地區(qū)與十年前相比，明顯減小.