石佳璐，常月明

（內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010022）

0 引言

研究城市熱島效應(yīng)可以有效地了解城市熱環(huán)境變化，為改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供依據(jù)。目前，城市熱島的時(shí)空變化特征、模擬、預(yù)測(cè)和影響機(jī)制等內(nèi)容是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的主要研究方向。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在土地利用變化與城市熱島效應(yīng)的關(guān)系方面也有較多的研究成果。例如，周小康等基于國(guó)家氣象信息中心351個(gè)自動(dòng)氣象站提供的2016年北京市逐小時(shí)自動(dòng)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，探究了北京市熱島24小時(shí)移動(dòng)路徑與空間分布格局特征并分析了熱島逐小時(shí)變化與土地覆被的關(guān)系［1］。劉航等基于Landsat 系列影像數(shù)據(jù)，研究了2004—2015 年近10 年武漢市11個(gè)轄區(qū)城市熱島效應(yīng)動(dòng)態(tài)變化特征及熱島效應(yīng)與土地利用變化的關(guān)系，并指出建筑用地面積的增加是城市熱島強(qiáng)度面積擴(kuò)張的重要影響因素［2］。熊曉峰等基于2003—2018 年長(zhǎng)時(shí)間序列MODIS 地表溫度和土地利用數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)三角城市群地表覆蓋與城市熱島時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行了研究［3］。上述已有的研究區(qū)域大多是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大都市或城市群，但對(duì)于一些經(jīng)濟(jì)比較落后的小城市研究甚少。

大同市不僅是山西省第二大城市經(jīng)濟(jì)體，同時(shí)也是首都北京的西大門(mén)。近年來(lái)，大同市城市化進(jìn)程加快，城市熱島效應(yīng)顯著，導(dǎo)致城市生態(tài)環(huán)境變差。這不僅會(huì)影響大同市的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展，也可能對(duì)北京市的人居環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)功能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響［4］。因此，本文利用2004—2019近15 年的Landsat 系列數(shù)據(jù)，對(duì)大同市主城區(qū)城市熱島效應(yīng)及土地利用時(shí)空變化特征進(jìn)行探討，以期改善大同市熱島效應(yīng)，為大同市城市規(guī)劃及城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供更科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概述

大同市是山西省第二大城市，被譽(yù)為三晉北方的門(mén)戶、首都北京的屏障，位于山西省最北端，處于晉冀蒙三省區(qū)交界處，地處黃土高原東北邊緣。區(qū)域氣候條件屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)且寒冷干燥，夏季短暫且溫?zé)岫嘤?，春秋涼爽，溫差較大，年平均氣溫5.5℃；降水主要集中在7—8 月。本文研究區(qū)選取大同市主城區(qū)，（即2018年行政區(qū)劃）平城區(qū)、云崗區(qū)、新榮區(qū)、云州區(qū)，總面積為3 578km2（圖1）。本區(qū)域不僅能反映出大同市城市熱島效應(yīng)時(shí)空分布特征，也能一定程度上反映出大同市整體不同土地利用類(lèi)型變化趨勢(shì)。

圖1 研究區(qū)域位置Figure 1 Location of study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究所選取的遙感影像數(shù)據(jù)包括Landsat5 TM 和Landsat8 OLI/TIRS，采用5 年為一期的2004-2019近15年的遙感影像數(shù)據(jù)，通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）獲取。為了消除季節(jié)變化、植被變化、云層等因素對(duì)地表溫度反演的影響，確保反演結(jié)果的客觀性和可比性［5］，選取2004、2009、2015、2019年8—10月四期無(wú)云、晴朗的高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)，具體影像日期分別為2004年8月5日、2009年9 月20 日、2015 年8 月4 日、2019 年8 月31 日。以氣象數(shù)據(jù)為輔助數(shù)據(jù)。

使用遙感影像專(zhuān)業(yè)處理軟件ENVI5.3進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和影像裁剪，得到研究區(qū)域預(yù)處理后圖像。

2.2 地表溫度反演

基于Landsat 系列數(shù)據(jù)的地表溫度反演算法主要有以下3 種，大氣校正法、單窗算法和分裂窗算法［6］。本文根據(jù)所用遙感數(shù)據(jù)的特性和適配性，選擇了一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的高精度的大氣校正方法，通過(guò)獲取影像成像時(shí)的地表比輻射率參數(shù)和大氣剖面參數(shù)，進(jìn)而建立大氣校正反演模型。具體步驟參照文獻(xiàn)［7］。

2.3 熱島強(qiáng)度分級(jí)

地表溫度受多種因素的影響，不同影像獲取條件、獲取環(huán)境和獲取時(shí)間下的地表溫度數(shù)值并不能直接比較，且單純比較不同時(shí)期的地表溫度數(shù)值并不能準(zhǔn)確反映地表溫度的相對(duì)時(shí)空變化特征。因此，為了更好地分析大同市主城區(qū)的熱島現(xiàn)象及其時(shí)空演變特征，本文采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法對(duì)反演得到的地表溫度進(jìn)行熱島強(qiáng)度的分級(jí)劃分［8］。具體的劃分方法見(jiàn)表1。

表1 熱島強(qiáng)度等級(jí)劃分及劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification of heat island intensity levels and classification criteria

2.4 土地利用分類(lèi)與變化分析

根據(jù)已有的土地利用分類(lèi)原則，并結(jié)合Landsat5 TM、Landsat8 OLI/TIRS 遙感影像數(shù)據(jù)的分辨率和大同市土地利用的實(shí)際情況，將大同市主城區(qū)土地利用型劃分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地和水域5大類(lèi)。再運(yùn)用監(jiān)督分類(lèi)法中的支持向量機(jī)算法（SVM）對(duì)土地覆蓋進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，獲得4期土地利用分類(lèi)圖。最后，本研究利用4期的歷史谷歌地球影像作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，使用混淆矩陣法對(duì)最終的解譯結(jié)果進(jìn)行了精度驗(yàn)證［9］?？傮w解譯精度介于89.22%～93.14%，Kappa系數(shù)在0.89 以上，滿足研究需求。

土地利用動(dòng)態(tài)度是指在一定時(shí)期內(nèi)，土地利用類(lèi)型的面積變化量與初始面積之比，反映其在該時(shí)期內(nèi)的變化程度［10］。土地利用動(dòng)態(tài)度的絕對(duì)值越大，表明土地利用類(lèi)型的變化越劇烈，反之則變化越平緩。計(jì)算公式：

式中：K為土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度，%；Ua表示某一土地利用類(lèi)型在研究時(shí)段起始時(shí)刻的面積，km2；Ub表示某一土地利用類(lèi)型在研究時(shí)段終止時(shí)刻的面積，km2；T為研究時(shí)長(zhǎng)，a。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表溫度反演結(jié)果及精度驗(yàn)證

3.1.1 地表溫度反演結(jié)果

統(tǒng)計(jì)大同市主城區(qū)4期遙感影像地表溫度反演結(jié)果，如表2 所示。

表2 2004—2019 年地表溫度反演特征值Table 2 Characteristic values of surface temperature inversion from 2004 to 2019 ℃

地表溫度反演結(jié)果顯示：大同市主城區(qū)2019年地表溫度均值最高，為32.47℃；2009 年地表溫度均值最低，為15.81℃。除2009 年受天氣背景影響，大同市主城區(qū)的地表溫度各指標(biāo)都比較低。在其余整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，大同市主城區(qū)的地表溫度各指標(biāo)變化趨勢(shì)保持逐年遞增，說(shuō)明城市熱島效應(yīng)逐年加劇。

3.1.2 地表溫度反演驗(yàn)證

本文由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，無(wú)法采用儀器測(cè)量的方法獲取地表溫度來(lái)驗(yàn)證反演結(jié)果的精度，但根據(jù)已有的文獻(xiàn)研究，可以通過(guò)對(duì)比影像獲取時(shí)的氣象站氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)評(píng)估反演結(jié)果的可靠性［11］。查詢(xún)大同市氣象站資料，2004/8/5、2009/9/20、2015/8/4、2019/8/31 當(dāng)日平均氣溫分別為22℃、13℃、24℃、26℃。結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用大氣校正法反演得到的2004—2019 年的地表溫度均值與氣象站測(cè)得的平均氣溫變化趨勢(shì)基本一致（圖2）。因此，利用大氣校正法算法反演地表溫度可行性強(qiáng)，結(jié)果準(zhǔn)確性高。

圖2 2004—2019年地表溫度反演驗(yàn)證Figure 2 Validation of surface temperature inversion from 2004 to 2019

3.2 城市熱島效應(yīng)時(shí)空分布與分析

為了更好的討論地表溫度的時(shí)空變化情況，對(duì)地表溫度反演結(jié)果進(jìn)行熱島強(qiáng)度分級(jí)，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 2004—2019年熱島強(qiáng)度分級(jí)Figure 3 Heat island intensity classification from 2004 to 2019

同時(shí)對(duì)不同熱島強(qiáng)度的區(qū)域進(jìn)行面積上的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，所得統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 各年份不同熱島區(qū)域面積占比Figure 4 Percentage of area of different heat island regions by year

由2004—2019 年熱島強(qiáng)度分級(jí)（圖3）可以看出，大同市主城區(qū)熱島現(xiàn)象明顯，主要分布在各區(qū)的城鎮(zhèn)化區(qū)域。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，熱島面積在逐步擴(kuò)大，增加最明顯的區(qū)域是云崗區(qū)、新榮區(qū)和云州區(qū)。從4個(gè)時(shí)期熱島強(qiáng)度等級(jí)空間分布格局看，大同市主城區(qū)熱島強(qiáng)度具有顯著的空間差異，在城區(qū)建設(shè)用地密集的區(qū)域，因地表類(lèi)型多為人工建筑或水泥混凝土路面，極易形成強(qiáng)熱島區(qū)；而大同市主城區(qū)草地周?chē)酁榻ㄔO(shè)用地，因建設(shè)用地產(chǎn)生了大量的人工熱量和空氣污染，增加了城市大氣空間的熱量，進(jìn)而影響了草地的散熱條件，使其成為強(qiáng)熱島區(qū)和熱島區(qū)域；在城市周邊地區(qū)有大量的耕地分布，加之河流流經(jīng)地區(qū)，存在一定寬度的強(qiáng)冷島、冷島和中間區(qū)域。從各年份不同熱島區(qū)域面積占比（圖4）來(lái)看，大同市主城區(qū)各期均以中間區(qū)域的占比最大，占比超過(guò)40%，其余四種熱島類(lèi)型占比分布比較均勻。從2004—2019年，強(qiáng)熱島和熱島區(qū)域在總土地面積中的占比呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。其中2004—2009年，強(qiáng)熱島和熱島區(qū)域占比迅速上升，由26.26% 增加到29.78%，增加了3.52%，這與2000 年以后快速的城市擴(kuò)建造成的城市用地面積增加有關(guān)。2009—2019 年強(qiáng)熱島和熱島區(qū)域占比的上升速度相對(duì)平緩，由29.78%增加到30.33%，僅增加了0.55%，增幅極小，這與2000—2005 年大同市城市建設(shè)基本飽和，滿足人口居住需求，以及2005年以后國(guó)家倡導(dǎo)的生態(tài)文明城市建設(shè)有關(guān)。中間區(qū)域占比呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，但變化幅度不大，占比從2004 的45.23%增加到2009 的47.51%，再減少到2015 年的40.12%，最后繼續(xù)增加到2019年的42.60%，總體來(lái)看從2004—2019 年減少了2.53%。強(qiáng)冷島和冷島區(qū)域占比也呈現(xiàn)小幅度的波動(dòng)趨勢(shì)，逐年與中間區(qū)域面積變化趨勢(shì)相反，由2004 年的28.51%增加到2019 年的27.07%，減少了1.44%。這說(shuō)明城市擴(kuò)張導(dǎo)致了強(qiáng)冷島、冷島和中間區(qū)域轉(zhuǎn)化為強(qiáng)熱島、熱島區(qū)域。

3.3 土地利用類(lèi)型變化統(tǒng)計(jì)與分析

通過(guò)對(duì)研究區(qū)2004 年、2009 年、2015 年和2019年4 期遙感影像解譯，獲得4 個(gè)時(shí)期的土地利用分類(lèi)圖（圖5）。運(yùn)用ArcGIS軟件對(duì)土地利用分類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到研究時(shí)段內(nèi)土地利用類(lèi)型面積及占比情況表（表3），并分別計(jì)算不同時(shí)期研究區(qū)的土地利用面積變化及動(dòng)態(tài)度（表4）。

表3 2004—2019年土地利用類(lèi)型面積及占比情況Table 3 Area and percentage of land use types from 2004 to 2019

表4 2004—2019年土地利用變化及動(dòng)態(tài)度Table 4 Land use changes and dynamics from 2004 to 2019

圖5 2004—2019年土地利用分類(lèi)圖Figure 5 Land use classification from 2004 to 2019

從2004—2019 年土地利用分類(lèi)圖（圖5）和表3中可知，大同市主城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)以耕地和草地為主，總面積占比超過(guò)80%。15年期間大同市主城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)總體變化情況：從2004—2019 年，耕地在總土地面積中的占比呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，減少的區(qū)域主要在云崗區(qū)、新榮區(qū)和云州區(qū)的西部。具體來(lái)說(shuō)，2004—2009 年耕地占比下降速度迅速，從50.28%下降到34.03%，下降了16.25%，這與2000年我國(guó)正式實(shí)施的退耕還林、還草政策和快速的城市擴(kuò)建占用了大量耕地有關(guān)；2009—2015 年耕地占比的下降速度相對(duì)平緩，從34.03%下降到33.52%，下降了0.51%；2015—2019 年耕地占比上升，從33.52%上升到39.65%，上升了6.13%，這主要是因?yàn)槲覈?guó)一直致力于保護(hù)耕地和基本農(nóng)田，耕地保護(hù)措施和法律法規(guī)逐漸完善，使得耕地面積開(kāi)始增加。草地面積占比呈上升趨勢(shì)，與耕地的面積變化趨勢(shì)正好相反，從2004 年的40.34%到2019 年的42.76%，增加了2.42%，增加的區(qū)域主要是云州區(qū)。林地面積占比呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)，面積占比從2004 年的68.59 km2增加到2009 年的115.81 km2，再到2015 年的125.66 km2，最后到2019 年的132.75 km2，增加的區(qū)域主要是新榮區(qū)和云州區(qū)。建設(shè)用地面積占比也呈現(xiàn)逐年持續(xù)上升的趨勢(shì)，從2004年的6.15%增加到2009 年的7.40%，再到2015 年的12.08%，最后到12.78%，增加了6.63%，增加的區(qū)域主要是云崗區(qū)。水域的面積占比最小，其占比呈現(xiàn)小幅度的波動(dòng)趨勢(shì)，從2004 年的1.30%減少到2009年的0.54%，再增加到2015 年的0.79%，繼續(xù)增加到2019 年的1.08%，這與近年來(lái)國(guó)家對(duì)濕地的保護(hù)政策有關(guān)。

從2004—2019年土地利用變化及動(dòng)態(tài)度（表4）來(lái)看，2014—2020 年這15 年間，大同市主城區(qū)的建設(shè)用地、林地和草地面積在增加。土地變化程度由大到小依次為建設(shè)用地＞林地＞耕地＞水體＞草地。

3.4 不同土地利用類(lèi)型地表溫度統(tǒng)計(jì)分析

利用ArcGIS 軟件將2004、2009、2015和2019年土地利用分類(lèi)圖與對(duì)應(yīng)的地表溫度反演結(jié)果圖，采用空間疊加分析方法，比較不同土地利用類(lèi)型下的地表溫度均值，探究土地利用類(lèi)型變化對(duì)地表溫度分布的影響機(jī)制［12］，結(jié)果如圖6所示。

圖6 各年份不同土地利用類(lèi)型的平均地表溫度Figure 6 Mean surface temperature for different land use types by year

由圖6可知，整體上，2009年大同市主城區(qū)各類(lèi)土地利用類(lèi)型溫度最低，這是由于2009/9/20當(dāng)日氣溫很低。除2009 年以外，從2004—2019 年各種土地利用類(lèi)型溫度均呈增加的趨勢(shì)，這是由于城鎮(zhèn)化的發(fā)展，建設(shè)用地逐步增加，更多的耕地轉(zhuǎn)化為不透水面。不同土地利用類(lèi)型的地表溫度受其下墊面的熱物理特性和熱動(dòng)力過(guò)程的影響，呈現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異。根據(jù)研究區(qū)域的五種土地利用類(lèi)型，其平均地表溫度由高到低依次為城鎮(zhèn)建設(shè)用地、草地、耕地、林地和水域，主要原因在于不同土地利用類(lèi)型下墊面的反照率、熱容、蒸發(fā)和蒸騰等熱屬性存在差別。城鎮(zhèn)建設(shè)用地屬于不透水面，其下墊面主要由水泥、瀝青等高熱容、低反照率的材料構(gòu)成，具有較低的水分蒸發(fā)和植被蒸騰作用，同時(shí)由于城市人口密集，人為熱源和污染物排放較多，導(dǎo)致地表能量收支失衡，形成“熱島”效應(yīng)［13］；草地、耕地、林地屬于透水性較好的植被，下墊面主要是土壤，透水性較好，散熱性較好，不利于熱量的存儲(chǔ)，因此地表溫度較低；水體是透水性最好的，因此地表溫度最低。因此，增加植被的種植面積和水域面積會(huì)降低城鎮(zhèn)發(fā)展引起地表溫度升高的影響。

4 結(jié)論

基于2004 年、2009 年、2015 年和2019 年大同市主城區(qū)的Landsat系列衛(wèi)星遙感影像，采用大氣校正模型反演了研究區(qū)的地表溫度，進(jìn)而分析了大同市主城區(qū)的熱島現(xiàn)象與土地利用時(shí)空變化特征。研究表明：

1）利用大氣校正法反演地表溫度的結(jié)果與氣象站的溫度資料相差不大，能夠反映地表溫度分布的實(shí)際情況。除2009年受天氣背景影響，大同市主城區(qū)的地表溫度各指標(biāo)都比較低。在其余整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，大同市主城區(qū)的地表溫度各指標(biāo)變化趨勢(shì)保持逐年遞增，說(shuō)明城市熱島效應(yīng)逐年加劇。

2）大同市主城區(qū)各期整體上均以中間區(qū)為主，其余四種熱島區(qū)域分布比較均勻。隨著時(shí)間的推移，大同市主城區(qū)存在明顯的熱島效應(yīng)，強(qiáng)熱島和熱島區(qū)域面積逐年擴(kuò)大，增加最明顯的區(qū)域是云崗區(qū)、新榮區(qū)和云州區(qū)，這主要與城市建設(shè)用地的擴(kuò)展有關(guān)。但隨著國(guó)家發(fā)布的一系列生態(tài)保護(hù)政策，近年來(lái)大同市城市熱島趨勢(shì)減緩。

3）大同市主城區(qū)4期土地利用類(lèi)型均以耕地和草地為主，兩者占總面積的比例超過(guò)80%，其次是建設(shè)用地，林地和水體相對(duì)較少。從2004—2019年的15 年間，建設(shè)用地、林地和草地面積的均呈增加的趨勢(shì)，而水體和耕地的面積則在逐漸減少，土地利用變化程度由大到小依次為建設(shè)用地＞林地＞耕地＞水體＞草地。

4）大同市主城區(qū)4期各種土地利用類(lèi)型的平均地表溫度依次為建設(shè)用地＞草地＞耕地＞林地＞水域。受天氣背景影響，2009 年各類(lèi)土地利用類(lèi)型溫度為4 期中最低，然而，在剩余年份，隨著時(shí)間的推移，各種土地利用類(lèi)型的平均地表溫度呈逐漸上升的趨勢(shì)。