青島城市熱力景觀時(shí)空分布

吳偉明 李秋月

摘要：城市熱環(huán)境是城市空間環(huán)境在熱力場(chǎng)中的綜合表現(xiàn)，通過(guò)對(duì)城市熱環(huán)境的研究可以揭示城市空間結(jié)構(gòu)、城市規(guī)模的發(fā)展變化。本文介紹在RS、GIS的支持下，借鑒景觀生態(tài)學(xué)的研究方法，研究青島市熱環(huán)境的空間格局分析方法。

關(guān)鍵詞：景觀生態(tài)學(xué)；熱力景觀；空間格局；遙感；青島

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展城市大氣污染、城市熱島、城市災(zāi)害日趨嚴(yán)重。城市環(huán)境問(wèn)題中，城市的熱環(huán)境（熱污染） 是一個(gè)重要的方面。對(duì)城市熱環(huán)境的特點(diǎn)及動(dòng)態(tài)規(guī)律的研究對(duì)城市災(zāi)害、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、大氣污染、防暑降溫、市政建設(shè)具有重要意義。

目前遙感技術(shù)的發(fā)展為研究城市熱環(huán)境提供了很好的技術(shù)手段。許多學(xué)者利用熱紅外遙感資料進(jìn)行城市熱島研究。論文以熱場(chǎng)為主要研究?jī)?nèi)容，研究2005-2009年4年來(lái)青島市城市發(fā)展及地表覆蓋變化所引發(fā)熱場(chǎng)格局的變化，在此基礎(chǔ)之上找出減弱城市熱力影響的方法和查找形成城市熱力形成的主要原因，并提出合理化的建議。

一、景觀生態(tài)學(xué)

1景觀生態(tài)學(xué)

景觀生態(tài)學(xué)主要來(lái)源地理學(xué)的景觀理論和生物學(xué)的生態(tài)理論。它把地理學(xué)家研究自然現(xiàn)象的空間相互作用的橫向研究和生態(tài)學(xué)家研究一個(gè)生態(tài)區(qū)的機(jī)能相互作用的縱向研究結(jié)合為一體，通過(guò)物質(zhì)流、能量流信息流及價(jià)值流在地球表層的傳輸與交換，通過(guò)生物與非生物以及人類之間的相互作用與轉(zhuǎn)化，運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)原理和系統(tǒng)方法研究景觀結(jié)構(gòu)和功能、景觀動(dòng)態(tài)變化以及相互作用的機(jī)理、研究景觀的美化格局、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、合理利用和保護(hù)。

2景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展

生態(tài)空間理論與景觀異質(zhì)性研究：生態(tài)空間理論包括尺度、空間格局與鑲嵌動(dòng)態(tài)等方面的內(nèi)容，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)空間關(guān)系定量化的研究是一個(gè)富有吸引力和挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。景觀系統(tǒng)分析與GIS 應(yīng)用：景觀系統(tǒng)分析常常需要運(yùn)用各種定量化的指標(biāo)來(lái)進(jìn)行景觀評(píng)價(jià)、景觀分類構(gòu)建有關(guān)模型，隨著新的方法和技術(shù)手段的不斷涌現(xiàn)，這方面的研究也不斷深入。當(dāng)前，遙感和GIS 的應(yīng)用成為景觀分析的基本手段，如何與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)的方法緊密結(jié)合以提供能充分反映景觀特征的更好的空間模型，將成為以后研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。

3熱力景觀應(yīng)用

本文借鑒景觀生態(tài)學(xué)的研究方法，定義了“熱力景觀”，用景觀的觀點(diǎn)來(lái)研究城市熱環(huán)境，建立熱環(huán)境空間結(jié)構(gòu)與格局的定量研究方法。

①熱力景觀評(píng)價(jià)體系

熱力景觀是城市與周圍環(huán)境相互作用而形成，也是人類在改造、適應(yīng)自然環(huán)境基礎(chǔ)上建立起來(lái)的人工生態(tài)系統(tǒng)在熱力學(xué)的表現(xiàn)。熱力景觀具有高度空間異質(zhì)性的熱力區(qū)域，它由相互作用的熱力斑塊以一定的規(guī)律組成。根據(jù)形狀和功能的差異，熱力景觀要素可分為熱力斑塊（ thermal patch） ，熱力廊道（ thermalcorridor） 和熱力基質(zhì)（ thermalmatrix） 。（陳云浩，等2002）。

二、熱力景觀在青島熱島效應(yīng)應(yīng)用

青島位于山東半島南端（北緯35°35'-37°09'，東經(jīng)119°30'-121°00'）、黃海之濱。青島地處北溫帶季風(fēng)區(qū)域，屬溫帶季風(fēng)氣候。市區(qū)由于海洋環(huán)境的直接調(diào)節(jié)，受來(lái)自海洋面上的東南季風(fēng)及海流、水團(tuán)的影響，故又具有明顯的海洋性氣候特點(diǎn)。

1數(shù)據(jù)的選擇與預(yù)處理

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以其宏觀、快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。本文所使用的是2005年10月24日和2009年3月9日青島地區(qū)的陸地衛(wèi)星Landsat5/TM數(shù)據(jù)，包括7個(gè)波段，其中TM6用于反演地表輻射溫度，其余波段用于地物的識(shí)別和分類。

在進(jìn)行遙感數(shù)字圖像解譯（如圖像運(yùn)算、非監(jiān)督分類、監(jiān)督分類等）和GIS空間分析之前，必須對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，以利于圖像的更深層次的分析和研究。

使用的源數(shù)據(jù)圖像沒(méi)有坐標(biāo)投影信息，需要進(jìn)行幾何校正，添加地理坐標(biāo)。在配準(zhǔn)后的青島市行政區(qū)劃圖中沿行政邊界建立研究區(qū)域的ROI，導(dǎo)出的矢量圖，獲取研究區(qū)域的矢量圖→裁剪出研究區(qū)的遙感數(shù)據(jù)（在ERDAS軟件中利用研究區(qū)矢量邊界圖裁剪出研究區(qū)的TM遙感數(shù)據(jù)）。

圖 1 熱力景觀斑塊劃分圖

2青島市市區(qū)熱力景觀劃分

遙感熱紅外影像反映的是地表物體的熱紅外輻射強(qiáng)度，而城市熱環(huán)境研究的是整個(gè)城區(qū)范圍一定高度空間內(nèi)的溫度變化規(guī)律，雖然二者尺度不同，但是城市下墊面溫度是形成城市熱島的最重要的因子之一。雖然通過(guò)熱紅外遙感獲得的溫度并不是地表的實(shí)際溫度，而是地表的輻射溫度，溫度差異是熱島效應(yīng)的主要表現(xiàn)形式；所以可以利用輻射溫度間的差異仍可以表示熱島強(qiáng)度的大小。本文就是通過(guò)空間圖像建模對(duì)熱紅外波段進(jìn)行反演獲得地表輻射溫度分布用以研究熱島。

2.1市區(qū)地表輻射溫度的反演

亮度溫度是遙感器在衛(wèi)星高度所觀測(cè)到的熱輻射強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的溫度。這一溫度包含有大氣和地表對(duì)熱輻射傳導(dǎo)的影響， 因而不是真正意義上的地表溫度。但地表溫度是根據(jù)這一亮度溫度來(lái)演算而得。

2.2溫度分級(jí)及熱島空間分布

為了提高不同時(shí)相數(shù)據(jù)的可比性， 對(duì)兩幅亮溫影像分別進(jìn)行影像溫度分等級(jí)，依次為高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中溫區(qū)、次低溫區(qū)、低溫區(qū)。借助ARC/GIS實(shí)現(xiàn)，利用自然段列點(diǎn)方法分級(jí)，綜合可知：青島市的熱島效應(yīng)的分布、強(qiáng)度和演變具有明顯的規(guī)律。從而分析得知：2005年10月的中溫區(qū)與次高溫區(qū)逐漸向次高溫區(qū)與高溫區(qū)轉(zhuǎn)變。2009年3月的高溫區(qū)與次高溫區(qū)的比例明顯增加。也就是城市熱島效應(yīng)明顯增加。

三、應(yīng)用效果小節(jié)

由以上可以看出：研究區(qū)熱島高溫區(qū)景觀的破碎度呈遞增趨勢(shì)，反映了研究區(qū)內(nèi)熱力景觀斑塊正處于受人為活動(dòng)等因素影響日趨離散化的階段，分維值也有所增加，反映了城市熱島斑塊形狀日趨復(fù)雜，從穩(wěn)定性上看，2009年熱島穩(wěn)定性比2005年低，反映了受城市規(guī)劃、決策、人為影響等因素控制，市區(qū)熱島斑塊處于不斷變化時(shí)期而次高溫區(qū)與高溫區(qū)景觀指數(shù)卻相反，破碎度、分維值有所降低，而穩(wěn)定性卻增加，主要是因?yàn)榇胃邷貐^(qū)大部分屬于新建城區(qū)，各項(xiàng)規(guī)劃無(wú)論從時(shí)間、布局上都比較合理、各職能用地斑塊形狀趨于標(biāo)準(zhǔn)化，所以斑塊復(fù)雜程度降低，而穩(wěn)定性相應(yīng)升高，與以上各指數(shù)不同，雖然城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、人口急劇膨脹、工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)一步發(fā)展，但市政府發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)注重保護(hù)生態(tài)環(huán)境，加大城市綠地建設(shè)、合理布局各能耗高、污染大的工廠企業(yè)，另一方面， 城市熱力景觀的破碎化、均衡化也進(jìn)一步減小了城市熱環(huán)境的疊加效應(yīng)，所以城郊熱島效應(yīng)較2005年有所減緩，雖然熱島面積2009年比2005年有所增加，但是計(jì)算分析可得城郊平均溫度差有所下降。

四、結(jié)束語(yǔ)

城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題是目前我國(guó)城市普遍關(guān)注的問(wèn)題，相關(guān)的研究成果往往具有重要的實(shí)踐價(jià)值。選擇城市景觀下潛在的能量流（熱環(huán)境）作為城市景觀格局的生態(tài)學(xué)過(guò)程，從而將城市景觀生態(tài)與城市環(huán)境問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，成功的將景觀生態(tài)學(xué)的研究范式引入城市生態(tài)環(huán)境研究，這在理論和實(shí)踐兩個(gè)方面都具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 范心圻.城市大氣環(huán)境與熱場(chǎng)[A].孫天縱，周堅(jiān)華（主編）.城市遙感[C].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1995. 59-84.

[2] 徐腸秋， 陳本清.不同時(shí)相的遙感熱紅外圖像在研究城市熱島變化中的處理方法[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2003，18（3）：129-131.