大連旅順區(qū)土地利用及地表溫度時空分異研究

劉紅波

（大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116000）

0 引言

伴隨城市化腳步加快，城市空間逐漸向外擴張，在一定程度上滿足了居民日常居住和生活需求。同時，在追求經(jīng)濟增長過程中，難免會引發(fā)生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題。近年來，城市不透水層逐漸增加、綠地減少、CO2排放增加，導(dǎo)致城市氣溫逐漸升高[1，2]。城市熱環(huán)境問題日益顯著，阻礙城市健康發(fā)展。因此，研究城市增長與熱環(huán)境空間特征，對城市規(guī)劃管理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義，逐漸引起眾多學(xué)者的關(guān)注，已成為研究的熱點話題。

城市熱島（UHI）一般是指市區(qū)溫度高于郊區(qū)的現(xiàn)象，Manley[3]在1958 年首次提出。地表溫度作為城市熱環(huán)境研究重要手段，通過遙感影像反演地表溫度技術(shù)日漸成熟，能快速、有效地反映熱環(huán)境問題。當(dāng)前，城市熱環(huán)境研究集中在數(shù)據(jù)、算法、因素、模擬等方面[4，5]。如覃志豪[6]以TM 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過計算地表輻射率、大氣透射率等，進行溫度反演；岳文澤[7]以上海為例，采用SPOT 遙感影像，研究各類型用地景觀特征與地表溫度的聯(lián)系；楊俊[8]以大連市城區(qū)為例，分析城市綠地時空特征，并探討其與熱環(huán)境的差異。同時，為便于分析城市熱島，Oke 等[9]通過對下墊面和建筑高度進行不同組合，將其劃分為17 種類型，即局部氣候分區(qū)（Local Climate Zone, LCZ）。局部氣候分區(qū)為城市熱環(huán)境研究提供了便利，打破傳統(tǒng)對于城市熱島城鄉(xiāng)邊界劃分模糊的問題[10]。因此，通過研究城市用地與熱環(huán)境對合理規(guī)劃城市空間有著重要意義。鑒于此，本文以大連旅順區(qū)為例，以兩期土地利用及遙感影像為基礎(chǔ)，采用GIS 空間統(tǒng)計方法，探討土地利用與城市熱環(huán)境的時空分異規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文以旅順區(qū)2005 年和2016 年兩期土地利用及遙感影像為基礎(chǔ)，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理工作，如幾何糾正、大氣校正、投影變換等。其中，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2017）將土地利用劃分為耕地、建設(shè)用地、林地和草地（林草用地）、園地、水域及水利設(shè)施用地（水域）、其他用地6 種類型[11]。Landsat 遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），影像日期為9 月份，云量少于10%。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是分析各用地類型間相互進行轉(zhuǎn)化的重要方法，廣泛應(yīng)用于分析土地利用變化[11]。具體公式表達如下：

式中，S 表示面積；n 表示用地類型；i、j 分別表示初期和末期的用地類型。

1.2.2 地表溫度反演。目前，通過熱紅外遙感反演地表溫度主要集中于普朗克黑體輻射定律、維恩位移定律及輻射傳輸方程和大氣校正等方法。本文選用單窗算法，采用Band 6（Landsat 5）和Band 10（Landsat 8）進行地表溫度反演[12]。

2 結(jié)果分析

2.1 土地利用演變特征

旅順區(qū)用地類型主要以建設(shè)用地和林草用地為主，耕地和園地次之，水域和其它用地面積最少。其中，建設(shè)用地在空間分布上呈零散狀態(tài)；林草用地在空間分布上呈集聚狀態(tài)，主要集中分布在西南和東南地區(qū)，如龍王塘村、黃泥川村、鎮(zhèn)全寺村及柏嵐子村等。2005 年建設(shè)用地和林草用地面積分別為133.89 km2、233.67 km2；到2016 年，建設(shè)用地和林草用地面積分別為143.40 km2、219.46 km2，建設(shè)用地和林草用地分別增加和減少了9.51 km2、14.27 km2。

由表1 可知，2005-2016 年旅順區(qū)各類型用地間進行了一定轉(zhuǎn)化。2005-2016 年，建設(shè)用地增加了9.51 km2，其中，耕地、林草、園地分別向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移了12.33 km2、13.99 km2、6.87 km2。 林 草 用 地 減 少14.27 km2，分別向耕地、建設(shè)用地、園地轉(zhuǎn)移了9.57 km2、13.99 km2、7.48 km2。耕地面積減少了4.5 km2，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、林草用地及園地，分別轉(zhuǎn)移了12.33 km2、6.62 km2、5.06 km2。水域及水利設(shè)施用地面積增加了13.19 km2，其中其他用地向其轉(zhuǎn)移6.25 km2。

表1 2005-2016 年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 地表溫度時空分異

旅順區(qū)地表溫度高值區(qū)主要集中分布在中部和西南地區(qū)，包含水師營村、小南村、西溝村、付家甸村及韓家村等。低值區(qū)主要包含白嵐子村、袁家溝村、大石坎子村及鎮(zhèn)全寺村等。2005-2016 年，地表溫度高值區(qū)的面積逐漸增加，由中部地區(qū)向周圍擴散。

2.3 各用地類型與地表溫度特征

本文采用GIS 空間統(tǒng)計方法，統(tǒng)計各用地的地表溫度最大值、最小值和平均值（圖1）。由圖1 可知，各類型用地的地表溫度存著一定差異。其中，建設(shè)用地和耕地地表溫度值最高，園地和其他用地次之，水域和林草用地值最低。在2005 年，建設(shè)用地最高值為34.38℃，平均值為27.32℃；到2016 年，建設(shè)用地的最高值為40.34℃，增加了5.96℃；平均值為28.68℃，增加1.36℃。11 年間，耕地平均溫度提高了1.26℃，其他類型用地提高2.22℃。

圖1 各用地類型地表溫度統(tǒng)計（a. 2005 年，b. 2016 年）

3 結(jié)論與討論

本研究以旅順區(qū)為例，以兩期土地利用和遙感影像為基礎(chǔ)，采用單窗算法對地表溫度反演，探討土地利用和地表溫度時空分異，并分析各類型用地地表溫度。結(jié)果表明：

（1）旅順區(qū)2005-2016 年，土地利用發(fā)生了較大轉(zhuǎn)變。建設(shè)用地、水域和園地分別增加了9.51 km2、13.19 km2、3.36 km2；耕地、林草地及其他用地面積呈減少狀態(tài)，面積分別減少了4.50 km2、14.21 km2、7.32 km2。

（2）2005-2016 年，旅順區(qū)地表溫度呈增加狀態(tài)。地表溫度高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的中部，低值區(qū)主要分布在研究區(qū)的西南、西北及東南地區(qū)，即多分布在研究區(qū)的邊緣地帶。各用地類型的地表溫度有較大差異，建設(shè)用地和其他用地地表溫度較高，耕地和園地次之，林草和水域最低。