王迎迎,许玮

(湖北省气象信息与技术保障中心,湖北武汉 430074)

景观格局对城市热岛效应影响研究——以武汉市为例

王迎迎∗,许玮

(湖北省气象信息与技术保障中心,湖北武汉 430074)

城市化的快速发展给城市带来了各种各样的生态环境问题,城市热岛效应(UHI)是近年来被广泛关注的一个问题,研究城市热岛效应对改善城市生态环境有着重要意义。以武汉市为例,研究探讨了武汉市景观格局对城市热岛效应的影响。地表温度与景观指数之间的相关性分析表明城市景观的组成与分布影响着城市热岛效应。运用景观格局的方法对城市热岛效应进行研究,对于理解城市生态环境以及通过合理的土地利用规划缓解城市化进程对城市生态环境造成的包括热岛效应在内的各种影响具有重要意义。

城市热岛效应;景观格局;地表覆盖

1　引 言

随着城市数量的增加和规模的不断扩大,大规模城市用地开发已成为人类活动改造自然环境的主要方式之一。城市化对环境造成的影响之一就是热岛效应,即城市的温度高于城市周边地区[1]。城市热岛效应严重影响着城市的生态环境,研究城市热岛效应的分布特征、形成演变机制、影响因素等相关问题,对改善城市生态环境,促进城市可持续发展具有重要意义。

随着景观生态学的迅速发展,近几年学者进行了基于景观格局的热岛效应研究。黄聚聪等使用景观格局指数分析厦门城市热岛景观格局随城市化进程演变的趋势[2]。马勇刚等对乌鲁木齐研究发现,城区面积的扩大使得城市热岛效应在强度和面积上有加强,绿地破碎度的增加导致特高温区域面积减少[3]。张春玲等通过对武汉市土地利用类型的空间格局分布,发现土地利用类型的空间格局和地表温度之间有较好的相关性[4]。景观格局方法逐渐在成为继地表覆盖方法城市热岛效应研究又一热点。

本研究以武汉市为例,尝试建立基于遥感技术的城市热岛效应景观格局研究方法,包括:城市景观格局与城市热岛提取方法,两者相关性分析方法,并通过多时相遥感影像实现时间维度相关性连续监测与分析。通过景观格局研究最终希望通过合理的土地利用规划、城市景观布局缓解城市热岛效应,改善城市生态环境。

2　研究区域与数据处理

2．1研究区域与数据预处理

本次研究的区域是湖北省武汉市。研究中使用的遥感影像是武汉市1995年4月9日和2005年9月11日的Landsat TM影像。采用最近邻法对影像进行重采样,几何校正误差控制在0．5个像元以内。从研究影像中切割出一个5 km×5 km研究区域,便于后面进行分析。采用影像进行最大似然分类,将整个研究区域分为建设用地、水体、植被和裸露地四类,分类精度89．7%和87．9%,Kappa系数0．86和0．84。

2．2地表温度反演

利用TM影像的热红外波段反演地表温度共有三个步骤:①将DN值转换为辐射亮度值;②将辐射亮度值转换为亮度温度值;③将亮度温度值转换为地表温度值。辐射亮度值转换为亮度温度值公式为:

式中TB是亮度温度值,K1和K2为常数,对于Landsat TM,K1=607．76,K2=1260．56。

由于亮度温度值是假设地球是黑体的前提下计算得出的,因此要对亮度温度值进行地表比辐射率校正:

其中Ts是校正后的地表温度值,λ是光谱波长, α=hc/b(1．438×10-2mK),ε是地表比辐射率。

2．3 景观格局指数计算

景观指数的计算包括类型水平指数和景观水平指数[5]。由于数据量比较大,因此在研究中将整个研究区域分割成144个5 km×5 km的小样区,计算每个小样区地表温度的平均值,这样用每个小样区分析得出的景观指数和平均温度进行统计学分析,计算景观指数和样区地表平均温度之间的Pearson相关系数[6]。研究中使用的景观指标如表1所示。

研究用到的景观指数　表1

2．4景观格局与地表温度相关性分析

景观指数与地表温度的相关分析是在SPSS软件下进行的。类型水平上,分别计算每一类土地利用类型的平均地表温度与PLAND、PD、ED、LSI、CLUMPY的Pearson相关系数;景观水平上,计算每个样区平均地表温度与PD、ED、LSI、CONTAG、SHDI、SHEI的Pearson相关系数。

3　实验结果与分析

3．1景观格局与地表温度取结果

研究区域1995年和2005年景观分类结果如图1所示。2005年9月11日武汉市热岛的分布范围要比1995年4月9日广,这主要是由于在1995年～2005年这10年间,武汉市城市发展迅速,城区范围不断扩张,使原来的郊区变成城区。2005年武汉市建筑的面积要远远大于1995年。这说明在1995年～2005年间,武汉市城市发展迅速。

研究区域1995年和2005年地表温度分布结果如图2。1995年4月9日建筑、水体、植被和裸露土壤的平均地表温度分别是19．45℃、17．11℃、18．63℃和19．13℃;2005年9月11日建筑、水体、植被和裸露土壤的平均地表温度分别是27．65℃、24．63℃、26．36℃和27．41℃。这个结果表明,景观格局对地表温度同样有着重要的影响。

图1　武汉市1995年(a)、2005年(b)景观分类图

图2　武汉市1995年(a)、2005年(b)地表温度分布图

3．2地表温度景观指数关系

水体、植被覆盖度、不透水面是影响城市地表温度的几个重要因素。而这些与城市景观的空间布局有很大关系。对建筑、水体、植被和土壤这四种土地类型的地表温度值进行统计分析发现,1995年4月9日建筑、水体、植被和裸露土壤的平均地表温度分别是19．45℃、17．11℃、18．63℃和19．13℃;2005年9月11日建筑、水体、植被和裸露土壤的平均地表温度分别是27．65℃、24．63℃、26．36℃和27．41℃。这个结果表明,景观格局对地表温度同样有着重要的影响。

在类型水平上,对于建筑物,地表温度与景观类型百分比、丛生指数正相关,与斑块密度、景观形状指数负相关;对于水体,地表温度与景观类型百分比、边界密度、丛生指数负相关;对于植被,地表温度与景观类型百分比、丛生指数负相关;对于裸露土壤,地表温度与景观类型百分比、斑块密度、边界密度、景观形状指数正相关(表2)。在景观水平上,地表温度与聚集度正相关,与斑块密度、边界密度、景观形状指数、均匀度指数和多样性指数负相关(表3)。

地表温度与类型水平指数的相关系数　表2

∗∗在0．01水平(双侧)上显著相关。∗在0．05水平(双侧)上显著相关。

地表温度与景观水平指数的相关系数　表3

4　结 论

分析地表温度和景观格局指数的关系对与利用城市规划和土地利用管理来缓解城市热岛效应具有重要意义。城市化造就了复杂的城市景观,许多研究表明不透水面对热岛效应起到了积极作用,而植被覆盖起到消极作用。而地表温度与PD、ED、LSI、CLUMPY、CONTAG之间的相关性则说明,景观分散化、破碎化对减轻热岛效应起到很大帮助。通过对城市土地利用进行合理规划,合理布局城市绿地、建筑、道路的分布,可以起到缓解热岛效应的作用。

[1] 陈爱莲,孙然好,陈利顶．基于景观格局的城市热岛研究进展[J]．生态学报,2012,32(14):4553～4565．

[2] 黄聚聪,赵小锋,唐立娜等．城市化进程中城市热岛景观格局演变的时空特征——以厦门市为例[J]．生态学报, 2012,32(2):622～631．

[3] 马勇刚,塔西甫拉提·特依拜,黄粤等．城市景观格局变化对城市热岛效应的影响——以乌鲁木齐市为例[J]．干旱区研究,2006,23(1):172～176．

[4] 张春玲,余华,宫鹏等．基于遥感的土地利用空间格局分布与地表温度的关系[J]．遥感技术与应用,2008,23 (4):14～20．

[5] 邬建国．景观生态学:格局、过程、尺度与等级(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] 孙艳玲,郭鹏．基于RS和GIS的天津城市景观格局演变分析[J]．安徽农业科技,2011,39(13):7949～7951．

[8] 杨霏,周启刚,张晓媛等．基于ArcGIS和FRAGSTATS的重庆市长寿区景观格局分析[J]．重庆工商大学学报·自然科学版,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,硕士,副研究员级高级工程师,主要从事气象遥感应用研究。