快速城市化地區(qū)景觀格局對(duì)地表熱環(huán)境的影響研究

管 昱，宋 瑜,2，吳 琛，方亦波，汪奘昱，徐建煒

(1. 杭州師范大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 311121；2. 浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121；3. 合肥市不動(dòng)產(chǎn)登記中心廬陽分中心，安徽 合肥 230000)

0 引言

自1818年英國學(xué)者Lake Howard提出“城市熱島”概念[1]以來，城市熱島問題備受關(guān)注.城市熱島效應(yīng)(urban heat island effect，UHI)是由于城市人口稠密、建筑密集、植被稀少、工業(yè)集中以及人類活動(dòng)導(dǎo)致熱量在城區(qū)空間范圍內(nèi)聚集[2-3]，嚴(yán)重制約著城市人居環(huán)境質(zhì)量.城市熱島效應(yīng)作為快速城市化大發(fā)展對(duì)環(huán)境影響最為典型的表現(xiàn)，同時(shí)也是人類最早發(fā)現(xiàn)的城市氣候效應(yīng)問題.據(jù)IPCC(Inter-governmental Panel on Climate Change)相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)告，近100年地球表面升溫0.74 ℃，平均增溫率為0.13 ℃/10 a，1850年以來最暖的12個(gè)年份中有11個(gè)出現(xiàn)在近期的1995—2006年.顯然，全球變暖已是不爭的事實(shí)，其中人類活動(dòng)是近50年來全球變暖的主要原因[4-5].隨著全球工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人為熱源以及城市土地利用類型等諸多城市環(huán)境影響因子發(fā)生了前所未有的巨大改變.

除了人為熱源影響因子外，城市土地利用類型的變化也是城市熱島效應(yīng)的主要驅(qū)動(dòng)因素.在各種下墊面類型中，城市綠地和水體已被證明具有降溫增濕、調(diào)節(jié)局地小氣候等多種生態(tài)功能，是緩解城市熱島效應(yīng)重要的可控性因素之一[6-7].城市土地利用的高度異質(zhì)性決定了地表溫度即便在較小的空間范圍內(nèi)也存在著較大的變異.鑒于類似通量觀測(cè)方式為代表的地面觀測(cè)手段，雖能提供高時(shí)間分辨率、長時(shí)間序列的觀測(cè)數(shù)據(jù)，卻無法刻畫城市熱島的總體空間分布特征，因此目前實(shí)際工作中更多地傾向于采用熱紅外遙感數(shù)據(jù)開展時(shí)空動(dòng)態(tài)研究.如李璇瓊等[8]利用Landsat數(shù)據(jù)分析了蘭州市城市熱島效應(yīng)時(shí)空演變，并得到熱島效應(yīng)和植被覆蓋度之間的關(guān)系；方剛[9]利用Landsat8數(shù)據(jù)對(duì)宿州市城市熱島效應(yīng)的空間分布進(jìn)行了研究，并分析了熱島效應(yīng)與土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(SAVI)等4種遙感指數(shù)的關(guān)系；阮俊杰[10]結(jié)合利用Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)和航空遙感影像，定量分析了上海市建成區(qū)內(nèi)的河流和綠地公園對(duì)熱環(huán)境的影響；劉宇鵬[11]則利用Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)反演了沈陽市地表溫度和城市熱島強(qiáng)度指數(shù)，根據(jù)熱島強(qiáng)度鑒別并提取了強(qiáng)熱島區(qū)，通過不同時(shí)相的反演結(jié)果研究沈陽市城市熱島的時(shí)空演變.

由此可見，當(dāng)前城市熱環(huán)境效應(yīng)相關(guān)研究主要聚焦于地表溫度與諸如土地利用類型、植被覆蓋率、不透水面等影響因子間的相互作用關(guān)系.作為城市結(jié)構(gòu)中自然生產(chǎn)力的主體，綠地降溫研究早已被學(xué)界廣泛關(guān)注；然而，反觀現(xiàn)階段仍存在諸多問題，如尚未定量描述綠地降溫效應(yīng)，未闡明綠地布局、功能與城市發(fā)展的相互作用，結(jié)果難以指導(dǎo)城市大尺度綠地空間優(yōu)化布局等.鑒于此，本文選取快速城市化地區(qū)的若干典型樣區(qū)，以城市景觀格局作為切入點(diǎn)，從景觀多樣性、破碎度、分維數(shù)及綠地面積等定量化指標(biāo)，進(jìn)一步研究和闡述城市景觀格局與熱島效應(yīng)的相關(guān)性，以期為城市小氣候影響變化規(guī)律以及緩解城市熱島效應(yīng)的綠地空間優(yōu)化布局方案提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)所在位置Fig.1 Location of the study area

杭州市地處東經(jīng)118°21′～120°30′，北緯29°11′～30°33′，位于中國東南沿海的浙江省北部，作為浙江省省會(huì)城市，處于長三角城市群的南翼核心(圖1).屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，其雨熱同期的氣候特色形成了光照、熱量與水分的季節(jié)性變化.全市山地丘陵占據(jù)總面積65.6%，主要分布在西部；而東部地勢(shì)平緩，主要為占地總面積26.4%的平原；其中，各類水體共占8%.

2 數(shù)據(jù)與方法

本研究主要基于遙感信息提取及GIS空間分析等技術(shù)手段，針對(duì)杭州八大主城區(qū)的地表溫度以及研究區(qū)內(nèi)景觀格局相關(guān)性進(jìn)行探究分析.利用下載獲取的研究區(qū)域Landsat8遙感數(shù)據(jù)、MODIS相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)及主城區(qū)矢量邊界數(shù)據(jù)，通過文獻(xiàn)綜述、遙感技術(shù)專業(yè)知識(shí)的相關(guān)整理，使用ENVI軟件完成相關(guān)數(shù)據(jù)處理，在獲取典型土地利用分類影像和地表溫度反演數(shù)據(jù)后，利用ArcGIS分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析制圖，與此同時(shí)，基于Fragstats軟件平臺(tái)完成研究區(qū)域的常用性景觀指數(shù)數(shù)據(jù)提取，最后使用SPSS統(tǒng)計(jì)分析杭州八大主城區(qū)區(qū)域性地溫與城市綠地景觀格局的相關(guān)性，討論研究結(jié)果并得出相應(yīng)的科學(xué)結(jié)論.

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所采用的遙感數(shù)據(jù)主要包括：Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)和MOD05水汽產(chǎn)品.2013年2月11日所發(fā)射的Landsat8衛(wèi)星，攜帶有OLI陸地成像儀和TIRS熱紅外傳感器，分辨率為30 m，在監(jiān)測(cè)等各方面為地球提供了寶貴的數(shù)據(jù).本次研究采用的是由美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey, USGS)提供的2013年12月10日的Landsat8 OLI/TIRS數(shù)據(jù).經(jīng)過輻射定標(biāo)和大氣校正，研究區(qū)的數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，無云層因素影響.

此外，來自美國LAADSDAAC網(wǎng)站提供的MODIS可降水量產(chǎn)品，根據(jù)內(nèi)容的不同，MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品共計(jì)分為44種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型，此次研究所使用的MOD05數(shù)據(jù)屬于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，用于獲取大氣水汽含量值，數(shù)據(jù)格式為HDF.

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.1 MOD05數(shù)據(jù)預(yù)處理

針對(duì)MOD05數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換，將其轉(zhuǎn)換為UTM投影、WGS84大地水準(zhǔn)面以及50投影分帶.在此基礎(chǔ)上，完成研究區(qū)域邊界剪切，從而獲得大氣水汽含量數(shù)值，作為計(jì)算地表溫度LST的輸入數(shù)據(jù)[12].

2.2.2 Landsat8數(shù)據(jù)預(yù)處理

在數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理工作的基礎(chǔ)上，建立研究區(qū)邊界掩膜文件，完成對(duì)研究區(qū)范圍數(shù)據(jù)的剪裁.

圖2 五類優(yōu)勢(shì)景觀典型樣區(qū)的位置分布Fig.2 Location distribution of typical sample areas of five dominant landscapes

2.3 土地利用分類與典型樣區(qū)劃分

結(jié)合杭州八區(qū)的城市下墊面特征，將研究區(qū)劃分為林地、草地、水體、建設(shè)用地、裸土5種基本土地利用類型(其中草地與裸土均含部分農(nóng)業(yè)用地).利用ENVI軟件平臺(tái)，選取合適的感興趣區(qū)域(region of interest, ROI)作為先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)Landsat8 OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類，獲得完整的地物分類圖并進(jìn)行精度評(píng)價(jià)[13].

針對(duì)以上5種基本類型的優(yōu)勢(shì)景觀區(qū)域(林地景觀樣區(qū)、草地景觀樣區(qū)、裸土景觀樣區(qū)、建設(shè)用地景觀樣區(qū)和水體景觀樣區(qū))，分類隨機(jī)選擇30個(gè)1 km×1 km、共計(jì)150個(gè)典型樣區(qū)(圖2)，為后續(xù)研究中典型樣區(qū)的景觀格局分析及其與地表溫度的相關(guān)性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

2.4 基于Landsat8的地表溫度反演

基于Landsat8 TIRS熱紅外數(shù)據(jù)，采用單通道SC算法完成典型樣區(qū)的地表溫度反演[14]，具體步驟如下：

1)根據(jù)Landsat8熱紅外波段TIRS10的參數(shù)，將影像的亮度值轉(zhuǎn)換為光譜輻射值

L=MLQcal+AL，

式中：L為波段TIRS10的光譜輻射值(TOA spectral radiance)；ML為TIRS10波段的調(diào)整因子，從頭文件(MTL)語句Radiance_MULT_Band_10獲得；AL為TIRS10波段的調(diào)整參數(shù)，從頭文件(MTL)語句Radiance_Add_Band_10獲得；Qcal為影像16位量化的亮度值(DN值).

2)基于熱紅外波段輻射值，轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的亮溫

式中：T為傳感器亮溫(K)，L為光譜輻射值，K1和K2為TIRS10波段的定標(biāo)常數(shù)，其中，K1=774.89 W/(m2·sr·μm)，K2=1321.08 K.

3)利用Landsat8數(shù)據(jù)的大氣參數(shù)，采取單通道SC算法完成地表溫度的反演，

式中：ε為地表比輻射率，T亮溫值，TIRS10參數(shù)br，即TIRS10=1324 K；φ1、φ2、φ3為ω(大氣水汽含量)的函數(shù)，而ω由MODIS數(shù)據(jù)獲取，φ1、φ2、φ3為常數(shù).

2.5 景觀格局分析

城市景觀是由不同類型的斑塊組成，而綠地景觀則是一些大小不同、密度不均、形態(tài)各異的景觀單元，每類單元都在城市生態(tài)調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用.基于城市綠地景觀的定量描述與定性分析，是研究綠地景觀格局與城市生態(tài)關(guān)系的基礎(chǔ)，同時(shí)也為城市的綠地斑塊建設(shè)提供了重要依據(jù).

2.5.1 景觀多樣性

2.5.2 綠地破碎度

景觀破碎度即各類景觀要素被分割的程度.由于人類活動(dòng)或者自然因素影響，景觀由單一、均質(zhì)、連續(xù)性整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)、不連續(xù)性鑲嵌體的過程，在某種程度上揭示了人類對(duì)景觀的干擾程度.綠地景觀破碎度(Ci)計(jì)算公式為Ci=Ni/Ai，其中，Ni表示景觀i的斑塊數(shù)量，Ai表示景觀i的總面積.

2.5.3 綠地分維數(shù)

分維數(shù)反映景觀不規(guī)則形狀的復(fù)雜性.由于景觀由形狀不同、大小不一的斑塊組成，在不同尺度上具有相似的規(guī)則性、分形的性質(zhì)，所謂分形，即分維數(shù)的對(duì)象，而分維數(shù)可用來描述景觀形狀的復(fù)雜程度.指數(shù)為1則為規(guī)則的正方形斑塊，越接近2則越復(fù)雜.綠地分維數(shù)(FD)計(jì)算公式為

其中，S為斑塊面積，L為斑塊周長.

2.5.4 綠地面積

綠地面積指各類綠地的總和，在本研究中主要包括林地和草地兩大類用地類型的土地面積.

2.6 Pearson相關(guān)分析

相關(guān)性分析法是定量描述不同連續(xù)變量之間相關(guān)性的經(jīng)典方法.正相關(guān)表明要素屬性值之間的變化具有相同的趨勢(shì)，負(fù)相關(guān)則表明要素之間的相關(guān)變化具有相反的趨勢(shì)[9].研究所采用的Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為

式中：X為所有變量x的屬性值集合，Y為所有變量y的屬性值集合，N為對(duì)應(yīng)變量的個(gè)數(shù).其數(shù)值范圍為-1～1，接近于1或-1的相關(guān)系數(shù)則表明不同變量之間的相關(guān)性強(qiáng)；接近于0的相關(guān)系數(shù)，表明相關(guān)性弱.

3 結(jié)果與分析

3.1 典型地物對(duì)地表溫度的影響

3.1.1 典型地物分類

由圖3可見，研究區(qū)范圍內(nèi)林地位于西部和南部山區(qū)，建設(shè)用地分布較為分散、呈組團(tuán)狀，農(nóng)業(yè)用地面積較大，介于城市建設(shè)用地與山地丘陵的過渡地帶.

圖3 基于Landsat8 OLI數(shù)據(jù)的土地利用分類Fig.3 Land use classification based on Landsat8 OLI

圖4 基于Landsat8 TIRS地表溫度反演結(jié)果Fig.4 Surface temperature retrieval base on Landsat8 TIRS

3.1.2 地表溫度反演結(jié)果

圖4統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，林地、草地、水體、建設(shè)用地、裸土5種基本地類的地表溫度均值分別為7.86 ℃、9.44 ℃、10.00 ℃、16.03 ℃、12.19 ℃.其中，建筑物影響下的地溫均值遠(yuǎn)高于其他四類地物，可見建筑聚集區(qū)對(duì)地表起增溫作用；而林地、草地、水體相對(duì)溫度均值較低，則表明綠地與水體對(duì)城市熱環(huán)境有著一定的降溫效果，具有緩解“城市熱島效應(yīng)”的生態(tài)功能.

3.2 快速城市化地區(qū)景觀格局特征分析

針對(duì)林地、草地、水體、建設(shè)用地和裸土五類景觀樣區(qū)，統(tǒng)計(jì)其景觀多樣性、綠地破碎度、綠地分維數(shù)和綠地面積等指數(shù)(表1)，分析研究區(qū)域的景觀格局特征現(xiàn)狀.結(jié)果表明：1)建設(shè)用地和林地樣區(qū)的景觀多樣性較低，草地樣區(qū)次之，水體與裸土樣區(qū)的景觀多樣性較高.可見前兩類樣區(qū)的景觀構(gòu)成復(fù)雜程度偏低、地類構(gòu)成相對(duì)單一.2)林地和草地景觀樣區(qū)的綠地面積均值最高，水體和裸土樣區(qū)次之，建設(shè)用地樣區(qū)的綠地面積最小.可見林地和建設(shè)用地主導(dǎo)景觀占比具有明顯優(yōu)勢(shì)；3)建設(shè)用地景觀樣區(qū)綠地破碎度均值最高，裸土和水體樣區(qū)次之，草地樣區(qū)再次之，林地樣區(qū)綠地破碎度均值最低.可見城市建筑區(qū)受人為干擾強(qiáng)烈，綠地面積小且破碎程度大；林草地區(qū)受干擾較小，綠地景觀均較為規(guī)整、較少鑲嵌其他地類；而裸土和水體的情況介于二者之間.4)五類景觀樣區(qū)綠地分維數(shù)水平相近，其中林地樣區(qū)的綠地分維數(shù)均值最低，綠地斑塊形狀較為規(guī)則完整.

表1 不同主導(dǎo)景觀下景觀指數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Landscape index statistics under different dominant landscapes

續(xù)表1

3.3 景觀格局對(duì)地表溫度的影響

基于上述林地、草地、水體、建設(shè)用地和裸土景觀樣區(qū)，進(jìn)行樣區(qū)LST均值與其景觀指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)分析(表2)，研究結(jié)果如下：

1)林地景觀樣區(qū).地表溫度與景觀多樣性指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)、綠地分維數(shù)具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，則地溫隨著林地樣區(qū)內(nèi)斑塊的種類、整體景觀的破碎程度與綠地景觀形狀的復(fù)雜程度增大而升高；地表溫度與綠地面積具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，則地溫隨著綠地的增多而降低.由此可見，在林地景觀類型主導(dǎo)的區(qū)域，增加綠地面積、降低綠地景觀破碎程度、減小綠地形狀的復(fù)雜度，具有較好的降溫效果.

2)草地景觀樣區(qū).地表溫度與綠地分維數(shù)和綠地面積分別呈顯著的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系，則地溫隨綠地形狀復(fù)雜程度增大而升高，并隨綠地增多而降低.地表溫度與景觀多樣性指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)不具有顯著的相關(guān)關(guān)系.由此可見，在草地景觀類型主導(dǎo)的區(qū)域，較大的綠地面積、規(guī)則的綠地形狀，具有較好的降溫效果.

3)水體景觀樣區(qū).地表溫度與景觀多樣性指數(shù)、景觀破碎度、綠地分維數(shù)和綠地面積均不具有顯著的相關(guān)關(guān)系，則地溫與水體樣區(qū)內(nèi)綠地斑塊的破碎程度、復(fù)雜度和面積無關(guān)，該樣區(qū)內(nèi)綠地景觀格局變化引起的降溫效應(yīng)并不明顯.

4)建設(shè)用地景觀樣區(qū).地表溫度與綠地破碎度指數(shù)、綠地分維數(shù)具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，則地溫隨著建成區(qū)綠地景觀的破碎程度和綠地形狀的復(fù)雜程度增大而升高；地表溫度與樣區(qū)內(nèi)景觀多樣性和綠地面積具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，則地溫隨著斑塊種類與綠地的增多而降低.綜合表明，增加綠地面積、減小綠地形狀的復(fù)雜度，提高綠地景觀的連通度，對(duì)城區(qū)地面具有一定的降溫效果，反之則增強(qiáng)城市熱島效應(yīng).

5)裸土景觀樣區(qū).地表溫度與綠地破碎度和綠地分維數(shù)具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，與綠地面積具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與景觀多樣性指數(shù)不具有顯著的相關(guān)關(guān)系.可見在該樣區(qū)，增加綠地面積、降低綠地形狀復(fù)雜度和提高綠地景觀完整性，具有一定的降溫效應(yīng).

6)全部樣區(qū).區(qū)域地表溫度與綠地破碎度、綠地分維數(shù)具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，與綠地面積具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明通過降低研究區(qū)景觀破碎程度，保證不同類景觀的連通完整性，適當(dāng)增大綠地面積和降低綠地斑塊的復(fù)雜程度，對(duì)城市地表具有一定的降溫作用，可緩解城市熱島效應(yīng).

表2 基于景觀樣區(qū)的地表溫度與景觀指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系分析Tab.2 The correlation analysis between surface temperature and landscape index based on landscape sample areas

如圖5所示，針對(duì)全部樣區(qū)的地表溫度與綠地破碎度、綠地分維度和綠地面積進(jìn)行擬合分析，R2分別為0.59、0.05和0.69.其中，綠地面積與地表溫度具有明顯的線性關(guān)系，可采用線性回歸模型進(jìn)行模擬；而綠地景觀破碎度取值偏小時(shí)，相同的綠地破碎度條件下，地表溫度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但隨著綠地破碎度的增大，地表溫度呈整體逐漸上升趨勢(shì).

4 結(jié)論與展望

1)通過統(tǒng)計(jì)各地類影響下的地表溫度均值，完成典型地物對(duì)地表溫度的差異性比較分析.其中，林地、草地、水體、建設(shè)用地、裸土5種典型地類的地表溫度均值分別為7.86 ℃、9.44 ℃、10.00 ℃、16.03 ℃、12.19 ℃.地溫均值呈現(xiàn)“林地<草地<水體<裸土<建設(shè)用地”的規(guī)律趨勢(shì)，可見林地、草地、水體具有一定的降溫效應(yīng)，而建筑物密集區(qū)則具有相反作用.

2)在基于五類典型地物進(jìn)行主導(dǎo)景觀樣區(qū)選擇的基礎(chǔ)上，開展研究區(qū)綠地景觀格局特征分析.其中，林地和建設(shè)用地兩類樣區(qū)的景觀多樣性相對(duì)較低；林地樣區(qū)的綠地分維數(shù)與景觀破碎度相對(duì)其他地類較小，斑塊規(guī)則完整且綠地面積最大；而建設(shè)用地樣區(qū)綠地景觀破碎度指數(shù)最大、綠地面積最小，可見建成區(qū)受人為干擾強(qiáng)烈，綠地面積小且破碎化.此外，各樣區(qū)綠地面積均大于零，表明均含有綠地斑塊.

3)林地、草地、水體、建設(shè)用地和裸土各類樣區(qū)的景觀格局對(duì)地表溫度影響作用不一.其中，林區(qū)與建成區(qū)的景觀多樣性分別與地表溫度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系，其他地類的優(yōu)勢(shì)景觀區(qū)無顯著相關(guān)關(guān)系；綠地破碎度和綠地分維數(shù)普遍與地表溫度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系；而綠地面積與地表溫度均呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系.由此表明，可通過降低城市區(qū)域綠地景觀的破碎程度，提升其連通完整性，適當(dāng)降低綠地景觀邊界的復(fù)雜程度和增大綠地面積，可緩解城市熱島效應(yīng).

本文以處于快速城市化下的杭州市區(qū)作為研究區(qū)，選取五類典型地物的優(yōu)勢(shì)景觀區(qū)域作為研究樣區(qū)，探究了快速城市化地區(qū)地表溫度與城市綠地景觀格局的相關(guān)性.研究中涉及的綠地景觀類型局限于林地和草地，未來應(yīng)開展綠地精細(xì)分類，從而深化豐富綠地降溫效應(yīng)的相關(guān)研究結(jié)論.此外，景觀指數(shù)的篩選需進(jìn)一步優(yōu)化，綠地降溫效應(yīng)與景觀格局之間的定量關(guān)系研究也有待加強(qiáng)，以期提出更加科學(xué)有效的城市綠地景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)方案.