池州市貴池區(qū)城市熱島效應(yīng)時空變化特征

章 勇，姚志強

池州學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院，池州,247000

在城鎮(zhèn)化進程中，人類活動對城市生態(tài)環(huán)境的影響越來越突顯，尤其是城市熱島效應(yīng)的產(chǎn)生，最能體現(xiàn)城市氣候的異常變化[1]。城市熱島效應(yīng)的出現(xiàn)，直接影響當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量、氣候、居民公共健康、城市建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展[2]。因此，熱島效應(yīng)一直是城市生態(tài)及城市氣候研究的重要課題。

本文利用池州市貴池區(qū)1995年、2005年和2015年的遙感數(shù)據(jù)集構(gòu)建時間序列影像，并利用時間序列影像反演池州市貴池區(qū)地表溫度，實現(xiàn)1995年到2015年池州市貴池區(qū)熱島效應(yīng)的監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上探討池州市貴池區(qū)城市熱島時空變化特征。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)

本文選擇中小城市池州市貴池區(qū)(北緯30°40′27.27″,東經(jīng)117°29′44.47″)為研究區(qū)，該區(qū)位于安徽省南部，北臨長江。地勢南高北低，南部為低山區(qū)，中部為丘陵區(qū)，北部為沿江洲圩區(qū)。境內(nèi)主要河流有黃湓河、秋浦河、龍舒河、白洋河、九華河、青通河等。貴池區(qū)地處暖溫帶與亞熱帶過渡地帶，屬亞熱季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)。氣候溫和，雨量適中，光照充足。全年冬寒、夏熱、春暖、秋涼，四季分明，季風(fēng)明顯。

1.2 數(shù)據(jù)處理

本文選用的池州市貴池區(qū)三期遙感數(shù)據(jù)分別為1995年3月26日的Landsat TM數(shù)據(jù)，圖幅號為LT 51210391995085XXX00；2005年3月5日的Landsat TM數(shù)據(jù)，圖幅號為LT51210392005064BJC00；2015年10月11日的Landsat 8數(shù)據(jù)，圖幅號為LC 81210392015284LGN00。Landsat TM數(shù)據(jù)共有7個波段，其中第6波段為熱紅外波段，可用于地表溫度反演。Landsat 8數(shù)據(jù)共有11個波段，其中第10波段和第11波段為熱紅外波段，可用于地表溫度反演。由于Landsat 8一景影像所包括的地面范圍非常廣，為185 km×185 km，而池州市貴池區(qū)只是該范圍內(nèi)的一部分,如果直接對原始數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)量和運算量太大,因此，要對原始數(shù)據(jù)進行裁剪處理。本文利用池州市貴池區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)對Landsat TM和Landsat 8原始數(shù)據(jù)進行裁剪預(yù)處理,然后對裁剪后的數(shù)據(jù)進行地表溫度反演處理。對于Landsat TM數(shù)據(jù)，本文選用覃志豪的單窗算法[3]，反演的地表溫度渲染結(jié)果見圖1和圖2；對于Landsat 8數(shù)據(jù)，本文選用Wang等人的反演算法[4]，反演的地表溫度渲染結(jié)果見圖3。

圖1 1995年貴池區(qū)地表溫度

圖2 2005年貴池區(qū)地表溫度

圖3 2015年貴池區(qū)地表溫度

2 地表溫度分級

對貴池區(qū)三期地表溫度結(jié)果進行統(tǒng)計，見表1。

表1 不同時期貴池區(qū)地表溫度統(tǒng)計

由于本文選擇的數(shù)據(jù)是1995年到2015年三期的遙感數(shù)據(jù)，不同時期地表溫度范圍存在差異(由于季節(jié)不同)，如何建立不同時期統(tǒng)一的地表溫度分級體系是本文首要解決的問題。本文利用均值-標(biāo)準(zhǔn)差等間距的方法(見公式1)，將貴池區(qū)溫度劃分為6個等級。

(1)

圖4 1995年貴池區(qū)溫區(qū)劃分圖

圖5 2005年貴池區(qū)溫區(qū)劃分圖

圖6 2015年貴池區(qū)溫區(qū)劃分圖

統(tǒng)計每個溫區(qū)所占面積百分比，結(jié)果見表2。從表2可以看出，從1995年到2015年，池州市貴池區(qū)特高溫區(qū)、高溫區(qū)和中溫區(qū)所占面積百分比呈現(xiàn)增長趨勢，且2005年到2015年增長率更為突出；次高溫區(qū)、次中溫區(qū)和低溫區(qū)所占面積百分比呈現(xiàn)減少趨勢，且2005年到2015年減少率更為突出。間接說明了2005年到2015年十年間貴池區(qū)發(fā)展速度比1995年到2005年要快。

表2 溫區(qū)所占面積百分比

3 熱島時空變化特征模型

間隙度指數(shù)被廣泛地應(yīng)用于景觀地質(zhì)分析和景觀的分形研究中。由于它能衡量不同類型景觀在空間上的聚集程度[5]，所以可以用來揭示池州市貴池區(qū)熱島在時空尺度上的變化，為貴池區(qū)的熱島時空變化提供量化數(shù)據(jù)。

Plotnick最早將間隙度指數(shù)應(yīng)用到景觀生態(tài)學(xué)中[6]。間隙度指數(shù)建立在網(wǎng)格基礎(chǔ)上，網(wǎng)格邊界對該方法不產(chǎn)生影響。該方法計算過程為：選擇一定大小的模板R(即采樣網(wǎng)格大小)；將模板R在貴池區(qū)溫區(qū)劃分圖上不斷移動，在不同的特高溫區(qū)內(nèi)，統(tǒng)計所占模板的像元數(shù)量S；計算S在整個貴池區(qū)區(qū)域中的概率Q(S,R)；計算S的一階原點矩Z(1)和二階原點矩Z(2)，見公式(2)和(3)。

(2)

(3)

通過S的一階原點矩和二階原點矩計算間隙度指數(shù)，見公式(4)。

(4)

為了深入比較三期貴池區(qū)地表溫度圖像所產(chǎn)生的城市熱島效應(yīng)的區(qū)別，本文將特高溫區(qū)看作是貴池區(qū)的熱島，利用間隙度指數(shù)評價城市熱島在貴池區(qū)空間分布上的特點。將三期溫區(qū)劃分圖中不同的溫區(qū)賦予不同的數(shù)字進行標(biāo)注，采用公式(2)(3)和(4)計算不同時期的間隙度指數(shù)，從而定量地獲得不同時期的熱島分布特征，結(jié)果見表3。

表3 不同時期間隙度指數(shù)

間隙度指數(shù)越大說明熱島聚集度越高。從表3可以看出，1995年貴池區(qū)熱島間隙度指數(shù)最小，2015年間隙度指數(shù)最大，2005年居中。說明從1995年到2015年，貴池區(qū)熱島聚集度越來越高。這是因為早期貴池區(qū)發(fā)展落后，城區(qū)沒有形成，所以熱島較為分散。隨著時間的推移，貴池區(qū)不斷發(fā)展，城區(qū)開始慢慢形成。到了2015年，貴池區(qū)建設(shè)用地主要集中在老城區(qū)，由市中心向四周發(fā)散，呈現(xiàn)出中心輻射現(xiàn)象，熱島也隨之越來越聚集。因此，1995年到2005年貴池區(qū)城市熱島現(xiàn)象不是很明顯，2015年貴池區(qū)熱島現(xiàn)象最為明顯，貴池區(qū)城市熱島特高溫區(qū)主要集中在老城區(qū)中心區(qū)域，圍繞著平天湖，地表溫度高于周邊區(qū)域，并與城市的輪廓和道路分布一致。低溫區(qū)主要集中在水域，沿長河、平天湖以及城內(nèi)河流，溫度相對較低。次中溫區(qū)、中溫區(qū)和次高溫區(qū)主要集中在植被覆蓋度高的區(qū)域。

4 結(jié) 論

本文利用池州市貴池區(qū)三期遙感數(shù)據(jù)(Landsat TM和Landsat8)，獲取了三期貴池區(qū)地表溫度圖像，利用均值-標(biāo)準(zhǔn)差等間距法對三期地表溫度進行了溫區(qū)的劃分，并利用間隙度指數(shù)模型分析了貴池區(qū)城市熱島時空變化特征。結(jié)果表明：

(1)從1995年到2015年，池州市貴池區(qū)特高溫區(qū)、高溫區(qū)和中溫區(qū)所占面積百分比呈現(xiàn)增長趨勢；次高溫區(qū)、次中溫區(qū)和低溫區(qū)所占面積百分比呈現(xiàn)減少趨勢；且2005年到2015年變化率更為明顯。

(2)池州市貴池區(qū)從1995年到2015年，間隙度指數(shù)越來越大,說明從1995年到2015年貴池區(qū)城市熱島越來越聚集，2015年貴池區(qū)城市熱島聚集度最高。

(3)池州市貴池區(qū)從1995年到2015年，城市熱島現(xiàn)象越來越明顯，且2015年貴池區(qū)熱島現(xiàn)象最為明顯。熱島特高溫區(qū)主要集中在老城區(qū)中心區(qū)域，并與城市的輪廓和道路分布一致。