基于Landsat數據的城市熱力景觀時空演變特征研究

石蕾潔，楊若雨

1.中聯西北工程設計研究院有限公司；2.西安市城市規劃設計研究院

隨著城市化進程的推進，城市內部資源環境壓力加劇，生態環境問題大量涌現，尤其是全球變暖現象愈加明顯。環境污染、資源匱乏、交通擁擠等問題使人類賴以生存和發展的生態系統受到了巨大的影響[1-2]。Manley于1958年提出了“城市熱島”（Urban Heat Island）的概念，即城市內部溫度明顯高于周圍郊區溫度[3]。城市熱島效應已成為中國地理國情監測的一項試點內容，大量學者投入到城市熱島效應研究中。陳云浩[4]首次提出了“熱力景觀”概念，將景觀生態學引入城市熱環境的研究中，對不同時期上海市熱環境的空間結構與格局進行了研究；劉宇翔[5]等從全國、氣候帶、城市3個空間尺度探討了我國347個城市晝夜地表熱島強度的空間分布特征以及時間變化規律；鄧玉嬌[6]等定量分析了粵港澳大灣區城市熱島的時空分布特征；孫艷偉[7]等利用MODIS數據,基于一致性方法定量測度了我國1232個主要城鎮人居斑塊的熱島強度及其時空變化模式；高靜[8]等分析了武漢市局部源匯景觀格局對城市地表溫度的貢獻及其效應；黃亞平[9]等以武漢市主城區589個控規管理單元為樣本,運用RS、GIS的技術識別熱島空間格局,揭示熱島空間分布的影響要素；丁海勇[10]等對南京市土地利用/覆蓋類型動態變化的空間特征及地表溫度對城市化的響應情況進行了定量研究；陰瑜鑫[11]等基于GEE平臺，使用城鄉二分法估算長江經濟帶2003—2019年的城市地表熱島強度，再利用城市熱場變異指數評價生態環境，并利用地理探測器進行城市熱島成因分析；李宇[12]等通過城鄉對比法（UMR）和觀測減去再分析方法（OMR）對比分析了中國92個主要城市的城市化對局地增溫的貢獻。本文將西安-咸陽主城區作為研究區，基于Landsat影像反演地表溫度，利用均值-標準差法、標準差橢圓法分析熱力景觀時空變化特征，為城市生態環境的改善、城市的合理規劃布局等提供了科學指導。

一、研究區概況

本文選取大西安都市圈建設的核心區域西安-咸陽主城區作為城市熱環境研究的典型區域，總面積約為1664km2。西安-咸陽地區地處渭河流域中部關中盆地，四季冷熱分明，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，春季溫暖干燥，夏季炎熱多雨，秋季冷暖適宜，冬季寒冷多霧。近年來，隨著城市的快速發展，建筑用地不斷增加，西安-咸陽主城區的生態環境問題日益嚴重，夏季高溫多次創歷史新高。2017年西安成為第一個夏季高溫破40℃的省會城市，高溫日數量連續排在全國前三位，因此研究西安-咸陽主城區的熱環境演變特征并提出緩解措施是具有重大意義的。

二、數據與方法

（一）數據來源

本文主要使用Landsat影像數據進行地表溫度的反演，空間分辨率為30m。本文研究的時間跨度為2000-2019年，根據影像數據的成像情況，分別選取了2000年、2006年、2013年和2019年夏季（6-8月）的Landsat影像數據，四期影像數據質量較高，且在研究區范圍內基本無云覆蓋，能較好反映地表真實狀況。本文選取MODIS陸表溫度產品MOD11A1對Landsat數據反演得到的地表溫度進行精度驗證。

（二）研究方法

1.地表溫度反演

本文選用覃志豪單窗算法反演地表溫度。單窗算法是覃志豪[13]等根據地表熱輻射傳輸傳導方程，推導出的一種利用Landsat TM/ETM+第6波段數據反演地表溫度的算法，該算法需要3個參數：大氣平均作用溫度、大氣透過率和地表比輻射率。計算公式如下：

式（1）中，Ts為地表真實溫度（K）；a和b是常量，分別為-67..355351和0. 458606；和是中間變量，，，其中是地表比輻射率，是大氣透射率；T6是衛星高度上傳感器所探測到的像元亮度溫度（K）；Ta為大氣平均作用溫度。

本文選取MODIS陸表溫度產品MOD11A1對Landsat數據反演得到的地表溫度進行精度驗證。

2.城市熱力景觀等級劃分

均值-標準差法利用地表溫度的平均值和不同標準差倍數的組合劃分城市熱力景觀等級。本文將熱力景觀等級劃分為6級，分別為：低溫區、次中溫區、中溫區、次高溫區、高溫區和特高溫區（見表1）。

表1 城市熱力景觀等級劃分

3.標準差橢圓法

標準差橢圓法來源于中心形態學，它能精準地概括地理要素的空間特征，如中心趨勢、離散和方向趨勢，其形態可在一定程度上反映要素空間分布的方向性特征。橢圓的方位角反映要素分布的主趨勢方向，主輔軸反映要素分布的主次方向和聚集離散程度。

三、結果與分析

（一）城市地表溫度變化特征

利用覃志豪單窗算法反演得到研究區年夏季地表溫度。2000年地表平均溫度為32.31℃。最低溫度為20.62℃，位于秦都區內渭河水面上。最高溫度為41.29℃，位于蓮湖區；2006年地表平均溫度為30.54℃，較2000年降低了1.77℃。最低溫度為22.82℃，位于渭城區內渭河水面上。最高溫度為45.54℃，也位于蓮湖區內。2006年平均地表溫度低于2000年，而最低和最高溫度均高于2000年，標準差為1.80，也略低于2000年，說明2006年地表溫度值相對于2000年分布較為聚集，大部分數值較為接近平均值；2013年升溫幅度較大，平均地表溫度為35.46℃，較2006年升高了約16.11%。最低溫度也位于渭城區的渭河水面上，但較2006年升高了2.86℃。2013年最高溫度基本與2006年持平，為45.84℃，位于新城區內。而標準差明顯增大，說明2013年地表溫度值離散程度較大，高值和低值趨于兩極化分布；2019年平均地表溫度持續升高，達到了39.67℃，較2013年升高了約11.87%。最低溫度為24.12℃，位于灞橋區內灞河水面上。最高溫度為49.52℃，較2013年升高了3.68℃，位于長安區內。標準差與2013年持平，地表溫度值繼續保持離散分布狀態。總體來看，2000-2019年研究區內平均地表溫度呈持續上升的趨勢，2006年稍有降低，平均溫度共升高了7.36℃。溫度低值點多位于渭河和灞河水面處。

（二）城市熱力景觀空間分布變化特征

在6類熱力景觀中，次高溫區、高溫區和特高溫區3類熱力景觀構成了“城市熱島景觀”。2000年，西安市城三區（碑林區、新城區、蓮湖區，下文同）基本為高溫區域，在護城河附近溫度稍有降低，形成了帶狀中溫區熱力景觀，碑林區內的興慶宮公園由于具有大量綠地與水面，也形成了面狀低溫區熱力景觀；雁塔區的高溫中心主要在以大雁塔、小寨、電視塔為中心的商圈范圍，未央區以城三區為中心向北和向西延伸也形成了部分高溫中心，灞橋區的高溫中心為東三環、長樂東路、連霍高速所形成的區域，長安區的高溫中心位于航天城、鳳棲原區域，而秦都區和渭城區的高溫中心主要位于咸陽市政府和咸陽國際機場附近；2006年，各轄區原有高溫中心基本無明顯變化，但高溫區域均向外發生擴散，尤其是雁塔區由于高新技術產業開發區迅速發展，大量工業企業坐落于此，城市熱量增加，地表溫度升高；2013年城市熱島景觀斑塊面積有所增加，但整體城市熱力景觀等級有所下降，尤其是城三區內大量高溫區熱力景觀斑塊轉移為次高溫區熱力景觀斑塊，城市熱量主要向長安區和未央區進行輻射。未央區為西安市人民政府的坐落地，并且北客站已建成使用，經濟、政治、文化等產業發展迅速，建設用地大量增加，使得地表溫度升高。而長安區已發展成為西安高校聚集地，原有農田被開發為住宅、商場等建設用地，城市下墊面性質改變，生活設施逐漸完善，也在一定程度上導致部分人口遷居在此，因此城市熱量大幅度增加。同時隨著西咸一體化的規劃開展，咸陽市主城區及新城區均迅速發展；到2019年西咸新區的發展對城市熱力景觀的影響較大，新增加的高溫中心主要集中于灃東新城以及秦漢新城。總體來看，2000-2006年，西安市城三區和咸陽市城區為城市熱島景觀主要區域，該區域建筑密度較大，人類活動密集，因此地表溫度明顯高于周邊地區，形成了明顯的“城市熱島”。2006-2019年，隨著其他行政區尤其是西咸新區的快速發展，大量商業、工業中心建成，人類活動范圍擴大，城市熱島景觀向外擴散延伸，形成了多個新的高溫中心，城三區的資源環境承載壓力相對減小。

（三）城市熱力景觀方向趨勢變化特征

2019年低溫區及中溫區熱力景觀橢圓的方位角大于2000年，說明研究區低溫區及中溫區熱力景觀整體向東南方向傾斜，可能是由于研究區東部浐河、灞河的水體冷島效應，使得低溫區域方向逐漸趨于河流方向；而城市熱島景觀的方位角均小于2000年，則說明研究區城市熱島景觀整體向西北方向傾斜，主要原因可能是未央區及西咸新區快速發展形成新的高溫中心，從而對城市熱島景觀的影響程度逐漸加強。而各類城市熱力景觀的方向趨勢和向心力整體都有所減弱，2000-2013年為變化的主要時期，2013-2019年變化程度相對較小。2006年以后，三類城市熱島景觀重心整體向西北方向遷移到未央區，其重心遷移趨勢與景觀分布方向傾斜趨勢大致相同。

四、結論與討論

（一）結論

本文基于Landsat遙感影像反演地表溫度，結合景觀生態學和統計學的研究方法，選取合適的景觀指數，運用拐點法和信息損失評價法識別城市熱力景觀格局分析的適宜粒度范圍。基于最適宜粒度，研究夏季熱力景觀空間格局演變特征，并基于移動窗口法對8個方向上熱力景觀格局變化特征進行梯度分析，主要得到以下結論。

（1）2000-2019年，研 究區內夏季平均地表溫度呈持續上升的趨勢，2006年稍有降低，平均地表溫度從32.31℃升高到39.67℃。地表溫度值離散程度較大，高值和低值趨于兩極化分布。2019年研究區城市熱島景觀斑塊面積約為866.93km2，較2000年約增加112.73km2。2000-2006年，西安市城三區（碑林區、新城區、蓮湖區）和咸陽市城區為城市熱島景觀主要區域，地表溫度明顯高于周邊地區，形成了明顯的“城市熱島”。2006-2019年，城市熱島景觀向外擴散延伸現象明顯，形成了多個新的高溫中心。

（2）城市熱環境在空間分布方向上大致呈現“東南-西北”的分布格局，城市熱島景觀分布方向和重心主要向西北方向偏移，而低溫區及中溫區熱力景觀的偏移方向與城市熱島景觀相反，大致向東南方向傾斜，分布方向逐漸趨于河流方向，且各類熱力景觀的方向趨勢和向心力程度整體均有所減弱。

（二）討論

本文對城市熱環境的內在特征進行了從表象到實質、從整體到局部的解讀和論證，然而，由于城市熱力景觀的形成機制與影響因素較為復雜，本文仍存在一些問題值得進一步的思考與完善。在后續的研究中，可細化研究尺度，從晝夜及季節兩個時間尺度研究城市熱力景觀的演變特征。