土地利用類型及格局的熱環境效應——以許昌縣為例

殷學永，袁勝元

(許昌學院城鄉規劃與園林學院，河南許昌461000)

隨著城市化進程的加快，城市問題日益突出．自從城市“熱島效應”概念提出后，越來越多的學者開始對城市熱環境進行研究．城市熱環境是城市生態環境狀況的綜合體現，它是在地表的物理性質和人類社會經濟活動的雙重影響下產生的一種城市現象［1］．土地利用方式的不同直接引起了地表覆蓋狀況的差異，不同土地利用類型對地表的覆蓋狀況有著顯著地影響，表面覆蓋有建筑群、公路、鐵路等較多吸收太陽輻射能量的城市區域影響著整個城市的熱力循環，造成城市熱環境中產生大量的熱量聚集在某一區域，對城市的生活造成不同方面的影響，即城市熱島效應［2］．近些年來，全球氣溫的逐漸增高和高速城市化進程的不斷加快，致使城市熱環境效應愈演愈烈，城市問題不斷滋生．城市熱環境被認為是主導整個城市環境的要素之一，其對城市的生態環境、空氣質量、能源消耗等方面已產生深遠影響．城市的發展擴張與熱環境效應有著不可分割的關系，在很大程度上改變了城市地域下墊面的熱力學特征，對全球溫度的升高也有一定的影響．城市熱環境效應產生的內在驅動力是土地利用與土地覆被的變化，從土地利用的角度來研究城市熱環境效應是解決城市環境問題的關鍵．而已有研究多是基于不同土地利用類型與熱環境的研究［3-7］，涉及到的土地利用空間格局只是單一土地利用類型或某種指數，沒有考慮到不同土地利用類型間的組合對熱環境影響之間的關系問題．在城市化進程中引發了一系列城市生態環境問題，其中比較突出的就是城市熱環境效應，影響著人們的生活水平和城市的健康發展，研究城市熱環境效應問題勢在必行．

1 研究區概況

許昌縣位于整個河南省的中部地區，四面環抱魏都區，總面積1 002 km2．西臨黃淮海平原，北距河南省省會城市鄭州87 km，素有“九州腹地，十省通衢”之稱．自然條件優越，屬暖溫帶季風區，氣候溫和，光照充足，雨量充沛，無霜期長，四季分明．年平均氣溫度14．7度，日照2 280 h，年降水量579 mm，無霜期217天．

2 研究內容和方法

選取了兩景不同時期的遙感影像，通過建立適合本研究的土地利用分類系統，并運用計算機自動分類和人工目視解譯相結合的手段，得出不同年份的土地利用圖，進而分析不同時期土地利用類型的空間格局變化．運用單窗算法反演不同年份許昌市地表溫度，分析地表溫度的空間分布及時間變化特征．將土地覆蓋類型變化特征與地表溫度特征進行關聯分析，以期找到不同年份許昌市地表溫度空間分布特征與下墊面性質的關系．本研究的技術流程如圖1所示．

3 數據處理與分析

3．1 土地利用分類

利用1988年和2007年許昌市的遙感影像，進行監督分類，最終將許昌市土地類型劃分為林地、建設用地、耕地、水體和未利用土地五種類型．根據監督分類結果計算不同土地利用類型的面積，如表1所示:(1)耕地、水體、未利用土地面積逐年減少．耕地從1988年的900．44 km2減少到2007年的723．95 km2，以每年1．14%的速度遞減;水體從1988年的9．41 km2減少到2007年的9．19 km2，以每年0．01%的速度遞減;未利用土地從1988年的0．49 km2減少到 2007 年的 0．24 km2，以每年 0．01% 的速度遞減．(2)林地、建設用地面積逐年增多．林地面積從1988年的25．36 km2增加到2007年的123．79 km2;建設用地從1988年的147．66 km2增加到2007 年的 217．19 km2．

近年來，許昌市城市化進程的加快，城市用地逐漸向耕地延伸．隨著人們環境意識的增強，林地面積不斷擴大．許昌林地面積的擴大應歸功于政府的政策，2005年正式開展創建國家森林城市的工作，到2007年許昌城市森林覆蓋率達到33．5%．1988年到2007年建設用地的范圍明顯擴大，城市逐步向四周擴散，向東、向北發展的速度尤為突出，城市四周的林地也明顯增加．

圖1 技術流程圖

表1 土地利用類型面積 (km2)

3．2 地表溫度反演

地表溫度的高低直接影響著當地城市的熱環境效應，因此文章利用地表溫度來代表城市熱環境的特征．自然界中所有物質只要溫度高于絕對溫度，時刻都向外輻射能量，這種輻射稱為熱輻射．這是地物自身內部分子熱運動和吸收外來輻射所產生的輻射能量．地表輻射能量主要來自于太陽輻射和大氣逆輻射后的再發射．在利用熱紅外波段反演地表溫度時，就必須認識到地表熱輻射量的物理機理和熱輻射規律性．物體自身的性質與溫度決定其輻射強度．同時，實際物體的輻射還與構成該物體的材料性質及表面狀態等因素有關．而比輻射率恰是一個表征隨材料性質及表面狀態變化的輻射系數．熱紅外遙感傳感器瞄準被測目標的時候，所接收到的信號包括兩部分，一部分是被測物體發射的熱輻射，另一部分是由于地物的比輻射率而對環境輻射產生反射電磁波，這兩部分的能量總和構成了輻射亮溫．對于非黑體而言，由于其輻射亮度受自身比輻射率的影響，可以認為比輻射率是聯系亮溫與真實溫度的橋梁［8］．

為了獲取城市的地表溫度，需要得到NDVI、地表比輻射率、輻射亮度、輻射亮溫這些數據．目前基于TM6反演地表溫度的方法有三種:輻射傳輸方程法、覃志豪單窗算法和普適性單通道算法．輻射傳輸方程法由于需要實時大氣剖面數據，難以獲取，因而實際應用較少．覃志豪單窗算法和普適性單通道算法相對簡單、易于操作，因而被廣泛的使用和對比，但多局限于城市夏季熱島效應的效果對比研究［9-12］．文章采用輻射傳輸方程法來提取城市的地表溫度．計算地表溫度的公式:Ts=Tk/［1+(λTk/θ)lnε］．其中，Ts為地表溫度，Tk為輻射亮溫，λ 為波段有效波長，文章取熱紅外波段的平均值，θ=h×c/δ(δ是波爾茲曼常數，h是普朗克常數，c是光速)，ε為比輻射率．

3．3 地表溫度的時空分布

將1988年和2007年的地表溫度圖標準化，如圖2和圖3．可以明顯地看出，城市中心地區的地表溫度明顯高于周圍地區，而且2007年的熱環境效應比1988年更加強烈，熱環境效應影響的范圍擴大．1988年城市的熱環境效應明顯的區域主要存在于城市中心、居民用地，該地建筑較多，人口密集、綠地較少，居民生活所排放的熱源以及周邊的工廠日常排放的大氣污染物增加了大氣中的溫室氣體，導致城市熱環境效應更加嚴重．到了2007年，城市的熱環境效應明顯向外擴散，除了以上的兩個地方，清潩河以東和魏都區以北的區域的熱環境效應變化的最為明顯．由于魏都區城市建設向東的發展，大量的耕地被占用，建筑物、道路的修筑迫使原來的植被減少，導致蒸騰蒸發作用的減弱，城市內部的熱量難以向外擴散，導致該區域的熱環境效應顯著．

圖2 1988年地表溫度的變化

圖3 2007年地表溫度的變化

3．4 不同土地利用類型地表溫度的差異與分析

將地表溫度分布圖疊加到土地利用圖中，根據不同土地利用的類型，將它們的地表溫度的平均值、最大值、最小值和標準差提取出來，有關結果如表2所示．

表2 不同土地利用類型地表溫度(℃)比較

從表2可以看出:(1)從1988年到2007年，各種土地利用類型的地表溫度的排序依次為:建設用地＞未利用土地＞耕地＞水體＞林地．建設用地的地表的溫度最高，林地的地表溫度最低;(2)2007年的各種土地利用類型的平均地表溫度，比1988年同時期的溫度都有所增加，有明顯的上升趨勢．耕地增加了2．47℃，林地增加了3．90℃，建設用地增加4．15℃，水體增加2．33℃，未利用土地增加4．03℃;(3)所有土地利用類型中，建設用地的地表溫度在這期間變化最大，城市熱島效應越來越明顯．水體的變化最小，但由于受到周圍熱環境的影響，也呈現出增長的現象;(4)1988年到2007年，同一土地利用類型的的表面溫差最大的是建設用地，這表明建設用地的擴張，是城市熱環境影響加劇的的主導因素;林地的溫度變化較小，對城市熱島效應有一定的抑制作用．

4 結語

文章對TM遙感影像數據運用輻射傳輸方程的方法，反演了許昌縣的地表溫度，又利用監督分類的方法從不同土地利用類型對城市地表溫度影響的角度入手，分析了許昌縣的地表溫度的時空分布格局，土地利用類型的時空變化，不同土地利用類型地表溫度的差異．研究結果表明:(1)1988年、2007年魏都區中心地區的地表溫度遠遠高于周圍地區，表明魏都區存在明顯的熱島效應．2007年熱環境效應影響的范圍明顯比1988年擴大了許多，原因在于城市化進程的加快，城市面積的不斷增加;(2)1988到2007年間，耕地、水體、未利用土地面積一直減少;建設用地，林地面積增加．產生這種狀況的原因是:城市化進程加快，城市建設用地增加，人們對環境意識的增強，林地面積擴大;(3)不同土地利用類型的地表溫度具有明顯的差異．1988年和2007年的地表平均溫度都是建設用地的最高，林地最低;(4)將土地利用圖和地表溫度圖疊加起來，建設用地對城市熱環境的影響最大，水體、林地最小．

［1］ 岳文澤，徐建華，徐麗華．基于遙感影像的城市土地利用生態環境效應研究——以城市熱環境和植被指數為例［J］．生態學報，2006，26(5):1450-1460．

［2］ 徐涵秋，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):129-133．

［3］ 岳文澤，徐麗華．城市土地利用類型及格局的熱環境效應研究——以上海市中心城區為例［J］．地理科學，2007，27(2):243-248．

［4］ 蘇偉忠，楊英寶，楊桂山．南京市熱場分布特征及其與土地利用 P覆被關系研究［J］．地理科學，2005，25(6):697-702．

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［4］ 徐涵秋，陳本清．城市熱島與城市空間發展的關系探討．以廈門市為例［J］．城市發展研究，2004，11(2):65-71．

［5］ 李俊杰，何隆華，陳 杰．南京城市熱場的衛星遙感分析［M］．長江流域資源與環境，2005，14(6):760-763．

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［8］ 陳云浩，李 京，李曉兵．城市空間熱環境遙感分析——格局過程模擬與影響［M］．北京:科學出版社，2004:234-239．

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［10］ 陳云浩，李曉兵，史培軍，等．上海城市熱環境的空間格局分析［J］．地理科學，2002，22(3):317-322．

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