基于多時相遙感數據的常州市城市熱景觀變化特征

佟光臣，林 杰，陳 杭，顧哲衍，唐 鵬，張金池

（1.南京林業大學 林學院，江蘇省南方現代林業協同創新中心 江蘇省水土保持與生態修復重點實驗室，南京210037；2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州225127）

基于多時相遙感數據的常州市城市熱景觀變化特征

佟光臣1，林 杰1，陳 杭2，顧哲衍2，唐 鵬1，張金池1

（1.南京林業大學 林學院，江蘇省南方現代林業協同創新中心 江蘇省水土保持與生態修復重點實驗室，南京210037；2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州225127）

為分析20多年來常州城市熱景觀時空變化特征，選用4景TM/ETM+影像（1986年、1992年、2000年、2010年）為基本數據源，在RS，GIS技術以及景觀分析工具的支持下，分析了常州市區熱島景觀格局變化特征。研究結果表明：1986—2010年常州建成區均存在顯著的熱島效應。隨著城市化進程加快，到2010年城市與郊區的溫差達到最大，為35.3 K；城市強熱島及其以上等級面積從1986年的8 580.24 hm2增加到2010年的17 725.23 hm2，相應比例從4.58%增加到9.45%，增幅達106.33%；城市熱島等級類型的景觀指數分析表明，到2010年高等級的熱島斑塊分布范圍和強度都明顯提高，兩環內高等級的熱島片狀分布明顯。受城市人類活動加劇的影響，各熱島等級斑塊的形狀逐漸趨于復雜。從景觀水平尺度變化來看，2010年熱島景觀多樣性最豐富，分布最均勻，同時破碎化程度也最高。研究結論可為城市生態建設提供參考。

城市熱島；景觀分析；常州市

當前，許多發展中國家正經歷著城市化浪潮。為應對迅速擴張的人口，城市土地利用/覆被發生了巨大變化，具體表現為大量的農用地轉化為建筑表面（混凝土材料）和柏油路面，而這些“不透水面”具有較高的太陽輻射吸收率，導致城市在白天吸收了大量熱量，加之城市交通、工業生產、居民生活等產生的廢氣廢熱，最終產生“熱島效應”。城市熱島是指由于城市化所引起的城市地表及大氣溫度高于周邊郊區的一種現象[1]。城市熱島引發一系列問題，如加劇能源需求、危害人類健康等，影響城市的持續健康發展，如何緩解城市熱島效應成為當下社會廣泛關注的問題。城市熱景觀格局與熱島過程相互作用，相互影響。通過分析時間序列的城市熱景觀格局的變化規律，研究不同階段熱景觀格局與城市熱島效應的作用，探索熱島和冷島景觀的最佳空間組成和配置模式，對緩解城市熱島效應具有重要意義。

相比實地定位觀測，通過衛星遙感熱紅外波段數據可以獲得具有空間完整性和時間同步性的地表溫度[2]，現已成為研究城市熱島的主要數據來源。目前，中等分辨率遙感數據被廣泛運用于研究城市熱島效應[3-8]，其中美國的Landsat系列衛星對地觀測時間長，相關地表溫度反演算法較為成熟，是本文研究的理想數據。目前國內外對城市熱島的研究主要集中在熱島的變化分析或者與土地利用變化的聯系上，具體體現在與NDVI、植被蓋度、不透水面蓋度、建筑指數、水體指數等單一指數的關聯上，難以描述整個熱島格局的全貌[9-10，6]。本文從景觀格局的角度出發，利用長時間序列、多時相遙感影像對常州熱景觀特征進行全面地定量表征。

作為長江三角洲地區重要的中心城市之一、先進制造業基地，伴隨著常州市“一片、七區”的規劃思路，城市規模不斷擴大，熱環境發生了巨大變化。本文通過反演地表溫度和提取植被覆蓋度，分析20多年來常州市區內熱景觀時空變化特征，這對于常州市區的科學規劃及生態綠城的建設都具有重要意義。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

常州地處江蘇省南部、長江三角洲腹地，坐標北緯31°09′—32°04′、東經119°08′—120°12′，市區范圍（含天寧、鐘樓、戚墅堰、新北、武進5個區）面積1 872 km2，2010年人口217萬人，屬北亞熱帶季風性濕潤氣候區，氣候溫和濕潤，年平均氣溫16.3℃；雨量豐沛，年降水總量1 068.9 mm；春夏秋冬四季分明。

1.2 研究數據

本文選取4景Landsat系列影像，其中3景為TM影像，獲取時間分別為1986年5月22日、1992年5月22日、2010年5月24日（常州地區），1景為ETM+影像，獲取時間為2000年5月20日，軌道號均為119/38，雖然在時相上對于研究城市熱島不具有典型性，但4期影像在時相上較為接近，便于結果的對比。采用ENVI 5.1軟件，對TM/ETM+影像應用Flaash模型進行大氣校正、幾何配準、研究區裁剪等步驟，然后導入ArcGIS 10軟件中進行后續運算及出圖。

1.3 研究方法

1.3.1 溫度反演及熱島等級劃分 由于熱紅外影像經常缺乏對應的實測地面溫度，難以進行精度驗證，但是城市熱島研究大多注重的是溫度相對強弱的空間分布特點，而非絕對溫度大小，因此本文地表溫度（LST）反演采用如下公式[11]：

式中：T為溫度；λ為TM6波段的中心波長（λ=11.5 μm）；z=hc/K=1.438×10-2m K（其中，h為普朗克常數，取值為6.26×10-34J/s；c為光速，取值為2.998億m/s；K為斯忒藩表示玻爾茲曼常數，取值為1.38×10-23J/K；ε為地表比反射率，其取值參見文獻[12]）。T根據NASA提供的Landsat用戶手冊的模型[13-14]進行計算：首先將第6波段的像元值轉換為傳感器的輻射值，公式如下：

式中：L6為第6波段的像元在傳感器處的輻射值[W/（m2·sr·μm）]；DN為像元灰度值；gain和bias分別為第6波段的增益值[W/（m2·sr·μm）]和偏置值[W/（m2·sr·μm）]，可通過影像自帶的元數據獲得。

其次利用傳感器處的輻射值計算出傳感器處的溫度值即亮溫，公式為：

式中：T為亮度溫度；K1和K2為第6波段的定標參數；TM 影像中K1=607.76 W/（m2·sr·μm），K2=1260.56 K，ETM+影像中K1=666.09 W/（m2·sr·μm），K2=1282.71 K。

計算出地表溫度后，參考孫颯梅等[15]的劃分方法，首先根據下面公式計算出相對溫度，有利于減少不同時相影像直接對比導致的差異，然后對相對溫度Tr進行閾值分割，熱島等級劃分見表1。

式中：Tr為相對溫度；Ti為像元i點的溫度溫度；Ta為市區的平均溫度。

表1 城市熱島強度等級劃分

1.3.2 城市熱島景觀指數 本文選取景觀類型和景觀水平兩個尺度進行熱景觀格局變化分析。其中，景觀水平上的指數主要從整體上描述城市熱島特征，選取香農均勻度指數、面積加權平均形狀指數、蔓延度指數、景觀分離度指數以及香農多樣性指數等景觀指數。斑塊類型水平的指數重點選用高等級斑塊類型，主要是強熱島、較強熱島和極強熱島（4，5，6共3個級別），之所以選擇上述類型是因為它們對熱島效應起主導作用，主要指標有斑塊密度、斑塊數、平均斑塊面積、斑塊類型比例、面積加權分形指數、景觀形狀指數和聚類指數等。所有景觀指數的計算是通過Fragstats 3.3完成的。

1.3.3 植被覆蓋度提取 歸一化植被指數（NDVI）是植被生長狀態及植被覆蓋度的最佳指示因子[16]。本文利用像元二分模型估算研究區的植被覆蓋度，計算公式如下：

式中：NDVImax為完全由植被所覆蓋像元的NDVI值；NDVImin為裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值。

計算植被覆蓋度時，通常根據圖像大小、圖像清晰度等情況，以置信度截取NDVI的上下限閾值分別近似代表NDVImax和NDVImin，可以在一定程度上消除遙感影像噪聲所帶來的誤差[17]。本研究通過分析4個時期NDVI數據，考慮時空差異，最終采用0.5%和99.5%的累計百分比為置信區間來確定NDVI最大值與最小值。

1.3.4 環內分析 為了更好地反映城市熱景觀由中心向外擴張的特點，模仿城市中的環城公路，本文以市中心商業區南大街為中心，參考城市發展情況，分別以5 km和13 km為半徑作同心圓。在本文中，以一環和二環來分別描述按上述方法作出的內圓和外環。

2 結果與分析

2.1 城市地表溫度(LST)時空變化特征

1986—2010 年城市LST分布格局發生了顯著變化（圖1）。1986年常州一環內平均LST為300.124 K，二環內平均297.211 K，兩個環中最高LST為311.662 K，最低LST為284.424 K。城市中高的LST主要出現在老城區（一環內），呈塊狀集中，沿運河兩岸分布，這與城區早期發展過程中的“單核心區”空間結構一致。其他較高LST主要零散分布于今新北區孟河鎮、武進區太湖入口處及滆湖北岸。1992年一環內平均LST為300.184 K，二環內平均298.505 K，數值與1986年接近，高的LST分布狀況也相似。2000年一環內平均LST295.292 K，二環內平均293.844 K，最高LST為301.344 K，最低LST為288.839 K，城市中高的LST分布突破了原來的老城區而向南北擴展，即北翼的新北區和南翼的武進區，相應一環與二環之間的LST差距也在縮小。這與城區發展過程中的“一體兩翼”結構相似。2010年一環內平均LST為300.419 K，二環內平均298.924 K，最高LST為310.112 K，最低LST為287.650 K，溫差達到了22.46 K。城市中高的LST分布比2000年變化更加明顯，基本布滿二環以內，中心城區外圍也以多塊片區分布。這與中心城區空間結構未來定位的“一主兩副多組團”和市區“一城、七片”用地布局相似。

圖1 1986-2010年城市二環LST變化

從1986—2010年城市LST的分布特征分析來看，城市高溫地區和低溫地區的溫度差異經歷了先減小后增大的一個過程，2010年城區溫差最大值達到35.3 K。1986—1992年中心城區一直是高溫區。雖然這時屬于改革開放初期，城市化建設才剛剛開始，但已經出現了較高溫度。這與中心城區人口密集、沿運河老城區街道狹窄密集、公共空間嚴重缺乏等相關。2000—2010年這10年是常州城市快速發展時期。伴隨著城市化進程的加快，高溫區域有增無減，除原有中心組團外，高新組團、新港組團、城西組團、城東組團、湖塘組團和空港組團均出現高溫。

為定量研究城市植被覆蓋度與地表溫度之間的關系，采取隨機抽樣的方法，在兩環內提取2 200個樣本（不含水域）的植被覆蓋度和地表溫度值，應用線性回歸方法分析植被覆蓋度和地表溫度之間的相關關系（表2）。其中y為地表溫度，x為植被覆蓋度。

由表2可以發現，城市植被覆蓋度和城市的熱場呈負相關，不同年份相同時期城市熱場受植被覆蓋的影響大小可以從回歸系數上看出。許多研究[17-19]都證實：植被覆蓋水平與下墊面溫度存在顯著的負相關關系。盡管所有的植物都具有降溫增濕、減緩熱島效應的生態功能，但規模小、破碎化程度高或植被蓋度低的綠地對緩解城市熱島效應的作用有限[19]。

2.2 城市熱島等級時空變化特征

從圖2中可以看到，1986年和1992年城市的熱島現象已經十分明顯，熱島區主要由較強熱島和極強熱島控制，集中分布在市中心，與當時建成區大體一致，和周圍低溫區形成鮮明對比，而此時城市化才剛剛開始。相關研究也發現，低容積率但高建筑密度的傳統中心城區可以成為強熱島區[1，20]。主要原因與城市規劃有關，老城區各類用地交錯分布，建筑物及人口密集，功能混雜。至2000年，一環內熱島強度有所緩解，較強和極強熱島基本消失，主要為中等熱島和強熱島，此時的城區開始向南北發展，中心城區負擔功能得到疏解，受城市向南北方向發展影響，二環內熱島強度在逐漸增加。至2010年，常州市熱島強度從極強、較強向強逐步轉變，呈現熱島中心從大面積集中到逐漸點狀分散化，一、二環內大部分區域出現強熱島，部分地區重新出現較強熱島和極強熱島。此時的城市化進程處于快速發展階段，土地開發力度非常大，各類生態綠化工程正在建設或剛完工不久，其生態功能尚未充分發揮。較強熱島和極強熱島主要出現在新北區常州國家高新技術產業開發區、武進高新技術產業開發區和天寧區東南經濟開發區附近。

表2 地表溫度和植被覆蓋度的關系方程

圖2 1986-2010年常州城市二環內熱島強度分布

表3是各年內強熱島及其以上等級分布面積和所占比例，可以看出2010年城市強熱島等級面積增加很快，由1986年的4 427.37 hm2增加到12 402 hm2，增幅達到180.1%。較強熱島和極強熱島等級都經歷了先下降后上升的趨勢，其中較強熱島面積由1986年的2 436.84 hm2增加到2010年的4 408.2 hm2，增幅80.9%；極強熱島面積有所減少，由1986年的1 716.03 hm2減少到2010年的915.03 hm2，減幅46.68%。

2.3 城市熱景觀格局演變特征分析

2.3.1 斑塊類型尺度上熱景觀格局變化特征分析 對1986—2010年斑塊類型上各景觀指數的變化趨勢進行分析，結果由表4可看出，城市中高等級斑塊（4，5，6）的比例增長較快，其中強熱島等級（4）在高等級斑塊中的比例又是最大。強熱島等級的斑塊數、斑塊密度和景觀形狀指數在2000年達到最大，而平均斑塊面積（AREA-MN）也呈增加趨勢，并在2010年達到最大，主要是由于二環內高等級斑塊相互連接形成大片所致。極強熱島平均斑塊面積（AREA-MN）有所減少，但斑塊數卻在增加。從1986—2010年，強熱島和較強熱島的面積加權平均分形指數（FRAC-AM）逐年遞增，說明了受人類活動的影響高等級熱島斑塊的邊界形狀漸趨復雜。從表4中可以看出，強熱島的聚類程度在2010年達到最大值，而較強熱島和極強熱島的聚類程度是在1992年達到最大值，反映了常州市區從1992—2010年的城市化進程中強熱島等級斑塊朝著集中連片的趨勢發展，而較強熱島和極強熱島斑塊趨于分散，這與城市建設的擴張、中心城區功能得到疏解、規劃趨于合理等密切相關，在圖2中可以得到直觀的體現。

表3 常州城市相對溫度等級面積變化

表4 景觀斑塊類型水平上的景觀指數變化

2.3.2 景觀水平尺度上熱景觀格局變化特征分析

在景觀水平上，由表5可以看出，2000年熱景觀斑塊的面積加權平均形狀指數（SHAPE-AM）的值最大，形狀最為豐富；2010年城市熱島斑塊的多樣性指數（SHDI）和均勻度指數（SHDI）最高，反映了此時熱島景觀斑塊類型多，分布最為均勻。1986—2010年，城區熱島景觀的蔓延度先升高后降低，總體上呈下降趨勢，反映出低等級的熱島景觀比重在下降，優勢度降低。景觀分離度（DIVISION）一直呈上升趨勢，說明熱島斑塊的破碎化在加劇。

表5 景觀水平上的景觀指數變化

3 結論與建議

（1）從整體空間分布來看，1986—2010年，常州建成區均具有明顯的熱島效應。由于城市化的迅速發展，大片農田和綠地被占用，導致市區內的熱環境分布格局發生了明顯變化，城市中心與城郊的溫差逐漸擴大，城市高溫區呈現由中心聚集向周邊分散的特點。

（2）從城市的植被覆蓋度與地表溫度之間的關系來看，兩者負相關關系顯著，隨著植被面積的減少和破碎化加劇，降溫效果也隨之減弱。

（3）從熱島等級和分布范圍變化來看，1986—1992年，城市熱島主要集中分布在中心片區，主要有較強熱島和極強熱島控制；2000年以后，隨著各類開發區的快速建設，高等級熱島斑塊（4，5，6）等級的分布范圍和強度都明顯提高。

（4）從城市熱景觀指數變化來看，隨著城市化進程的不斷加快，城市中高等級熱島斑塊無論在的數量、密度還是比例上都呈上升趨勢，形狀也趨于復雜，相同等級類型的斑塊集聚逐漸增強。到2010年城市的熱景觀多樣性最豐富，同時破碎度也最大，而熱景觀斑塊的蔓延度在逐漸下降，反映了原來占比較大的低等級熱島斑塊的優勢度在降低，分布逐漸趨于均勻。

為減緩城市的熱島效應，建議如下：（1）摒棄傳統的單中心城市發展模式，積極推進多中心城市建設，合理疏解人口、建筑物密度，控制建成區的用地規模和新增規模。（2）應結合舊城改造和新城建設，在城市中心和周邊開發區適當規劃建設較大面積的城市綠地斑塊，提高綠地分布的均勻度；同時提高城市原有綠地系統質量，增加植被覆蓋度。（3）借鑒雨污分流措施，增加城市水體表面，尤其是濕地，也有助于緩解城市熱島效應。

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Characteristic Change of Urban Heat Island in Changzhou City Based on Multi-Temporal Remote Sensing Data

TONG Guangchen1，LIN Jie1，CHEN Hang2，GU Zheyan2，TANG Peng1，ZHANG Jinchi1
（1.College of Forestry，Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Ecological Restoration of Jiangsu Province，Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China，Nanjing Forestry University，Nanjing210037，China；2.Jiangsu Surveying and Design of Water Resources Co.，Ltd.，Yangzhou，Jiangsu225127，China）

In order to analyze the temporal and spatial variation of the thermal landscape in Changzhou City over the past more than 20 years，choosing Landsat TM/ETM+images of 1986，1992，2000 and 2010 as the data sources，and supported by Remote Sensing（RS），Geographical Information System （GIS）and Fragstats tools，we tried to analyze the urban heat island landscape during those years.The results showed that heat island effects were prominence in the construction area of Changzhou City from the year of 1986 to 2010.With the acceleration of urbanization，the thermal differences between urban and rural areas magnified，the difference between the maximum and minimum land surface temperatures reached to 35.3 K in 2010.The area of intense level of urban heat island which included above it increased from 8 580.24 hm2in 2010 to 17 725.23 hm2in 1986，the corresponding proportion increased from 4.58%to 9.45%，respectively，the increase was 106.33%.The analysis results of class metrics showed that high-level heat island patche distribution improved obviously both in range and intensity.Two ring high-level heat island distribution of patchy was obvious.The shape of heat island patches become more complicated because of human activities.The analysis results of landscape metrics showed that there was the most abundant diversity and a high degree of heat island landscape fragmentation in 2010，its distribution was also the most homogeneous.The results of this study can provide the reference for urban ecological construction.

urban heat island；landscape analysis；Changzhou City

X16;X87

A

1005-3409（2017）01-0207-06

2016-01-04

2016-02-25

國家自然科學基金（31200534）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目（PAPD）

佟光臣（1987—），男，江蘇邳州人，碩士研究生，研究方向為資源與環境遙感監測。E-mail：969714589＠qq.com

林杰（1976—），女，遼寧丹東人，副教授，碩士生導師，主要從事土壤侵蝕遙感監測研究。E-mail：jielin＠njfu.edu.cn