城市化進程中天津城市熱島景觀格局變化分析

趙全勇 ，孫艷玲 ，王中良 ，b

（天津師范大學(xué)a.城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，b.天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室，天津300387）

城市化是社會的全面發(fā)展過程，不僅可以促進社會經(jīng)濟的發(fā)展，還可以促進社會文明的進步.然而在城市化進程中，也產(chǎn)生了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，給城市發(fā)展帶來了嚴重的負面影響[1-2].其中，城市熱島效應(yīng)是1個極為嚴重的城市環(huán)境問題.隨著城市化進程的加快，城市熱島問題愈發(fā)突出，對城市居民的正常生活和健康產(chǎn)生了嚴重影響，也受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[3-10].

城市熱島景觀格局是利用景觀生態(tài)學(xué)的方法和原理研究城市熱島問題，有利于對城市熱島在分布、形狀和空間組合等方面進行確切地描述，為更好地研究城市熱島問題提供了新的思路和手段[11-12].由于城市熱島景觀格局以生態(tài)學(xué)的方法和原理為基礎(chǔ)，因此更具科學(xué)性.已有學(xué)者使用景觀格局指數(shù)對城市熱島進行表征和描述，為有效改善城市熱島效應(yīng)、城市規(guī)劃和城市綠化建設(shè)提供了重要的理論依據(jù).江學(xué)頂?shù)萚13]利用遙感（RS）與數(shù)值模擬（MM5）等方法對珠江三角洲及城市群的熱力景觀的空間格局指數(shù)進行反演，對城市熱力景觀進行了研究，并分析得出其日變化規(guī)律；孟丹等[14]利用ASTER影像，在不同粒度下計算出相應(yīng)的景觀格局指數(shù)，對北京市熱力景觀格局及其尺度效應(yīng)進行分析；黃聚聰?shù)萚15]利用廈門市1987年—2007年間5景Landsat TM/ETM+所得數(shù)據(jù)對地表溫度進行反演，并在景觀格局指數(shù)的基礎(chǔ)上分析了廈門在城市化過程中熱島景觀格局的演變趨勢；白楊等[16]以上海市為研究對象，采用1987年—2010年4景Landsat TM/ETM+遙感影像反演地表溫度，并借用景觀格局指數(shù)分析了上海市熱島景觀格局時空演變特征.

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，作為環(huán)渤海經(jīng)濟中心的天津加快了城市化進程的步伐.快速發(fā)展的城市化進程造成城郊下墊面溫差逐步擴大，城市熱島效應(yīng)愈加明顯[17].近年來，一些學(xué)者對天津城市熱島效應(yīng)進行了研究，主要集中于天津城市熱島的時空變化特征[18-20]，而有關(guān)天津城市熱島景觀格局的研究較為缺乏.因此，本研究以天津為研究區(qū)域，以2001年、2003年、2006年、2008年和2009年5景Landsat TM/ETM+遙感影像作為研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對天津城市熱島景觀格局的時空演變進行定量分析與探討，以期為緩解天津城市熱島強度、合理進行城市生態(tài)景觀建設(shè)提供科學(xué)的理論基礎(chǔ).

1 研究材料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

天津坐落于 38°34′N～40°15′N，116°43′E～118°04′E，地處華北平原東部，北靠燕山，東臨渤海，全年平均氣溫13.4℃，屬于溫帶季風(fēng)性氣候類型，常住人口為1 299.29萬人，是中國4大直轄市之一，也是中國北方最重要的沿海開放城市.天津濱海新區(qū)位于環(huán)渤海經(jīng)濟圈中心地帶，是中國鄰近內(nèi)陸國家的重要出?？?改革開放以來，天津濱海新區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展，外資大量進入，成為中國北方發(fā)展最快的地區(qū)之一.本研究選取天津市中心城區(qū)和濱海新區(qū)為研究區(qū)域，其中，中心城區(qū)包括市內(nèi)6區(qū)（河北區(qū)、紅橋區(qū)、南開區(qū)、和平區(qū)、河?xùn)|區(qū)和河西區(qū)）和近郊4區(qū)（東麗區(qū)、津南區(qū)、西青區(qū)和北辰區(qū)），濱海新區(qū)包括3個區(qū)，即塘沽區(qū)、漢沽區(qū)和大港區(qū)，研究區(qū)域為天津快速城市化地區(qū)，如圖1所示.

圖1 天津市中心城區(qū)及濱海新區(qū)示意圖Fig.1 Location of central city and binhai new area of Tianjin

研究所用的數(shù)據(jù)為Landsat TM/ETM+的第6波段遙感影像，其中TM6波段空間分辨率為120 m，ETM+6波段空間分辨率為60 m.選取2001年—2009年獲取的5景遙感影像，如表1所示，122/33為軌道號.5景Landsat TM/ETM+遙感影像均在研究區(qū)天氣晴朗、大氣透明度高的情況下獲取，所以成像質(zhì)量均較好.5景遙感影像采用WGS-84橢球和基準面，并被精糾正到UTM投影坐標系（N50帶）中，利用重采樣方法統(tǒng)一了空間分辨率.

表1 遙感影像Tab.1 Remote sensing images

1.2 研究方法

1.2.1 亮溫反演方法

利用TM和ETM+熱紅外波段反演亮溫，其中TM影像使用的熱波段是6波段；而ETM+影像使用的熱波段是62波段[21].首先將DN值轉(zhuǎn)化為輻射亮度值，此步驟通過式（1）實現(xiàn)，然后再將輻射亮度轉(zhuǎn)化為亮度溫度，此步驟運用式（2）實現(xiàn).

式（1）和式（2）中：Lλ為輻射亮度；Tb為亮度溫度（K）；Gainλ為轉(zhuǎn)換函數(shù)的斜率；Biasλ為截距，Gainλ和 Biasλ的數(shù)值可在TM/ETM+影像自帶的元數(shù)據(jù)中獲??；K1和K2為衛(wèi)星發(fā)射前預(yù)設(shè)的常量，對于Landsat-5的TM 數(shù)據(jù)，K1=607.76 W/m2srμm，K2=1 260.56 K[22]；對于Landsat-7的ETM+數(shù)據(jù)，K1=666.09 W/m2srμm，K2=1 282.710 8 K[23].

1.2.2 熱島等級劃分

熱島等級劃分的方法是首先利用式（3）將反演得到的亮溫計算得出相對亮溫值

式（3）中：Tui為研究區(qū)內(nèi)第i個像元的亮溫；Ta為整個研究區(qū)的平均亮溫值.然后根據(jù)R值劃分研究區(qū)中所有熱島景觀斑塊等級，如表2所示.

表2 熱島等級劃分及代表的意義Tab.2 Segmentation of thermal patches and its meaning

1.2.3 熱島景觀指數(shù)

本研究根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)的理論與方法，使用景觀格局分析軟件Fragstats 3.3，對景觀格局指數(shù)進行計算，并利用計算所得的數(shù)值對近10年來天津城市熱島景觀格局的演變特征進行分析.景觀指數(shù)的選取主要包括2個方面：用于描述熱島整體特性的景觀水平上的景觀指數(shù)和主要描述研究區(qū)熱島景觀中高等級斑塊類型（4、5和6）的數(shù)量和結(jié)構(gòu)的類型水平上的景觀指數(shù).斑塊數(shù)量（NP）、面積（TA）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（AREA_MN）、面積加權(quán)形狀指數(shù)（SHAPE_AM）、聚合度（AI）、蔓延度（CONTAG）、散布與并列指數(shù)（IJI）、多樣性指數(shù)（SHDI）和均勻度指數(shù)（SHEI）為景觀水平上的景觀指數(shù)；類型面積（CA）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、平均斑塊面積（AREA_MN）、面積加權(quán)形狀指數(shù)（SHAPE_AM）和平均鄰近指數(shù)（PROX_MN）為類型水平上的景觀指數(shù).所有景觀格局指數(shù)分別從數(shù)量、形態(tài)和結(jié)構(gòu)3個方面表征天津城市熱島景觀格局特征及變化.

2 結(jié)果與分析

2.1 類型水平熱島景觀格局指數(shù)變化特征

起主導(dǎo)作用的熱島景觀類型（4、5和6類）對天津城市熱島效應(yīng)的發(fā)展和演變具有極為重要的影響，其近10年的變化過程和發(fā)展態(tài)勢如圖2所示.類型面積（CA）描述了熱島景觀斑塊類型面積，類型比例（PLAND）描述了各類型熱島景觀面積占總面積的比.研究區(qū)CA的變化趨勢和PLAND變化趨勢相同，均呈上升趨勢，表明對天津城市熱島效應(yīng)起主導(dǎo)作用的熱島景觀類型的面積增加導(dǎo)致熱島影響區(qū)域范圍增加.斑塊個數(shù)（NP）描述了各熱島景觀類型的斑塊數(shù)量，斑塊密度（PD）是指斑塊數(shù)量與斑塊總面積的比值，斑塊數(shù)量愈多則表明PD值越大，斑塊破碎化和割裂化的趨勢越明顯，破碎度和割裂度越大.研究區(qū)中NP和PD的變化趨勢相同，均呈下降趨勢，說明各高等級熱島斑塊破碎化程度明顯減弱，高等級熱島景觀呈現(xiàn)出集聚形態(tài).最大斑塊指數(shù)（LPI）描述了各類中最大斑塊面積占研究區(qū)面積的比例，研究區(qū)中，4級熱島LPI值增大，5、6級熱島LPI數(shù)值變化不大，這說明高等級熱島的斑塊面積不斷增大并提高了周圍低等級熱島類型，使熱島所產(chǎn)生的影響在區(qū)域和面積上不斷增大.平均斑塊面積（AREA_MN）描述了各等級熱島斑塊面積的平均值，研究區(qū)AREA_MN總體呈上升趨勢，說明天津城市熱島高溫斑塊的單體面積整體上逐漸增加，斑塊間的外部連接也逐漸完善，為形成更大組團奠定基礎(chǔ).形狀指數(shù)（SHAPE_AM）反映了斑塊形狀的復(fù)雜程度，當斑塊形狀接近正方形時其值為1；當斑塊形狀越來越復(fù)雜時其數(shù)值上升.研究區(qū)SHAPE_AM總體呈上升態(tài)勢，其中4級熱島景觀類型上升幅度最大，這表明研究區(qū)域內(nèi)熱島斑塊形狀越來越不規(guī)則，并向越來越復(fù)雜的方向發(fā)展.平均鄰近指數(shù)（PROX_MN）是闡述同類熱島景觀斑塊在空間分布上相對位置關(guān)系的指標，斑塊間的臨近水平越差，即在指定范圍內(nèi)無相同斑塊類型存在時，其數(shù)值趨向于0；當斑塊間的臨近水平越好，即同類斑塊的距離越近時，其值增大.研究區(qū)PROX_MN數(shù)值增加說明同類斑塊距離越來越近，各斑塊的邊界向外圍擴展，斑塊間的連接性越來越好，城市熱島影響面積逐漸增大，且這種趨勢在近些年的發(fā)展中越來越明顯.

圖2 類型水平熱島景觀指數(shù)變化情況Fig.2 Variation characteristics of urban thermal landscape metrics at class level

2.2 景觀水平熱島景觀格局變化特征

天津近10年來城市熱島變化在景觀水平上的各個景觀指數(shù)的變化趨勢如圖3所示.由圖3可以看出，熱島景觀從數(shù)量特征上表現(xiàn)為斑塊面積（PD）在研究區(qū)內(nèi)呈下降趨勢，平均斑塊面積的（AREA_MN）增加體現(xiàn)出隨著城市化發(fā)展，天津熱島景觀分布越來越集聚化，呈組團狀.從形態(tài)特征上看，研究區(qū)形狀指數(shù)（SHAPE_AM）增大說明熱島景觀斑塊形狀越來越復(fù)雜.從結(jié)構(gòu)特征上看，聚合度（AI）是在景觀水平上描述同類型的2個或多個斑塊在像素上聚合成一個斑塊的臨近關(guān)系，研究區(qū)AI總體上升說明天津熱島斑塊的鄰接關(guān)系越來越密切，天津熱島類型分布越來越緊湊.蔓延度（CONTAG）是不同斑塊類型的聚合度在景觀水平上的反應(yīng)，當由很多小斑塊構(gòu)成區(qū)域內(nèi)景觀時，其值降低；相反，當各斑塊在景觀中相互產(chǎn)生較好的連通性時，其數(shù)值上升.研究區(qū)蔓延度大體上升表明景觀中的優(yōu)勢斑塊類型有較好的連通性，斑塊內(nèi)部的連通性越來越好，各斑塊邊界逐漸向周圍蔓延；散布與并列指數(shù)（IJI）闡述了各斑塊類型在景觀中混合分布的狀態(tài)，即各類斑塊散布與并列在景觀中的狀況與程度，IJI的取值范圍為0～100，隨著其數(shù)值的增大，各斑塊周圍鄰接的斑塊數(shù)量和斑塊類型都逐漸增加.研究區(qū)內(nèi)IJI呈小幅度減小趨勢說明各類斑塊混合分布的程度隨城市化的進程小幅度降低.多樣性（SHDI）和均勻度（SHEI）分別描述斑塊類型的豐富程度和均勻分布程度.研究區(qū)SHDI與SHEI的變化趨勢相同，均呈下降態(tài)勢，表明近10年間天津在城市化不斷向前推進的大背景下，熱島景觀斑塊類型下降，并且景觀類型在空間上的分布也向不均勻化發(fā)展.

2.3 熱島景觀格局變化的空間特征

圖4 給出了2001年—2009年間5個時期的熱島景觀等級分類圖.從圖4中可以看出，2001年天津地區(qū)出現(xiàn)2個強熱島中心區(qū)，其位置分別在東部和西部，東部集中在天津市區(qū)，西部主要集中在塘沽區(qū)的中東部.2個熱島中心由一條形似帶狀的路徑相連，在南部與北部也零星分布熱島等級較強的斑塊，2001年的天津熱島強度已在1個較高的基礎(chǔ)上，集中度較強，密度也較大，分布極不均勻.而到2003年，天津市的熱島中心發(fā)生了明顯的變化，熱島中心出現(xiàn)在西南部、東部和西北部，其中西南部所占面積最大，集中分布在大港區(qū)西南部.從總體上看，4、5和6級熱島所占總面積從2001年的575.43 km2增加到2003年的1 390.70 km2，斑塊數(shù)量也在增加，聚合度變差.造成此種現(xiàn)象的主要原因主要在于2003年選取的是5月中旬的遙感數(shù)據(jù)，此時正值天津冬小麥收割季節(jié)，而大港區(qū)西南部大部分為農(nóng)田，而此時農(nóng)田被裸土覆蓋，溫度上升快，因此對熱島空間分布產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致2003年的熱島中心分布在大港西南部.2006年天津熱島所呈現(xiàn)的趨勢與2001年熱島演變的趨勢有一定的相似之處，不同之處在于位于東部和西部的2個熱島中心都有不同程度的削弱.在熱島中心處，4級熱島所占比重較大，而5、6級熱島所占面積大體呈縮小趨勢.2006年位于大港區(qū)面積巨大的熱島中心降低為對于城市熱島貢獻度不大的1、3級熱島.2008年2個熱島中心的熱島效應(yīng)增大并呈現(xiàn)分散分布的態(tài)勢，在塘沽區(qū)中東部的熱島中心的熱島水平也逐漸增高并向外擴散.2009年兩大熱島中心進一步“變熱”，并向周圍地區(qū)擴散，位于漢沽區(qū)西北部的熱島中心熱島等級升高程度明顯，其面積也在2008年—2009年迅速增高.由圖4可以看出，天津熱島中心在這5景中大部分集中在市區(qū)、塘沽區(qū)中東部和漢沽區(qū)西北部，個別年份集中在大港區(qū)西南部，其中比較穩(wěn)定的為市區(qū)熱島中心和塘沽區(qū)中東部熱島中心.總體而言，隨著天津城市化發(fā)展的進程，天津熱島呈現(xiàn)出除2003年外其他4景均較為平穩(wěn)的變化趨勢，并在整體上表現(xiàn)出以天津市市區(qū)和塘沽中東部熱島中心為核心并向外逐步擴散的特點.

圖4 研究區(qū)2001年—2009年5景影像熱島景觀斑塊等級分類圖Fig.4 Urban heat island patch grade maps of 5 images from 2001 to 2009 in study area

3 結(jié)論與討論

本研究采用Landsat TM/ETM+時間序列遙感影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對地表亮溫進行反演，在此基礎(chǔ)上采用景觀指數(shù)分析隨著城市化的不斷發(fā)展，天津城市熱島景觀格局的變化特征，主要得出如下結(jié)論：（1）數(shù)量方面.隨著近10年天津城市化進程，熱島景觀斑塊總數(shù)下降，斑塊密度下降，熱島景觀格局逐漸呈現(xiàn)出集聚化趨勢.（2）形態(tài)方面.熱島景觀的斑塊形狀在區(qū)域內(nèi)趨于復(fù)雜化.（3）結(jié)構(gòu)方面.由于新的高等級斑塊均出現(xiàn)在已有的高等級斑塊周圍，且各高等級斑塊的范圍不斷向外擴大，導(dǎo)致不同的高等級斑塊類型鄰近程度越來越高，在空間結(jié)構(gòu)上熱島景觀類型呈現(xiàn)團簇狀分布.熱島景觀在整體上更加聚合，景觀水平的蔓延度總體呈上升趨勢，熱島景觀面積在各類型間的分配逐漸趨于不均勻.（4）空間方面.隨著天津城市化進程，各等級熱島景觀斑塊數(shù)量減少，平均斑塊面積增大，呈組團狀分布.除2003年外的其他年份，分布于天津市區(qū)和塘沽中東部的兩大組團勢力最強且最穩(wěn)定，而各高等級熱島景觀斑塊面積占總面積的比例不斷增加，并呈現(xiàn)出斑塊邊界不斷向外圍擴展的趨勢，這種趨勢在塘沽區(qū)中東部表現(xiàn)的最為明顯.

本研究利用景觀指數(shù)對城市熱島景觀的演變趨勢分析近年來在研究城市熱島中出現(xiàn)的一個新興的研究領(lǐng)域，運用此方法分析出的結(jié)果可為探討熱島原因，并制定有效的熱島效應(yīng)減緩措施提供直接的理論依據(jù).本研究通過大量的分析初步得出了一些相關(guān)的結(jié)論，為改善城市生態(tài)環(huán)境、促進城市生態(tài)建設(shè)與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展以及建設(shè)文明社會提供決策支持，并對未來的發(fā)展具有指導(dǎo)性作用.

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