宿遷市城市熱環(huán)境與熱力景觀時(shí)空分析

董 浩，謝相建，羅潔瓊，馮 莉，杜培軍

（1. 南京大學(xué) 衛(wèi)星測(cè)繪技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023；2. 南京大學(xué) 江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；3. 南京大學(xué) 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023）

宿遷市城市熱環(huán)境與熱力景觀時(shí)空分析

董 浩1,2,3，謝相建1,2,3，羅潔瓊1,2,3，馮 莉1,2,3，杜培軍1,2,3

（1. 南京大學(xué) 衛(wèi)星測(cè)繪技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023；2. 南京大學(xué) 江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；3. 南京大學(xué) 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023）

為了探討宿遷城市化進(jìn)程中熱島景觀格局的演變特征，采用1992年、2003年和2014年3期6景Landsat遙感數(shù)據(jù)，使用單窗算法基于熱紅外波段反演地表溫度，并利用景觀格局指數(shù)分析宿遷城市熱島景觀格局隨城市化進(jìn)程演變的趨勢(shì)。結(jié)果表明，近23 a來宿遷城市熱島效應(yīng)持續(xù)增強(qiáng)，宿遷經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)北區(qū)、洋河新區(qū)等地形成新的高溫區(qū)域；在類型水平上，城市化高速發(fā)展的2003年城市熱島景觀格局最為破碎；在景觀水平上，熱力景觀越來越集聚化，異質(zhì)性增加。

Landsat；城市熱島；熱力景觀；單窗算法；景觀格局

在城市熱島效應(yīng)研究中，國(guó)內(nèi)研究多數(shù)是針對(duì)特大城市或大城市熱島效應(yīng)開展的[1-5]，對(duì)于一些中等城市，尤其是近20 a新建、處于從農(nóng)業(yè)用地為主快速發(fā)展成城市用地為主的中等城市的熱島效應(yīng)研究明顯不足。為了服務(wù)于新建城市規(guī)劃和持續(xù)發(fā)展，及時(shí)發(fā)現(xiàn)城市擴(kuò)展中的生態(tài)環(huán)境問題，適時(shí)調(diào)整和優(yōu)化城市格局，從而盡可能避免陷入與多數(shù)大型城市類似的生態(tài)環(huán)境尤其是熱島效應(yīng)問題，本文選擇1996年新設(shè)立的地級(jí)市——江蘇省宿遷市作為典型研究區(qū)，利用Landsat遙感影像反演地表溫度，對(duì)1992～2014年23 a宿遷市熱島效應(yīng)的時(shí)空變化進(jìn)行研究，并利用景觀生態(tài)學(xué)[3]的方法探討宿遷市熱島景觀格局的空間分布特點(diǎn)，分析該區(qū)域在設(shè)市前、設(shè)市初期、近年的熱環(huán)境變化，以期對(duì)新建中小型城市的熱島效應(yīng)進(jìn)行實(shí)證研究，為城市規(guī)劃與管理提供咨詢。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

宿遷市位于江蘇省北部，地勢(shì)平坦、氣候溫和；現(xiàn)轄沭陽(yáng)、泗陽(yáng)、泗洪3縣和宿豫區(qū)、宿城區(qū)、宿遷經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、市湖濱新城、蘇州宿遷工業(yè)園區(qū)、市軟件與服務(wù)外包產(chǎn)業(yè)園和市洋河新區(qū)。研究區(qū)主要在中心城區(qū)宿城區(qū)和宿豫區(qū)，面積為1 767.6 km2（圖1）。2014年，研究區(qū)內(nèi)駱馬湖水域面積約為275 km2。

本研究選取條帶號(hào)為121-36、121-37的1992-05-20 Landsat5 TM、2003-05-11Landsat7 ETM+和2014-05-01Landsat8 OLI/TIRS 6景影像進(jìn)行不透水面提取與地表溫度反演。

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

圖1 研究區(qū)分布圖

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，包含大氣和地表對(duì)熱輻射傳導(dǎo)的影響，不是真正意義上的地表溫度。地表溫度根據(jù)亮度溫度演算得到。覃志豪[6]等提出單窗算法，根據(jù)地表熱傳導(dǎo)方程，考慮大氣對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊?，推?dǎo)出一個(gè)簡(jiǎn)單可行且保持較高精度的地表溫度演算方法。

2.2 熱力景觀類型劃分

由于使用了3個(gè)不同時(shí)相的遙感影像，無法直接對(duì)比三者的溫度，因此，需要對(duì)3幅影像反演的溫度進(jìn)行歸一化處理，使其分布范圍統(tǒng)一到0～1，以消除地表溫度的季相差異[7]；再利用密度分割技術(shù)將歸一化的影像均勻劃分為7個(gè)等級(jí)：低溫區(qū)、較低溫區(qū)、次中溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)和特高溫區(qū)。

2.3 城市熱島比例指數(shù)（URI）

URI是通過計(jì)算城市不同溫度等級(jí)的面積與建成區(qū)面積的比例，并賦予權(quán)重來表示城市熱島現(xiàn)象的程度，據(jù)此可以科學(xué)地比較不同年份之間的城市熱島變化。指數(shù)值越大，城市熱島效應(yīng)越嚴(yán)重。URI[8]的表達(dá)式如下：

式中，m為劃分的等級(jí)數(shù)，在本次計(jì)算中為7；n為城區(qū)高于郊區(qū)的溫度等級(jí)數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況取高溫、特高溫2級(jí)；i為城區(qū)高于郊區(qū)的第i個(gè)溫度等級(jí)；w為權(quán)重值，取第i級(jí)的級(jí)值；p為第i級(jí)所占城區(qū)面積的百分比[9]。

2.4 熱力景觀格局分析

借鑒景觀生態(tài)學(xué)的方法，采用景觀空間格局分析軟件Fragstats，通過對(duì)景觀指數(shù)的計(jì)算，分析近23 a宿遷市熱力景觀格局的演變特征。景觀指數(shù)是指能高度濃縮景觀格局信息，反映結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的定量指標(biāo)[10]，能夠從斑塊、類型和景觀3個(gè)層次對(duì)熱島格局進(jìn)行全面表征。為了減少各景觀格局指數(shù)的冗余性，且能反映景觀生態(tài)學(xué)的各種基本概念，從類型水平選取了斑塊個(gè)數(shù)（NP）、平均斑塊面積（AREA_MN）、最大斑塊指數(shù)（LPI）和面積加權(quán)平均形狀指數(shù)（SHAPE_AM）等4個(gè)指數(shù)；從景觀水平上選擇了NP、AREA_MN、SHAPE_AM、聚合度（AI）、散布和Shannon均勻度指數(shù)（SHEI）等7個(gè)指數(shù)（表1）來揭示熱力景觀的多樣性、破碎化、組成和結(jié)構(gòu)[11-12]。

表1 景觀格局指數(shù)

3 結(jié)果分析

分別基于1992年、2003年和2014年Landsat遙感影像，利用單窗算法反演得到宿遷市不同時(shí)期的地表溫度，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。通過密度分割技術(shù)將其劃分成7個(gè)溫度等級(jí)（圖2），取高溫區(qū)和特高溫區(qū)數(shù)值計(jì)算城市熱島比例指數(shù)；利用Fragstats軟件從類型水平和景觀水平計(jì)算景觀指數(shù)以分析城市熱島景觀格局隨城市化進(jìn)程演變的趨勢(shì)。熱島效應(yīng)在城市建成區(qū)普遍存在，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[11]。本次研究中高溫區(qū)和特高溫區(qū)斑塊更能表征宿遷市城市熱島效應(yīng)。

3.1 熱島景觀格局變化的空間特征

結(jié)合2012年宿遷市行政區(qū)劃圖，從圖2中可以看到，1992年高等級(jí)溫度斑塊（高溫區(qū)、特高溫區(qū)）集中在老城區(qū)、駱馬湖周邊，以及現(xiàn)在的北至黃運(yùn)路，南至項(xiàng)王路，東至西湖東路，西至京杭運(yùn)河的區(qū)域。另外，在新沂河沿岸區(qū)域，由于大面積裸露的土地地表反射率較高，也形成了密集的熱島區(qū)域。這一時(shí)期的宿遷市城市熱島比例指數(shù)為0.050 8。

圖2 研究區(qū)地表溫度等級(jí)圖

1996年建市之后，宿遷市以老城區(qū)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)建設(shè)市政府新區(qū)和宿豫新區(qū)。2003年高等級(jí)溫度斑塊（高溫區(qū)、特高溫區(qū)）在1992年的基礎(chǔ)上擴(kuò)展；環(huán)城西路、廈門路和廢黃河之間出現(xiàn)了大面積的熱島區(qū)域；宿豫區(qū)的高等級(jí)溫度斑塊（高溫區(qū)、特高溫區(qū)）向北延展到市府東路；2002年新建的宿遷學(xué)院附近的高溫區(qū)域，則向南越過環(huán)城南路延伸到現(xiàn)在的新?lián)P高速。2003年高溫區(qū)、特高溫區(qū)面積為106.23 km2，相比1992年增加了8.41%。建市后宿遷市的高溫區(qū)主要從1992年的次高溫區(qū)、中溫區(qū)和次中溫區(qū)轉(zhuǎn)化而來；特高溫區(qū)則多為1992年的高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中溫區(qū)和次中溫區(qū)。城市熱島比例指數(shù)為0.055 1，較1992年略微增強(qiáng)。

2006年，宿遷市實(shí)施北擴(kuò)西進(jìn)、南拓東延、引湖納山戰(zhàn)略，全力推動(dòng)中心城區(qū)的六大片區(qū)綜合全面發(fā)展，形成開敞型、片區(qū)式城市空間結(jié)構(gòu)形態(tài)。同時(shí)開發(fā)建設(shè)宿遷經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)北區(qū)、洋河新區(qū)等8個(gè)開發(fā)區(qū)。

2014年，市湖濱新城開發(fā)區(qū)形成新的大范圍的熱島區(qū)域。宿豫新區(qū)的熱島區(qū)域向南延伸到新?lián)P高速，向東延伸到張家港大道。中心城區(qū)城市熱島現(xiàn)象擴(kuò)展十分明顯，主要表現(xiàn)為在市中心以集中連片方式出現(xiàn)，而郊區(qū)則以中低溫區(qū)為主。高溫區(qū)和特高溫區(qū)面積增長(zhǎng)到245 km2，城市熱島比例指數(shù)達(dá)到0.126 9，說明熱島效應(yīng)大幅度增強(qiáng)。特高溫區(qū)主要分布在宿遷國(guó)際港、工廠區(qū)，包括宿遷經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)北區(qū)等，熱島效應(yīng)由無到有，變化顯著。因此在后續(xù)城市規(guī)劃與建設(shè)中，必須考慮這些快速發(fā)展的開發(fā)區(qū)、新區(qū)的特點(diǎn)，采取有效的措施預(yù)防和減弱城市熱島效應(yīng)。

表2 1992年、2003年和2014年地表溫度等級(jí)面積

3.2 熱島景觀格局演變特征分析

1）類型水平。結(jié)合圖3和表2可知，近23 a來，研究區(qū)內(nèi)高等級(jí)溫度斑塊（次高溫區(qū)、高溫區(qū)和特高溫區(qū)）面積總體上呈明顯的上升趨勢(shì)，其中高溫區(qū)斑塊面積從1992年的70.84 km2增至2014年的

173.66 km2；特高溫區(qū)斑塊面積從1992年的27.15 km2增至2014年的71.33 km2，說明熱島影響區(qū)域范圍顯著擴(kuò)大。從表3可以看到，2003年高溫區(qū)斑塊數(shù)目高達(dá)4 602，遠(yuǎn)高于1992年的2 023和2014年的1 480，平均斑塊面積有所增加，但遠(yuǎn)小于2014年的11.733 5；2003年特高溫區(qū)斑塊數(shù)目達(dá)到996，同樣是3期最高，平均斑塊面積有所減少，依然遠(yuǎn)小于2014年的11.144 8。這是由于2003年宿遷市處在城市化高速發(fā)展時(shí)期，溫度較高的工廠區(qū)、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)相對(duì)割裂，市區(qū)和郊區(qū)都出現(xiàn)局部小范圍的熱島區(qū)域，高溫區(qū)和特高溫區(qū)斑塊破碎化最為嚴(yán)重，而在2014年宿遷市城市化率達(dá)到52.37%，相比2003年提高了21.37個(gè)百分點(diǎn)，分散的工業(yè)產(chǎn)業(yè)形成了集約發(fā)展的工業(yè)園區(qū)，高溫區(qū)和特高溫區(qū)斑塊間的外部連接趨于完善，集聚形成了更大的組團(tuán)，斑塊的單體面積達(dá)到最大。最大斑塊指數(shù)是某一景觀類型中最大斑塊占整個(gè)景觀面積的比例，1992年的低溫區(qū)和次中溫區(qū)以及2003年的低溫區(qū)和中溫區(qū)值最大；2014年特高溫區(qū)值最小，表現(xiàn)為建成區(qū)內(nèi)特高溫區(qū)所占的比重下降，斑塊最為破碎，與高溫區(qū)鑲嵌分布。面積加權(quán)平均形狀指數(shù)反映斑塊形狀復(fù)雜程度，當(dāng)斑塊形狀越來越復(fù)雜時(shí)其數(shù)值上升。高溫區(qū)斑塊2003年值最小，2014年值最大；特高溫區(qū)斑塊2003年值最大，2014年值最小。

表3 1992年、2003年和2014年類型水平上的景觀指標(biāo)分析

圖3 1992年、2003年和2014年地表溫度等級(jí)面積圖

2）景觀水平。從研究區(qū)近23 a來城市熱島變化在景觀水平上的各個(gè)景觀指數(shù)（表4）可以看出，研究區(qū)的溫度景觀斑塊數(shù)目從1992年的12 472個(gè)大幅增加到2003年的36 911個(gè)，之后下降到2014年的13 010個(gè)；平均斑塊面積從1992年的13.902 7 hm2下降到2003年的4.6978hm2，之后增加到2014年的13.328 5 hm2，說明1992年和2014年的熱力景觀更加集聚化，斑塊間的外部連接趨于完善。從形態(tài)特征上，面SHAPEAM減小說明景觀斑塊形狀愈加簡(jiǎn)單；從結(jié)構(gòu)特征上，AI是在景觀水平上描述同類型的2個(gè)或多個(gè)斑塊在像素上聚合成一個(gè)斑塊的臨近關(guān)系，研究區(qū)AI上升說明熱力斑塊的鄰接關(guān)系越來越密切，分布越來越緊湊[13]。

2014年IJI最大，1992年次之，說明2014年各類斑塊混合分布的程度最大，2003年最小。SHDI由1.418 5持續(xù)增長(zhǎng)到1.707 8；SHEI由0.729 0增長(zhǎng)到0.877 7，說明溫度景觀的異質(zhì)性增加，景觀面積在各類型間的分配趨向均勻。

表4 1992年、2003年和2014年景觀水平上的景觀指標(biāo)分析

4 結(jié) 語

在1996年設(shè)立地級(jí)市之前，宿遷市城市化進(jìn)程相對(duì)緩慢，18 a間城市化水平僅提高5.7個(gè)百分點(diǎn)，熱島效應(yīng)不明顯。建市之后，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高，宿遷市城市化進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，2003～2014年，城市化水平由31.0%提高到52.37%以上。隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)張，熱島效應(yīng)影響范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度增加，引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題不斷凸現(xiàn)。本文將景觀生態(tài)學(xué)的方法應(yīng)用到城市熱環(huán)境時(shí)空分析與熱力景觀研究中，探討宿遷城市熱島效應(yīng)的時(shí)空變化，得到以下結(jié)論：

1）自1992年，宿遷市城市熱島比例指數(shù)不斷上升，中心城區(qū)存在顯著的城市熱島效應(yīng)。熱島效應(yīng)主要發(fā)生在主城區(qū)、新興經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、工業(yè)區(qū)以及城市主要交通沿線附近。熱島分布與城市空間結(jié)構(gòu)基本吻合。

2）在類型水平上，1996年宿遷建市后，在城市化高速發(fā)展的2003年，宿遷城市熱島效應(yīng)的高溫區(qū)和特高溫區(qū)破碎化和割裂化最嚴(yán)重，斑塊間的外部連接較差；隨著2014年城市化水平的極大提高，原本割裂的斑塊集聚形成了組團(tuán)，景觀破碎化減弱。

3）在景觀水平上，熱力景觀斑塊數(shù)先增后減，伴隨著城市化發(fā)展，熱力景觀越來越集聚化。SHDI和SHEI在增長(zhǎng)，說明熱力景觀的異質(zhì)性在增加。

城市不斷擴(kuò)展，能源消費(fèi)增加，大氣污染物和溫室氣體排放增多，人居舒適度下降，水質(zhì)變差。針對(duì)宿遷市經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，提出以下建議以緩解日益嚴(yán)重的城市熱島效應(yīng)[14]：①保護(hù)好現(xiàn)有的綠地、水體，大力推廣屋頂綠化、墻體垂直綠化、道路立交橋體綠化、停車場(chǎng)綠地等立體綠化。②優(yōu)化城市功能布局，合理配置產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目。避免走老工業(yè)城市的路子，盲目引進(jìn)大的資源型、制造型工業(yè)項(xiàng)目。③城市新區(qū)建設(shè)和舊城改造時(shí)，在確保建筑面積不變的前提下，盡量增加建筑物的高度，構(gòu)造整齊規(guī)則的建筑布局，同時(shí)拓展建筑物之間的間距。④大型車站避免設(shè)在城區(qū)內(nèi)，應(yīng)逐步外遷到地形開闊、交通方便的郊區(qū)。⑤合理規(guī)劃城市通風(fēng)廊道，引導(dǎo)郊外的風(fēng)進(jìn)入主城區(qū)，增加城市的空氣流動(dòng)性。

本研究是依靠不透水面（包括農(nóng)村建設(shè)用地等）分布情況表征城市擴(kuò)展，這和行政與地理意義上的城市中心有很大的區(qū)別。未來的研究重點(diǎn)在于通過鑒別不透水面二值影像中的連通區(qū)域來區(qū)分城市和農(nóng)村建筑用地聚合體，以便更好地研究城市擴(kuò)張及其對(duì)熱環(huán)境的影響。

[1] 蘇偉忠,楊英寶,楊桂山.南京市熱場(chǎng)分布特征及其與土地利用/覆被關(guān)系研究[J].地理科學(xué),2005,25(6)∶697-703

[2] CHEN X L, ZHAO H M, LI P X, et al. Remote Sensing Image-based Analysis of the Relationship between Urban Heat Island and Land Use/Cover Changes[J].Remote Sensing of Environment,2006,104(2)∶133-146

[3] 陳云浩,李京,李曉兵.城市空間熱環(huán)境遙感分析：格局、過程、模擬與影響[M].北京∶科學(xué)出版社,2004

[4] 陳云浩,史培軍,李曉兵.基于遙感和GIS的上海城市空間熱環(huán)境研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2003,31(2)∶139-144

[5] 陳濤,孫安昌,王鑫,等.基于遙感的武漢地區(qū)LUCC對(duì)熱島效應(yīng)的影響研究[J].地理空間信息,2015,13(1)∶62-64

[6] 田振坤,黃妙芬,劉良云,等.使用單窗算法研究北京城區(qū)熱島效應(yīng)[J].遙感信息,2006(1)∶21-24

[7] 徐涵秋.基于城市地表參數(shù)變化的城市熱島效應(yīng)分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(14)∶3 890-3 901

[8] XU H, CHEN B. Remote Sensing of the Urban Heat Island and Its Changes in Xiamen City of SE China[J]. Journal of Environmental Sciences,2004,16(2)∶276-281

[9] 張好,徐涵秋,李樂,等.成都市熱島效應(yīng)與城市空間發(fā)展關(guān)系分析[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2014,16(1)∶70-78

[10] 劉小平,黎夏,陳逸敏,等.景觀擴(kuò)張指數(shù)及其在城市擴(kuò)展分析中的應(yīng)用[J].地理學(xué)報(bào),2009,64(12)∶1 430-1 438

[11] 黃聚聰,趙小鋒,唐立娜,等.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[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(2)∶622-631

[12] 鄔建國(guó).景觀生態(tài)學(xué)[M].北京∶高等教育出版社,2000

[13] 趙全勇,孫艷玲,王中良.城市化進(jìn)程中天津城市熱島景觀格局變化分析[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,34(2)∶49-55

[14] 宮阿都,江樟焰,李京,等.基于Landsat TM圖像的北京城市地表溫度遙感反演研究[J].遙感信息,2005(3)∶18-20

P237

B

1672-4623（2016）05-0031-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.010

董浩，碩士，主要從事城市遙感、遙感信息分析與應(yīng)用方面的研究。

2015-04-22。

項(xiàng)目來源：江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2012018）。