長(zhǎng)沙市熱力景觀空間格局演變分析

徐 雙, 李飛雪, 張盧奔, 周 磊

江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023

長(zhǎng)沙市熱力景觀空間格局演變分析

徐 雙, 李飛雪*, 張盧奔, 周 磊

江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023

城市熱環(huán)境是城市生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究的熱點(diǎn)之一，其演變規(guī)律的研究為緩解城市熱島帶來的負(fù)效應(yīng)、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。以2004年和2010年Landsat7 ETM+遙感影像數(shù)據(jù)和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，在地表亮度溫度反演的基礎(chǔ)上，運(yùn)用景觀指數(shù)并結(jié)合GIS空間分析技術(shù)，采用移動(dòng)窗口和梯度分析結(jié)合的方法，分析2004—2010年長(zhǎng)沙市中心城區(qū)熱環(huán)境的空間格局動(dòng)態(tài)變化，通過分區(qū)統(tǒng)計(jì)法分析了不同熱力景觀等級(jí)下不同城市景觀的空間格局變化，從景觀尺度上闡明城市景觀類型組成和空間格局與地表溫度空間分異之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：2010年熱島區(qū)域擴(kuò)大且更加分散，面積比2004年增加15.01km2，新增區(qū)域主要分布在金霞、岳麓和星沙的新興工業(yè)園區(qū)；中心城區(qū)熱力景觀格局在景觀水平上具有明顯的空間分異特征，在從中心位置到偏北、偏東和偏南方向上，熱力景觀從市區(qū)向周邊郊區(qū)呈現(xiàn)破碎化、多樣性遞增、形狀復(fù)雜化，而從中心位置到偏西方向上與之相反；景觀類型組成和空間布局對(duì)地表熱環(huán)境產(chǎn)生不同影響，耕地、林地在熱力景觀內(nèi)的優(yōu)勢(shì)度越大、分布越集中，地表降溫效果越顯著；反之，建設(shè)用地斑塊越大、凝聚程度越高、形狀越規(guī)整，地表溫度越高，熱島效應(yīng)顯著。

熱力景觀；景觀格局；移動(dòng)窗口；長(zhǎng)沙市中心城區(qū)

“熱島效應(yīng)”是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象，它受城市景觀類型(下墊面)及其格局的影響[1]。在高速城市化進(jìn)程的背景下，地表覆蓋的變化導(dǎo)致城市溫度特別是近地表溫度不斷上升，城市“熱島效應(yīng)”愈加強(qiáng)烈，城市熱環(huán)境成為主導(dǎo)整個(gè)城市環(huán)境的要素之一。城市熱環(huán)境問題一直倍受關(guān)注，已成為生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題[1- 5]。熱力景觀是分析城市熱島空間格局的一種新方法，許多學(xué)者從景觀格局的角度對(duì)城市熱環(huán)境進(jìn)行分析：陳云浩[6]等借鑒景觀生態(tài)學(xué)的研究方法，提出“熱力景觀”的概念，分析了熱力景觀的動(dòng)態(tài)變化和熱力景觀類型的組分轉(zhuǎn)移過程；江學(xué)頂[7]利用MM5模擬城市熱島，并借助景觀生態(tài)學(xué)方法，對(duì)城市熱島數(shù)值模擬與遙感反演結(jié)果的空間格局特征進(jìn)行了研究，分析了熱力景觀空間格局的日變化特征；貢璐[8]等以烏魯木齊市為典型研究區(qū)，基于1987—2005年間景觀變化開展城市熱島效應(yīng)時(shí)空變化分析，在地表溫度反演和景觀分類的基礎(chǔ)上，通過劃分溫度景觀類型，計(jì)算景觀指數(shù)，構(gòu)建溫度景觀評(píng)價(jià)體系；孟丹[3]等利用ASTER數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演，計(jì)算不同粒度下的景觀格局指數(shù)，分析北京熱力景觀格局及其尺度效應(yīng)；黃聚聰[9]等以廈門市為研究對(duì)象，利用1987—2007年等時(shí)間間隔、同時(shí)相的5景Landsat TM/ETM+遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演，在此基礎(chǔ)上使用景觀格局指數(shù)分析廈門城市熱島景觀格局隨城市化進(jìn)程演變的趨勢(shì)。上述研究主要集中于利用景觀格局指數(shù)表征和描述城市熱環(huán)境特征和變化方面，對(duì)地表溫度與城市景觀格局之間的關(guān)系，特別是景觀類型的空間格局與組成特征對(duì)地表溫度的影響，研究還比較少[10- 11]。

近年來，長(zhǎng)沙市作為“中部崛起”的戰(zhàn)略支撐點(diǎn)和“泛珠三角”區(qū)域的新興增長(zhǎng)極，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展突飛猛進(jìn)，城市化進(jìn)程快速推進(jìn)，城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾進(jìn)一步加劇，土地利用與景觀格局的變化導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題已成為長(zhǎng)沙市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的障礙。本文將長(zhǎng)沙作為熱力景觀變化研究的典型區(qū)域，基于兩期不同年份相同月份的Landsat ETM+數(shù)據(jù)反演地表亮度溫度，借助GIS和RS技術(shù)，應(yīng)用移動(dòng)窗口和梯度分析方法分析熱力景觀空間格局的動(dòng)態(tài)變化，詳細(xì)分析從城市中心到邊緣16個(gè)方向熱力景觀的演變，通過分區(qū)統(tǒng)計(jì)法分析了不同熱力景觀等級(jí)下不同城市景觀的空間格局變化，從景觀尺度上闡明城市景觀類型空間格局和組成與地表溫度空間分異之間的關(guān)系，旨在為城市規(guī)劃、城市生態(tài)環(huán)境改善提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)沙市位于湖南省東部，東經(jīng)111°53′—114°15′，北緯27°51′—28°41′之間，土地總面積為11819.46km2。2010年全市常住人口704.41萬人，城鎮(zhèn)人口達(dá)到476.89萬人。城市化發(fā)展迅速，建設(shè)用地由2004年的407.22km2增加到2010年的449.02km2，擴(kuò)大了42.20km2，土地利用發(fā)生巨大變化。本文主要研究長(zhǎng)沙市中心城區(qū)，總面積1146.45km2，其中主要包括耕地、林地、建設(shè)用地、水體等多種景觀類型。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)是2004年9月16日和2010年9月17日成像的Landsat7 ETM+影像(UTM/WGS84)，衛(wèi)星軌道行列號(hào)為123/40和123/41，衛(wèi)星過境時(shí)間在02點(diǎn)45分左右。研究區(qū)內(nèi)影像清晰，云層影響小，成像條件良好。由于ETM+傳感器本身因素的影響，遙感圖像存在著條帶噪音，采用多影像局部自適應(yīng)回歸分析模型方法進(jìn)行去除，并進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理。利用研究區(qū)地形圖對(duì)ETM+圖像進(jìn)行幾何校正，配準(zhǔn)誤差在1個(gè)像元以內(nèi)。

以2004年和2010年長(zhǎng)沙市中心城區(qū)1∶10000的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)作為景觀分類的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。參考研究區(qū)特點(diǎn)，將研究區(qū)下墊面分為耕地、草地、林地、城市綠地、建設(shè)用地和水域6種類型(圖1)。各景觀類型的面積百分比如表1。

圖1 2004年、2010年景觀類型分布圖

表1 景觀類型面積百分比

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)是對(duì)景觀格局的定量描述。本文在參照相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合本研究區(qū)域的特點(diǎn)及空間尺度，選取了既對(duì)景觀結(jié)構(gòu)變化敏感又能較全面反映景觀格局特征的指數(shù)，用于定量描述研究區(qū)在城市化進(jìn)程中的熱力景觀格局變化。景觀指數(shù)表達(dá)式及意義[12- 13]如表2所示。

表2 景觀格局指數(shù)

式中,i=1，2，···，n，為景觀類型序列號(hào)；j=1，2，···，m，為斑塊序列號(hào)；ni是指景觀類型為i的斑塊總數(shù)；A為景觀總面積；aij為某景觀類型中的最大斑塊面積；Pik是指景觀類型為i的第k個(gè)斑塊的周長(zhǎng)；Aik是指景觀類型為i的第k個(gè)斑塊的面積；gii為斑塊類型i的同類相鄰的象元數(shù)；gii max為斑塊類型i的同類相鄰的最大鄰接數(shù)；Pi為某類型i的面積占總面積的比例

2.2.2 溫度反演

使用ETM+熱紅外波段反演地表亮度溫度，對(duì)于有2個(gè)熱波段的ETM+，采取高增益參數(shù)62波段，該波段比較適合常規(guī)條件下的地表溫度反演[14- 15]。為便于城市景觀和地表亮度溫度的疊加分析，使地表亮度溫度能在更加細(xì)微的尺度上反映研究區(qū)熱島格局特征，對(duì)ETM+ 6波段重采樣至30 m分辨率后進(jìn)行溫度反演[16]。先用公式(1)將DN值轉(zhuǎn)化為輻射亮度，然后利用公式(2)將輻射亮度轉(zhuǎn)化為亮度溫度[9,17- 18]，得到2004和2010年地表亮度溫度分布圖(圖2)。

Lλ=Gainλ×DNλ-Biasλ

(1)

(2)

式中,Lλ是輻射亮度，Gainλ是轉(zhuǎn)換函數(shù)的斜率，Biasλ是截距，可在ETM+影像自帶的元數(shù)據(jù)中獲得(Gainλ=0.0372047，Biasλ=3.162795)。T是亮度溫度(K)，K1和K2是定標(biāo)常數(shù)，對(duì)于ETM+分別取值為666.09和1282.71。

圖2 2004年、2010年地表亮度溫度分布圖

2.2.3 熱力景觀等級(jí)劃分

考慮到兩期遙感圖像成像時(shí)刻的差異，無法直接對(duì)兩個(gè)圖像反演得到的地表亮度溫度直接進(jìn)行對(duì)比，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)亮度溫度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[19- 20]，標(biāo)準(zhǔn)化處理公式為：

Ni=(Ti-Tmin)/(Tmax-Tmin)

(3)

式中，Ni表示第i個(gè)像元標(biāo)準(zhǔn)化后的值；Ti表示第i個(gè)像元的絕對(duì)亮度溫度值；Tmin表示地面絕對(duì)亮度溫度的最小值；Tmax表示地面絕對(duì)亮度溫度的最大值。

通過以上標(biāo)準(zhǔn)化處理后，利用表現(xiàn)城市熱島效應(yīng)分布特征能力較強(qiáng)的均值標(biāo)準(zhǔn)差法[21- 22]來劃分等級(jí)(表3)，比較2004年和2010年的亮度溫度等級(jí)在空間分布上的不同，從而研究長(zhǎng)沙中心城區(qū)熱力景觀在這7a中的空間格局變化。熱力景觀共劃分為5級(jí)，分別為低溫區(qū)、次中溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)和高溫區(qū)(圖3)。熱島效應(yīng)在城市建成區(qū)是普遍存在的，但真正構(gòu)成環(huán)境問題的是具有較高強(qiáng)度和一定規(guī)模的高等級(jí)熱力景觀斑塊，即高溫區(qū)和次溫區(qū)對(duì)熱島效應(yīng)起主導(dǎo)作用[23]。

表3 熱力景觀等級(jí)劃分閾值表

圖3 2004年、2010年熱力景觀等級(jí)分布圖

2.2.4 移動(dòng)窗口與梯度分析

從研究區(qū)中心到邊緣每隔300 m進(jìn)行空間取樣，在16個(gè)方向上選取了988個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行梯度分析(圖4)，本文所選的中心是城區(qū)中心位置，也是地理位置上的中心。移動(dòng)窗口可以從空間上較明確地展現(xiàn)城市熱力景觀格局動(dòng)態(tài)變化的空間實(shí)現(xiàn)過程，能夠更加深入分析城市熱環(huán)境變化狀況以及由此而引起的熱力格局演變[24- 26]。移動(dòng)窗口與梯度分析結(jié)合能更好利于城市空間格局動(dòng)態(tài)變化的研究，同時(shí)較好地表示熱力景觀格局變化與城市化程度之間的關(guān)系[27]。

圖4 樣點(diǎn)分布圖(底圖為2010年景觀類型圖)

圖5 不同移動(dòng)窗口下的聚集度指數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 熱島區(qū)域空間演變分析

近年來長(zhǎng)沙城市化進(jìn)程非常迅速，大量的耕地等自然地表被房屋、道路等人工建筑取代，建成區(qū)面積大幅度增加，下墊面性質(zhì)發(fā)生了顯著改變。這種變化改變了地表熱特征，許多區(qū)域熱島效應(yīng)發(fā)生明顯變化(對(duì)熱島效應(yīng)起主導(dǎo)作用是高溫區(qū)和次高溫區(qū))。從2004—2010年長(zhǎng)沙中心城區(qū)熱島區(qū)域分布變化(圖6)可以看出，熱島區(qū)域擴(kuò)大并且更加分散，熱島區(qū)域面積約由2004年的301.61km2增大至2010年的316.62km2，熱島區(qū)域面積增加了15.01km2。熱島區(qū)域隨著公路交通網(wǎng)成線狀擴(kuò)展，在新建開發(fā)區(qū)呈面狀擴(kuò)展且熱中心均位于工業(yè)區(qū)以及密集的居民點(diǎn)。新增的熱島區(qū)域主要集中于開福區(qū)的金霞經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、岳麓區(qū)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)以及星沙的經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，這在一定程度上表明新興工業(yè)園區(qū)對(duì)熱力分布的貢獻(xiàn)較大。

圖6 熱島區(qū)域分布變化

2004年和2010年建設(shè)用地在高溫區(qū)的比例達(dá)到70.12%和72.66%，占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)地位。這顯示了城鎮(zhèn)建設(shè)對(duì)城市熱量的巨大貢獻(xiàn)，也充分反映了城市熱量分布對(duì)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的響應(yīng)。這一變化趨勢(shì)與7a來長(zhǎng)沙城市擴(kuò)展中地表景觀的變化相對(duì)應(yīng)，城市化過程中建筑景觀數(shù)量的增加，建設(shè)密度的加大，水體、綠地面積的縮小，使得城市熱島效應(yīng)作用范圍擴(kuò)大，總體作用強(qiáng)度提高。

3.2 基于移動(dòng)窗口的熱力景觀格局梯度分析

通過移動(dòng)窗口在景觀水平上對(duì)熱力景觀進(jìn)行了16個(gè)方向上的梯度分析，得到熱力景觀的斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)和面積周長(zhǎng)分維度指數(shù)的梯度變化情況，如圖7所示。從時(shí)間上來看，2004—2010年中心城區(qū)熱力景觀斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)和面積周長(zhǎng)分維度狀指數(shù)均增大，研究區(qū)內(nèi)各個(gè)方向上熱力景觀破碎程度呈遞增的趨勢(shì)，熱力景觀類型趨于多元化、結(jié)構(gòu)也趨于復(fù)雜化。2004年以后長(zhǎng)沙中心城區(qū)景觀類型破碎化，地表熱力性質(zhì)復(fù)雜化，加大了對(duì)熱力景觀格局的破壞作用，使熱力景觀的異質(zhì)性增加。

3.2.1 景觀指數(shù)變化趨勢(shì)梯度分析

長(zhǎng)沙市中心城區(qū)熱力景觀格局在空間上有明顯的梯度變化。由16個(gè)方向上景觀指數(shù)的梯度變化可以看出，在從中心位置到偏北(北西北、北、北東北)、偏東(東北、東、東東南)和偏南(東南、南東南、南、南西南)方向上熱力景觀斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)和面積周長(zhǎng)分維度狀指數(shù)呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，并伴有不同幅度的波動(dòng)，熱力景觀由市區(qū)向周邊郊區(qū)呈現(xiàn)破碎化、多樣性遞增、形狀復(fù)雜化，這些方向上溫度差異大，熱力景觀分布復(fù)雜。不同景觀類型對(duì)城市熱環(huán)境的貢獻(xiàn)不同，在這些方向上地表景觀類型分布比較復(fù)雜，在市區(qū)主要以建設(shè)用地為主，溫度較高，熱力景觀較單一，而在郊區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)、耕地、林地和草地交錯(cuò)分布，熱力景觀的異質(zhì)性增加。而從中心位置到偏西(西南、西西北)方向上熱力景觀指數(shù)呈遞減的趨勢(shì)，熱力景觀分布相對(duì)整齊、形狀較規(guī)則。偏西方向上近市區(qū)的部分水體(湘江)與陸面熱力特性差異大，導(dǎo)致較為單一的地表熱力格局被打破，熱力景觀破碎化，形狀不規(guī)則，斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)和面積周長(zhǎng)分維度狀指數(shù)很高。在郊區(qū)以林地和耕地為主，且集中連片，地表景觀類型分布比較規(guī)整，地物熱力特性也較接近，在熱力景觀格局上表現(xiàn)為斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)和面積周長(zhǎng)分維度狀指數(shù)值較低。

3.2.2 不同方向上景觀指數(shù)變異情況分析

從課前學(xué)生拍攝情景劇，課中教師點(diǎn)評(píng)講解，課堂情景再現(xiàn)，然后教師總結(jié)技能點(diǎn)，再到電話連線畢業(yè)生，最后專家訪談，由淺入深，由內(nèi)而外的全方位闡釋了客戶投訴的處理技巧，突出了課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3個(gè)景觀指數(shù)在距中心位置3 km左右都出現(xiàn)了最低值，主要是這些地方是老城區(qū)，建設(shè)用地較為密集，車流和人流較大，附近地表溫度均較高，優(yōu)勢(shì)景觀是高溫區(qū)，相鄰地類的熱力性質(zhì)差異小，熱力景觀形狀規(guī)則，因此熱力景觀的斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)和面積周長(zhǎng)分維度狀指數(shù)偏?。辉谡龞|方向距中心位置15—20 km、西西北方向8—10 km和北西北方向10—15 km的位置，2010年斑塊密度比2004年大幅度增加，最大達(dá)到30左右，表明這些方向上熱力景觀變化較大，呈破碎化趨勢(shì)。正東、西西北和北西北方向主要是星沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、河西高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)和金霞經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)區(qū)域，是長(zhǎng)沙市城市擴(kuò)展的主要方向，近年來這些區(qū)域城市化進(jìn)程加速，周邊環(huán)境的許多耕地被建設(shè)用地占用，建設(shè)用地導(dǎo)致這些區(qū)域熱量增加，熱力性質(zhì)差異增大，使熱力景觀破碎化；香農(nóng)多樣性指數(shù)在中心位置出現(xiàn)高于1.5的峰值，主要是中心位置位于年嘉湖附近，是長(zhǎng)沙市重要旅游景點(diǎn)，建設(shè)用地、城市綠地和水域交錯(cuò)分布，地表溫度變化大，熱力景觀多樣化；2004—2010年面積周長(zhǎng)分維度狀指數(shù)差異不大，變化基本保持在0.1以內(nèi)。在距中心位置2 km附近出現(xiàn)低于1.1谷值，這些采樣點(diǎn)主要落在湘江、撈刀河和瀏陽河等水域上，水面溫度分布較均勻，熱力景觀形狀規(guī)則，面積周長(zhǎng)分維度狀指數(shù)小。

圖7 16個(gè)方向上斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、面積周長(zhǎng)分維度指數(shù)的梯度變化

不同景觀類型的組成與布局，對(duì)城市熱環(huán)境產(chǎn)生不同的貢獻(xiàn)，熱力特性的差異致使地表溫度的變化，熱力景觀的特征也隨之產(chǎn)生變化。規(guī)則整齊的熱力景觀下一般覆蓋著較均一的景觀類型，而復(fù)雜交錯(cuò)的景觀類型，由于熱力性質(zhì)的差異會(huì)導(dǎo)致熱力景觀破碎化、復(fù)雜化?？梢钥闯?，熱力景觀格局指數(shù)的變化較好地反映景觀類型的變化，城市景觀類型與地表溫度空間分異存在密切關(guān)系。

3.3 景觀類型空間格局特征與熱環(huán)境變化關(guān)系分析

長(zhǎng)沙市中心城區(qū)景觀類型以耕地、林地和建設(shè)用地為主，占整個(gè)研究區(qū)面積的80%以上。為了研究景觀類型的空間分布特征與地表溫度的關(guān)系，提取不同熱力景觀下的耕地、林地和建設(shè)用地景觀格局指數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析景觀類型空間分布與地表熱環(huán)境之間的關(guān)系[2]。圖8展現(xiàn)了耕地、林地和建設(shè)用地的景觀格局指數(shù)在不同熱力景觀中的空間格局變化。

圖8 在不同熱力景觀等級(jí)下景觀類型的景觀格局指數(shù)變化

3.3.1 不同景觀類型同一格局指數(shù)變化

2004年和2010年耕地、林地和建設(shè)用地斑塊密度和面積周長(zhǎng)分維度指數(shù)在5個(gè)熱力景觀中的變化趨勢(shì)一致。隨著地表溫度的升高斑塊密度先變大，在中溫區(qū)(次中溫區(qū))達(dá)到最大值，然后不斷減小，在高溫區(qū)達(dá)到最小。聚集度的變化趨勢(shì)與斑塊密度恰好相反。斑塊密度和面積周長(zhǎng)分維度指數(shù)在中溫區(qū)(次中溫區(qū))達(dá)到最大值、聚集度達(dá)到最小值，表現(xiàn)了中溫區(qū)和次中溫區(qū)景觀類型的復(fù)雜性、異質(zhì)性和離散性，在這兩個(gè)熱力景觀等級(jí)區(qū)域中多個(gè)城市景觀類型縱橫交錯(cuò)，景觀形狀破碎、分布復(fù)雜。耕地和林地的最大斑塊指數(shù)隨著溫度的升高不斷減小，建設(shè)用地與之相反。耕地和林地的優(yōu)勢(shì)度越大地表溫度越低，建設(shè)用地斑塊越大地表溫度越高。3個(gè)景觀類型的香農(nóng)多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)與它們的最大斑塊指數(shù)相反，耕地和林地占景觀類型的比例越少，建設(shè)用地比例越多，對(duì)應(yīng)地表溫度越高。耕地、林地在研究區(qū)內(nèi)的空間分布越集中，則地表降溫效果越顯著。

3.3.2 景觀類型空間格局與熱環(huán)境變化

圖8中耕地、林地在低溫區(qū)最大斑塊指數(shù)和聚集度達(dá)到最大值、香農(nóng)多樣性指數(shù)為最小值，在低溫區(qū)中耕地和林地景觀面積較大、凝聚程度高，則降溫作用顯著。而在高溫區(qū)最大斑塊指數(shù)達(dá)到最小值、香農(nóng)多樣性指數(shù)達(dá)到最大值，說明耕地、林地在不同熱力景觀下景觀優(yōu)勢(shì)度越低和占景觀類型的面積比例越少，降溫效應(yīng)會(huì)出現(xiàn)退降，地表溫度越高。

建設(shè)用地斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)和面積周長(zhǎng)分維度指數(shù)的曲線變化趨勢(shì)相似，都是從低溫區(qū)到次中溫區(qū)增大到最大值，然后不斷減小，在高溫區(qū)達(dá)到最小。而最大斑塊指數(shù)和聚集度變化趨勢(shì)恰好與之相反，是先減小再增大到最大值。說明在次中溫區(qū)建設(shè)用地斑塊破碎化、形狀復(fù)雜化并呈離散分布，在高溫區(qū)建設(shè)用地凝聚力最強(qiáng)，斑塊間的連通性最好，形狀規(guī)則。長(zhǎng)沙中心城區(qū)統(tǒng)一規(guī)劃，建設(shè)用地主要集中在市中心，在遠(yuǎn)郊區(qū)零星分布著一些農(nóng)村居民點(diǎn)，而次中溫區(qū)主要分布在郊區(qū)，高溫區(qū)主要集中于市中心，說明地表溫度與建設(shè)用地的分布密切相關(guān)。在不同熱力景觀等級(jí)下建設(shè)用地景觀指數(shù)的分布規(guī)律表明建設(shè)用地優(yōu)勢(shì)度越明顯、凝聚程度越高、景觀形狀越趨于正方形，地表溫度越高，熱島效應(yīng)愈顯著。

4 結(jié)論與討論

本文將長(zhǎng)沙市作為熱力景觀變化研究的典型區(qū)域，以2004年和2010年相同月份Landsat7 ETM+遙感影像數(shù)據(jù)和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，在地表亮度溫度反演的基礎(chǔ)上，運(yùn)用景觀指數(shù)并結(jié)合GIS空間分析理論與技術(shù)，應(yīng)用移動(dòng)窗口和梯度分析方法對(duì)2004年和2010年長(zhǎng)沙市中心城區(qū)熱力景觀空間格局的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究，并分析了城市景觀類型組成和格局差異與地表溫度空間分異之間的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

(1)熱島區(qū)域擴(kuò)大并且更加分散，熱島區(qū)域面積約由2004年的301.61km2增大至2010年的316.62km2，熱島區(qū)域面積增加了15.01km2。新增的熱島區(qū)域主要集中于開福區(qū)的金霞經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、岳麓區(qū)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)以及星沙的經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，表明新興工業(yè)園區(qū)對(duì)熱力分布的貢獻(xiàn)較大。

(2)長(zhǎng)沙中心城區(qū)熱力景觀格局在景觀水平上具有明顯的空間分異特征，在從中心位置到偏北、偏東和偏南方向上，熱力景觀從市區(qū)向周邊郊區(qū)呈現(xiàn)破碎化、多樣化、形狀復(fù)雜化，而從中心位置到偏西方向上與之相反。規(guī)則整齊的熱力景觀下一般覆蓋著較均一的景觀類型，而復(fù)雜交錯(cuò)的景觀類型，由于熱力性質(zhì)的差異會(huì)導(dǎo)致熱力景觀破碎化、復(fù)雜化，熱力景觀格局指數(shù)的變化較好地反映景觀類型的變化。

(3)地表景觀類型的組成與布局的不同，對(duì)城市熱環(huán)境產(chǎn)生的貢獻(xiàn)不同，導(dǎo)致地表溫度的變化，熱力景觀的特征也隨之產(chǎn)生變化。耕地、林地在研究區(qū)內(nèi)的景觀優(yōu)勢(shì)度越高、空間分布越集中，降溫效果越顯著；反之，建設(shè)用地優(yōu)勢(shì)度越明顯、凝聚程度越高、景觀形狀越規(guī)則，地表溫度越高，熱島效應(yīng)顯著。表明景觀類型空間格局演變對(duì)熱環(huán)境變化具有重要的影響作用。

利用景觀指數(shù)分析城市熱力景觀格局變化特征是近年來的研究熱點(diǎn)。本文對(duì)不同熱力景觀下景觀類型的空間格局特征進(jìn)行分析，研究結(jié)論可為城市規(guī)劃、城市生態(tài)環(huán)境改善提供參考。本研究已經(jīng)初步得出一些相關(guān)的結(jié)論，未來將繼續(xù)深入研究熱力景觀特別是熱島景觀隨城市化演變的趨勢(shì)，為熱島效應(yīng)減緩措施提供理論依據(jù)，從而為改善城市生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展和建設(shè)宜居城市提供決策支持。

[1] Weng Q H, Liu H, Lu D S.Assessing the effects of land use and land cover patterns on thermal conditions using landscape metrics in city of Indianapolis, United States. Urban Ecosystems, 2007, 10:203- 219.

[2] Zhang YS, Odeh I O A, E Ramadan E. Assessment of land surface temperature in relation to landscape metrics and fractional vegetation cover in an urban/-peri-urban region using Landsat data. International Journal of Remote Sensing, 2013, 34(1): 168- 189.

[3] 孟丹, 李小娟, 宮輝力, 趙文吉. 北京地區(qū)熱力景觀格局及典型城市景觀的熱環(huán)境效應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(13): 3491- 3500.

[4] Liu, H, Weng Q H. Seasonal variations in the relationship between landscape pattern and land surface temperature in Indianapolis, USA. Environmental Monitoring and Assessment, 2008, 144(1/3): 199- 219.

[5] Weng Q H. Remote Sensing and GIS Integration: Theories, Methods, and Applications. McGraw-Hill ProfessionalPress, 2009:215- 218.

[6] 陳云浩, 李曉兵, 史培軍, 何春陽. 上海城市熱環(huán)境的空間格局分析. 地理科學(xué), 2002, 22(3): 317- 323.

[7] 貢璐, 呂光輝. 基于景觀的干旱區(qū)城市熱島效應(yīng)變化研究——以烏魯木齊市為例. 中國(guó)沙漠, 2009, 29(5): 982- 988.

[8] 黃聚聰, 趙小鋒, 唐立娜, 邱全毅. 城市化進(jìn)程中城市熱島景觀格局演變的時(shí)空特征——以廈門市為例. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(2): 622- 631.

[9] 王敏, 孟浩, 白楊, 蘇敬華, 沙晨燕, 張敏. 上海市土地利用空間格局與地表溫度關(guān)系研究. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2013, 22(2): 343- 350.

[10] 陳愛蓮, 孫然好, 陳利頂. 基于景觀格局的城市熱島研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(14): 4553- 4565.

[11] 陳愛蓮, 孫然好, 陳利頂. 傳統(tǒng)景觀格局指數(shù)在城市熱島效應(yīng)評(píng)價(jià)中的適用性. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 23(8): 2077- 2086.

[12] 鄔建國(guó). 景觀生態(tài)學(xué)——格局、過程、尺度與等級(jí)(第二版).北京: 高等教育出版社, 2007.

[13] Wu J G. Landscape Ecology-Pattern, Process, Scale and Hierarchy. 2nd ed. Beijing: Higher Education Press, 2007:112- 115.

[14] Xian G, Crane M. An analysis of urban thermal characteristics and associated land cover in Tampa Bay and Las Vegas using Landsat satellite data. Remote Sensing of Environment, 2006, 104:147- 156.

[15] 劉春國(guó), 盧曉峰, 高松峰. Lansat- 7 ETM+熱紅外波段高低增益狀態(tài)數(shù)據(jù)反演亮度溫度比較研究. 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2011,30(5): 561- 566.

[16] 郭冠華, 陳穎彪, 魏建兵, 吳志峰, 容曉臻. 粒度變化對(duì)城市熱島空間格局分析的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(12): 3764- 3772.

[17] 周亮. 北京城市化過程中的景觀格局演變及熱島效應(yīng)研究 [D]. 北京: 北京林業(yè)大學(xué), 2006.

[18] 祝善友, 張桂欣, 劉瑩. 蘇州下墊面格局演變及其局地?zé)岘h(huán)境效應(yīng). 地理科學(xué), 2012, 32(7): 859- 866.

[19] 蘇雅麗, 張艷芳. 基于Landsat TM/ETM+的西安市城市熱島效應(yīng)時(shí)空演變. 水土保持通報(bào), 2011, 31(5): 230- 234.

[20] 孟丹, 王明玉, 李小娟, 宮輝力. 京滬穗三地近十年夜間熱力景觀格局演變對(duì)比研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(5): 1545- 1558.

[21] 陳松林, 王天星. 等間距法和均值標(biāo)準(zhǔn)差法界定城市熱島的對(duì)比研究. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 11(2): 145- 150.

[22] 王天星, 陳松林, 閻廣建. 地表參數(shù)反演及城市熱島時(shí)空演變分析. 地理科學(xué), 2009, 29(5): 697- 702.

[23] 黃聚聰, 趙小鋒, 唐立娜, 邱全毅. 城市熱力景觀格局季節(jié)變化特征分析及其應(yīng)用. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2011, 20(2): 304- 310.

[24] 周紅妹, 周成虎, 葛偉強(qiáng), 丁金才. 基于遙感和GIS的城市熱場(chǎng)分布規(guī)律研究. 地理學(xué)報(bào), 2001, 56(2): 189- 197.

[25] Kong FH, Nobukazu N, Yin H W, Akira K. Spatial gradient analysis of urban green spaces combined with landscape metrics in Jinan City of China. Chinese Geographical Science, 2005, 15(3): 254- 261.

[26] Kong FH, Nobukazu N. Spatial-temporal gradient analysis of urban green spaces in Jinan, China. Landscape and Urban Planning, 2006, 78(3): 147- 164.

[27] 何麗麗. 長(zhǎng)株潭城市群核心區(qū)景觀空間演變過程定量分析[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué), 2012.

Spatiotemporal changes of thermal environment landscape pattern in Changsha

XU Shuang, LI Feixue*, ZHANG Luben, ZHOU Lei

JiangsuProvincialKeyLaboratoryofGeographicInformationScienceandTechnology,DepartmentofGeographicalInformationScience,NanjingUniversity,Nanjing210023,China

The urban thermal environment has become the subject of considerable attention in the field of researchinto the eco-environmental effects of cities. Research into the laws governing the evolution of the urban thermal environment could contribute to the mitigation of the negative effects of the urban heat island (UHI) and promote the sustainable development of cities. This paper analyzed the spatiotemporal changes of the urban thermal landscape in Changsha, China. Four Enhanced Thematic Mapper Plus thermal images of the urban center of Changsha, taken in the same month in 2004 and 2010, were used to retrieve the brightness temperature, which was then classified into five temperature regions: low, sub-middle, middle, sub-high, and high. The landscape types of the urban center of Changsha in both 2004 and 2010 were classified based on land use data. Landscape metrics were used to quantify the spatiotemporal changes of the urban thermal landscape and the underlying surface pattern. By combining moving window and gradient analyses, the spatial changes of the urban thermal landscape pattern in Changsha from 2004 to 2010 were established and the evolution of the thermal landscape was analyzed from 16 directions. Zonal statistics were applied to investigate the changes of various urban landscape patterns under different thermal landscape ranks, which clarified the relationship between the spatial pattern and composition of the urban landscape and the spatial variation of surface temperature on a landscape scale. Based on this work, a number of conclusions were drawn. 1) Following the rapid urbanization of Changsha, the districts of the UHI expanded and became increasingly decentralized. The area of the UHI increased by 15.01 km2in 2010 in comparison with 2004; the increase was largely distributed in new industrial parks such as Jinxia, Yuelu, and Xinsha. 2) There was an obvious spatial variation of thermal landscape pattern on the landscape scale in the center of Changsha. From the center to the north, east, and south, the Patch Density, Shannon′s Diversity Index, and Perimeter-Area Fractal Dimension of the thermal landscape increased gradually, coupled with fluctuations of different amplitudes. In the other words, the thermal landscape has tended to become more fragmented and diversified, and the landscape shape has become more complex from the downtown area to the suburbs. However, the converse is true of the landscape pattern in the west. 3) Different shapes and spatial arrangements of landscape types exhibited different influences on the surface thermal environment; thus, the characteristics of the thermal landscape were changed. The greater the concentration of cropland and forested land in the thermal landscape, the more significant the surface cooling effect. Conversely, the higher surface temperatures were observed when the dominance of urban land was greater, degree of cohesion higher, and landscape shape simpler. Furthermore, the UHI effect of the study area is expected to become more remarkable. The changes of the underlying surface pattern exhibited remarkable influence on the local thermal environment and therefore, greater attention should be paid to the rational distribution of cropland and forested land in order to relieve the effects of the urban heat environment.

thermal landscape; landscape pattern; moving window; Changsha urban center

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40901184); 教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20090091120028)

2013- 10- 14;

2014- 08- 22

10.5846/stxb201310142477

*通訊作者Corresponding author.E-mail: njulifeixue@163.com

徐雙, 李飛雪, 張盧奔, 周磊.長(zhǎng)沙市熱力景觀空間格局演變分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(11):3743- 3754.

Xu S, Li F X, Zhang L B, Zhou L.Spatiotemporal changes of thermal environment landscape pattern in Changsha.Acta Ecologica Sinica,2015,35(11):3743- 3754.