王 戈 于 強(qiáng) YANG Di 趙曉婷 趙桂芳 岳德鵬
(1.北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083;2.蒙大拿大學(xué)空間分析實(shí)驗(yàn)室, 米蘇拉 MT 59808)
城市群是城市發(fā)展到成熟階段的最高空間組織形式[1]。隨著城市群內(nèi)城市范圍的擴(kuò)張與城市數(shù)量的增加,建筑用地比例持續(xù)增加、生態(tài)用地不斷減少,景觀趨于破碎,產(chǎn)生了大量生態(tài)環(huán)境問題[2],如熱環(huán)境、水環(huán)境、城市生態(tài)服務(wù)功能下降等問題[3]。其中,城市群熱環(huán)境問題尤為突出。熱環(huán)境問題是絕大多數(shù)城市群所共有的問題[4],由熱環(huán)境效應(yīng)影響區(qū)域所構(gòu)成的“熱空間”面積不斷增加,破壞了大氣環(huán)境,導(dǎo)致空氣污染物不易擴(kuò)散、城郊對流增強(qiáng)、單次降雨增加,易引發(fā)城市洪澇災(zāi)害[5]。
城市群生態(tài)空間可分為綠色生態(tài)空間與藍(lán)色生態(tài)空間(簡稱綠色空間與藍(lán)色空間)。綠色空間是指可以維持城市群生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的所有植被出現(xiàn)的地方,可以為自然界提供生境,保護(hù)生物多樣性[6];城市群藍(lán)色空間是指城市群中水體區(qū)域[7]。由藍(lán)色空間與綠色空間構(gòu)成的生態(tài)空間對城市群生態(tài)穩(wěn)定意義重大,建設(shè)城市群藍(lán)綠空間是緩解熱環(huán)境問題的重要手段[8]。然而,我國人多地少,城市群綠地與水體的規(guī)劃建設(shè)受到諸多方面制約[9],生態(tài)空間的降溫效果不僅與植被、水體的面積和空間分布有關(guān),更受生態(tài)空間本身格局的影響[10]。地表溫度作為有效表征熱環(huán)境影響程度的指標(biāo)而被廣泛應(yīng)用于城市群熱環(huán)境問題研究中[11]。景觀指數(shù)可以高度濃縮景觀信息、反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置。目前,生態(tài)空間與地表溫度關(guān)系研究大多集中在綠地景觀與地表溫度的關(guān)系方面,有關(guān)學(xué)者基于遙感數(shù)據(jù)與氣象觀測數(shù)據(jù)的研究表明,城市植被綠地可通過蒸騰作用和陰影來降低地表溫度,植被覆蓋組成、NDVI與地表溫度間存在顯著相關(guān)性,并且植被比例越高、地表溫度越低[12]。綠地景觀空間結(jié)構(gòu)對地表溫度也具有顯著影響,地表溫度與區(qū)域內(nèi)綠地景觀斑塊大小、形狀指數(shù)、聚集度指數(shù)等景觀指數(shù)間存在正相關(guān)關(guān)系,綠地格局參數(shù)對地表溫度影響差異較大[13]。陳愛蓮等[14]探究了北京市城市綠地格局與地表溫度及冷島強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系,程好好等[15]研究了深圳市綠地類型、屬性特征與地表溫度分異之間的關(guān)系,袁振等[16]將地溫空間格局與城市綠地斑塊進(jìn)行了空間耦合分析。以上研究僅局限于單一研究區(qū),缺乏對不同景觀組成地區(qū)的比較,采用相關(guān)性分析與線性回歸忽略了景觀的空間異質(zhì)性[17]。本研究采用空間自相關(guān)與空間自回歸模型探究京津冀城市群內(nèi)不同地區(qū)生態(tài)空間格局與地表溫度關(guān)系[18],為京津冀城市群熱環(huán)境問題緩解提供科學(xué)依據(jù)。
京津冀城市群位于華北平原北部(北緯36°5′~42°40′,東經(jīng)113°27′~119°50′),北靠燕山山脈,南接華北平原,西倚太行山,東臨渤海灣,西北和北部地形較高,南面和東面地形較為平坦,氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)型氣候,降水分配不均勻,春秋短促且干旱多風(fēng),夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,分布較廣的植被類型為草地、常綠針葉林和落葉闊葉林。京津冀城市群是我國三大城市群之一,主要包括北京市、天津市和河北省在內(nèi)共13個城市(圖1),區(qū)域面積為 18.85萬km2,人口數(shù)量1.18億。2018年京津冀城市群GDP為8.5×104億元,占全國GDP總量的9.44%,作為國家“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)發(fā)展城市群,對我國華北地區(qū)具有重要意義。近些年來,北京市、天津市和河北省發(fā)展迅速,京津冀城市群的下墊面改變使得地表溫度發(fā)生變化,加上人口聚集密度高等因素,導(dǎo)致地表溫度升高,城市群熱環(huán)境狀況進(jìn)一步加劇。
本文選用的地表溫度數(shù)據(jù)是搭載在Terra衛(wèi)星上MODIS陸地系列產(chǎn)品中的地表溫度8 d合成產(chǎn)品(MOD11)。研究選用的2003—2018年樹木覆蓋率、短植被覆蓋率與裸地覆比率由MOD44B植被覆蓋轉(zhuǎn)換產(chǎn)品(VCF)提供,VCF是指植被冠層或葉面積在地表的垂直投影面積占植被區(qū)總面積的比例,其中包括3種類型: 樹木冠層(Tree canopy, TC)覆蓋率、短植被(Short vegetation, SV)覆蓋率與裸地(Bare ground, BG)覆比率,數(shù)值范圍為0~200,0~100表示該區(qū)域的樹木、短植被或裸地覆蓋率,100~200表示該區(qū)域?yàn)樗w。植被指數(shù)(NDVI)由MODIS陸地標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13提供,MNDWI由MOD09數(shù)據(jù)中第4、6波段計(jì)算得到。MODIS數(shù)據(jù)的儲存格式為HDF,地圖投影為正弦投影,利用MODIS Reprojection Tool(MRT)工具進(jìn)行批量幾何校正與重采樣處理,批處理后數(shù)據(jù)分辨率為1 000 m×1 000 m,可以滿足京津冀城市群研究的需要。
1.3.1MODIS地表溫度處理
本文研究重點(diǎn)為探究生態(tài)空間格局與地表溫度的耦合關(guān)系,夏季白天是高溫對城市群造成影響最嚴(yán)重的時間段,故選取2018年夏季典型高溫月(7月)的白天地表溫度數(shù)據(jù)。選取8 d合成全球地表溫度和發(fā)射率產(chǎn)品(MOD11),對MOD11中Day_view_time(白天數(shù)據(jù)觀測時間)子數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理,然后對其進(jìn)行輻射定標(biāo)并轉(zhuǎn)換為地表溫度。地表溫度計(jì)算公式為
Ts=0.02DN-273.15
(1)
式中Ts——地表溫度,℃
DN——像元灰度
受云層影響,地表溫度產(chǎn)品無法記錄云層覆蓋區(qū)域的地表溫度數(shù)據(jù),MOD11A2缺失值為0或低于正常值。運(yùn)用月最大值合成法記錄影像中同一坐標(biāo)像元在合成范圍內(nèi)最大值來有效填補(bǔ)缺失數(shù)據(jù),將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣至分辨率為1 000 m×1 000 m。
1.3.2趨勢分析法
為了能夠掌握研究區(qū)2003—2018年的樹木覆蓋率(TC)、耕地覆蓋率(SV)和裸地覆比率(BG)在時間與空間的變化特征,采用一元線性回歸法模擬每個柵格的年際變化趨勢,運(yùn)用ArcGIS軟件中空間分析模塊來計(jì)算變化趨勢,計(jì)算公式為
(2)
式中n——某一特征參數(shù)在研究時間段內(nèi)累計(jì)時間,a
Xi——某一種特征參數(shù)第i年的平均值
Slope——趨勢線斜率,為負(fù)表示該參數(shù)在整個時間段呈下降趨勢,為正呈上升趨勢
對每一個柵格進(jìn)行趨勢斜率分析,來研究整個區(qū)域各個特征參數(shù)的變化情況[19]。
1.3.3景觀格局指數(shù)
景觀格局可以反映景觀的結(jié)構(gòu)組成與空間配置,景觀格局指數(shù)可以將景觀格局定量化并且高度濃縮景觀信息。根據(jù)文獻(xiàn)[20]關(guān)于運(yùn)用景觀格局指數(shù)評價景觀格局與熱環(huán)境關(guān)系的研究,從類型水平與景觀水平上共選取7個常用景觀格局指數(shù)(表1),利用Fragstats 4.2軟件計(jì)算2018年各樣區(qū)景觀格局指數(shù)。
1.3.4移動窗口分析
景觀格局指數(shù)之間存在一定關(guān)聯(lián)性[21],為全面反映生態(tài)空間的景觀格局[18],選取景觀類型比例(PLAND)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、聚合度指數(shù)(AI)、平均斑塊面積(AREA_MN)、面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)(FRAC_AM)、形狀指數(shù)(LSI)來研究2018年的生態(tài)空間與地表溫度間的關(guān)系。結(jié)合實(shí)際情況選取Fragstats 4.2軟件,采用邊長為10 km的正方形窗口自研究區(qū)左上角移動,提取窗口內(nèi)生態(tài)空間格局指數(shù),最終得到生態(tài)空間景觀指數(shù)的柵格圖像[22]。通過ArcGIS 10.4軟件,計(jì)算各個窗口內(nèi)平均地表溫度與景觀指數(shù)并進(jìn)行歸一化處理。
1.3.5空間自相關(guān)分析
空間自相關(guān)分析可以解釋景觀的聚集特性[23],分為全局空間自相關(guān)與局部空間自相關(guān),兩者通過Moran’sI來衡量空間自相關(guān)程度。ANSELIN提出雙變量空間自相關(guān)分析來解釋空間變量與鄰近區(qū)域其他變量之間的相關(guān)性[24]。
運(yùn)用GeoDa1.6軟件進(jìn)行空間自相關(guān)分析,全局自相關(guān)分析用于衡量樣區(qū)內(nèi)各個空間單元與臨近單元之間的聚集性,計(jì)算公式為
表1 景觀格局指數(shù)Tab.1 Landscape pattern index
(3)
式中n——空間單元總數(shù)
I——全局空間自相關(guān)值
wij——位置i、j觀測值的權(quán)重
xi、xj——位置i、j的觀測值
Wij——通過K鄰接關(guān)系建立的空間權(quán)重矩陣
S2——所有空間單元中變量觀測值x的方差
局部自相關(guān)分析用于分析變量在局部區(qū)域的空間相關(guān)性,基于z檢驗(yàn)的LISA分布圖能直觀呈現(xiàn)局部區(qū)域變量的聚集性及分異特征,計(jì)算公式為
(4)
式中I——局部空間自相關(guān)值
1.3.6空間自回歸模型
本研究通過GeoDa1.6軟件采用空間自回歸模型對2018年7月地表溫度與生態(tài)空間景觀指數(shù)進(jìn)行回歸分析,公式為
y=ρW1y+βx+μ+a
(5)
其中
μ=λW2μ+ε
式中y——因變量,即LST
x——自變量,即各類生態(tài)空間景觀指數(shù)
β——自變量回歸系數(shù)
a——截距μ——隨機(jī)誤差項(xiàng)
ε——服從均值為0、方差為δ2的隨機(jī)誤差[25]
W1、W2μ——因變量與殘差的空間鄰接權(quán)重矩陣
ρ——空間滯后項(xiàng)W1y的回歸系數(shù)
λ——空間殘差項(xiàng)回歸系數(shù)
通過最大似然對數(shù)(Maximum likelihood logarithm, LIK)、赤池信息量準(zhǔn)則(Akaike information criterion, AIC)、Schwartz指標(biāo)(Schwartz criterion, SC)與回歸模型誤差項(xiàng)的Moran’sI值檢驗(yàn)不同空間自回歸模型的擬合效果[26]。模型LIK越大, AIC、SC越小,模型殘差的Moran’sI值越接近于0,說明模型擬合效果越好[27]。
年際變化空間趨勢分布可反映參數(shù)趨勢分布情況和研究區(qū)不同位置趨勢分布情況。基于2003—2018年研究區(qū)VCF變化情況,用斜率表示近15年的變化幅度,正或負(fù)值表示VCF的增加或減少(圖2)。從圖2a可看出,在2003—2018年,京津冀地區(qū)的中部、東北以及西南邊界的TC變化趨勢值為正,其中大部分在0.5以上,表明該地區(qū)的TC呈明顯的上升趨勢,東南部有零散的正值區(qū)域,但數(shù)值較小,上升趨勢不明顯;京津冀地區(qū)的西北及東南大片區(qū)域TC的變化趨勢值為負(fù),且在-2~0之間,表明該部分地區(qū)TC呈下降趨勢,但幅度較小,在承德市西北、東南以及天津東部沿海區(qū)域變化趨勢值達(dá)-2以下,TC呈明顯下降趨勢。2003—2018年間,京津冀地區(qū)的東北、西南邊界和東部沿海地區(qū)SV變化趨勢值為正(圖2b),表明該地區(qū)的SV呈上升趨勢,其中張家口市東部、承德市中部、唐山市南部地區(qū)變化趨勢值達(dá)2以上,SV上升趨勢明顯,京津冀地區(qū)西北、中部和東部區(qū)域的SV變化趨勢值為負(fù),表明該地區(qū)SV呈下降趨勢,其中張家口市、廊坊市、石家莊市中部區(qū)域變化趨勢值達(dá)1.7以上,SV上升趨勢明顯。從圖2c可以看出,2003—2018年間,承德市西北和南部、保定市、石家莊市、邢臺市和邯鄲市的大部分區(qū)域變化趨勢值為正,表明BG呈上升趨勢,其中邯鄲市東南部上升趨勢明顯;張家口市、承德中部、北京市、廊坊市、秦皇島市、唐山市、天津市、滄州市和衡水市的大部分區(qū)域變化趨勢值為負(fù),表明BG呈下降趨勢。
年際變化的空間趨勢可以在空間上清楚反映樹木、短植被和裸地的變化趨勢分布情況和不同位置的趨勢及差異情況?;谘芯繀^(qū)樹木、短植被和裸地趨勢分析,選取2018年的7個樣區(qū)(圖3)進(jìn)行研究,樣區(qū)1為張北地區(qū),全域內(nèi)最大面積景觀為草地,建成區(qū)面積較小。樣區(qū)2為京津地區(qū),全域內(nèi)建成區(qū)分布較為集中,草地分布在樣區(qū)2西北部,水體主要分布在西南與東南部。樣區(qū)3位于承德以南唐山以北,樣區(qū)內(nèi)分布大量林地景觀,建成區(qū)主要分布在南部。樣區(qū)4分布在邯鄲市附近,地勢平緩海拔較低,樣區(qū)內(nèi)分布著大量耕地。樣區(qū)5位于邢臺以南衡水以北,樣區(qū)內(nèi)耕地呈現(xiàn)增長趨勢,并伴隨土地裸露風(fēng)險(xiǎn)。樣區(qū)6主要位于石家莊市,草地分布在樣區(qū)西部,中部與東部分布大量建筑用地與耕地,樣區(qū)7位于承德市北部,海拔較高,地勢起伏較大,樣區(qū)北部與南部分布大量林地景觀,少量耕地分布在樣區(qū)東南方向。
基于2018年7月京津冀月平均NDVI與MNDWI數(shù)據(jù),提取NDVI或MNDVI值大于0.85的區(qū)域作為2018年7月綠色空間或藍(lán)色空間(圖4),綠色與藍(lán)色空間共同組成了京津冀地區(qū)的生態(tài)空間。比較7個樣區(qū)的生態(tài)空間指數(shù),從表2可以看出,樣區(qū)4生態(tài)空間最少,樣區(qū)3最多,達(dá)到30.58%。樣區(qū)7 LPI最大,為55.600%,樣區(qū)6最小,為20.007%。樣區(qū)2斑塊密度最大,PD為0.169,樣區(qū)5斑塊密度最小,PD為0.068。樣區(qū)7 AREA_MN最大,為4 090.6 m2,樣區(qū)4 AREA_MN最小,為650 m2。樣區(qū)2 LSI最大,景觀復(fù)雜程度高,樣區(qū)7 LSI最小。樣區(qū)1~7的FRAC_AM差別不大,各樣區(qū)內(nèi)斑塊形狀對生態(tài)過程影像差別不大。樣區(qū)7景觀聚合度指數(shù)最大,樣區(qū)內(nèi)景觀斑塊團(tuán)聚程度較高。
PLAND作為評價景觀豐度的指標(biāo),可以反映生態(tài)空間分布情況。以生態(tài)空間的PLAND指數(shù)作為變量進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析,樣區(qū)5生態(tài)空間景觀的Moran’sI值為0.743(表2),表明具有明顯空間聚集性。
表2 生態(tài)空間格局指數(shù)全局自相關(guān)分析Tab.2 Global autocorrelation analysis of ecological spatial pattern index
對京津冀城市群的地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行空間自相關(guān)分析,結(jié)果如圖5所示,樣區(qū)1~7的全局空間自相關(guān)指數(shù)分別為0.475、0.737、0.607、0.376、0.476、0.735和0.638,且Moran’sI顯著性P值均小于0.001,樣區(qū)1~7的地表溫度具有較強(qiáng)的空間正相關(guān)性。由圖5可知,在樣區(qū)1中西北與東南方向出現(xiàn)LST的高-高聚集區(qū),樣區(qū)2的西南部出現(xiàn)LST高溫聚集區(qū),樣區(qū)3的北部與東部、樣區(qū)4西北部、樣區(qū)5中部、樣區(qū)6西南部、樣區(qū)7西北與東北部均出現(xiàn)LST的高-高聚集區(qū)。LST的低-低聚集區(qū)分布在樣區(qū)1中部、樣區(qū)2北部與東部、樣區(qū)3的中部與西部、樣區(qū)4的東部、樣區(qū)5與樣區(qū)6的北部、樣區(qū)7的北部與南部。圖5中移動窗口尺寸為10 km×10 km。
2.4.1相關(guān)性與雙變量空間自相關(guān)分析
Pearson 相關(guān)性及雙變量空間自相關(guān)分析如表3所示,樣區(qū)1 PLAND、PD、LSI、LPI、 FRAC_AM AREA_MN 與LST均呈負(fù)相關(guān),AI與LST呈正相關(guān);樣區(qū)2 PD、LSI、LPI、FRAC_AM、AREA_MN、AI與LST均呈正相關(guān);樣區(qū)3 PLAND、LPI、AREA_MN、AI在空間上與LST呈正相關(guān);樣區(qū)4 PLAND、PD、LSI、LPI、FRAC_AM、AREA_MN、AI與LST均呈負(fù)相關(guān);樣區(qū)5中PLAND、LSI、LPI、FRAC_AM、AREA_MN、AI與LST呈現(xiàn)正相關(guān),PD與LST呈負(fù)相關(guān);樣區(qū)6中PLAND、LPI、AREA_MN、AI與LST呈現(xiàn)正相關(guān),PD、LSI、FRAC_AM與LST呈負(fù)相關(guān);樣區(qū)7中PLAND、LSI、LPI、FRAC_AM、AREA_MN、AI與LST均呈負(fù)相關(guān),PD與LST呈正相關(guān)。7個樣區(qū)的生態(tài)空間景觀格局與LST相關(guān)系數(shù)以及雙變量空間自相關(guān)Moran’sI差異明顯。樣區(qū)5、7位于河北省北部,林地景觀比例較高,相關(guān)性以及雙變量空間自相關(guān)性高于其他樣區(qū),與景觀優(yōu)勢度、斑塊破碎度有關(guān)。由于樣區(qū)1、4生態(tài)空間比例較低,對LST影響有限。PLAND對LST影響較大,樣區(qū)7生態(tài)空間比例高,生態(tài)空間斑塊化且集中連片對地表溫度影響明顯。
表3 生態(tài)空間格局指數(shù)與地表溫度相關(guān)性及雙變量空間自相關(guān)分析Tab.3 Correlation between ecological spatial pattern index and surface temperature and bivariate spatial autocorrelation analysis
2.4.2空間自回歸分析
生態(tài)空間景觀指數(shù)與地表溫度具有空間相關(guān)性,在此基礎(chǔ)上以景觀指數(shù)為自變量,地表溫度為因變量分別采用3種模型進(jìn)行空間回歸分析,結(jié)果見表4,由于生態(tài)空間LST的影響受景觀優(yōu)勢度、破碎度以及聚集程度等因素共同作用,通過對比可得多元回歸擬合效果。對比樣區(qū)1、7 3種回歸模型的殘差Moran’sI值如表5所示,OLS模型普遍高于SLM與SEM模型,樣區(qū)6 OLS模型最高,數(shù)值為0.729,不可以有效解釋變量間的空間關(guān)系,樣區(qū)1~7的SLM與SEM模型擬合效果遠(yuǎn)優(yōu)于OLS。大部分樣區(qū)SEM模型R2大于SLM模型,SEM模型解釋變量的能力更強(qiáng),樣區(qū)7 SEM模型R2最大,為0.834,樣區(qū)5 SEM模型R2最小,為0.389。各個樣區(qū)SEM模型的LIK值較大,AIC、SC數(shù)值和Moran’sI值較小,整體上模型SEM的擬合效果優(yōu)于SLM。
(1)基于2003—2018年研究區(qū)的MODIS遙感數(shù)據(jù),京津冀地區(qū)的中部、東北以及西南邊界地區(qū)的森林覆蓋度呈現(xiàn)增長趨勢,該地區(qū)TC變化趨勢值為正,耕地覆蓋率呈上升趨勢;承德市西北和南部、保定市、石家莊市、邢臺市和邯鄲市的大部分區(qū)域BG變化趨勢值為正,該地區(qū)具有土地裸露風(fēng)險(xiǎn)。
(2)根據(jù)研究區(qū)VCF變化情況,分析提取了7個樣區(qū),并提取了2018年7月的綠色空間或藍(lán)色空間。各樣區(qū)生態(tài)空間與地表溫度的空間分布具有顯著的空間自相關(guān)性。
表4 3種空間回歸模型參數(shù)對比Tab.4 Comparison of parameters of three spatial regression models
表5 3種空間回歸模型誤差對比Tab.5 Error comparison of three spatial regression models
(3)7個樣區(qū)的生態(tài)空間景觀格局與LST相關(guān)系數(shù)以及雙變量空間自相關(guān)Moran’sI差異明顯。樣區(qū)5、7位于河北省北部,林地景觀比例較高,相關(guān)性以及雙變量空間自相關(guān)性高于其他樣區(qū),這與景觀優(yōu)勢度、斑塊破碎度有關(guān)。樣區(qū)1、4生態(tài)空間比例較低,對LST影響有限。PLAND對LST影響較大,樣區(qū)7生態(tài)空間比例高,生態(tài)空間斑塊集中連片對地表溫度影響明顯。
(4)地表溫度受生態(tài)空間的景觀優(yōu)勢度、破碎度以及聚集程度等因素共同影響,通過對比得出,多元回歸擬合效果較好。對比樣區(qū)1、7的殘差Moran’sI值,樣區(qū)6的普通線性回歸模型的殘差Moran’sI值為0.729,無法有效解釋變量間的空間關(guān)系,樣區(qū)1、7空間滯后模型與空間誤差模型擬合效果遠(yuǎn)優(yōu)于OLS模型。各個樣區(qū)空間誤差模型的R2大于空間滯后模型,空間誤差模型解釋變量的能力更強(qiáng)。各個樣區(qū)空間誤差模型的LIK值較大,AIC、SC以及模型殘差Moran’sI值較小,空間誤差模型擬合效果優(yōu)于空間滯后模型。