湯寶虎，劉慶廣，王 愛，王世杰，王振宇，胡鵬程

(1.合肥大學(xué) 生物食品與環(huán)境學(xué)院；2.合肥大學(xué) 旅游與會展學(xué)院，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽 合肥 230601)

隨著21世紀(jì)的到來，中國城市化進(jìn)程全面提速，以土地經(jīng)濟(jì)為核心，中國各省市都創(chuàng)造出了大量財富。但隨之而來造成了如耕地流失、原有生態(tài)破壞和城市熱島效應(yīng)(Urban Heat Island，UHI)等大量的問題。[1]城市熱島效應(yīng)由Howard[2]發(fā)現(xiàn)于1833年，并由Manley[3]首次在論文中正式提出。其概念為由于人為活動或制造城市建筑集群的影響，引起的熱量在城市空間范圍內(nèi)堆積，導(dǎo)致城市邊界內(nèi)部的城-郊之間存在溫度差異，高溫聚集在城區(qū)形成島嶼的現(xiàn)象。[4]大量人口聚集和建筑修建改變了城市生態(tài)環(huán)境，加劇了城市熱島效應(yīng)。[5]

國內(nèi)外研究熱島效應(yīng)研究方法包括對比法、定點觀測法、流動觀測法、遙感反演法、長時間序列城市氣候數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法及數(shù)值模擬方法六種。[6]其中，因遙感具有區(qū)域宏觀、強(qiáng)時序性、易獲取性等優(yōu)勢，遙感反演法成為研究城市熱島效應(yīng)的一大優(yōu)勢方法。[7]目前，基于現(xiàn)有研究資料，表明城市土地利用類型變化[8]、景觀格局變化[9]、城市建筑密度及形態(tài)[10-11]、城市下墊面變化[10]等諸多因素都對城市熱島強(qiáng)度產(chǎn)生影響。[13-14]合肥市作為安徽省省會，經(jīng)濟(jì)中心城市，近年來隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市建設(shè)腳步加快，城市熱島效應(yīng)顯著提升。[15-17]

本文選取合肥市主城區(qū)區(qū)域為研究區(qū)，基于Landsat系列數(shù)據(jù)，通過反演地表溫度等手段和方式，探究土地覆被類型及景觀格局變化對于合肥市熱島效應(yīng)影響，以期對后續(xù)合肥市城市建設(shè)、城市生態(tài)、碳排放與熱島效應(yīng)解決提供相應(yīng)的理論支持。

1 研究區(qū)概況

合肥，安徽省省會，特大型城市，位于北緯30°56′—32°33′、東經(jīng)116°40′—117°58′之間，共轄4個區(qū)、4個縣、3個經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，代管1個縣級市，總面積11445 km2，建成區(qū)面積528.5 km2。截至2021年末，合肥市常住人口為946.5萬人，城鎮(zhèn)化率達(dá)84.04 %，實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值11412.80億元。2017年，中國氣象局發(fā)布的夏季十大炎熱城市中合肥排名前十。合肥位于中國華東地區(qū)、長江三角洲西端，地處中緯度地帶，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，氣候溫和，雨量適宜。[18]

本文選用合肥市主城區(qū)包括瑤海區(qū)、包河區(qū)、廬陽區(qū)、蜀山區(qū)。概況如圖1所示：

圖1 合肥市四主城區(qū)區(qū)域概況圖注：該圖來源于民政局全國區(qū)劃行政平臺(http:∥xzqh.mca.gov.cn/map)，根據(jù)審圖號為GS(2022)1873號標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，邊界無修改。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)均采用Landsat系列，數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局(USGS)官網(wǎng)(www.usgs.gov)，數(shù)據(jù)選取Landsat 5與Landsat 8，分別為TM(主題成像儀)影像數(shù)據(jù)和的OLI(陸地成像儀)/TIRS(熱紅外傳感器)影像數(shù)據(jù)，時間為夏季6—8月，無云或少云影像。在ENVI 5.6中對Landsat 5與Landsat 8衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并對地表溫度進(jìn)行反演。[19]具體數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息

表2 熱島強(qiáng)度等級劃分表

表3 Kappa等級系數(shù)

2.2 研究方法

2.2.1 地表溫度反演

Landsat數(shù)據(jù)溫度反演算法有多種，且有諸多學(xué)者大量文章進(jìn)行可靠性證實，方法可靠。本文采用大氣校正法(radiative transfer equation algorithm，RTE)進(jìn)行溫度的反演計算。其基本原理為：

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(1)

其中：ε為地表比輻射率，TS為地表真實溫度，B(TS)為黑體熱輻射亮度，τ為大氣在熱紅外波段的透過率，大氣剖面參數(shù)τ，L↑L↓為上行輻射亮度、下行輻射亮度，可在NASA網(wǎng)站查詢。

TS可以用普朗克公式獲?。?/p>

TS=K2/Ln(K1/B(TS)+1)

(2)

其中：對于TM數(shù)據(jù)，K1=607.76 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1260.56 K；

對于TIRS Band 10數(shù)據(jù)，K1=774.89 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1321.08 K。

2.2.2 城市熱島強(qiáng)度

本研究引入熱島強(qiáng)度指數(shù)(Urban Heat Island Intensity Intensity Index，UHII)[20]與熱場強(qiáng)度指數(shù)(Heat Field Intensity，HFII)[21]兩個概念。

熱島強(qiáng)度指數(shù)：

(3)

其中：Ta為第a個像元的絕對地表溫度值，n為選取的郊區(qū)范圍內(nèi)有效像元數(shù)，Tb為選取的郊區(qū)范圍內(nèi)絕對地表溫度值。

本研究依據(jù)均值—標(biāo)準(zhǔn)差法將合肥市范圍內(nèi)熱島強(qiáng)度分為5級，算法如下：

HFII=μ+αstd

(4)

其中：μ為研究區(qū)內(nèi)不同時期地表均溫α為標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)，取0.5；std是研究區(qū)域內(nèi)的地表溫度標(biāo)準(zhǔn)差。

為了消除不同年份獲取數(shù)據(jù)時由于時相差異存在的誤差，引入熱島強(qiáng)度指數(shù)，即歸一化熱場：

Heat=(Ti-Tmin)/(Tmax-Tmin)

(5)

其中：Ti為當(dāng)年影像中第i個像元的絕對地表溫度值，Tmin為當(dāng)年影像研究范圍內(nèi)絕對地表溫度值最小值，Tmax為地表溫度值最大值。取值范圍為：0～1，其值越大，表示高溫現(xiàn)象越明顯。

2.2.3 土地覆被分類

監(jiān)督分類包括最大似然法、最小距離法、平行六面體法、馬氏距離、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)共六種。

本文選用基于向量機(jī)[22]的分類方法進(jìn)行土地利用信息提取，具有較好的提取效果。并根據(jù)合肥市土地利用的特點將合肥市土地分為：建筑、裸地、綠地、水體四個類別。Kappa系數(shù)現(xiàn)已是遙感影像分類的主要精度評價指標(biāo)，分類標(biāo)準(zhǔn)如下：

2.2.4 熱島效應(yīng)與景觀格局分析

為了進(jìn)一步探究土地類型與地表熱環(huán)境之間的關(guān)系，基于Arc GIS軟件將研究區(qū)域的土地利用結(jié)果與地表反演溫度及歸一化結(jié)果進(jìn)行疊置分析，并進(jìn)行統(tǒng)計，得到各類型地表溫的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2.5 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓-重心模型

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓(standard deviation ellipse，SDE)為橢圓形圖像，是為用來表征及匯總兩個或多個地理要素之間的空間變化信息，其主要為變化趨勢、離散程度、方向趨勢，SDE主要是通過分析橢圓長短軸、空間質(zhì)心、方向角等來描述地理要素的空間信息。[23-24]

通過對合肥市多年的數(shù)據(jù)進(jìn)行橢圓分析來分析多年來合肥市主城區(qū)城市熱島的變化。

3 分析與結(jié)果

3.1 地表溫度變化分析

如圖2所示，由分析可得，其中2005年均溫為34.76 ℃，至2022年均溫為41.10 ℃。17年溫度漲幅為6.34 ℃。由于遙感反演溫度特性，通過MODIS反演數(shù)據(jù)及與氣象溫度數(shù)據(jù)比較之后，數(shù)據(jù)相差符合精度要求。其中低溫區(qū)溫度變化較小，且較多集中在，巢湖、董鋪水庫等水體較多地區(qū)。由于巢湖保護(hù)需要及生態(tài)環(huán)境保護(hù)發(fā)展，巢湖、森林公園及大蜀山地區(qū)等綠地較多的地方，溫度明顯低于裸地及建筑，可以有效降低溫度，高溫區(qū)多集中在建筑密集地方，呈現(xiàn)由主城區(qū)中心向四周發(fā)展，建筑低密集區(qū)向建筑高密集區(qū)發(fā)展，居民居住區(qū)向工業(yè)區(qū)發(fā)展，以蜀山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)為例區(qū)為例，常處于高溫區(qū)。

圖2 合肥市不同年份地表溫度變化示意圖

3.2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓-重心分析

利用Arc GIS中標(biāo)準(zhǔn)差橢圓(方向分布)，繪制2005年—2022年合肥市主城區(qū)熱島重心遷移變化圖，其數(shù)據(jù)及圖像如表4及圖3所示。

表4 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓-重心分析結(jié)果

圖3 合肥市主城區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓-重心轉(zhuǎn)移分析圖

從2005—2022年合肥市主城區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓-重心轉(zhuǎn)移圖中可以看出，合肥市城市熱島的發(fā)展路徑明顯呈現(xiàn)東南方向至西北方向。合肥市熱島的時空分布模式與蜀山區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)及合肥市發(fā)展方向基本一致，與交通線路的分布存在一定的關(guān)系。結(jié)合2005—2022年合肥市地表溫度分布圖，熱島主要向蜀山區(qū)方向移動，其主要原因為合肥市規(guī)劃蜀山區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)發(fā)展及政務(wù)區(qū)的向蜀山區(qū)移動，大量工廠及企業(yè)在蜀山區(qū)發(fā)展帶來的大量就業(yè)機(jī)會導(dǎo)致人口數(shù)量增加，人口密集度增加，以及建筑量與不透水面迅速擴(kuò)張侵占綠植及水體，導(dǎo)致其大面積消亡。多因素疊加，使得蜀山區(qū)地區(qū)的熱存儲能力增強(qiáng)，熱消散能力降低，進(jìn)而加劇熱島效應(yīng)，造成了熱島質(zhì)心向蜀山區(qū)的移動。

3.3 土地覆被分類分析

運用監(jiān)督分類中基于向量機(jī)法對合肥市主城區(qū)的土地利用狀況進(jìn)行分類，并采取目視方法結(jié)合谷歌地圖歷年高分辨率影像，與Google Earth Engine進(jìn)行對比來看結(jié)果如圖4所示。通過混淆矩陣進(jìn)行精度評定，其中Kappa系數(shù)均大于0.71，檢驗結(jié)果總體精度(OA)大于80 %符合要求。由圖4可知：2005年城市建筑用地為16.68 %，主要集中在主城區(qū)中心位置，已完成的建筑用地在時間內(nèi)逐步增多，至2022年建筑用地為38.66 %；裸地主要為建筑時未覆蓋地，趨勢為由城區(qū)中心向外擴(kuò)散，2005年裸地占比為4.55 %，合肥市在此期間發(fā)布“大拆違，大建設(shè)，大發(fā)展”政策，實行“清地”活動，建筑物被大面積鏟除，城市迅速發(fā)展，2013、2018及2022裸地占比分別為17.37 %、14.79 %及10.26 %，趨勢由中心擴(kuò)散轉(zhuǎn)為向西北地區(qū)擴(kuò)散；林地等植被主要分布在大蜀山以及巢湖周圍。2005至2022年間，綠地數(shù)量占比由68.23 %逐步降至40.99 %。其主要原因為合肥市高速發(fā)展時期，建筑用地訴求增多，大量綠色用地轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕兀⑶疫M(jìn)一步變化為諸多建筑，最終導(dǎo)致綠地面積大面積消亡。雖然合肥市響應(yīng)國家生態(tài)政策及市民生態(tài)需求，部分建筑用地及裸地用于綠化及市民公園等，但綠地面積總體呈現(xiàn)削減態(tài)勢。

圖4 合肥市主城區(qū)土地覆被類型變化示意圖

3.4 景觀格局分析

為了探究景觀類型與熱環(huán)境之間的關(guān)系，在Arc GIS系統(tǒng)，將研究區(qū)域的土地利用結(jié)果與反演溫度數(shù)值，及反演溫度歸一化數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，并且利用空間統(tǒng)計模塊，得到各景觀類型地表溫的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

從表5可以得到，在四個年份中，水體景觀的溫度一直為四類景觀中最低值，建筑景觀為最高值，且總體體現(xiàn)為水體<綠地<裸地<建筑，表現(xiàn)趨勢具有一致性。表6與圖5中可以得到2005—2022年不同時期，雖然各個景觀的歸一化溫度排列不同，但總體上可以得出裸地與建筑數(shù)值都是較大的，多為較高溫區(qū)至高溫區(qū)。其主要原因為裸露地區(qū)低植被或無植被，導(dǎo)致熱量積聚，不易消散，形成熱島。建筑區(qū)域則多集中在高溫區(qū)，其主要原因為市中心建筑密集，且多為瀝青，混凝土等不透水表面，不透水面表面熱容小，散熱能力強(qiáng)且熱傳導(dǎo)與熱擴(kuò)散力較強(qiáng)，一方面導(dǎo)致溫度升高，另一方面建筑密集導(dǎo)致熱量無法散出。裸地等未利用土地及建筑用地主要分布在主城區(qū)中心位置，并且不斷想周圍擴(kuò)散，多為建筑批準(zhǔn)用地，建筑用地，少量為荒地。水體溫度始終排在最末尾，主要原因為水體比熱容大，升溫速度緩慢，可以吸收大量熱量，導(dǎo)致溫度較低。林地景觀存在蒸騰左右，在這一過程中，吸收環(huán)境熱量，降低環(huán)境溫度。水體景觀的標(biāo)準(zhǔn)差最大，說明水體易受環(huán)境影響，對溫度波動影響較大。同樣綠地景觀由于蒸騰作用等在改善熱環(huán)境方面具有積極的作用，景觀標(biāo)準(zhǔn)差較小，表明，綠地景觀變化波動較小比較穩(wěn)定。

表5 合肥市各年份覆被類型LST的平均與標(biāo)準(zhǔn)差

表6 合肥市各年份覆被類型LST歸一化數(shù)值的平均與標(biāo)準(zhǔn)差

圖5 合肥市各覆被類型的LST均溫及歸一化均值

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

研究表明，合肥市內(nèi)熱島的變化與該合肥地區(qū)城市擴(kuò)張的趨勢變化較為一致，二者具有較為密切的關(guān)系，結(jié)論如下：

1)合肥市溫度變化較大，均溫變化7 ℃左右，且呈現(xiàn)由中心向四周擴(kuò)散態(tài)勢，高溫主要聚集在建筑高密度區(qū)及不透水面。

2)合肥市區(qū)內(nèi)土地利用發(fā)展規(guī)模不斷加快，利用類型不斷改變，且存在由中心主城區(qū)向邊緣城區(qū)發(fā)展趨勢，與熱島發(fā)展趨勢較為一致。

3)綠地及水體景觀在改善熱環(huán)境方面具有積極的作用，綠地景觀標(biāo)準(zhǔn)差較小，波動較小，不易受環(huán)境影響，比較穩(wěn)定，在城市生態(tài)和經(jīng)濟(jì)上則更加適宜作為降低城市熱島[25]的手段。

4)合肥市城市熱島的發(fā)展路徑明顯呈現(xiàn)東南方向至西北方向，其時空分布模式與合肥市發(fā)展擴(kuò)張基本相符。

4.2 建議

結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)狀，提出如下建議：

1)合肥市區(qū)內(nèi)土地利用發(fā)展規(guī)模不斷加快，利用類型不斷改變，且存在由中心主城區(qū)向邊緣城區(qū)發(fā)展趨勢，由于合肥城市發(fā)展的需求，原有的自然地理表面發(fā)生了一系列的變化，增加了較多瀝青等建筑材料，導(dǎo)致城市下墊面發(fā)生改變，針對其增長過快現(xiàn)狀，應(yīng)可能盡快的去擴(kuò)大主城區(qū)內(nèi)綠化面積，加快城市內(nèi)綠色城市公園建沒，加快構(gòu)建綠色城市。

2)合肥市熱島的時空分布模式與蜀山區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)及合肥市發(fā)展方向基本一致，與交通線路的分布存在一定的關(guān)系，在城市規(guī)劃時，要重視生態(tài)理念，提高城市自我調(diào)節(jié)能力，進(jìn)行合理布局。

3)2023年合肥市被評為特大型城市，合肥市內(nèi)人口發(fā)展擴(kuò)張迅速，遠(yuǎn)超城市擴(kuò)張速度，大量人口聚集導(dǎo)致低矮建筑重構(gòu)變高，建筑間距不斷變小，使用建筑不斷增多，過量的人口導(dǎo)致人為熱產(chǎn)生不斷增加，針對這一特點，應(yīng)當(dāng)盡量降低人為熱釋放。

4)在建筑過程，人為使建筑美觀，同時，為滿足人口需求，建筑材料多為混凝土，散熱性能較差，且大量玻璃制品的使用導(dǎo)致熱量堆積無法盡快散出，對此，國內(nèi)外研究針對這一特點，創(chuàng)造出了一部分新型環(huán)保散熱材料，用于建筑建造。