重慶市主城區土地利用/覆被變化及其熱環境效應關系研究

房力川 ，周 莉 ，潘洪義

（四川師范大學1.西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室；2.地理與資源科學學院 成都 610066）

1 引言

土地利用/覆被變化（LUCC）深刻的影響著全球生態環境環境變化，一直以來都受到國內外學者的廣泛關注[1-6]。近年來，隨著我國經濟的發展，城市化水平不斷提高，城市生態系統面臨著越來越大的壓力。城市下墊面的不同類型和組合對城市的熱環境影響很大[7]，伴隨城市化進程，城市擴展及其帶來的地表能量收支各項發生變化，成為影響城市熱環境的重要因子，現已證實城鄉不同下墊面的熱收支差異是城市熱島效應產生的重要原因[8]。

國內外學術界開展了一系列關于城市土地利用與城市熱環境問題的研究，取得了豐碩的成果。如彭文甫[9]等利用2000-2008年TM/ETM＋數據，基于遙感和GIS分析了城市土地利用與地面熱效應時空變化特征。蘇振華[10]等學者通過分析城市熱島與土地利用的時空變化情況，得出了城市熱島效應與城市化和土地利用變化密切相關，不透水面的擴張是造成城市熱島效應的主要原因的結論。彭保發[11]等學者在研究上海市熱島效應的影響機理及其作用規律時發現，土地城市化是上海市城市熱島強度的主要影響因素且建成區擴張對熱島強度的累積效應大于其增量效應。吳彥樨[12]和白楊[13]等分別利用Landsat數據從不同的角度分析了城市熱島格局和景觀格局的相關性。

重慶市作為“一帶一路”和長江經濟帶重要的戰略聯結點以及內陸開放高地，同時也是三大“火爐”之一。隨著城市化進程的加快，大規模的基礎設施建設必然導致城市下墊面劇烈變化。因此，本文選擇重慶市繞城高速以內的區域作為研究區，利用Landsat系列遙感影像進行土地利用監督分類，基于輻射傳輸方程法進行地表溫度反演，定量分析土地利用/覆被變化與城市熱環境效應之間關系。

2 研究區概況

重慶市位于四川盆地的東南部，長江的上游，與湖北、湖南、貴州、四川、陜西等省接壤，地跨東經 105°11′-110°11′、北緯 28°10′-32°13′的四川盆地與長江中下游平原的過渡地帶。轄區總面積為8.24萬Km2，屬于中國面積最大的內陸城市，其都市區主要分布在長江沿線，四面環山，以丘陵，低山為主，地形起伏較大，平均高程為400m。研究區總面積為5465Km2，占全市總面積的6.63%。研究區屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，具有氣溫高，日照少的氣候特點，年降雨量1100-1400mm，全年平均氣溫18℃，7-8月最熱，35℃以上高溫天氣最多達68天，無霜期在310天以上。

3 數據及方法

3.1 數據獲取及處理

本文選用2000年7月22日的landsat7 ETM+影像和2016年7月26日的landsat8 OLI/TIRS影像（軌道號128/39和128/40），數據來源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/）。衛星過境時天氣晴朗，云量少，數據質量高，可視性良好。基于支持向量機分類法提取土地利用類型圖，利用輻射傳輸方程法反演地表溫度。為更好驗證地物分類精度和反演精度，研究中利用Google Earth提供的同年重慶市高清影像和MODIS地溫產品作為參考。

3.2 研究方法

3.2.1 分類方法

支持向量機分類器 (Support Vector Machine,SVM)是一種基于統計學習理論的機器學習方法[14]，通過尋求結構化風險最小來提高學習機泛化能力，可以在統計樣本數量較少的情況下獲得良好統計規律[15]。支持向量機分類器擁有其他分類器所不具有的高效性，因此在遙感影像分類中被廣泛采用。論文選用徑向基函數(Radial Basis Function，簡稱RBF)作為本次分類的核函數。其公式為：

式中：K(X,XC)為空間中任一點X到某一中心XC之間歐氏距離的單調函數，XC為核函數中心，為函數的寬度參數，控制了函數的徑向作用范圍。

3.2.2 地表溫度反演

本文選用輻射傳輸方程法進行地表溫度反演，根據電磁波的輻射傳輸理論，衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由三部分組成：黑體輻射亮度、大氣下行輻射亮度和大氣上行輻射亮度。表達式為：

式中,ε為地表比輻射率，τ為大氣在熱紅外波段的透過率。

黑體輻射亮度B(TS)的計算公式為：

根據普朗克函數，地表真實溫度(K)TS的計算公式為：

對于Landsat8TIRSBand10，

4 結果分析

4.1 土地利用/覆被變化分析

本文選用支持向量機分類法（SVM）對重慶市兩期遙感影像進行土地分類。結果如圖1和圖2所示

圖1 2000年土地類型分類

圖2 2016年土地類型分類

表1 2000年和2016年各土地類型面積統計 單位:Km2

2000-2016年期間，建設用地和林地面積明顯增加，草地面積顯著減少，建設用地的擴張主要是沿長江和嘉臨江河谷地區發展。近17年來，重慶市主城區草地面積劇烈減少，從1301.469Km2減少到463.281Km2，面積凈減少838.188Km2。同時，林地和建設用地面積急速增加，面積凈增加218.6505Km2和435.771Km2，農地面積也增加了76.197Km2。其中，裸地、建設用地和林地的變化率分別為265.28%、168.62%和170%，年均增幅分別為15.60%、9.92%和10%，說明重慶市目前正處在快速的城市化發展的過程中，研究區內的建設用地面積擴張十分顯著，但是同時也積極響應了國家退耕還林的政策，林地面積增加明顯。

4.2 研究區不同歷史時期土地利用轉移分析

表2 土地利用轉移概率矩陣（%）

近17年來，重慶市主城區的土地利用/覆被變化主要表現草地面積的減少、林地和建設用地面積的增加。從表2可知，有27.037%的草地轉化為了建設用地，23.586%轉化為了農地，15.917%轉化為了林地。林地面積的增加主要來自于草地、裸地、林地和農地，占比分別為 15.917%、7.098%、6.302%和4.954%，建設用地的面積的增加主要來源于裸地、草地、農地和林地，占比分別為70.038%、27.037%、23.698%和11.776%。說明在重慶的城市化過程中，還是靠占用農地、林地和草地為主，同時有效的利用了裸地。

4.3 研究區地表溫度反演

根據公式3.2-3.4，運用輻射傳輸方程法進行研究區地表溫度反演，得到重慶市主城區地表溫度分布圖（圖3和圖4）。由于兩期遙感影像時間差距較大，不能直接比較溫度的高低。為了客觀劃分城市熱島邊界，本文采用采用均值-標準差法將反演的溫度圖劃分為6個不同的等級[16]，即:特高溫區(Ts≥μ+std）、高 溫 區 (μ+0.5std≤Ts＜μ+std)、次高溫區(μ≤Ts＜μ+0.5std)、中溫區(μ-0.5std≤Ts＜μ)、次中溫區(μ-std≤Ts＜μ－0.5std)和低溫區(Ts＜μ-std)。

近17年間，重慶市主城區特高溫區和高溫區域顯著增加，趨勢是沿嘉陵江和長江河谷地帶增加，和建設用地的增加趨勢保持一致，說明建設用地所在的區域為特高溫區和高溫區。重慶市在城市化過程中，隨著建設用地的增加，特高溫區和高溫區面積也隨之增加，城市熱環境效應顯著。

為了進一步分析重慶市熱島效應的時間變化，將各溫區面積的統計如表3所示：

圖3 2000年重慶市主城區地表溫度

圖4 2016年重慶市主城區地表溫度

表3 重慶市主城區各溫區面積統計 單位：%

圖5 研究區各類用地面積比與地表溫度的線性相關性（2000.2016年）

由表3可知，在2000年，重慶市主城區的中溫區面積占比最大，占總面積的39.07%，特高溫區和高溫區分別占總面積的13.87%和8.38%；而2016年則是次中溫區面積占比最大，占總面積的24.92%，特高溫區和高溫區分別占總面積的17.13%和13.55%。從2000年到2016年，重慶市主城區中溫區面積減少明顯，一共減少21.13%，高溫區和特高溫區面積有所增加，分別增加5.17%和3.26%，同時次中溫區和低溫區面積也有所增加，分別增加8.7%和3.86%。

4.4 土地利用/覆被比重與地表溫度的相關性分析

為定量揭示區域LUCC比重對城市地表溫度的影響，根據研究區的實際情況，分別在2000年、2016年重慶市主城區土地利用分類圖上生成1 km×1km單元的矢量網格，共得到網格2144個。并將單元格網圖層與兩期地表溫度圖層進行疊加分析，統計每個單元網格的平均地表溫度，同時計算出每個單元網格中土地利用類型的面積所占比重，最后對各類地物的面積比重與地表平均溫度進行相關性分析，統計結果見圖（附后）。

圖5中的相關性曲線與回歸方程顯示，在兩期數據中，城市各類地物面積比與地表溫度均具有一定的線性關系，但相關性差異較大。其中建設用地、裸地與地表溫度均為正相關關系，而林地、水體、農地和草地與地表溫度呈現負相關性。擬合方程顯示所有地類線性回歸方程均在P＜0.01下呈現顯著相關性，說明各土地覆蓋類型對于城市地表溫度變化都有一定的貢獻。2000年與地表溫度相關性程度最大的地物類型為建設用地，復相關系數R2為0.5097；2016年，與地表溫度相關性程度最大的地物類型同樣為建設用地，復相關系數R2為0.5492。對比兩期數據，除水體與地表溫度的復相關系數有所降低以外，其余所有用地類型與地表溫度的復相關系數R2都有所增加。其中草地和林地與地表溫度的復相關系數R2增幅最大，分別從0.0657增加到0.2804，0.0136增加到0.2263。

5 結論

本文利用支持向量機分類法獲取城市土地利用/覆被信息，進而定量分析研究區的土地利用、地表溫度時空演化特征和不同土地利用類型對地表溫度的聯合影響效應，研究結果表明：

（1）2000-2016年期間，重慶市主城區土地利用/覆被變化劇烈。其中草地面的急劇減少，共減少838.188Km2，建設用地和林地面積增加明顯，分別增加 218.6505Km2和 435.771Km2，增幅為168.62%和170%，城市擴張主要沿著嘉臨江和長江河谷地帶進行。減少的草地主要變成了農地、林地和建設用地，建設用地的增加則主要來源于裸地、草地和林地，林地的增加主要來源于草地。

（2）2000-2016年期間，重慶市主城區的高溫區和特高溫區面積顯著增加，建設用地面積的日益擴張，升溫效果明顯，是造成城市熱環境效應的主要原因。影響因子相關性分析顯示，城市中各類地物類型與地表溫度都具有一定的相關性，但差異性較大。其中，建設用地、裸地與地表溫度為正相關，林地、水體、農地和草地與地表溫度呈負相關。林地和草地與地表溫度的復相關系數R2大于水體和農地，說明林地和草地的降溫效果優于水體和農地。