宿迁市城市热环境与热力景观时空分析

董 浩，谢相建，罗洁琼，冯 莉，杜培军

（1. 南京大学 卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室,江苏 南京 210023；2. 南京大学 江苏省地理信息技术重点实验室，江苏 南京 210023；3. 南京大学 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023）

宿迁市城市热环境与热力景观时空分析

董 浩1,2,3，谢相建1,2,3，罗洁琼1,2,3，冯 莉1,2,3，杜培军1,2,3

（1. 南京大学 卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室,江苏 南京 210023；2. 南京大学 江苏省地理信息技术重点实验室，江苏 南京 210023；3. 南京大学 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023）

为了探讨宿迁城市化进程中热岛景观格局的演变特征，采用1992年、2003年和2014年3期6景Landsat遥感数据，使用单窗算法基于热红外波段反演地表温度，并利用景观格局指数分析宿迁城市热岛景观格局随城市化进程演变的趋势。结果表明，近23 a来宿迁城市热岛效应持续增强，宿迁经济开发区北区、洋河新区等地形成新的高温区域；在类型水平上，城市化高速发展的2003年城市热岛景观格局最为破碎；在景观水平上，热力景观越来越集聚化，异质性增加。

Landsat；城市热岛；热力景观；单窗算法；景观格局

在城市热岛效应研究中，国内研究多数是针对特大城市或大城市热岛效应开展的[1-5]，对于一些中等城市，尤其是近20 a新建、处于从农业用地为主快速发展成城市用地为主的中等城市的热岛效应研究明显不足。为了服务于新建城市规划和持续发展，及时发现城市扩展中的生态环境问题，适时调整和优化城市格局，从而尽可能避免陷入与多数大型城市类似的生态环境尤其是热岛效应问题，本文选择1996年新设立的地级市——江苏省宿迁市作为典型研究区，利用Landsat遥感影像反演地表温度，对1992～2014年23 a宿迁市热岛效应的时空变化进行研究，并利用景观生态学[3]的方法探讨宿迁市热岛景观格局的空间分布特点，分析该区域在设市前、设市初期、近年的热环境变化，以期对新建中小型城市的热岛效应进行实证研究，为城市规划与管理提供咨询。

1 研究区概况与数据

宿迁市位于江苏省北部，地势平坦、气候温和；现辖沭阳、泗阳、泗洪3县和宿豫区、宿城区、宿迁经济技术开发区、市湖滨新城、苏州宿迁工业园区、市软件与服务外包产业园和市洋河新区。研究区主要在中心城区宿城区和宿豫区，面积为1 767.6 km2（图1）。2014年，研究区内骆马湖水域面积约为275 km2。

本研究选取条带号为121-36、121-37的1992-05-20 Landsat5 TM、2003-05-11Landsat7 ETM+和2014-05-01Landsat8 OLI/TIRS 6景影像进行不透水面提取与地表温度反演。

2 研究方法

2.1 地表温度反演

图1 研究区分布图

亮度温度是遥感器在卫星高度所观测到的热辐射强度相对应的温度，包含大气和地表对热辐射传导的影响，不是真正意义上的地表温度。地表温度根据亮度温度演算得到。覃志豪[6]等提出单窗算法，根据地表热传导方程，考虑大气对辐射传输的影响，推导出一个简单可行且保持较高精度的地表温度演算方法。

2.2 热力景观类型划分

由于使用了3个不同时相的遥感影像，无法直接对比三者的温度，因此，需要对3幅影像反演的温度进行归一化处理，使其分布范围统一到0～1，以消除地表温度的季相差异[7]；再利用密度分割技术将归一化的影像均匀划分为7个等级：低温区、较低温区、次中温区、中温区、次高温区、高温区和特高温区。

2.3 城市热岛比例指数（URI）

URI是通过计算城市不同温度等级的面积与建成区面积的比例，并赋予权重来表示城市热岛现象的程度，据此可以科学地比较不同年份之间的城市热岛变化。指数值越大，城市热岛效应越严重。URI[8]的表达式如下：

式中，m为划分的等级数，在本次计算中为7；n为城区高于郊区的温度等级数，根据实际情况取高温、特高温2级；i为城区高于郊区的第i个温度等级；w为权重值，取第i级的级值；p为第i级所占城区面积的百分比[9]。

2.4 热力景观格局分析

借鉴景观生态学的方法，采用景观空间格局分析软件Fragstats，通过对景观指数的计算，分析近23 a宿迁市热力景观格局的演变特征。景观指数是指能高度浓缩景观格局信息，反映结构组成和空间配置某些方面特征的定量指标[10]，能够从斑块、类型和景观3个层次对热岛格局进行全面表征。为了减少各景观格局指数的冗余性，且能反映景观生态学的各种基本概念，从类型水平选取了斑块个数（NP）、平均斑块面积（AREA_MN）、最大斑块指数（LPI）和面积加权平均形状指数（SHAPE_AM）等4个指数；从景观水平上选择了NP、AREA_MN、SHAPE_AM、聚合度（AI）、散布和Shannon均匀度指数（SHEI）等7个指数（表1）来揭示热力景观的多样性、破碎化、组成和结构[11-12]。

表1 景观格局指数

3 结果分析

分别基于1992年、2003年和2014年Landsat遥感影像，利用单窗算法反演得到宿迁市不同时期的地表温度，并对其进行归一化处理。通过密度分割技术将其划分成7个温度等级（图2），取高温区和特高温区数值计算城市热岛比例指数；利用Fragstats软件从类型水平和景观水平计算景观指数以分析城市热岛景观格局随城市化进程演变的趋势。热岛效应在城市建成区普遍存在，但真正构成环境问题的是具有较高强度和一定规模的高等级热力景观斑块[11]。本次研究中高温区和特高温区斑块更能表征宿迁市城市热岛效应。

3.1 热岛景观格局变化的空间特征

结合2012年宿迁市行政区划图，从图2中可以看到，1992年高等级温度斑块（高温区、特高温区）集中在老城区、骆马湖周边，以及现在的北至黄运路，南至项王路，东至西湖东路，西至京杭运河的区域。另外，在新沂河沿岸区域，由于大面积裸露的土地地表反射率较高，也形成了密集的热岛区域。这一时期的宿迁市城市热岛比例指数为0.050 8。

图2 研究区地表温度等级图

1996年建市之后，宿迁市以老城区为基础，重点建设市政府新区和宿豫新区。2003年高等级温度斑块（高温区、特高温区）在1992年的基础上扩展；环城西路、厦门路和废黄河之间出现了大面积的热岛区域；宿豫区的高等级温度斑块（高温区、特高温区）向北延展到市府东路；2002年新建的宿迁学院附近的高温区域，则向南越过环城南路延伸到现在的新扬高速。2003年高温区、特高温区面积为106.23 km2，相比1992年增加了8.41%。建市后宿迁市的高温区主要从1992年的次高温区、中温区和次中温区转化而来；特高温区则多为1992年的高温区、次高温区、中温区和次中温区。城市热岛比例指数为0.055 1，较1992年略微增强。

2006年，宿迁市实施北扩西进、南拓东延、引湖纳山战略，全力推动中心城区的六大片区综合全面发展，形成开敞型、片区式城市空间结构形态。同时开发建设宿迁经济开发区北区、洋河新区等8个开发区。

2014年，市湖滨新城开发区形成新的大范围的热岛区域。宿豫新区的热岛区域向南延伸到新扬高速，向东延伸到张家港大道。中心城区城市热岛现象扩展十分明显，主要表现为在市中心以集中连片方式出现，而郊区则以中低温区为主。高温区和特高温区面积增长到245 km2，城市热岛比例指数达到0.126 9，说明热岛效应大幅度增强。特高温区主要分布在宿迁国际港、工厂区，包括宿迁经济开发区北区等，热岛效应由无到有，变化显著。因此在后续城市规划与建设中，必须考虑这些快速发展的开发区、新区的特点，采取有效的措施预防和减弱城市热岛效应。

表2 1992年、2003年和2014年地表温度等级面积

3.2 热岛景观格局演变特征分析

1）类型水平。结合图3和表2可知，近23 a来，研究区内高等级温度斑块（次高温区、高温区和特高温区）面积总体上呈明显的上升趋势，其中高温区斑块面积从1992年的70.84 km2增至2014年的

173.66 km2；特高温区斑块面积从1992年的27.15 km2增至2014年的71.33 km2，说明热岛影响区域范围显著扩大。从表3可以看到，2003年高温区斑块数目高达4 602，远高于1992年的2 023和2014年的1 480，平均斑块面积有所增加，但远小于2014年的11.733 5；2003年特高温区斑块数目达到996，同样是3期最高，平均斑块面积有所减少，依然远小于2014年的11.144 8。这是由于2003年宿迁市处在城市化高速发展时期，温度较高的工厂区、居民区、商业区相对割裂，市区和郊区都出现局部小范围的热岛区域，高温区和特高温区斑块破碎化最为严重，而在2014年宿迁市城市化率达到52.37%，相比2003年提高了21.37个百分点，分散的工业产业形成了集约发展的工业园区，高温区和特高温区斑块间的外部连接趋于完善，集聚形成了更大的组团，斑块的单体面积达到最大。最大斑块指数是某一景观类型中最大斑块占整个景观面积的比例，1992年的低温区和次中温区以及2003年的低温区和中温区值最大；2014年特高温区值最小，表现为建成区内特高温区所占的比重下降，斑块最为破碎，与高温区镶嵌分布。面积加权平均形状指数反映斑块形状复杂程度，当斑块形状越来越复杂时其数值上升。高温区斑块2003年值最小，2014年值最大；特高温区斑块2003年值最大，2014年值最小。

表3 1992年、2003年和2014年类型水平上的景观指标分析

图3 1992年、2003年和2014年地表温度等级面积图

2）景观水平。从研究区近23 a来城市热岛变化在景观水平上的各个景观指数（表4）可以看出，研究区的温度景观斑块数目从1992年的12 472个大幅增加到2003年的36 911个，之后下降到2014年的13 010个；平均斑块面积从1992年的13.902 7 hm2下降到2003年的4.6978hm2，之后增加到2014年的13.328 5 hm2，说明1992年和2014年的热力景观更加集聚化，斑块间的外部连接趋于完善。从形态特征上，面SHAPEAM减小说明景观斑块形状愈加简单；从结构特征上，AI是在景观水平上描述同类型的2个或多个斑块在像素上聚合成一个斑块的临近关系，研究区AI上升说明热力斑块的邻接关系越来越密切，分布越来越紧凑[13]。

2014年IJI最大，1992年次之，说明2014年各类斑块混合分布的程度最大，2003年最小。SHDI由1.418 5持续增长到1.707 8；SHEI由0.729 0增长到0.877 7，说明温度景观的异质性增加，景观面积在各类型间的分配趋向均匀。

表4 1992年、2003年和2014年景观水平上的景观指标分析

4 结 语

在1996年设立地级市之前，宿迁市城市化进程相对缓慢，18 a间城市化水平仅提高5.7个百分点，热岛效应不明显。建市之后，随着经济发展水平的提高，宿迁市城市化进入快速发展时期，2003～2014年，城市化水平由31.0%提高到52.37%以上。随着城市规模不断扩张，热岛效应影响范围扩大，强度增加，引发的生态环境问题不断凸现。本文将景观生态学的方法应用到城市热环境时空分析与热力景观研究中，探讨宿迁城市热岛效应的时空变化，得到以下结论：

1）自1992年，宿迁市城市热岛比例指数不断上升，中心城区存在显著的城市热岛效应。热岛效应主要发生在主城区、新兴经济开发区、工业区以及城市主要交通沿线附近。热岛分布与城市空间结构基本吻合。

2）在类型水平上，1996年宿迁建市后，在城市化高速发展的2003年，宿迁城市热岛效应的高温区和特高温区破碎化和割裂化最严重，斑块间的外部连接较差；随着2014年城市化水平的极大提高，原本割裂的斑块集聚形成了组团，景观破碎化减弱。

3）在景观水平上，热力景观斑块数先增后减，伴随着城市化发展，热力景观越来越集聚化。SHDI和SHEI在增长，说明热力景观的异质性在增加。

城市不断扩展，能源消费增加，大气污染物和温室气体排放增多，人居舒适度下降，水质变差。针对宿迁市经济产业发展状况，提出以下建议以缓解日益严重的城市热岛效应[14]：①保护好现有的绿地、水体，大力推广屋顶绿化、墙体垂直绿化、道路立交桥体绿化、停车场绿地等立体绿化。②优化城市功能布局，合理配置产业项目。避免走老工业城市的路子，盲目引进大的资源型、制造型工业项目。③城市新区建设和旧城改造时，在确保建筑面积不变的前提下，尽量增加建筑物的高度，构造整齐规则的建筑布局，同时拓展建筑物之间的间距。④大型车站避免设在城区内，应逐步外迁到地形开阔、交通方便的郊区。⑤合理规划城市通风廊道，引导郊外的风进入主城区，增加城市的空气流动性。

本研究是依靠不透水面（包括农村建设用地等）分布情况表征城市扩展，这和行政与地理意义上的城市中心有很大的区别。未来的研究重点在于通过鉴别不透水面二值影像中的连通区域来区分城市和农村建筑用地聚合体，以便更好地研究城市扩张及其对热环境的影响。

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P237

B

1672-4623（2016）05-0031-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.010

董浩，硕士，主要从事城市遥感、遥感信息分析与应用方面的研究。

2015-04-22。

项目来源：江苏省自然科学基金资助项目（BK2012018）。