城市擴張對東莞市陸表溫度的影響分析

馮徽徽,劉慧平,朱壽東,白 穆

(北京師范大學地理學與遙感科學學院遙感科學國家重點實驗室,北京 100875）

城市擴張對東莞市陸表溫度的影響分析

馮徽徽,劉慧平＊,朱壽東,白 穆

(北京師范大學地理學與遙感科學學院遙感科學國家重點實驗室,北京 100875）

利用1995年12月30日、2003年1月10日兩期Landsat TM/ETM遙感影像反演東莞市陸表溫度(LST）,分析東莞市陸表溫度的總體情況及時空特征,并通過引入溫度植被指數(Temperature-Vegetation Index,TVX）空間方法,研究城市化對陸表溫度的影響。結果表明:城市化進程是導致東莞市陸表溫度上升的重要原因,這種作用在TVX空間中主要體現在聚類點由高植被覆蓋-低溫度向低植被覆蓋-高溫度區域的運動過程。

城市擴張;陸表溫度;時空特征;溫度植被指數(TVX）;東莞

0 引言

改革開放以來,隨著經濟的迅速發展,東莞市經歷了由“三來一補”帶動的“自下而上”的城市化過程[1-3],城市用地在短時期內迅速擴張?？焖俪鞘谢M程不僅深刻影響東莞市社會經濟變革,同時也對其資源環境產生了深刻影響。作為地球資源環境動態分析的重要指標,陸表溫度(Land Surface Temperature,LST）對城市規劃、環境保護等具有重要作用,它受到許多因素的影響,如季節因素、下墊面特征、土地利用/覆蓋類型等[4-7]。

近年來,土地利用變化尤其是城市化進程對陸表溫度的影響已成為學者關注的熱點問題,如Xiao等[6]通過分析中國喀斯特地區陸表溫度的分布情況,研究了城鎮建筑材料與地表植被對陸表溫度的影響;宮阿都等[8,9]通過陸地衛星熱紅外單波段分別反演了北京與珠三角地區的陸表溫度,研究了土地覆蓋變化特別是城市增長對地表溫度的影響;劉宇等[10]通過分析不同時期東莞市陸表溫度的分布情況,構建了熱效應貢獻度指數等3個評價指標,定量分析了不同土地利用類型對城市陸表溫度的貢獻度。這些研究從不同的角度探討了城市化過程對地表溫度的影響,但在定量分析及可視化表達方法的研究上有待進一步深化。

本文在總結前人研究成果的基礎上,利用多時相遙感數據反演了東莞市陸表溫度,并引入溫度植被指數(TVX）空間方法,通過觀察 TVX空間中聚類點的運動軌跡,分析了城市化進程對陸表溫度動態變化的影響。

1 研究區與數據處理

本文選取廣東省東莞市(東經113°31′～114°15′,北緯22°39′～23°09′）為研究區,區域東西長約70.45 km,南北寬約46.8 km,陸地面積2 465 km2[11]。改革開放以來,由于國家政策的引導,東莞市經濟迅速發展,城市化水平迅速提高,城市在短期內占用了大量的農業用地,得到迅速擴張(圖1）。

圖1 1995-2003年東莞市城市擴張Fig.1 Urban growth in Dongguan City from 1995 to 2003

主要數據包括1995年12月30日、2003年1月10日兩期Landsat TM/ETM影像,軌道號是122/ 44,成像時間為北京時間上午10時到11時,輔助數據包括東莞市行政區劃圖、2000年東莞市土地利用分類矢量圖(作為參照圖輔助進行其他年份的土地利用分類）。先對兩期影像進行幾何精校正,匹配精度控制在0.5個像元內,并將所有數據統一采樣成30 m的分辨率;根據《土地利用現狀分類》國家標準(2007年8月10日頒布）及《城鎮地籍調查規程》(1989年9月6日頒布）,結合研究區的實際情況,通過在圖像上選取一系列樣本點,運用CART算法獲取土地利用分類規則,在ENV I中構建決策樹,將研究區土地利用類型分成農用地、林地、水域、城鎮用地及其它用地五大類;最后以東莞行政區劃圖生成掩膜,對分類圖像進行裁剪,得到只包含東莞市的土地利用分類圖。

2 研究方法

2.1 陸表溫度LST計算方法

利用遙感數據進行陸表溫度反演已有許多成熟的算法,如分裂窗算法[12,13]、單窗算法等[14-16]。對于只有一個熱紅外波段的 TM數據,一般采用單窗算法反演陸表溫度。本文由于未能獲取到近地表氣溫和大氣水分含量的大氣參數,故無法使用單窗算法反演地表溫度;另一方面,華南地區的大氣水汽含量高,使用覃志豪等[16]提出的方法估算大氣透射率會存在較大的誤差。故本文采用A rtis及 Sobrino等提出的溫度反演方法[17-19],在天空晴朗的條件下,大氣的影響程度在空間上可認為一致,其不會影響陸表溫度的空間相對分布。具體計算過程如下:

(1）輻射亮度Lb的計算:

式中:Lmax、Lmin分別表示最大和最小熱輻射能量,可從原始影像的頭文件中獲取。

式中:K1、K2為常數。

式中:λ=11.5μm,α=0.01438 m K,ε表示地表輻射率。ε可參考Sobrino等[18,19]提出的方法進行估計:當NDV I≥0.7時,ε=0.99;NDV I≤0.05時,ε=0.973; 0.05＜NDV I＜0.7時,ε=0.986+0.004×Pv(Pv表示植被覆蓋度,Pv=[(NDV I-0.05）/0.65]2）。

2.2 溫度植被指數(TVX）空間軌跡分析方法

自1972年 Rao[5]首次提出利用衛星影像測定城區的熱運動軌跡以來,越來越多的學者致力于研究土地利用變化(尤其是城市化）、植被指數等對陸表溫度的影響[20-23]。本文引入一種研究陸表溫度時空變化的新方法——溫度植被指數(TVX）空間方法[5,22],在集成陸表溫度與植被指數的散點圖空間中研究兩者的相互關系:即以陸表溫度與植被指數分別作為TVX空間的橫、縱坐標,構建 TVX空間;以某類土地利用類型為聚類點,計算其在空間中的位置。通過分析TVX空間中聚類點的運動軌跡,可以研究陸表溫度的時空變化特征,尤其是土地利用變化(城市化）對陸表溫度變化的影響。

為使不同時相的數據有更好的可比性,需對陸表溫度進行歸一化處理,同時以植被覆蓋度作為植被指數的分析指標,具體計算公式為:

式中:T表示像元平均溫度,Tmin、Tmax分別表示研究區中溫度最低值和溫度最高值。

式中:NDV I表示像元的平均NDV I值,NDV Imin表示裸土的 NDV I值,NDV Imax表示全植被覆蓋下的NDV I值。本研究采用 Sobrino等[18,19]的估計方法,NDV Imin取值0.05,NDV Imax取值0.7。

3 結果分析

3.1 陸表溫度LST反演結果

根據式(1）～式(3）,在 IDL編程環境下,對Landsat TM/ETM影像數據進行計算、處理,反演出多時相不同季節的東莞市陸表溫度,并根據式(4）求出各時期的歸一化溫度,使各時相數據間具有更好的可比性。最終在A rcGIS9.3中根據自然斷裂法對陸表溫度進行等級分類,將其分為低溫、亞低溫、中溫、亞高溫和高溫5個類別。

(1）1995—2003年研究區的陸表平均溫度上升幅度較大(表1）,圖2(見封2）顯示了兩個時期的陸表溫度分布情況。對比東莞市土地利用圖與圖2的顯示結果可以發現,高溫區域主要集中在城鎮地區,在空間上呈現以城鎮為中心、沿道路不斷向兩旁延展的線狀格局,低溫區域主要集中在林地。表明城市化過程確實導致研究區陸表溫度上升,主要原因是由于城市建筑材料(如水泥、磚瓦、瀝青、建筑等）熱容量和熱慣量小,而熱傳導率和熱擴散率卻較大,使得接收的太陽輻射很快輻射到周圍大氣中,從而導致城區的陸表溫度高于周邊地區,引發城市熱島效應,提高研究區陸表總體平均溫度。

表1 1995-2003年東莞市歸一化陸表溫度 T＊S總體情況Table 1 The overall condition of Normal LST(T＊S） of Dongguan from 1995 to 2003

(2）以土地利用分類圖為掩膜,計算不同土地利用類型的陸表溫度分布狀況(表2）,結果表明,城鎮用地、其它用地(主要為未利用地）的陸表溫度一般較高,而農用地、林地、水體相對較低。值得注意的是,1995年的水域平均溫度均大于農用地和林地,之后水域溫度逐漸降低,成為各土地利用類型中溫度最低區域,主要原因可能是1990-1995年東莞市水污染較嚴重,制造業污水直接排放到河流中[6],導致水體熱容量降低,溫度升高較快。而到后期,隨著東莞市加大對環境污染的治理力度,水污染情況得到極大改善,水域在溫度序列中逐漸成為最低的區域。另需關注的是,各土地利用類型的溫度標準差均降低較大,表明隨著東莞市加大對土地資源的管理力度,土地利用方式逐漸趨于合理。早期土地利用類型的溫度標準差均較大,主要是由于1990年以后的開發熱導致大量農用地和林地被占用,1995年由于投資鏈斷裂而出現了大批土地撂荒現象,導致研究區內混合像元數量增大,從而使得其地表輻射溫度具有較寬的變化范圍。水域的溫度標準差逐年遞減,從另一方面表明因水體污染造成水域的不均一性得到改善,水域溫度的變化范圍逐漸減小。

表2 不同土地利用類型的歸一化陸表溫度 T＊S分布狀況Table 2 The distribution of Normal LST(T＊S）of Dongguan with the various land use type

3.2 東莞市陸表溫度LST時空變化特征分析

根據各個時期的土地利用圖,提取在下一階段轉變為城市用地的土地利用類型,同時根據式(4）和式(5）,計算其變化前后的植被覆蓋度與歸一化陸表溫度,進而構建TVX空間進行分析。由于東莞市城市化過程中占用最多的是農用地和林地,故本文主要針對這兩種土地利用類型的變化對陸表溫度的影響進行分析,得到TVX空間變化軌跡(圖3）。

圖3 TVX空間變化軌跡Fig.3 The change trajectory of TVX space

(1）TVX空間中聚類點的運動軌跡揭示了土地利用變化(城市化）對陸表溫度變化的影響。在城市化早期,林地和農用地處于 TVX空間的左上角,該區域對應著較高的植被覆蓋度和較低的溫度。隨著城市用地不斷占用林地與農用地,被占用的土地類型均沿其斜線軌跡向TVX空間的右下角運動,該區域對應較低的植被覆蓋度和較高的溫度。聚類點在TVX空間中的初始位置決定了其運動變化的方向與幅度。圖3表明,在農用地與林地轉變為城鎮用地的過程中,陸表溫度與植被覆蓋度的變化情況是,農用地:ΔT′farmland=0.107,ΔP′vfarmland= -0.025,林地: ΔT′woodland=0.105,ΔP′vwoodland= -0.064。表明城市化過程中,隨著植被覆蓋度不斷減小,陸表溫度迅速上升。

(2）為從空間上直觀地研究城市化進程對陸表溫度的影響,本文通過疊加處理、圖像相減等相關操作,得到1995-2003年土地利用變化及陸表溫度變化對比情況(圖4,見封2）。從圖4可以看出,東莞市陸表溫度變化情況與土地利用變化情況相符:增溫幅度最大的區域主要是農用地向城鎮用地轉化的部分(圖4a中的藍色部分）及林地轉變為城鎮用地的部分(圖4a中的綠色部分）,增溫區域在空間上一般以現有的城鎮為中心向外蔓延。

4 結論

(1）城市化過程造成研究區下墊面性質的劇烈變化是引起陸表平均溫度上升的主要原因,其高溫區域主要以城鎮為中心,沿道路不斷向兩旁延展。此外,1995年與2003年土地利用類型的溫度序列存在細微的變化,主要是由于環境污染及盲目開發造成的。需引起注意的是,1995年各土地利用類型的溫度標準差均大于2003年,說明陸表溫度的大小與分布對環境變化的影響較敏感。

(2）引入TVX空間方法,分析陸表溫度隨土地利用變化(城市化）的變化情況,進一步論證城市化過程與陸表溫度之間存在著較強的正相關,即城市化是造成陸表溫度上升的重要原因。這種利用TVX空間中聚類點的運動軌跡分析土地利用變化(城市化）對陸表溫度的影響的方法在國內鮮見報道。

(3）由于缺乏相關輔助數據的支持,在土地利用分類上只將研究區分成農用地等5類,但對東莞市而言,農用地還可細分為園地、耕地等類型,其對陸表溫度的影響各不相同。后期工作中希望可以獲取更多的輔助數據,進行更精細的土地利用分類,進而更準確地分析不同土地利用類型在城市化進程中對陸表溫度的影響。此外,利用多時相的影像數據分析不同季節城市化過程對陸表溫度的影響也是后續研究的重點內容。

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Influence Analysis of Urban ization on Land Surface Temperature in Dongguan City

FENG Hui-hui,L IU Hui-ping,ZHU Shou-dong,BA IM u
(School of Geography and RS,Beijing N orm al University,the State Key Laboratory of Remote Sensing Science,Beijing 100875,China）

In this paper,the influence of urbanization on land surface temperature(LST）was investigated in Dongguan City. Through the temperature retrieval method p roposed by fo rmer researchers,the LSTs of Dongguan were retrieved from two Landsat TM/ETM imagesw hich were taken in 1995 and 2003.Then,the general situation and spatio-temporal characteristicsof LSTs of Dongguan were discussed,the temperature-vegetation index(TVX）space was also introduced to investigate the influence of urbanization over LST.The result indicated that urbanization was an important reason for the LST increase of Dongguan,w hich was confirmed by the trajecto ry from the dense vegetation-low temperature condition to the sparse vegetation-high temperature condition in TVX space.

urbanization;land surface temperature;spatio-tempo ral characteristics;temperature-vegetation index;Dongguan

TP79;P407

A

1672-0504(2010）03-0087-04

2010-02-27;

2010-04-15

國家863計劃項目(2006AA 120102）;國家自然科學基金項目(40671127）

馮徽徽(1986-）,男,博士研究生,主要研究方向為遙感城市監測與城市時空模擬。＊通訊作者E-mail:hpliu@bnu.edu.cn