青島城市熱力景觀時空分布

吳偉明 李秋月

摘要：城市熱環境是城市空間環境在熱力場中的綜合表現，通過對城市熱環境的研究可以揭示城市空間結構、城市規模的發展變化。本文介紹在RS、GIS的支持下，借鑒景觀生態學的研究方法，研究青島市熱環境的空間格局分析方法。

關鍵詞：景觀生態學；熱力景觀；空間格局；遙感；青島

隨著社會經濟的發展城市大氣污染、城市熱島、城市災害日趨嚴重。城市環境問題中，城市的熱環境（熱污染） 是一個重要的方面。對城市熱環境的特點及動態規律的研究對城市災害、城市規劃、環境保護、大氣污染、防暑降溫、市政建設具有重要意義。

目前遙感技術的發展為研究城市熱環境提供了很好的技術手段。許多學者利用熱紅外遙感資料進行城市熱島研究。論文以熱場為主要研究內容，研究2005-2009年4年來青島市城市發展及地表覆蓋變化所引發熱場格局的變化，在此基礎之上找出減弱城市熱力影響的方法和查找形成城市熱力形成的主要原因，并提出合理化的建議。

一、景觀生態學

1景觀生態學

景觀生態學主要來源地理學的景觀理論和生物學的生態理論。它把地理學家研究自然現象的空間相互作用的橫向研究和生態學家研究一個生態區的機能相互作用的縱向研究結合為一體，通過物質流、能量流信息流及價值流在地球表層的傳輸與交換，通過生物與非生物以及人類之間的相互作用與轉化，運用生態系統原理和系統方法研究景觀結構和功能、景觀動態變化以及相互作用的機理、研究景觀的美化格局、優化結構、合理利用和保護。

2景觀生態學的發展

生態空間理論與景觀異質性研究：生態空間理論包括尺度、空間格局與鑲嵌動態等方面的內容，對于生態系統空間關系定量化的研究是一個富有吸引力和挑戰性的問題。景觀系統分析與GIS 應用：景觀系統分析常常需要運用各種定量化的指標來進行景觀評價、景觀分類構建有關模型，隨著新的方法和技術手段的不斷涌現，這方面的研究也不斷深入。當前，遙感和GIS 的應用成為景觀分析的基本手段，如何與地質統計的方法緊密結合以提供能充分反映景觀特征的更好的空間模型，將成為以后研究中的一個熱點。

3熱力景觀應用

本文借鑒景觀生態學的研究方法，定義了“熱力景觀”，用景觀的觀點來研究城市熱環境，建立熱環境空間結構與格局的定量研究方法。

①熱力景觀評價體系

熱力景觀是城市與周圍環境相互作用而形成，也是人類在改造、適應自然環境基礎上建立起來的人工生態系統在熱力學的表現。熱力景觀具有高度空間異質性的熱力區域，它由相互作用的熱力斑塊以一定的規律組成。根據形狀和功能的差異，熱力景觀要素可分為熱力斑塊（ thermal patch） ，熱力廊道（ thermalcorridor） 和熱力基質（ thermalmatrix） 。（陳云浩，等2002）。

二、熱力景觀在青島熱島效應應用

青島位于山東半島南端（北緯35°35'-37°09'，東經119°30'-121°00'）、黃海之濱。青島地處北溫帶季風區域，屬溫帶季風氣候。市區由于海洋環境的直接調節，受來自海洋面上的東南季風及海流、水團的影響，故又具有明顯的海洋性氣候特點。

1數據的選擇與預處理

衛星遙感數據以其宏觀、快速、準確、實時的特點被廣泛應用。本文所使用的是2005年10月24日和2009年3月9日青島地區的陸地衛星Landsat5/TM數據，包括7個波段，其中TM6用于反演地表輻射溫度，其余波段用于地物的識別和分類。

在進行遙感數字圖像解譯（如圖像運算、非監督分類、監督分類等）和GIS空間分析之前，必須對原始圖像進行預處理，以利于圖像的更深層次的分析和研究。

使用的源數據圖像沒有坐標投影信息，需要進行幾何校正，添加地理坐標。在配準后的青島市行政區劃圖中沿行政邊界建立研究區域的ROI，導出的矢量圖，獲取研究區域的矢量圖→裁剪出研究區的遙感數據（在ERDAS軟件中利用研究區矢量邊界圖裁剪出研究區的TM遙感數據）。

圖 1 熱力景觀斑塊劃分圖

2青島市市區熱力景觀劃分

遙感熱紅外影像反映的是地表物體的熱紅外輻射強度，而城市熱環境研究的是整個城區范圍一定高度空間內的溫度變化規律，雖然二者尺度不同，但是城市下墊面溫度是形成城市熱島的最重要的因子之一。雖然通過熱紅外遙感獲得的溫度并不是地表的實際溫度，而是地表的輻射溫度，溫度差異是熱島效應的主要表現形式；所以可以利用輻射溫度間的差異仍可以表示熱島強度的大小。本文就是通過空間圖像建模對熱紅外波段進行反演獲得地表輻射溫度分布用以研究熱島。

2.1市區地表輻射溫度的反演

亮度溫度是遙感器在衛星高度所觀測到的熱輻射強度相對應的溫度。這一溫度包含有大氣和地表對熱輻射傳導的影響， 因而不是真正意義上的地表溫度。但地表溫度是根據這一亮度溫度來演算而得。

2.2溫度分級及熱島空間分布

為了提高不同時相數據的可比性， 對兩幅亮溫影像分別進行影像溫度分等級，依次為高溫區、次高溫區、中溫區、次低溫區、低溫區。借助ARC/GIS實現，利用自然段列點方法分級，綜合可知：青島市的熱島效應的分布、強度和演變具有明顯的規律。從而分析得知：2005年10月的中溫區與次高溫區逐漸向次高溫區與高溫區轉變。2009年3月的高溫區與次高溫區的比例明顯增加。也就是城市熱島效應明顯增加。

三、應用效果小節

由以上可以看出：研究區熱島高溫區景觀的破碎度呈遞增趨勢，反映了研究區內熱力景觀斑塊正處于受人為活動等因素影響日趨離散化的階段，分維值也有所增加，反映了城市熱島斑塊形狀日趨復雜，從穩定性上看，2009年熱島穩定性比2005年低，反映了受城市規劃、決策、人為影響等因素控制，市區熱島斑塊處于不斷變化時期而次高溫區與高溫區景觀指數卻相反，破碎度、分維值有所降低，而穩定性卻增加，主要是因為次高溫區大部分屬于新建城區，各項規劃無論從時間、布局上都比較合理、各職能用地斑塊形狀趨于標準化，所以斑塊復雜程度降低，而穩定性相應升高，與以上各指數不同，雖然城市規模不斷擴大、人口急劇膨脹、工業生產進一步發展，但市政府發展經濟的同時注重保護生態環境，加大城市綠地建設、合理布局各能耗高、污染大的工廠企業，另一方面， 城市熱力景觀的破碎化、均衡化也進一步減小了城市熱環境的疊加效應，所以城郊熱島效應較2005年有所減緩，雖然熱島面積2009年比2005年有所增加，但是計算分析可得城郊平均溫度差有所下降。

四、結束語

城市生態環境問題是目前我國城市普遍關注的問題，相關的研究成果往往具有重要的實踐價值。選擇城市景觀下潛在的能量流（熱環境）作為城市景觀格局的生態學過程，從而將城市景觀生態與城市環境問題結合起來，成功的將景觀生態學的研究范式引入城市生態環境研究，這在理論和實踐兩個方面都具有重要意義。

參考文獻

[1] 范心圻.城市大氣環境與熱場[A].孫天縱，周堅華（主編）.城市遙感[C].上海：上海科學技術文獻出版社，1995. 59-84.

[2] 徐腸秋， 陳本清.不同時相的遙感熱紅外圖像在研究城市熱島變化中的處理方法[J].遙感技術與應用，2003，18（3）：129-131.