土地利用类型及格局的热环境效应——以许昌县为例

殷学永，袁胜元

(许昌学院城乡规划与园林学院，河南许昌461000)

随着城市化进程的加快，城市问题日益突出．自从城市“热岛效应”概念提出后，越来越多的学者开始对城市热环境进行研究．城市热环境是城市生态环境状况的综合体现，它是在地表的物理性质和人类社会经济活动的双重影响下产生的一种城市现象［1］．土地利用方式的不同直接引起了地表覆盖状况的差异，不同土地利用类型对地表的覆盖状况有着显著地影响，表面覆盖有建筑群、公路、铁路等较多吸收太阳辐射能量的城市区域影响着整个城市的热力循环，造成城市热环境中产生大量的热量聚集在某一区域，对城市的生活造成不同方面的影响，即城市热岛效应［2］．近些年来，全球气温的逐渐增高和高速城市化进程的不断加快，致使城市热环境效应愈演愈烈，城市问题不断滋生．城市热环境被认为是主导整个城市环境的要素之一，其对城市的生态环境、空气质量、能源消耗等方面已产生深远影响．城市的发展扩张与热环境效应有着不可分割的关系，在很大程度上改变了城市地域下垫面的热力学特征，对全球温度的升高也有一定的影响．城市热环境效应产生的内在驱动力是土地利用与土地覆被的变化，从土地利用的角度来研究城市热环境效应是解决城市环境问题的关键．而已有研究多是基于不同土地利用类型与热环境的研究［3-7］，涉及到的土地利用空间格局只是单一土地利用类型或某种指数，没有考虑到不同土地利用类型间的组合对热环境影响之间的关系问题．在城市化进程中引发了一系列城市生态环境问题，其中比较突出的就是城市热环境效应，影响着人们的生活水平和城市的健康发展，研究城市热环境效应问题势在必行．

1 研究区概况

许昌县位于整个河南省的中部地区，四面环抱魏都区，总面积1 002 km2．西临黄淮海平原，北距河南省省会城市郑州87 km，素有“九州腹地，十省通衢”之称．自然条件优越，属暖温带季风区，气候温和，光照充足，雨量充沛，无霜期长，四季分明．年平均气温度14．7度，日照2 280 h，年降水量579 mm，无霜期217天．

2 研究内容和方法

选取了两景不同时期的遥感影像，通过建立适合本研究的土地利用分类系统，并运用计算机自动分类和人工目视解译相结合的手段，得出不同年份的土地利用图，进而分析不同时期土地利用类型的空间格局变化．运用单窗算法反演不同年份许昌市地表温度，分析地表温度的空间分布及时间变化特征．将土地覆盖类型变化特征与地表温度特征进行关联分析，以期找到不同年份许昌市地表温度空间分布特征与下垫面性质的关系．本研究的技术流程如图1所示．

3 数据处理与分析

3．1 土地利用分类

利用1988年和2007年许昌市的遥感影像，进行监督分类，最终将许昌市土地类型划分为林地、建设用地、耕地、水体和未利用土地五种类型．根据监督分类结果计算不同土地利用类型的面积，如表1所示:(1)耕地、水体、未利用土地面积逐年减少．耕地从1988年的900．44 km2减少到2007年的723．95 km2，以每年1．14%的速度递减;水体从1988年的9．41 km2减少到2007年的9．19 km2，以每年0．01%的速度递减;未利用土地从1988年的0．49 km2减少到 2007 年的 0．24 km2，以每年 0．01% 的速度递减．(2)林地、建设用地面积逐年增多．林地面积从1988年的25．36 km2增加到2007年的123．79 km2;建设用地从1988年的147．66 km2增加到2007 年的 217．19 km2．

近年来，许昌市城市化进程的加快，城市用地逐渐向耕地延伸．随着人们环境意识的增强，林地面积不断扩大．许昌林地面积的扩大应归功于政府的政策，2005年正式开展创建国家森林城市的工作，到2007年许昌城市森林覆盖率达到33．5%．1988年到2007年建设用地的范围明显扩大，城市逐步向四周扩散，向东、向北发展的速度尤为突出，城市四周的林地也明显增加．

图1 技术流程图

表1 土地利用类型面积 (km2)

3．2 地表温度反演

地表温度的高低直接影响着当地城市的热环境效应，因此文章利用地表温度来代表城市热环境的特征．自然界中所有物质只要温度高于绝对温度，时刻都向外辐射能量，这种辐射称为热辐射．这是地物自身内部分子热运动和吸收外来辐射所产生的辐射能量．地表辐射能量主要来自于太阳辐射和大气逆辐射后的再发射．在利用热红外波段反演地表温度时，就必须认识到地表热辐射量的物理机理和热辐射规律性．物体自身的性质与温度决定其辐射强度．同时，实际物体的辐射还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关．而比辐射率恰是一个表征随材料性质及表面状态变化的辐射系数．热红外遥感传感器瞄准被测目标的时候，所接收到的信号包括两部分，一部分是被测物体发射的热辐射，另一部分是由于地物的比辐射率而对环境辐射产生反射电磁波，这两部分的能量总和构成了辐射亮温．对于非黑体而言，由于其辐射亮度受自身比辐射率的影响，可以认为比辐射率是联系亮温与真实温度的桥梁［8］．

为了获取城市的地表温度，需要得到NDVI、地表比辐射率、辐射亮度、辐射亮温这些数据．目前基于TM6反演地表温度的方法有三种:辐射传输方程法、覃志豪单窗算法和普适性单通道算法．辐射传输方程法由于需要实时大气剖面数据，难以获取，因而实际应用较少．覃志豪单窗算法和普适性单通道算法相对简单、易于操作，因而被广泛的使用和对比，但多局限于城市夏季热岛效应的效果对比研究［9-12］．文章采用辐射传输方程法来提取城市的地表温度．计算地表温度的公式:Ts=Tk/［1+(λTk/θ)lnε］．其中，Ts为地表温度，Tk为辐射亮温，λ 为波段有效波长，文章取热红外波段的平均值，θ=h×c/δ(δ是波尔兹曼常数，h是普朗克常数，c是光速)，ε为比辐射率．

3．3 地表温度的时空分布

将1988年和2007年的地表温度图标准化，如图2和图3．可以明显地看出，城市中心地区的地表温度明显高于周围地区，而且2007年的热环境效应比1988年更加强烈，热环境效应影响的范围扩大．1988年城市的热环境效应明显的区域主要存在于城市中心、居民用地，该地建筑较多，人口密集、绿地较少，居民生活所排放的热源以及周边的工厂日常排放的大气污染物增加了大气中的温室气体，导致城市热环境效应更加严重．到了2007年，城市的热环境效应明显向外扩散，除了以上的两个地方，清潩河以东和魏都区以北的区域的热环境效应变化的最为明显．由于魏都区城市建设向东的发展，大量的耕地被占用，建筑物、道路的修筑迫使原来的植被减少，导致蒸腾蒸发作用的减弱，城市内部的热量难以向外扩散，导致该区域的热环境效应显著．

图2 1988年地表温度的变化

图3 2007年地表温度的变化

3．4 不同土地利用类型地表温度的差异与分析

将地表温度分布图叠加到土地利用图中，根据不同土地利用的类型，将它们的地表温度的平均值、最大值、最小值和标准差提取出来，有关结果如表2所示．

表2 不同土地利用类型地表温度(℃)比较

从表2可以看出:(1)从1988年到2007年，各种土地利用类型的地表温度的排序依次为:建设用地＞未利用土地＞耕地＞水体＞林地．建设用地的地表的温度最高，林地的地表温度最低;(2)2007年的各种土地利用类型的平均地表温度，比1988年同时期的温度都有所增加，有明显的上升趋势．耕地增加了2．47℃，林地增加了3．90℃，建设用地增加4．15℃，水体增加2．33℃，未利用土地增加4．03℃;(3)所有土地利用类型中，建设用地的地表温度在这期间变化最大，城市热岛效应越来越明显．水体的变化最小，但由于受到周围热环境的影响，也呈现出增长的现象;(4)1988年到2007年，同一土地利用类型的的表面温差最大的是建设用地，这表明建设用地的扩张，是城市热环境影响加剧的的主导因素;林地的温度变化较小，对城市热岛效应有一定的抑制作用．

4 结语

文章对TM遥感影像数据运用辐射传输方程的方法，反演了许昌县的地表温度，又利用监督分类的方法从不同土地利用类型对城市地表温度影响的角度入手，分析了许昌县的地表温度的时空分布格局，土地利用类型的时空变化，不同土地利用类型地表温度的差异．研究结果表明:(1)1988年、2007年魏都区中心地区的地表温度远远高于周围地区，表明魏都区存在明显的热岛效应．2007年热环境效应影响的范围明显比1988年扩大了许多，原因在于城市化进程的加快，城市面积的不断增加;(2)1988到2007年间，耕地、水体、未利用土地面积一直减少;建设用地，林地面积增加．产生这种状况的原因是:城市化进程加快，城市建设用地增加，人们对环境意识的增强，林地面积扩大;(3)不同土地利用类型的地表温度具有明显的差异．1988年和2007年的地表平均温度都是建设用地的最高，林地最低;(4)将土地利用图和地表温度图叠加起来，建设用地对城市热环境的影响最大，水体、林地最小．

［1］ 岳文泽，徐建华，徐丽华．基于遥感影像的城市土地利用生态环境效应研究——以城市热环境和植被指数为例［J］．生态学报，2006，26(5):1450-1460．

［2］ 徐涵秋，陈本清．不同时相的遥感热红外图像在研究城市热岛变化中的处理方法［J］．遥感技术与应用，2003，18(3):129-133．

［3］ 岳文泽，徐丽华．城市土地利用类型及格局的热环境效应研究——以上海市中心城区为例［J］．地理科学，2007，27(2):243-248．

［4］ 苏伟忠，杨英宝，杨桂山．南京市热场分布特征及其与土地利用 P覆被关系研究［J］．地理科学，2005，25(6):697-702．

［5］ 张小飞，王仰麟，吴健生，等．城市地域地表温度——植被覆盖定量关系分析．以深圳市为例［J］．地理研究，2006，25(3):369-378．

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［8］ 陈云浩，李 京，李晓兵．城市空间热环境遥感分析——格局过程模拟与影响［M］．北京:科学出版社，2004:234-239．

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［12］ 刘三超，张万昌．张掖绿洲城市热效应的遥感研究［J］．国土资源遥感，2003(4):17-21．