大同市主城區(qū)熱島效應(yīng)及土地利用時空變化分析

石佳璐，常月明

（內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010022）

0 引言

研究城市熱島效應(yīng)可以有效地了解城市熱環(huán)境變化，為改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供依據(jù)。目前，城市熱島的時空變化特征、模擬、預(yù)測和影響機制等內(nèi)容是國內(nèi)外學(xué)者的主要研究方向。同時，國內(nèi)外學(xué)者在土地利用變化與城市熱島效應(yīng)的關(guān)系方面也有較多的研究成果。例如，周小康等基于國家氣象信息中心351個自動氣象站提供的2016年北京市逐小時自動氣象觀測數(shù)據(jù)，探究了北京市熱島24小時移動路徑與空間分布格局特征并分析了熱島逐小時變化與土地覆被的關(guān)系［1］。劉航等基于Landsat 系列影像數(shù)據(jù)，研究了2004—2015 年近10 年武漢市11個轄區(qū)城市熱島效應(yīng)動態(tài)變化特征及熱島效應(yīng)與土地利用變化的關(guān)系，并指出建筑用地面積的增加是城市熱島強度面積擴張的重要影響因素［2］。熊曉峰等基于2003—2018 年長時間序列MODIS 地表溫度和土地利用數(shù)據(jù)對長三角城市群地表覆蓋與城市熱島時空演變規(guī)律進行了研究［3］。上述已有的研究區(qū)域大多是經(jīng)濟發(fā)達的大都市或城市群，但對于一些經(jīng)濟比較落后的小城市研究甚少。

大同市不僅是山西省第二大城市經(jīng)濟體，同時也是首都北京的西大門。近年來，大同市城市化進程加快，城市熱島效應(yīng)顯著，導(dǎo)致城市生態(tài)環(huán)境變差。這不僅會影響大同市的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展，也可能對北京市的人居環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)功能產(chǎn)生一定的負面影響［4］。因此，本文利用2004—2019近15 年的Landsat 系列數(shù)據(jù)，對大同市主城區(qū)城市熱島效應(yīng)及土地利用時空變化特征進行探討，以期改善大同市熱島效應(yīng)，為大同市城市規(guī)劃及城市生態(tài)環(huán)境保護提供更科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概述

大同市是山西省第二大城市，被譽為三晉北方的門戶、首都北京的屏障，位于山西省最北端，處于晉冀蒙三省區(qū)交界處，地處黃土高原東北邊緣。區(qū)域氣候條件屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長且寒冷干燥，夏季短暫且溫?zé)岫嘤?，春秋涼爽，溫差較大，年平均氣溫5.5℃；降水主要集中在7—8 月。本文研究區(qū)選取大同市主城區(qū)，（即2018年行政區(qū)劃）平城區(qū)、云崗區(qū)、新榮區(qū)、云州區(qū)，總面積為3 578km2（圖1）。本區(qū)域不僅能反映出大同市城市熱島效應(yīng)時空分布特征，也能一定程度上反映出大同市整體不同土地利用類型變化趨勢。

圖1 研究區(qū)域位置Figure 1 Location of study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究所選取的遙感影像數(shù)據(jù)包括Landsat5 TM 和Landsat8 OLI/TIRS，采用5 年為一期的2004-2019近15年的遙感影像數(shù)據(jù)，通過地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）獲取。為了消除季節(jié)變化、植被變化、云層等因素對地表溫度反演的影響，確保反演結(jié)果的客觀性和可比性［5］，選取2004、2009、2015、2019年8—10月四期無云、晴朗的高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)，具體影像日期分別為2004年8月5日、2009年9 月20 日、2015 年8 月4 日、2019 年8 月31 日。以氣象數(shù)據(jù)為輔助數(shù)據(jù)。

使用遙感影像專業(yè)處理軟件ENVI5.3進行輻射定標(biāo)、大氣校正和影像裁剪，得到研究區(qū)域預(yù)處理后圖像。

2.2 地表溫度反演

基于Landsat 系列數(shù)據(jù)的地表溫度反演算法主要有以下3 種，大氣校正法、單窗算法和分裂窗算法［6］。本文根據(jù)所用遙感數(shù)據(jù)的特性和適配性，選擇了一種經(jīng)過驗證的高精度的大氣校正方法，通過獲取影像成像時的地表比輻射率參數(shù)和大氣剖面參數(shù)，進而建立大氣校正反演模型。具體步驟參照文獻［7］。

2.3 熱島強度分級

地表溫度受多種因素的影響，不同影像獲取條件、獲取環(huán)境和獲取時間下的地表溫度數(shù)值并不能直接比較，且單純比較不同時期的地表溫度數(shù)值并不能準(zhǔn)確反映地表溫度的相對時空變化特征。因此，為了更好地分析大同市主城區(qū)的熱島現(xiàn)象及其時空演變特征，本文采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法對反演得到的地表溫度進行熱島強度的分級劃分［8］。具體的劃分方法見表1。

表1 熱島強度等級劃分及劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification of heat island intensity levels and classification criteria

2.4 土地利用分類與變化分析

根據(jù)已有的土地利用分類原則，并結(jié)合Landsat5 TM、Landsat8 OLI/TIRS 遙感影像數(shù)據(jù)的分辨率和大同市土地利用的實際情況，將大同市主城區(qū)土地利用型劃分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地和水域5大類。再運用監(jiān)督分類法中的支持向量機算法（SVM）對土地覆蓋進行監(jiān)督分類，獲得4期土地利用分類圖。最后，本研究利用4期的歷史谷歌地球影像作為驗證數(shù)據(jù)，使用混淆矩陣法對最終的解譯結(jié)果進行了精度驗證［9］。總體解譯精度介于89.22%～93.14%，Kappa系數(shù)在0.89 以上，滿足研究需求。

土地利用動態(tài)度是指在一定時期內(nèi)，土地利用類型的面積變化量與初始面積之比，反映其在該時期內(nèi)的變化程度［10］。土地利用動態(tài)度的絕對值越大，表明土地利用類型的變化越劇烈，反之則變化越平緩。計算公式：

式中：K為土地利用類型動態(tài)度，%；Ua表示某一土地利用類型在研究時段起始時刻的面積，km2；Ub表示某一土地利用類型在研究時段終止時刻的面積，km2；T為研究時長，a。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表溫度反演結(jié)果及精度驗證

3.1.1 地表溫度反演結(jié)果

統(tǒng)計大同市主城區(qū)4期遙感影像地表溫度反演結(jié)果，如表2 所示。

表2 2004—2019 年地表溫度反演特征值Table 2 Characteristic values of surface temperature inversion from 2004 to 2019 ℃

地表溫度反演結(jié)果顯示：大同市主城區(qū)2019年地表溫度均值最高，為32.47℃；2009 年地表溫度均值最低，為15.81℃。除2009 年受天氣背景影響，大同市主城區(qū)的地表溫度各指標(biāo)都比較低。在其余整個時間段內(nèi)，大同市主城區(qū)的地表溫度各指標(biāo)變化趨勢保持逐年遞增，說明城市熱島效應(yīng)逐年加劇。

3.1.2 地表溫度反演驗證

本文由于受到實驗條件的限制，無法采用儀器測量的方法獲取地表溫度來驗證反演結(jié)果的精度，但根據(jù)已有的文獻研究，可以通過對比影像獲取時的氣象站氣溫數(shù)據(jù)來評估反演結(jié)果的可靠性［11］。查詢大同市氣象站資料，2004/8/5、2009/9/20、2015/8/4、2019/8/31 當(dāng)日平均氣溫分別為22℃、13℃、24℃、26℃。結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用大氣校正法反演得到的2004—2019 年的地表溫度均值與氣象站測得的平均氣溫變化趨勢基本一致（圖2）。因此，利用大氣校正法算法反演地表溫度可行性強，結(jié)果準(zhǔn)確性高。

圖2 2004—2019年地表溫度反演驗證Figure 2 Validation of surface temperature inversion from 2004 to 2019

3.2 城市熱島效應(yīng)時空分布與分析

為了更好的討論地表溫度的時空變化情況，對地表溫度反演結(jié)果進行熱島強度分級，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 2004—2019年熱島強度分級Figure 3 Heat island intensity classification from 2004 to 2019

同時對不同熱島強度的區(qū)域進行面積上的計算和統(tǒng)計，所得統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。

圖4 各年份不同熱島區(qū)域面積占比Figure 4 Percentage of area of different heat island regions by year

由2004—2019 年熱島強度分級（圖3）可以看出，大同市主城區(qū)熱島現(xiàn)象明顯，主要分布在各區(qū)的城鎮(zhèn)化區(qū)域。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的推進，熱島面積在逐步擴大，增加最明顯的區(qū)域是云崗區(qū)、新榮區(qū)和云州區(qū)。從4個時期熱島強度等級空間分布格局看，大同市主城區(qū)熱島強度具有顯著的空間差異，在城區(qū)建設(shè)用地密集的區(qū)域，因地表類型多為人工建筑或水泥混凝土路面，極易形成強熱島區(qū)；而大同市主城區(qū)草地周圍多為建設(shè)用地，因建設(shè)用地產(chǎn)生了大量的人工熱量和空氣污染，增加了城市大氣空間的熱量，進而影響了草地的散熱條件，使其成為強熱島區(qū)和熱島區(qū)域；在城市周邊地區(qū)有大量的耕地分布，加之河流流經(jīng)地區(qū)，存在一定寬度的強冷島、冷島和中間區(qū)域。從各年份不同熱島區(qū)域面積占比（圖4）來看，大同市主城區(qū)各期均以中間區(qū)域的占比最大，占比超過40%，其余四種熱島類型占比分布比較均勻。從2004—2019年，強熱島和熱島區(qū)域在總土地面積中的占比呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。其中2004—2009年，強熱島和熱島區(qū)域占比迅速上升，由26.26% 增加到29.78%，增加了3.52%，這與2000 年以后快速的城市擴建造成的城市用地面積增加有關(guān)。2009—2019 年強熱島和熱島區(qū)域占比的上升速度相對平緩，由29.78%增加到30.33%，僅增加了0.55%，增幅極小，這與2000—2005 年大同市城市建設(shè)基本飽和，滿足人口居住需求，以及2005年以后國家倡導(dǎo)的生態(tài)文明城市建設(shè)有關(guān)。中間區(qū)域占比呈現(xiàn)波動趨勢，但變化幅度不大，占比從2004 的45.23%增加到2009 的47.51%，再減少到2015 年的40.12%，最后繼續(xù)增加到2019年的42.60%，總體來看從2004—2019 年減少了2.53%。強冷島和冷島區(qū)域占比也呈現(xiàn)小幅度的波動趨勢，逐年與中間區(qū)域面積變化趨勢相反，由2004 年的28.51%增加到2019 年的27.07%，減少了1.44%。這說明城市擴張導(dǎo)致了強冷島、冷島和中間區(qū)域轉(zhuǎn)化為強熱島、熱島區(qū)域。

3.3 土地利用類型變化統(tǒng)計與分析

通過對研究區(qū)2004 年、2009 年、2015 年和2019年4 期遙感影像解譯，獲得4 個時期的土地利用分類圖（圖5）。運用ArcGIS軟件對土地利用分類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到研究時段內(nèi)土地利用類型面積及占比情況表（表3），并分別計算不同時期研究區(qū)的土地利用面積變化及動態(tài)度（表4）。

表3 2004—2019年土地利用類型面積及占比情況Table 3 Area and percentage of land use types from 2004 to 2019

表4 2004—2019年土地利用變化及動態(tài)度Table 4 Land use changes and dynamics from 2004 to 2019

圖5 2004—2019年土地利用分類圖Figure 5 Land use classification from 2004 to 2019

從2004—2019 年土地利用分類圖（圖5）和表3中可知，大同市主城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)以耕地和草地為主，總面積占比超過80%。15年期間大同市主城區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)總體變化情況：從2004—2019 年，耕地在總土地面積中的占比呈現(xiàn)下降的趨勢，減少的區(qū)域主要在云崗區(qū)、新榮區(qū)和云州區(qū)的西部。具體來說，2004—2009 年耕地占比下降速度迅速，從50.28%下降到34.03%，下降了16.25%，這與2000年我國正式實施的退耕還林、還草政策和快速的城市擴建占用了大量耕地有關(guān)；2009—2015 年耕地占比的下降速度相對平緩，從34.03%下降到33.52%，下降了0.51%；2015—2019 年耕地占比上升，從33.52%上升到39.65%，上升了6.13%，這主要是因為我國一直致力于保護耕地和基本農(nóng)田，耕地保護措施和法律法規(guī)逐漸完善，使得耕地面積開始增加。草地面積占比呈上升趨勢，與耕地的面積變化趨勢正好相反，從2004 年的40.34%到2019 年的42.76%，增加了2.42%，增加的區(qū)域主要是云州區(qū)。林地面積占比呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢，面積占比從2004 年的68.59 km2增加到2009 年的115.81 km2，再到2015 年的125.66 km2，最后到2019 年的132.75 km2，增加的區(qū)域主要是新榮區(qū)和云州區(qū)。建設(shè)用地面積占比也呈現(xiàn)逐年持續(xù)上升的趨勢，從2004年的6.15%增加到2009 年的7.40%，再到2015 年的12.08%，最后到12.78%，增加了6.63%，增加的區(qū)域主要是云崗區(qū)。水域的面積占比最小，其占比呈現(xiàn)小幅度的波動趨勢，從2004 年的1.30%減少到2009年的0.54%，再增加到2015 年的0.79%，繼續(xù)增加到2019 年的1.08%，這與近年來國家對濕地的保護政策有關(guān)。

從2004—2019年土地利用變化及動態(tài)度（表4）來看，2014—2020 年這15 年間，大同市主城區(qū)的建設(shè)用地、林地和草地面積在增加。土地變化程度由大到小依次為建設(shè)用地＞林地＞耕地＞水體＞草地。

3.4 不同土地利用類型地表溫度統(tǒng)計分析

利用ArcGIS 軟件將2004、2009、2015和2019年土地利用分類圖與對應(yīng)的地表溫度反演結(jié)果圖，采用空間疊加分析方法，比較不同土地利用類型下的地表溫度均值，探究土地利用類型變化對地表溫度分布的影響機制［12］，結(jié)果如圖6所示。

圖6 各年份不同土地利用類型的平均地表溫度Figure 6 Mean surface temperature for different land use types by year

由圖6可知，整體上，2009年大同市主城區(qū)各類土地利用類型溫度最低，這是由于2009/9/20當(dāng)日氣溫很低。除2009 年以外，從2004—2019 年各種土地利用類型溫度均呈增加的趨勢，這是由于城鎮(zhèn)化的發(fā)展，建設(shè)用地逐步增加，更多的耕地轉(zhuǎn)化為不透水面。不同土地利用類型的地表溫度受其下墊面的熱物理特性和熱動力過程的影響，呈現(xiàn)出明顯的時空差異。根據(jù)研究區(qū)域的五種土地利用類型，其平均地表溫度由高到低依次為城鎮(zhèn)建設(shè)用地、草地、耕地、林地和水域，主要原因在于不同土地利用類型下墊面的反照率、熱容、蒸發(fā)和蒸騰等熱屬性存在差別。城鎮(zhèn)建設(shè)用地屬于不透水面，其下墊面主要由水泥、瀝青等高熱容、低反照率的材料構(gòu)成，具有較低的水分蒸發(fā)和植被蒸騰作用，同時由于城市人口密集，人為熱源和污染物排放較多，導(dǎo)致地表能量收支失衡，形成“熱島”效應(yīng)［13］；草地、耕地、林地屬于透水性較好的植被，下墊面主要是土壤，透水性較好，散熱性較好，不利于熱量的存儲，因此地表溫度較低；水體是透水性最好的，因此地表溫度最低。因此，增加植被的種植面積和水域面積會降低城鎮(zhèn)發(fā)展引起地表溫度升高的影響。

4 結(jié)論

基于2004 年、2009 年、2015 年和2019 年大同市主城區(qū)的Landsat系列衛(wèi)星遙感影像，采用大氣校正模型反演了研究區(qū)的地表溫度，進而分析了大同市主城區(qū)的熱島現(xiàn)象與土地利用時空變化特征。研究表明：

1）利用大氣校正法反演地表溫度的結(jié)果與氣象站的溫度資料相差不大，能夠反映地表溫度分布的實際情況。除2009年受天氣背景影響，大同市主城區(qū)的地表溫度各指標(biāo)都比較低。在其余整個時間段內(nèi)，大同市主城區(qū)的地表溫度各指標(biāo)變化趨勢保持逐年遞增，說明城市熱島效應(yīng)逐年加劇。

2）大同市主城區(qū)各期整體上均以中間區(qū)為主，其余四種熱島區(qū)域分布比較均勻。隨著時間的推移，大同市主城區(qū)存在明顯的熱島效應(yīng)，強熱島和熱島區(qū)域面積逐年擴大，增加最明顯的區(qū)域是云崗區(qū)、新榮區(qū)和云州區(qū)，這主要與城市建設(shè)用地的擴展有關(guān)。但隨著國家發(fā)布的一系列生態(tài)保護政策，近年來大同市城市熱島趨勢減緩。

3）大同市主城區(qū)4期土地利用類型均以耕地和草地為主，兩者占總面積的比例超過80%，其次是建設(shè)用地，林地和水體相對較少。從2004—2019年的15 年間，建設(shè)用地、林地和草地面積的均呈增加的趨勢，而水體和耕地的面積則在逐漸減少，土地利用變化程度由大到小依次為建設(shè)用地＞林地＞耕地＞水體＞草地。

4）大同市主城區(qū)4期各種土地利用類型的平均地表溫度依次為建設(shè)用地＞草地＞耕地＞林地＞水域。受天氣背景影響，2009 年各類土地利用類型溫度為4 期中最低，然而，在剩余年份，隨著時間的推移，各種土地利用類型的平均地表溫度呈逐漸上升的趨勢。