基于多源遙感數(shù)據(jù)的城市熱環(huán)境響應

本文以哈爾濱市9個城區(qū)為研究對象，探討了2000年至2020年間哈爾濱城市空間擴展對熱環(huán)境的響應情況。首先，介紹了研究區(qū)的概況，包括地理位置、城市特征等。然后，詳細描述了利用Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取的相關影像資料，用于分析城市熱環(huán)境的變化。通過對城市不同區(qū)域的熱環(huán)境變化趨勢進行比較，揭示了城市內(nèi)部熱環(huán)境的空間異質(zhì)性，為城市規(guī)劃和環(huán)境管理提供了科學依據(jù)。

一、引言

哈爾濱作為東北地區(qū)重要的城市之一，其熱環(huán)境變化對城市發(fā)展和居民生活有著直接影響。對城市熱環(huán)境的響應進行研究，可以深入了解城市發(fā)展與環(huán)境變化之間的關系，為城市規(guī)劃和建設提供科學依據(jù)。哈爾濱地處寒冷地區(qū)，熱島效應與城市擴展之間的關系具有一定特殊性。研究城市空間擴展對熱環(huán)境的影響，有助于揭示城市在不同季節(jié)和氣候條件下的熱環(huán)境演變規(guī)律，為城市的生態(tài)環(huán)境保護和氣候適應性建設提供理論支持。哈爾濱作為典型的工業(yè)城市，其工業(yè)發(fā)展對熱環(huán)境的影響也不可忽視。通過研究城市熱環(huán)境響應，可以評估工業(yè)活動對城市熱環(huán)境的負面影響，并提出相應的環(huán)境保護措施，促進工業(yè)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。哈爾濱城市的空間結(jié)構和土地利用模式也在不斷變化，城市擴展對周邊自然環(huán)境和農(nóng)田的影響日益突顯。

二、研究地區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

（一）研究地區(qū)概況

哈爾濱地處中國東北，地理位置重要，是中國向東開放的門戶城市之一。城市面積約56311平方公里，轄區(qū)包括道里區(qū)、南崗區(qū)、道外區(qū)、香坊區(qū)、平房區(qū)、松北區(qū)、呼蘭區(qū)、阿城區(qū)、雙城區(qū)、依蘭縣、方正縣、賓縣、巴彥縣、木蘭縣、延壽縣等。

（二）Landsat 遙感影像數(shù)據(jù)

本研究利用美國Landsat系列衛(wèi)星（Landsat 5 TM和Landsat 8 TIRS/OLI）提供的遙感數(shù)據(jù)，覆蓋2000年、2008年、2014年和2020年的地理空間影像。影像獲取時間在7月至9月，以盡可能減少降雨、季節(jié)和植物生長等因素對影像的影響。其中，2000年和2008年的影像采用Landsat 5 TM數(shù)據(jù)， 2014年和2020年的影像采用Landsat 8 TIRS/OLI數(shù)據(jù)。

三、哈爾濱城市空間擴展的熱環(huán)境響應效應分析

（一）總體耦合態(tài)勢分析

該研究以多個時間段的夜間燈光數(shù)據(jù)為基礎，旨在探究城市燈光和熱力的重心，以及熱島的演變情況。這些重心的移動在很大程度上反映了城市空間擴展與熱島變化的遷移情況。通過分析2000年至2020年期間哈爾濱市地表溫度與夜間燈光的重心移動軌跡，發(fā)現(xiàn)夜間燈光和地表溫度的重心呈現(xiàn)出“同向而行”的趨勢。這一現(xiàn)象主要受到西北部地區(qū)（如松北區(qū)、呼蘭區(qū)等）市轄區(qū)的快速擴張的影響。這些地區(qū)的迅速擴張帶動了夜間燈光重心先向東移動，然后向北移動，最終向西移動，總體上呈西北方向移動。與此同時，西北部地區(qū)城鎮(zhèn)的迅速發(fā)展也導致了地表溫度重心向西北方向轉(zhuǎn)移。因此，夜間燈光和地表溫度的重心一直以來都呈現(xiàn)出“同向而行”的特征。

（二）協(xié)調(diào)性分析

本研究采用協(xié)調(diào)性模型模擬2000～2008年、2008～2014、2014～2020年三個時間尺度上的城市夜間照明和地面溫度的協(xié)同關系。將協(xié)調(diào)模型劃分為良好協(xié)調(diào)、初級協(xié)調(diào)、中級協(xié)調(diào)、輕度協(xié)調(diào)、勉強協(xié)調(diào)五種類型。從數(shù)據(jù)分析來看 “良好協(xié)調(diào)”模式在2000～2008年的比例最高，達到33.82%，各種“協(xié)調(diào)”的分布比較平衡；初級協(xié)調(diào)類型的比例在2008～2014年為65.93%，良好協(xié)調(diào)類型的比例最低，只有0.49%；在2014～2020年，初級協(xié)調(diào)型的比例最高。

結(jié)合圖1發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)遞增模式多發(fā)生在快速擴張的新建用地地區(qū)，其土地利用強度、土地利用效率都很高，而在城區(qū)則表現(xiàn)出明顯的協(xié)同效應。而中度失調(diào)類型多發(fā)生于山地森林、遠離城鎮(zhèn)的水體及局部草原等區(qū)域，其下墊面的熱環(huán)境特征較為穩(wěn)定，且受人類活動影響不大。在城市空間擴張的同時，一些地區(qū)出現(xiàn)了“升溫滯后—協(xié)調(diào)型—升溫超前”的轉(zhuǎn)變。在城市擴張的早期，非點源地表溫度對地表溫度的作用具有滯后效應，但當熱島效應增強時，地表溫度上升會加快，出現(xiàn)協(xié)同增強的現(xiàn)象。

（三）局部空間自相關分析

利用Open GeoDa軟件，研究夜間照明和地面溫度雙參量在空間上的聚集度及特定的聚集范圍。研究結(jié)果表明，該區(qū)域具有“高-高（H-H）”集聚特征，“低-低（L-L）”集聚特征，“低-高（L-H）”集聚特征，以及“高-低（H-L）”集聚特征。

四、總結(jié)

本研究基于多源遙感數(shù)據(jù)，探討了哈爾濱城市空間擴展對熱環(huán)境的響應效應。首先，介紹了研究區(qū)的概況，包括地理位置、城市特征等，并說明了使用的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)來源。隨后，通過分析城市空間擴展與熱環(huán)境的總體耦合態(tài)勢，表明城市發(fā)展與熱環(huán)境變化存在相關關系。在此基礎上，通過城市空間擴展與熱環(huán)境的協(xié)調(diào)性分析，評估了城市發(fā)展對熱環(huán)境的影響程度。最后，利用局部空間自相關分析方法，深入研究了城市內(nèi)部不同區(qū)域的熱環(huán)境空間格局特征，為進一步理解城市熱環(huán)境變化提供了科學依據(jù)。本研究通過多角度、多層次地分析城市空間擴展對熱環(huán)境的影響，為城市規(guī)劃和環(huán)境管理提供了重要參考和支持。

作者單位：偉志股份公司