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武汉绿格网特征及其影响因素分析

   
  摘要:正确理解城市绿格网的形成机制及其影响因素是制定绿格网缓解政策和研究城市生态问题的前提和基础。选 用1987年9月26口的landsat-5和2013年9月17口的landsat-8遥感影像进行地表温度反演,分析武汉市城市热岛效l}}i_的时空演 变特征;对绿格网明显的武汉市主城区进行格网划分,提取格网内地表温度及所选影响因子指标值,运用主成分回归方 法进行地表温度多因子综合分析,探讨城市热岛形成的主要影响因素。结果表明:(1)武汉市地表温度空间分布表现出典型 的热岛特征,1987年和2013年分别有27.7%和39.1%的范围被“热岛”覆盖;(2)影响武汉城市绿格网的主要因素有不透水面 指数、水体面积比例、归一化建筑指数、归一化植被指数及绿地面积比例;(3)当其他影响因素稳定时,不透水面指数每增 加1%}可使地表温度增温0.04 000.10 0c:水体而积每增加1%}可降低地表温度。
武汉绿格网特征及其影响因素分析
  武汉绿格网特征及其影响因素分析
 
  近年来,城市绿格网(urban heat island, uhi)的影响范围不断扩大,已成为全球性的生态 环境问题。绿格网不仅能引起全球性区域气候 和城市大气环境格局的变化[c1, o,更会加大城市能 源消耗[}3, 4},加剧城市大气污染[[5, g],引起城市自然 灾害[7],严重危害城市居民健康[}8, 9}。城市热岛效 应的形成机制及其影响因素是研究城市绿格网 缓解对策的前提,也是当前城市生态研究的基 础,对研究城市生态系统健康可持续发展有着重 要意义。
 
  城市绿格网是天气气象条件和人为干扰共 同作用下城市局地气候发生变化的一个典型现 象,对于一个城市而言,气象条件相对固定,城 市人为热排放、下垫面性质改变、城市空间布局 等成为城市绿格网的主要影响因素[‘。]。城市化 和工业化增加了机动车尾气、空调及工业生产能 源消耗产生的废热排放量[“一‘4],使得城市气温不断 攀升。城市范围的不断扩张改变了原有的土地覆 盖特征和下垫面类型,也改变了城市地表的热力 学性质[[15, 1g],城市沥青、水泥、混凝土等硬化地表 增加了城市的不透水面范围和强度。前人研究多 基于遥感数据选用不透水面指数、归一化建筑指 数等相关指标,分析其与地表温度的数量关系[o7-}g} 结果表明城市建设用地扩张和硬化地表增加对城 市地表温度升高和城市热岛形成有着正向促进作 用;或采用水体面积、修正的归一化水体指数、 归一化植被指数、植被盖度、植被覆盖率等指数 表征城市自然地表覆盖特征,研究其与地表温度 的关系[[27-34],结果表明城市大型江河、湖泊等水 体、城市森林及大型公园等自然地表类型与地表 温度呈现负相关,对于缓解城市绿格网有着一 定的效果。而城市内部不同用地类型和地表覆盖 特征的组成与分布[[35, 36]也能影响城市地表温度的分 布及城市热岛的范围。
 
  城市气温和地表温度受到多种因素的综合影 响,多种因子相互作用、相互影响,最终导致城 市热岛现象的产生,因此城市热岛的形成是一个 长期而复杂的过程。前人的研究选择不同指标、 从不同角度分析了城市热岛的影响因素,为城市 绿格网的缓解研究提供了很好的基础,但是目 前的研究多以单因子居多[[37-40],并不能很好地体现 城市土地覆盖和地表特征的复杂性和异质性,缺乏多因素的综合机制分析。本文利用武汉市遥感 影像反演地表温度并分析武汉市城市绿格网空 间分布特征,在前人研究的基础上选取城市热岛 的多个影响因子,将武汉城市热岛中心一主城区进 行格网划分,利用erdas软件提取和统计格网内 地表温度及其影响因子值,进行城市绿格网的 多因子综合分析,找出武汉市城市地表温度变化 的主要影响因素,探讨城市绿格网的形成机 制。 1材料与方法
 
  前人的研究表明,由于城市化及其他人为因 素的影响,城市景观破碎、异质性较高,导致城 市热岛的分布及其形成机制更为复杂。为保证研 究更好地体现复杂的城市空间特征,本文在对武 汉市市域范围热岛空间分析的基础上,进一步将 武汉主城区范围按照1 000 mx 1 000 m的格网进行 划分,并剔除主城区边界及其他不合理的格网, 最终获得有效格网793个。并在前人研究的基础 上,结合武汉主城区用地特点,在erdas中分别 统计出每个格网内的地表温度(lst)、归一化植被 指数((ndvl)、归一化建筑指数(ndbl)、不透水面 指数(isa)的平均值以及绿地比例(pergreen)、水体 比例(perwater)、建设用地比例(perbuilt),分析各影 响因子与地表温度的数量关系,并对所有影响因 子进行主成分回归分析,明确地表温度的主要影 响因素及城市热岛的形成机制。
 
  1.1数据来源及预处理
 
  为反映武汉市城市发展动态及热岛分布特 点,分别选取覆盖武汉市行政范围的1987年9月 26日(下文简称1987年)的landsat-5影像和2013年 9月17日(下文简称2013年)landsat-8影像,在软件 erdas imagine 9.2中分别对影像各波段进行辐射定 标,并对热红外波段进行大气校正。并以武汉市 19872013年间相关统计年鉴为基础,搜集武汉市 主城区(本研究重点研究范围,即武汉市三环线以 内包括局部外延的沌口、庙山和武钢地区)的经济 发展、城市建设、绿地系统布局等方面的图件及 统计数据,作为图像解译和结果分析的参考与依 据。 1.2城市热岛等级划分
 
  本文分别采用单窗算法[}a}, 4i]和劈窗算法[[42, 43]在erdas imagine9.2中对武汉市1987年9月26日 landsat-5影像和2013年9月17日landsat-8影像进行 地表温度反演。
 
  因本文所选两期遥感影像为不同时相数据, 为消除太阳辐射、风速及云量等因素影响,利于 不同时相的热岛空间分布及演变分析,运用研究 区平均温度及标准差对对反演的武汉市地表温度 进行密度分割,得到武汉市相对热岛空间分布: t - to士x、sd }1> 式中:t为地表温度划分i=}7值;to为研究区地 表温度平均值;s1〕为地表温度标准差。根据武汉 市地表温度分布实际情况,本文将、取值定为0.5和 1.5,将地表温度划分为5个等级
 
  1.3土地利用类型划分
 
  根据武汉市地表性质及土地覆盖特征,在 erdas中采用监督分类和非监督分类综合方法对 tm影像进行土地类型划分,并对不确定的区域及 类型进行现场实地调查,不断修正,将其划分为 耕地、林地、草地、建设用地、水体和未利用地 等6种用地类型。在erdas中对最终形成的土地利 用类型进行随机采样,对用地类型划分精度进行 评价,结果表明,1987年和2013年的总的分类精 度和kappa系数分别是87.54%, 0.83和83.25%, 0.81,分类结果理想,能满足本研究的数据分析要 求。
 
  2结果与分析
 
  2.1 19872013年武汉市热岛时空演变 1987年和2013年遥感反演的地表最高温均出 现在工业建筑密集的武汉市青山区武汉钢铁(集 团)公司炼钢区,最低温均出现在黄破郊区的大型 水库。将反演的武汉市地表温度划分为低温、次 低温、中温、次高温和高温五个温度等级,其中 高温和次高温覆盖范围被定义为城市“热岛”。图 1是武汉市1987年9月26日和2013年9月17日地表温 度等级分布图,能较好的体现武汉市地表热场的 空间特征。两个时期的城市热岛呈现出相似的空 间格局,即代表城市热岛的高温和次高温区主要 集中分布在建筑密度大、人口密集的城镇建成区和主要交通干道沿线;中温覆盖范围主要分布在 城市公园、绿地及郊区农用地等自然地表覆盖区 域;而长江、汉江、东湖、汤逊湖等大型水体和 黄破木兰生态风景区等大型山体则基本被低温和 次低温所覆盖,表现出明显的“冷岛”效应。但是对 比图1(a)和图1(b)发现,19872013年代表高温和次 高温的红色和橘色覆盖区域沿着原城市建成区不 断扩展,城市热岛范围的扩张方向与武汉市城市 发展方向基本一致。
 
  为更好的理解城市“热岛”的时空演变,对不同 温度等级的覆盖面积进行了统计(见表2) 0 1987年 次低温区覆盖面积最大,为2 661.2 km'(占比 31.0%),其次为中温区(2 559.2 km')、次高温区 (1528.0 km勺、低温区((988.2 km')和高温区(845.5 km勺; 2013年覆盖面积最广的是中温区,为3 407.0 km- (占比39.7%),其次为次高温区(2 443.8 km')、次低 温区(1 084.3 km')、高温区(905.7 km')和低温区 (741.4 km') 0 19872013年低温区和次低温区覆盖 范围由3 649.4 km'减少到1 825.7 km',减少了 84.3%;而次高温区和高温区覆盖范围由2 3 73.5 km- 增加到3 349.5 km',城市热岛范围增加了67.0%
武汉绿格网特征及其影响因素分析
  3结论与讨论
 
  (1)目前,在定量研究地表温度、城市热岛的 影响因素及形成机制时,多是以单个城市或者研 究区域为例,以30 mx30 m像元为基本统计单元, 忽略了城市地表覆盖复杂、异质性程度高的基本 特征,不能突显样本的代表性和典型性。本文采 用1 000 mx 1 000 m格网分析法将武汉市主城区划 分为793个网格,能最大程度保留每个格网的城市 地表空间特征;地表温度与各影响因子的数量关 系建立在近800个样本空间上,能更全面、客观、 真实的反映对象之间的数量关系。
 
  (2)在武汉主城区,两期(1987年和2013年)地表 温度与硬化地表相关的影响因子如不透水面指数 (0.907和0.923)归一化建筑指数(0.848和0.875)及建 设用地面积比例(0.797和0.812)相关性明显强于地 表温度与自然地表相关的影响因子如归一化植被 指数(0.369和0.458)和绿地面积比例(0.063和 0.113)的相关性,更能解释地表温度的分布和变 化,这与前人的研究基本一致。
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