重慶市主城區(qū)土地利用/覆被變化及其熱環(huán)境效應(yīng)關(guān)系研究

房力川 ，周 莉 ，潘洪義

（四川師范大學(xué)1.西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗室；2.地理與資源科學(xué)學(xué)院 成都 610066）

1 引言

土地利用/覆被變化（LUCC）深刻的影響著全球生態(tài)環(huán)境環(huán)境變化，一直以來都受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-6]。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化水平不斷提高，城市生態(tài)系統(tǒng)面臨著越來越大的壓力。城市下墊面的不同類型和組合對城市的熱環(huán)境影響很大[7]，伴隨城市化進(jìn)程，城市擴(kuò)展及其帶來的地表能量收支各項發(fā)生變化，成為影響城市熱環(huán)境的重要因子，現(xiàn)已證實(shí)城鄉(xiāng)不同下墊面的熱收支差異是城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的重要原因[8]。

國內(nèi)外學(xué)術(shù)界開展了一系列關(guān)于城市土地利用與城市熱環(huán)境問題的研究，取得了豐碩的成果。如彭文甫[9]等利用2000-2008年TM/ETM＋數(shù)據(jù)，基于遙感和GIS分析了城市土地利用與地面熱效應(yīng)時空變化特征。蘇振華[10]等學(xué)者通過分析城市熱島與土地利用的時空變化情況，得出了城市熱島效應(yīng)與城市化和土地利用變化密切相關(guān)，不透水面的擴(kuò)張是造成城市熱島效應(yīng)的主要原因的結(jié)論。彭保發(fā)[11]等學(xué)者在研究上海市熱島效應(yīng)的影響機(jī)理及其作用規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，土地城市化是上海市城市熱島強(qiáng)度的主要影響因素且建成區(qū)擴(kuò)張對熱島強(qiáng)度的累積效應(yīng)大于其增量效應(yīng)。吳彥樨[12]和白楊[13]等分別利用Landsat數(shù)據(jù)從不同的角度分析了城市熱島格局和景觀格局的相關(guān)性。

重慶市作為“一帶一路”和長江經(jīng)濟(jì)帶重要的戰(zhàn)略聯(lián)結(jié)點(diǎn)以及內(nèi)陸開放高地，同時也是三大“火爐”之一。隨著城市化進(jìn)程的加快，大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)必然導(dǎo)致城市下墊面劇烈變化。因此，本文選擇重慶市繞城高速以內(nèi)的區(qū)域作為研究區(qū)，利用Landsat系列遙感影像進(jìn)行土地利用監(jiān)督分類，基于輻射傳輸方程法進(jìn)行地表溫度反演，定量分析土地利用/覆被變化與城市熱環(huán)境效應(yīng)之間關(guān)系。

2 研究區(qū)概況

重慶市位于四川盆地的東南部，長江的上游，與湖北、湖南、貴州、四川、陜西等省接壤，地跨東經(jīng) 105°11′-110°11′、北緯 28°10′-32°13′的四川盆地與長江中下游平原的過渡地帶。轄區(qū)總面積為8.24萬Km2，屬于中國面積最大的內(nèi)陸城市，其都市區(qū)主要分布在長江沿線，四面環(huán)山，以丘陵，低山為主，地形起伏較大，平均高程為400m。研究區(qū)總面積為5465Km2，占全市總面積的6.63%。研究區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有氣溫高，日照少的氣候特點(diǎn)，年降雨量1100-1400mm，全年平均氣溫18℃，7-8月最熱，35℃以上高溫天氣最多達(dá)68天，無霜期在310天以上。

3 數(shù)據(jù)及方法

3.1 數(shù)據(jù)獲取及處理

本文選用2000年7月22日的landsat7 ETM+影像和2016年7月26日的landsat8 OLI/TIRS影像（軌道號128/39和128/40），數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）。衛(wèi)星過境時天氣晴朗，云量少，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，可視性良好?；谥С窒蛄繖C(jī)分類法提取土地利用類型圖，利用輻射傳輸方程法反演地表溫度。為更好驗證地物分類精度和反演精度，研究中利用Google Earth提供的同年重慶市高清影像和MODIS地溫產(chǎn)品作為參考。

3.2 研究方法

3.2.1 分類方法

支持向量機(jī)分類器 (Support Vector Machine,SVM)是一種基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)方法[14]，通過尋求結(jié)構(gòu)化風(fēng)險最小來提高學(xué)習(xí)機(jī)泛化能力，可以在統(tǒng)計樣本數(shù)量較少的情況下獲得良好統(tǒng)計規(guī)律[15]。支持向量機(jī)分類器擁有其他分類器所不具有的高效性，因此在遙感影像分類中被廣泛采用。論文選用徑向基函數(shù)(Radial Basis Function，簡稱RBF)作為本次分類的核函數(shù)。其公式為：

式中：K(X,XC)為空間中任一點(diǎn)X到某一中心XC之間歐氏距離的單調(diào)函數(shù)，XC為核函數(shù)中心，為函數(shù)的寬度參數(shù)，控制了函數(shù)的徑向作用范圍。

3.2.2 地表溫度反演

本文選用輻射傳輸方程法進(jìn)行地表溫度反演，根據(jù)電磁波的輻射傳輸理論，衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由三部分組成：黑體輻射亮度、大氣下行輻射亮度和大氣上行輻射亮度。表達(dá)式為：

式中,ε為地表比輻射率，τ為大氣在熱紅外波段的透過率。

黑體輻射亮度B(TS)的計算公式為：

根據(jù)普朗克函數(shù)，地表真實(shí)溫度(K)TS的計算公式為：

對于Landsat8TIRSBand10，

4 結(jié)果分析

4.1 土地利用/覆被變化分析

本文選用支持向量機(jī)分類法（SVM）對重慶市兩期遙感影像進(jìn)行土地分類。結(jié)果如圖1和圖2所示

圖1 2000年土地類型分類

圖2 2016年土地類型分類

表1 2000年和2016年各土地類型面積統(tǒng)計 單位:Km2

2000-2016年期間，建設(shè)用地和林地面積明顯增加，草地面積顯著減少，建設(shè)用地的擴(kuò)張主要是沿長江和嘉臨江河谷地區(qū)發(fā)展。近17年來，重慶市主城區(qū)草地面積劇烈減少，從1301.469Km2減少到463.281Km2，面積凈減少838.188Km2。同時，林地和建設(shè)用地面積急速增加，面積凈增加218.6505Km2和435.771Km2，農(nóng)地面積也增加了76.197Km2。其中，裸地、建設(shè)用地和林地的變化率分別為265.28%、168.62%和170%，年均增幅分別為15.60%、9.92%和10%，說明重慶市目前正處在快速的城市化發(fā)展的過程中，研究區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地面積擴(kuò)張十分顯著，但是同時也積極響應(yīng)了國家退耕還林的政策，林地面積增加明顯。

4.2 研究區(qū)不同歷史時期土地利用轉(zhuǎn)移分析

表2 土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣（%）

近17年來，重慶市主城區(qū)的土地利用/覆被變化主要表現(xiàn)草地面積的減少、林地和建設(shè)用地面積的增加。從表2可知，有27.037%的草地轉(zhuǎn)化為了建設(shè)用地，23.586%轉(zhuǎn)化為了農(nóng)地，15.917%轉(zhuǎn)化為了林地。林地面積的增加主要來自于草地、裸地、林地和農(nóng)地，占比分別為 15.917%、7.098%、6.302%和4.954%，建設(shè)用地的面積的增加主要來源于裸地、草地、農(nóng)地和林地，占比分別為70.038%、27.037%、23.698%和11.776%。說明在重慶的城市化過程中，還是靠占用農(nóng)地、林地和草地為主，同時有效的利用了裸地。

4.3 研究區(qū)地表溫度反演

根據(jù)公式3.2-3.4，運(yùn)用輻射傳輸方程法進(jìn)行研究區(qū)地表溫度反演，得到重慶市主城區(qū)地表溫度分布圖（圖3和圖4）。由于兩期遙感影像時間差距較大，不能直接比較溫度的高低。為了客觀劃分城市熱島邊界，本文采用采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法將反演的溫度圖劃分為6個不同的等級[16]，即:特高溫區(qū)(Ts≥μ+std）、高 溫 區(qū) (μ+0.5std≤Ts＜μ+std)、次高溫區(qū)(μ≤Ts＜μ+0.5std)、中溫區(qū)(μ-0.5std≤Ts＜μ)、次中溫區(qū)(μ-std≤Ts＜μ－0.5std)和低溫區(qū)(Ts＜μ-std)。

近17年間，重慶市主城區(qū)特高溫區(qū)和高溫區(qū)域顯著增加，趨勢是沿嘉陵江和長江河谷地帶增加，和建設(shè)用地的增加趨勢保持一致，說明建設(shè)用地所在的區(qū)域為特高溫區(qū)和高溫區(qū)。重慶市在城市化過程中，隨著建設(shè)用地的增加，特高溫區(qū)和高溫區(qū)面積也隨之增加，城市熱環(huán)境效應(yīng)顯著。

為了進(jìn)一步分析重慶市熱島效應(yīng)的時間變化，將各溫區(qū)面積的統(tǒng)計如表3所示：

圖3 2000年重慶市主城區(qū)地表溫度

圖4 2016年重慶市主城區(qū)地表溫度

表3 重慶市主城區(qū)各溫區(qū)面積統(tǒng)計 單位：%

圖5 研究區(qū)各類用地面積比與地表溫度的線性相關(guān)性（2000.2016年）

由表3可知，在2000年，重慶市主城區(qū)的中溫區(qū)面積占比最大，占總面積的39.07%，特高溫區(qū)和高溫區(qū)分別占總面積的13.87%和8.38%；而2016年則是次中溫區(qū)面積占比最大，占總面積的24.92%，特高溫區(qū)和高溫區(qū)分別占總面積的17.13%和13.55%。從2000年到2016年，重慶市主城區(qū)中溫區(qū)面積減少明顯，一共減少21.13%，高溫區(qū)和特高溫區(qū)面積有所增加，分別增加5.17%和3.26%，同時次中溫區(qū)和低溫區(qū)面積也有所增加，分別增加8.7%和3.86%。

4.4 土地利用/覆被比重與地表溫度的相關(guān)性分析

為定量揭示區(qū)域LUCC比重對城市地表溫度的影響，根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，分別在2000年、2016年重慶市主城區(qū)土地利用分類圖上生成1 km×1km單元的矢量網(wǎng)格，共得到網(wǎng)格2144個。并將單元格網(wǎng)圖層與兩期地表溫度圖層進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計每個單元網(wǎng)格的平均地表溫度，同時計算出每個單元網(wǎng)格中土地利用類型的面積所占比重，最后對各類地物的面積比重與地表平均溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，統(tǒng)計結(jié)果見圖（附后）。

圖5中的相關(guān)性曲線與回歸方程顯示，在兩期數(shù)據(jù)中，城市各類地物面積比與地表溫度均具有一定的線性關(guān)系，但相關(guān)性差異較大。其中建設(shè)用地、裸地與地表溫度均為正相關(guān)關(guān)系，而林地、水體、農(nóng)地和草地與地表溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。擬合方程顯示所有地類線性回歸方程均在P＜0.01下呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，說明各土地覆蓋類型對于城市地表溫度變化都有一定的貢獻(xiàn)。2000年與地表溫度相關(guān)性程度最大的地物類型為建設(shè)用地，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.5097；2016年，與地表溫度相關(guān)性程度最大的地物類型同樣為建設(shè)用地，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.5492。對比兩期數(shù)據(jù)，除水體與地表溫度的復(fù)相關(guān)系數(shù)有所降低以外，其余所有用地類型與地表溫度的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2都有所增加。其中草地和林地與地表溫度的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2增幅最大，分別從0.0657增加到0.2804，0.0136增加到0.2263。

5 結(jié)論

本文利用支持向量機(jī)分類法獲取城市土地利用/覆被信息，進(jìn)而定量分析研究區(qū)的土地利用、地表溫度時空演化特征和不同土地利用類型對地表溫度的聯(lián)合影響效應(yīng)，研究結(jié)果表明：

（1）2000-2016年期間，重慶市主城區(qū)土地利用/覆被變化劇烈。其中草地面的急劇減少，共減少838.188Km2，建設(shè)用地和林地面積增加明顯，分別增加 218.6505Km2和 435.771Km2，增幅為168.62%和170%，城市擴(kuò)張主要沿著嘉臨江和長江河谷地帶進(jìn)行。減少的草地主要變成了農(nóng)地、林地和建設(shè)用地，建設(shè)用地的增加則主要來源于裸地、草地和林地，林地的增加主要來源于草地。

（2）2000-2016年期間，重慶市主城區(qū)的高溫區(qū)和特高溫區(qū)面積顯著增加，建設(shè)用地面積的日益擴(kuò)張，升溫效果明顯，是造成城市熱環(huán)境效應(yīng)的主要原因。影響因子相關(guān)性分析顯示，城市中各類地物類型與地表溫度都具有一定的相關(guān)性，但差異性較大。其中，建設(shè)用地、裸地與地表溫度為正相關(guān)，林地、水體、農(nóng)地和草地與地表溫度呈負(fù)相關(guān)。林地和草地與地表溫度的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2大于水體和農(nóng)地，說明林地和草地的降溫效果優(yōu)于水體和農(nóng)地。