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    武漢綠格網特征及其影響因素分析

       
      摘要:正確理解城市綠格網的形成機制及其影響因素是制定綠格網緩解政策和研究城市生態問題的前提和基礎。選 用1987年9月26口的landsat-5和2013年9月17口的landsat-8遙感影像進行地表溫度反演,分析武漢市城市熱島效l}}i_的時空演 變特征;對綠格網明顯的武漢市主城區進行格網劃分,提取格網內地表溫度及所選影響因子指標值,運用主成分回歸方 法進行地表溫度多因子綜合分析,探討城市熱島形成的主要影響因素。結果表明:(1)武漢市地表溫度空間分布表現出典型 的熱島特征,1987年和2013年分別有27.7%和39.1%的范圍被“熱島”覆蓋;(2)影響武漢城市綠格網的主要因素有不透水面 指數、水體面積比例、歸一化建筑指數、歸一化植被指數及綠地面積比例;(3)當其他影響因素穩定時,不透水面指數每增 加1%}可使地表溫度增溫0.04 000.10 0c:水體而積每增加1%}可降低地表溫度。
    武漢綠格網特征及其影響因素分析
      武漢綠格網特征及其影響因素分析
     
      近年來,城市綠格網(urban heat island, uhi)的影響范圍不斷擴大,已成為全球性的生態 環境問題。綠格網不僅能引起全球性區域氣候 和城市大氣環境格局的變化[c1, o,更會加大城市能 源消耗[}3, 4},加劇城市大氣污染[[5, g],引起城市自然 災害[7],嚴重危害城市居民健康[}8, 9}。城市熱島效 應的形成機制及其影響因素是研究城市綠格網 緩解對策的前提,也是當前城市生態研究的基 礎,對研究城市生態系統健康可持續發展有著重 要意義。
     
      城市綠格網是天氣氣象條件和人為干擾共 同作用下城市局地氣候發生變化的一個典型現 象,對于一個城市而言,氣象條件相對固定,城 市人為熱排放、下墊面性質改變、城市空間布局 等成為城市綠格網的主要影響因素[‘。]。城市化 和工業化增加了機動車尾氣、空調及工業生產能 源消耗產生的廢熱排放量[“一‘4],使得城市氣溫不斷 攀升。城市范圍的不斷擴張改變了原有的土地覆 蓋特征和下墊面類型,也改變了城市地表的熱力 學性質[[15, 1g],城市瀝青、水泥、混凝土等硬化地表 增加了城市的不透水面范圍和強度。前人研究多 基于遙感數據選用不透水面指數、歸一化建筑指 數等相關指標,分析其與地表溫度的數量關系[o7-}g} 結果表明城市建設用地擴張和硬化地表增加對城 市地表溫度升高和城市熱島形成有著正向促進作 用;或采用水體面積、修正的歸一化水體指數、 歸一化植被指數、植被蓋度、植被覆蓋率等指數 表征城市自然地表覆蓋特征,研究其與地表溫度 的關系[[27-34],結果表明城市大型江河、湖泊等水 體、城市森林及大型公園等自然地表類型與地表 溫度呈現負相關,對于緩解城市綠格網有著一 定的效果。而城市內部不同用地類型和地表覆蓋 特征的組成與分布[[35, 36]也能影響城市地表溫度的分 布及城市熱島的范圍。
     
      城市氣溫和地表溫度受到多種因素的綜合影 響,多種因子相互作用、相互影響,最終導致城 市熱島現象的產生,因此城市熱島的形成是一個 長期而復雜的過程。前人的研究選擇不同指標、 從不同角度分析了城市熱島的影響因素,為城市 綠格網的緩解研究提供了很好的基礎,但是目 前的研究多以單因子居多[[37-40],并不能很好地體現 城市土地覆蓋和地表特征的復雜性和異質性,缺乏多因素的綜合機制分析。本文利用武漢市遙感 影像反演地表溫度并分析武漢市城市綠格網空 間分布特征,在前人研究的基礎上選取城市熱島 的多個影響因子,將武漢城市熱島中心一主城區進 行格網劃分,利用erdas軟件提取和統計格網內 地表溫度及其影響因子值,進行城市綠格網的 多因子綜合分析,找出武漢市城市地表溫度變化 的主要影響因素,探討城市綠格網的形成機 制。 1材料與方法
     
      前人的研究表明,由于城市化及其他人為因 素的影響,城市景觀破碎、異質性較高,導致城 市熱島的分布及其形成機制更為復雜。為保證研 究更好地體現復雜的城市空間特征,本文在對武 漢市市域范圍熱島空間分析的基礎上,進一步將 武漢主城區范圍按照1 000 mx 1 000 m的格網進行 劃分,并剔除主城區邊界及其他不合理的格網, 最終獲得有效格網793個。并在前人研究的基礎 上,結合武漢主城區用地特點,在erdas中分別 統計出每個格網內的地表溫度(lst)、歸一化植被 指數((ndvl)、歸一化建筑指數(ndbl)、不透水面 指數(isa)的平均值以及綠地比例(pergreen)、水體 比例(perwater)、建設用地比例(perbuilt),分析各影 響因子與地表溫度的數量關系,并對所有影響因 子進行主成分回歸分析,明確地表溫度的主要影 響因素及城市熱島的形成機制。
     
      1.1數據來源及預處理
     
      為反映武漢市城市發展動態及熱島分布特 點,分別選取覆蓋武漢市行政范圍的1987年9月 26日(下文簡稱1987年)的landsat-5影像和2013年 9月17日(下文簡稱2013年)landsat-8影像,在軟件 erdas imagine 9.2中分別對影像各波段進行輻射定 標,并對熱紅外波段進行大氣校正。并以武漢市 19872013年間相關統計年鑒為基礎,搜集武漢市 主城區(本研究重點研究范圍,即武漢市三環線以 內包括局部外延的沌口、廟山和武鋼地區)的經濟 發展、城市建設、綠地系統布局等方面的圖件及 統計數據,作為圖像解譯和結果分析的參考與依 據。 1.2城市熱島等級劃分
     
      本文分別采用單窗算法[}a}, 4i]和劈窗算法[[42, 43]在erdas imagine9.2中對武漢市1987年9月26日 landsat-5影像和2013年9月17日landsat-8影像進行 地表溫度反演。
     
      因本文所選兩期遙感影像為不同時相數據, 為消除太陽輻射、風速及云量等因素影響,利于 不同時相的熱島空間分布及演變分析,運用研究 區平均溫度及標準差對對反演的武漢市地表溫度 進行密度分割,得到武漢市相對熱島空間分布: t - to士x、sd }1> 式中:t為地表溫度劃分i=}7值;to為研究區地 表溫度平均值;s1〕為地表溫度標準差。根據武漢 市地表溫度分布實際情況,本文將、取值定為0.5和 1.5,將地表溫度劃分為5個等級
     
      1.3土地利用類型劃分
     
      根據武漢市地表性質及土地覆蓋特征,在 erdas中采用監督分類和非監督分類綜合方法對 tm影像進行土地類型劃分,并對不確定的區域及 類型進行現場實地調查,不斷修正,將其劃分為 耕地、林地、草地、建設用地、水體和未利用地 等6種用地類型。在erdas中對最終形成的土地利 用類型進行隨機采樣,對用地類型劃分精度進行 評價,結果表明,1987年和2013年的總的分類精 度和kappa系數分別是87.54%, 0.83和83.25%, 0.81,分類結果理想,能滿足本研究的數據分析要 求。
     
      2結果與分析
     
      2.1 19872013年武漢市熱島時空演變 1987年和2013年遙感反演的地表最高溫均出 現在工業建筑密集的武漢市青山區武漢鋼鐵(集 團)公司煉鋼區,最低溫均出現在黃破郊區的大型 水庫。將反演的武漢市地表溫度劃分為低溫、次 低溫、中溫、次高溫和高溫五個溫度等級,其中 高溫和次高溫覆蓋范圍被定義為城市“熱島”。圖 1是武漢市1987年9月26日和2013年9月17日地表溫 度等級分布圖,能較好的體現武漢市地表熱場的 空間特征。兩個時期的城市熱島呈現出相似的空 間格局,即代表城市熱島的高溫和次高溫區主要 集中分布在建筑密度大、人口密集的城鎮建成區和主要交通干道沿線;中溫覆蓋范圍主要分布在 城市公園、綠地及郊區農用地等自然地表覆蓋區 域;而長江、漢江、東湖、湯遜湖等大型水體和 黃破木蘭生態風景區等大型山體則基本被低溫和 次低溫所覆蓋,表現出明顯的“冷島”效應。但是對 比圖1(a)和圖1(b)發現,19872013年代表高溫和次 高溫的紅色和橘色覆蓋區域沿著原城市建成區不 斷擴展,城市熱島范圍的擴張方向與武漢市城市 發展方向基本一致。
     
      為更好的理解城市“熱島”的時空演變,對不同 溫度等級的覆蓋面積進行了統計(見表2) 0 1987年 次低溫區覆蓋面積最大,為2 661.2 km'(占比 31.0%),其次為中溫區(2 559.2 km')、次高溫區 (1528.0 km勺、低溫區((988.2 km')和高溫區(845.5 km勺; 2013年覆蓋面積最廣的是中溫區,為3 407.0 km- (占比39.7%),其次為次高溫區(2 443.8 km')、次低 溫區(1 084.3 km')、高溫區(905.7 km')和低溫區 (741.4 km') 0 19872013年低溫區和次低溫區覆蓋 范圍由3 649.4 km'減少到1 825.7 km',減少了 84.3%;而次高溫區和高溫區覆蓋范圍由2 3 73.5 km- 增加到3 349.5 km',城市熱島范圍增加了67.0%
    武漢綠格網特征及其影響因素分析
      3結論與討論
     
      (1)目前,在定量研究地表溫度、城市熱島的 影響因素及形成機制時,多是以單個城市或者研 究區域為例,以30 mx30 m像元為基本統計單元, 忽略了城市地表覆蓋復雜、異質性程度高的基本 特征,不能突顯樣本的代表性和典型性。本文采 用1 000 mx 1 000 m格網分析法將武漢市主城區劃 分為793個網格,能最大程度保留每個格網的城市 地表空間特征;地表溫度與各影響因子的數量關 系建立在近800個樣本空間上,能更全面、客觀、 真實的反映對象之間的數量關系。
     
      (2)在武漢主城區,兩期(1987年和2013年)地表 溫度與硬化地表相關的影響因子如不透水面指數 (0.907和0.923)歸一化建筑指數(0.848和0.875)及建 設用地面積比例(0.797和0.812)相關性明顯強于地 表溫度與自然地表相關的影響因子如歸一化植被 指數(0.369和0.458)和綠地面積比例(0.063和 0.113)的相關性,更能解釋地表溫度的分布和變 化,這與前人的研究基本一致。
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