景觀格局對城市熱島效應影響研究——以武漢市為例

王迎迎,許瑋

(湖北省氣象信息與技術保障中心,湖北武漢 430074)

景觀格局對城市熱島效應影響研究——以武漢市為例

王迎迎?,許瑋

(湖北省氣象信息與技術保障中心,湖北武漢 430074)

城市化的快速發展給城市帶來了各種各樣的生態環境問題,城市熱島效應(UHI)是近年來被廣泛關注的一個問題,研究城市熱島效應對改善城市生態環境有著重要意義。以武漢市為例,研究探討了武漢市景觀格局對城市熱島效應的影響。地表溫度與景觀指數之間的相關性分析表明城市景觀的組成與分布影響著城市熱島效應。運用景觀格局的方法對城市熱島效應進行研究,對于理解城市生態環境以及通過合理的土地利用規劃緩解城市化進程對城市生態環境造成的包括熱島效應在內的各種影響具有重要意義。

城市熱島效應;景觀格局;地表覆蓋

1　引 言

隨著城市數量的增加和規模的不斷擴大,大規模城市用地開發已成為人類活動改造自然環境的主要方式之一。城市化對環境造成的影響之一就是熱島效應,即城市的溫度高于城市周邊地區[1]。城市熱島效應嚴重影響著城市的生態環境,研究城市熱島效應的分布特征、形成演變機制、影響因素等相關問題,對改善城市生態環境,促進城市可持續發展具有重要意義。

隨著景觀生態學的迅速發展,近幾年學者進行了基于景觀格局的熱島效應研究。黃聚聰等使用景觀格局指數分析廈門城市熱島景觀格局隨城市化進程演變的趨勢[2]。馬勇剛等對烏魯木齊研究發現,城區面積的擴大使得城市熱島效應在強度和面積上有加強,綠地破碎度的增加導致特高溫區域面積減少[3]。張春玲等通過對武漢市土地利用類型的空間格局分布,發現土地利用類型的空間格局和地表溫度之間有較好的相關性[4]。景觀格局方法逐漸在成為繼地表覆蓋方法城市熱島效應研究又一熱點。

本研究以武漢市為例,嘗試建立基于遙感技術的城市熱島效應景觀格局研究方法,包括:城市景觀格局與城市熱島提取方法,兩者相關性分析方法,并通過多時相遙感影像實現時間維度相關性連續監測與分析。通過景觀格局研究最終希望通過合理的土地利用規劃、城市景觀布局緩解城市熱島效應,改善城市生態環境。

2　研究區域與數據處理

2．1研究區域與數據預處理

本次研究的區域是湖北省武漢市。研究中使用的遙感影像是武漢市1995年4月9日和2005年9月11日的Landsat TM影像。采用最近鄰法對影像進行重采樣,幾何校正誤差控制在0．5個像元以內。從研究影像中切割出一個5 km×5 km研究區域,便于后面進行分析。采用影像進行最大似然分類,將整個研究區域分為建設用地、水體、植被和裸露地四類,分類精度89．7%和87．9%,Kappa系數0．86和0．84。

2．2地表溫度反演

利用TM影像的熱紅外波段反演地表溫度共有三個步驟:①將DN值轉換為輻射亮度值;②將輻射亮度值轉換為亮度溫度值;③將亮度溫度值轉換為地表溫度值。輻射亮度值轉換為亮度溫度值公式為:

式中TB是亮度溫度值,K1和K2為常數,對于Landsat TM,K1=607．76,K2=1260．56。

由于亮度溫度值是假設地球是黑體的前提下計算得出的,因此要對亮度溫度值進行地表比輻射率校正:

其中Ts是校正后的地表溫度值,λ是光譜波長, α=hc/b(1．438×10-2mK),ε是地表比輻射率。

2．3 景觀格局指數計算

景觀指數的計算包括類型水平指數和景觀水平指數[5]。由于數據量比較大,因此在研究中將整個研究區域分割成144個5 km×5 km的小樣區,計算每個小樣區地表溫度的平均值,這樣用每個小樣區分析得出的景觀指數和平均溫度進行統計學分析,計算景觀指數和樣區地表平均溫度之間的Pearson相關系數[6]。研究中使用的景觀指標如表1所示。

研究用到的景觀指數　表1

2．4景觀格局與地表溫度相關性分析

景觀指數與地表溫度的相關分析是在SPSS軟件下進行的。類型水平上,分別計算每一類土地利用類型的平均地表溫度與PLAND、PD、ED、LSI、CLUMPY的Pearson相關系數;景觀水平上,計算每個樣區平均地表溫度與PD、ED、LSI、CONTAG、SHDI、SHEI的Pearson相關系數。

3　實驗結果與分析

3．1景觀格局與地表溫度取結果

研究區域1995年和2005年景觀分類結果如圖1所示。2005年9月11日武漢市熱島的分布范圍要比1995年4月9日廣,這主要是由于在1995年～2005年這10年間,武漢市城市發展迅速,城區范圍不斷擴張,使原來的郊區變成城區。2005年武漢市建筑的面積要遠遠大于1995年。這說明在1995年～2005年間,武漢市城市發展迅速。

研究區域1995年和2005年地表溫度分布結果如圖2。1995年4月9日建筑、水體、植被和裸露土壤的平均地表溫度分別是19．45℃、17．11℃、18．63℃和19．13℃;2005年9月11日建筑、水體、植被和裸露土壤的平均地表溫度分別是27．65℃、24．63℃、26．36℃和27．41℃。這個結果表明,景觀格局對地表溫度同樣有著重要的影響。

圖1　武漢市1995年(a)、2005年(b)景觀分類圖

圖2　武漢市1995年(a)、2005年(b)地表溫度分布圖

3．2地表溫度景觀指數關系

水體、植被覆蓋度、不透水面是影響城市地表溫度的幾個重要因素。而這些與城市景觀的空間布局有很大關系。對建筑、水體、植被和土壤這四種土地類型的地表溫度值進行統計分析發現,1995年4月9日建筑、水體、植被和裸露土壤的平均地表溫度分別是19．45℃、17．11℃、18．63℃和19．13℃;2005年9月11日建筑、水體、植被和裸露土壤的平均地表溫度分別是27．65℃、24．63℃、26．36℃和27．41℃。這個結果表明,景觀格局對地表溫度同樣有著重要的影響。

在類型水平上,對于建筑物,地表溫度與景觀類型百分比、叢生指數正相關,與斑塊密度、景觀形狀指數負相關;對于水體,地表溫度與景觀類型百分比、邊界密度、叢生指數負相關;對于植被,地表溫度與景觀類型百分比、叢生指數負相關;對于裸露土壤,地表溫度與景觀類型百分比、斑塊密度、邊界密度、景觀形狀指數正相關(表2)。在景觀水平上,地表溫度與聚集度正相關,與斑塊密度、邊界密度、景觀形狀指數、均勻度指數和多樣性指數負相關(表3)。

地表溫度與類型水平指數的相關系數　表2

??在0．01水平(雙側)上顯著相關。?在0．05水平(雙側)上顯著相關。

地表溫度與景觀水平指數的相關系數　表3

4　結 論

分析地表溫度和景觀格局指數的關系對與利用城市規劃和土地利用管理來緩解城市熱島效應具有重要意義。城市化造就了復雜的城市景觀,許多研究表明不透水面對熱島效應起到了積極作用,而植被覆蓋起到消極作用。而地表溫度與PD、ED、LSI、CLUMPY、CONTAG之間的相關性則說明,景觀分散化、破碎化對減輕熱島效應起到很大幫助。通過對城市土地利用進行合理規劃,合理布局城市綠地、建筑、道路的分布,可以起到緩解熱島效應的作用。

[1] 陳愛蓮,孫然好,陳利頂．基于景觀格局的城市熱島研究進展[J]．生態學報,2012,32(14):4553～4565．

[2] 黃聚聰,趙小鋒,唐立娜等．城市化進程中城市熱島景觀格局演變的時空特征——以廈門市為例[J]．生態學報, 2012,32(2):622～631．

[3] 馬勇剛,塔西甫拉提·特依拜,黃粵等．城市景觀格局變化對城市熱島效應的影響——以烏魯木齊市為例[J]．干旱區研究,2006,23(1):172～176．

[4] 張春玲,余華,宮鵬等．基于遙感的土地利用空間格局分布與地表溫度的關系[J]．遙感技術與應用,2008,23 (4):14～20．

[5] 鄔建國．景觀生態學:格局、過程、尺度與等級(第二版) [M]．北京:高等教育出版社,2007．

[6] Li J,Song C,Cao L,et al,Impacts of landscape structure on surface urban heat islands:A case study of Shanghai,China．Remote Sensing of Environment,2011,115:3249～3263．

[7] 孫艷玲,郭鵬．基于RS和GIS的天津城市景觀格局演變分析[J]．安徽農業科技,2011,39(13):7949～7951．

[8] 楊霏,周啟剛,張曉媛等．基于ArcGIS和FRAGSTATS的重慶市長壽區景觀格局分析[J]．重慶工商大學學報·自然科學版,2012,29(12):95～99．

A Study on Landscape Pattern Effects on Urban Heat Island

Wang Yingying,Xu Wei

(Hubei Provincial Bureau of Meteorology,Wuhan 430074,China)

The rapid development of urbanization have brought a variety of changes in the ecological environment,the effect of urban heat island(UHI),which has been widespread concerned,is one of these questions,and understanding the effects of landscape pattern on UHI is crucial for improving the ecology and sustainability of cities．This study researched how landscape structure would affect UHI in the Wuhan,based on the analysis of land surface temperature(LST)in relation to landscape metrics．The results show that,there is a strong negative linear relationship between LST and landscape metrics．It indicates that urban landscape configuration influences the UHI．These findings are helpful for understanding the ecology of cities and land use planning to minimize the potential environmental impacts of urbanization．

urban heat island;landscape pattern;land cover

1672-8262(2016)01-58-04

P237,TP753

A

?2015—05—22

王迎迎(1979—),女,碩士,副研究員級高級工程師,主要從事氣象遙感應用研究。