北京市土地覆蓋變化對地表溫度的影響

蔣金豹，蔡慶空，崔希民，陶亮亮，馬彥輝

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083；2.北京師范大學(xué)a.地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室；b.環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點實驗室，北京100875；3.中煤平朔集團有限公司，山西朔州036006）

0 引言

城市化進程的快速發(fā)展促使土地覆蓋類型發(fā)生著巨大的變化，這一變化最明顯的負(fù)面效應(yīng)之一是引起城市地表溫度的升高。作為大氣圈和生物圈物質(zhì)和能量交換的界面，土地覆蓋變化將會影響下墊面性質(zhì)的變化，下墊面性質(zhì)的變化又會影響地表溫度的變化，因此，研究土地覆蓋變化對地面溫度變化的影響，不僅能從根源上分析各土地利用類型地表溫度的特征，而且有助于深入理解土地覆蓋變化對地表溫度變化的影響機制?，F(xiàn)階段國內(nèi)外城市熱環(huán)境遙感研究主要集中在城市熱場空間分異、城市熱島的動態(tài)變化過程、城市地表溫度與其影響因素之間的關(guān)系3個方面［1］。目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于土地覆蓋類型與地表溫度之間的關(guān)系已經(jīng)做了一定的研究，文獻［2－3］就珠江三角洲和廣州市的土地覆被變化對城市熱場的影響進行了時空上的對比分析；文獻［4］采用地表溫度（LST）、蒸散量（ET）等指標(biāo)研究了地表溫度對土地覆蓋變化的響應(yīng)；文獻［5］對鄭州市土地資源動態(tài)變化進行了遙感監(jiān)測與分析，得出城市化進程的高速推進是土地利用發(fā)生變化的最主要原因；文獻［6］利用兩個不同季相TM／ETM＋影像分析福州市及其周邊地區(qū)土地覆蓋及其熱場的時空分布特征；文獻［7］利用城市擴張因子和人工智能算法，建立了廣州市城市擴張動態(tài)變化模型，并分析城市擴張影響下的城市熱島效應(yīng)；文獻［8］利用Landsat TM（專題制圖儀）數(shù)據(jù)從空間上定性分析了土地利用類型和溫度分布的對應(yīng)關(guān)系；文獻［9］分析了上海市土地利用類型及土地空間分布格局與地表溫度之間的關(guān)系；文獻［10］研究了珠江三角洲地區(qū)土地覆蓋變化，特別是城市增長對地表溫度變化的影響。關(guān)于不同土地覆蓋類型的變化對地表溫度變化的影響機制仍缺乏整體性和系統(tǒng)性的研究。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選取北京市1991年和2011年（間隔20年）的兩期同季相數(shù)據(jù)，研究分析了北京市土地覆蓋類型與地表溫度之間的關(guān)系以及土地覆蓋變化對地表溫度變化的影響機制與作用規(guī)律，以期合理利用土地資源，優(yōu)化城市建設(shè)，緩解和控制城市高溫，為建設(shè)美麗城市提供理論和實踐依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)預(yù)處理

北京市地處華北平原西北部，地理坐標(biāo)為39°38′～41°05′N，115°24′～117°30′E，地勢西北高、東南低，屬典型的中緯度大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫在10～12℃，地貌類型主要以山地、丘陵、平原為主，海拔在20～2 303 m，植被屬暖溫帶落葉闊葉林類型并兼有溫性針葉林分布，森林覆蓋率在40%～60%，旱地、林地、建設(shè)用地和草地是其主要的土地利用類型。

為獲取北京市地表溫度和土地覆蓋信息，選取1991年6月18日和2011年6月8日的兩期Landsat-5 TM影像作為數(shù)據(jù)源，兩期影像季相一致，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，衛(wèi)星過境時間為上午10：30左右，經(jīng)輻射定標(biāo)、大氣校正后以2011年的影像為基準(zhǔn)，校正1991年的影像，經(jīng)拼接、裁剪后得到覆蓋研究區(qū)的數(shù)據(jù)，同時收集了衛(wèi)星過境時的常規(guī)氣象資料。

1.2 研究方法

1.2.1 土地覆蓋分類

為了定量研究土地覆蓋變化對地表溫度的影響，首先需要對遙感影像進行土地覆蓋分類［5］，參照中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫的全國土地利用分類體系，將北京市土地利用類型分成6類（建設(shè)用地、水體、旱地、林地、草地和水田），利用已有的ALOS高分辨率影像，結(jié)合影像色調(diào)、紋理等特征，在影像上的均質(zhì)區(qū)域按6∶4的比例選取6種土地利用類型的樣本點與驗證點，基于樣本點構(gòu)建專家知識的決策樹分類方法對兩期影像進行分類，并且對分類圖進行精度評價，得到kappa系數(shù)分別是0.79（1991年）和0.76（2011年），分類的總體精度分別是0.74（1991年）和0.72（2011年），結(jié)合高分辨率影像對分類結(jié)果進行后處理，得到研究區(qū)土地覆蓋分類圖，如圖1所示。

圖1 北京市土地覆蓋分類圖

1.2.2 地表溫度反演

地表溫度的反演采用文獻［11］提出的單窗算法，其中，大氣平均作用溫度用近地表大氣溫度近似估計，近地表大氣溫度通過查詢北京氣象臺當(dāng)天的氣象資料獲取；大氣透射率和地表比輻射率參考文獻［11－14］提出的估算方法進行估算，在上述資料的基礎(chǔ)上可反演出研究區(qū)1991年6月18日和2011年6月8日的地表溫度，如圖2所示。

1.2.3 土地覆蓋變化對地表溫度的影響分析

由于土地利用方式可以通過影響熱輻射以及土壤水分等特征，導(dǎo)致地表溫度分異。為研究土地覆蓋類型變化對地表溫度的影響，分別將1991年和2011年的土地覆蓋分類圖與相應(yīng)的地表溫度疊加，得到各土地利用類型的平均地表溫度，并使用影像差值方法分別對1991年和2011年的土地利用分類圖和地表溫度圖進行變化檢測，將得到的土地覆被變化圖與地表溫度變化圖疊加進行關(guān)聯(lián)分析，探討這些變化之間的相互關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 1991年到2011年間北京市土地覆蓋變化

在得到1991年和2011年兩期土地覆蓋分類圖的基礎(chǔ)上，利用影像差值的方法構(gòu)建1991年到2011年間北京市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，如表1所示，從表1中可以看出：20年間北京市土地利用格局發(fā)生了很大的變化，其中，增幅最大的是建設(shè)用地，達到154.34%，印證了北京市快速城市化的過程，其次是草地，增幅為14.41%；與此同時，林地、水體、旱地和水田面積減少，其中水田減少幅度最大，達到85.82%，其次是林地、旱地和水體，其減少幅度依次為26.02%、25.01%和24.23%，林地減少面積最多，由4 911.14 km2減少到3 633.48 km2，旱地次之，減少面積是1 175.59 km2。

圖2 基于Landsat-5 TM數(shù)據(jù)的1991年和2011年地表溫度圖（單位：℃）

通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，進一步說明建設(shè)用地增加的154.34%中，主要來源于旱地和草地，其所占比例分別為48.26%和12.14%；草地增加的14.41%中，主要來源于林地（25.54%）和旱地（5.44%）的減少。在減少的類型中，減少的林地有1 383.84 km2主要用于草地（25.54%）的恢復(fù)，占林地總面積的28.18%；水體減少的24.23%主要轉(zhuǎn)換成了旱地（36.42%）和草地（12.38%）；旱地和水田的減少主要用于建設(shè)用地的擴展，其所占比例依次是36.20%和54.96%。

表1 北京市1991年到2011年間土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km 2

2.2 不同土地覆蓋類型的地表溫度

表2 各土地覆蓋類型的平均地表溫度 ℃

為了研究土地覆蓋類型對地表溫度的影響，首先統(tǒng)計研究區(qū)各土地覆蓋類型相應(yīng)溫度值的像元數(shù)，并與相應(yīng)像元溫度加權(quán)求和，得到1991年和2011年各土地覆蓋類型的平均地表溫度和標(biāo)準(zhǔn)差，如表2所示。從表2中可以看出：兩期數(shù)據(jù)中建設(shè)用地的地表溫度值最高（1991年32.08℃，2011年33.76℃），水體溫度最低（1991年20.66℃，2011年22.55℃）。與其他土地覆蓋類型相比，林地的地表溫度有相對較大的標(biāo)準(zhǔn)差（1991年3.00，2011年3.39），這說明林地種類的差異性大。反演的地表溫度由高到低的排序依次都是：建設(shè)用地＞旱地＞水田＞草地＞林地＞水體，且2011年各土地利用類型地表溫度都較1991年溫度值高，說明1991年到2011年間北京市各土地利用類型的地表溫度一直在增高。

將兩年的地表溫度影像通過差值方法得到1991年到2011年間地表溫度變化空間分布圖，之后將地表溫度變化圖進行分級處理得到地表溫度變化的分級圖。通過分析處理，1991年到2011年間，研究區(qū)內(nèi)絕大部分地區(qū)的地表溫度是升高的，溫度升高的區(qū)域占研究區(qū)總面積的86.45%，其中微弱升高的區(qū)域占研究區(qū)53.09%，主要集中在北京的西北、東部、西南和東北部地區(qū)，中度升高的區(qū)域占研究區(qū)33.07%，主要集中在北京北部、中部和西南部地區(qū)，極度升高的區(qū)域占研究區(qū)0.29%；溫度降低的區(qū)域占研究區(qū)總面積的13.55%，主要分布在東南和東部地區(qū)，少量分布在西部山區(qū)。

2.3 土地覆蓋變化對地表溫度變化的影響

將土地覆蓋變化圖和地表溫度變化圖進行疊加并進行關(guān)聯(lián)分析，得到土地覆蓋變化下的地表溫度變化，如表3所示。由圖3可以看出：1991年到2011年間，在土地覆蓋類型未發(fā)生變化的區(qū)域，地表溫度都升高，其中溫度升高在3℃以上的有草地、林地和建設(shè)用地，旱地溫度升高1.91℃，水田溫度升高最小，達0.89℃；在土地覆蓋類型發(fā)生變化的區(qū)域，建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為林地、水體和草地，溫度都降低，轉(zhuǎn)化為水體溫度降低最多，其次是林地，說明水體和植被覆蓋情況對城市地表溫度有較好的降溫效果；水體轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、林地、水體、旱地和草地溫度有不同程度的升高，其中轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地溫度升高最多，轉(zhuǎn)化為草地溫度升高最小，造成上述現(xiàn)象的原因主要是由于城市空間的擴展引起下墊面性質(zhì)改變，尤其是城市的空間建設(shè)用地面積的增加，造成植被覆蓋度降低，使得區(qū)域地表溫度的增加，而林地、草地和水體等土地覆蓋類型能夠有效的吸收、散射和反射部分太陽輻射，保持自然下墊面土壤濕度，改變地表能量平衡在潛熱和顯熱的能量分配，同時植被覆蓋也增大了熱慣量，在相同太陽輻射條件下，能有效地阻止地表溫度的上升。

表3 土地覆蓋變化下的地表溫度變化 ℃

3 結(jié)論

本文利用遙感數(shù)據(jù)并結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）空間分析方法，對北京市1991年到2011年土地覆蓋變化對地表溫度變化的影響進行了評估，并得出如下結(jié)論：

（1）不同土地覆蓋類型地表溫度具有差異性，表現(xiàn)出建設(shè)用地溫度高，水體溫度低，各覆蓋類型地表溫度由高到低依次是：建設(shè)用地＞旱地＞水田＞草地＞林地＞水體，溫度升高的區(qū)域占研究區(qū)總面積的86.45%，其中微弱升高的區(qū)域占53.09%，中度升高的區(qū)域占33.07%，且2011年地表溫度較1991年溫度值高。

（2）土地覆蓋類型的變化改變了地表溫度的空間分布特征，在土地覆蓋類型未發(fā)生變化的區(qū)域，地表溫度都升高，其中溫度升高在3℃以上的有草地、林地和建設(shè)用地；在土地覆蓋類型發(fā)生變化的區(qū)域，轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地部分按溫度升高由高到低依次是：水體＞水田＞草地＞林地＞旱地，轉(zhuǎn)化為水體部分按溫度降低由高到低依次是：建設(shè)用地＞旱地＞草地＞水田＞林地，造成上述現(xiàn)象的原因主要是由于研究區(qū)土地覆蓋類型的變化引起城市下墊面性質(zhì)的改變，而下墊面性質(zhì)的改變最終又引起地表溫度的變化，因此，土地覆蓋類型的變化是影響城市地表溫度變化的重要原因。

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