池州市贵池区城市热岛效应时空变化特征

章 勇，姚志强

池州学院资源环境学院，池州,247000

在城镇化进程中，人类活动对城市生态环境的影响越来越突显，尤其是城市热岛效应的产生，最能体现城市气候的异常变化[1]。城市热岛效应的出现，直接影响当地的空气质量、气候、居民公共健康、城市建设和经济发展[2]。因此，热岛效应一直是城市生态及城市气候研究的重要课题。

本文利用池州市贵池区1995年、2005年和2015年的遥感数据集构建时间序列影像，并利用时间序列影像反演池州市贵池区地表温度，实现1995年到2015年池州市贵池区热岛效应的监测。在此基础上探讨池州市贵池区城市热岛时空变化特征。

1 研究区和数据处理

1.1 研究区

本文选择中小城市池州市贵池区(北纬30°40′27.27″,东经117°29′44.47″)为研究区，该区位于安徽省南部，北临长江。地势南高北低，南部为低山区，中部为丘陵区，北部为沿江洲圩区。境内主要河流有黄湓河、秋浦河、龙舒河、白洋河、九华河、青通河等。贵池区地处暖温带与亚热带过渡地带，属亚热季风性湿润气候区。气候温和，雨量适中，光照充足。全年冬寒、夏热、春暖、秋凉，四季分明，季风明显。

1.2 数据处理

本文选用的池州市贵池区三期遥感数据分别为1995年3月26日的Landsat TM数据，图幅号为LT 51210391995085XXX00；2005年3月5日的Landsat TM数据，图幅号为LT51210392005064BJC00；2015年10月11日的Landsat 8数据，图幅号为LC 81210392015284LGN00。Landsat TM数据共有7个波段，其中第6波段为热红外波段，可用于地表温度反演。Landsat 8数据共有11个波段，其中第10波段和第11波段为热红外波段，可用于地表温度反演。由于Landsat 8一景影像所包括的地面范围非常广，为185 km×185 km，而池州市贵池区只是该范围内的一部分,如果直接对原始数据进行处理，数据量和运算量太大,因此，要对原始数据进行裁剪处理。本文利用池州市贵池区行政边界矢量数据对Landsat TM和Landsat 8原始数据进行裁剪预处理,然后对裁剪后的数据进行地表温度反演处理。对于Landsat TM数据，本文选用覃志豪的单窗算法[3]，反演的地表温度渲染结果见图1和图2；对于Landsat 8数据，本文选用Wang等人的反演算法[4]，反演的地表温度渲染结果见图3。

图1 1995年贵池区地表温度

图2 2005年贵池区地表温度

图3 2015年贵池区地表温度

2 地表温度分级

对贵池区三期地表温度结果进行统计，见表1。

表1 不同时期贵池区地表温度统计

由于本文选择的数据是1995年到2015年三期的遥感数据，不同时期地表温度范围存在差异(由于季节不同)，如何建立不同时期统一的地表温度分级体系是本文首要解决的问题。本文利用均值-标准差等间距的方法(见公式1)，将贵池区温度划分为6个等级。

(1)

图4 1995年贵池区温区划分图

图5 2005年贵池区温区划分图

图6 2015年贵池区温区划分图

统计每个温区所占面积百分比，结果见表2。从表2可以看出，从1995年到2015年，池州市贵池区特高温区、高温区和中温区所占面积百分比呈现增长趋势，且2005年到2015年增长率更为突出；次高温区、次中温区和低温区所占面积百分比呈现减少趋势，且2005年到2015年减少率更为突出。间接说明了2005年到2015年十年间贵池区发展速度比1995年到2005年要快。

表2 温区所占面积百分比

3 热岛时空变化特征模型

间隙度指数被广泛地应用于景观地质分析和景观的分形研究中。由于它能衡量不同类型景观在空间上的聚集程度[5]，所以可以用来揭示池州市贵池区热岛在时空尺度上的变化，为贵池区的热岛时空变化提供量化数据。

Plotnick最早将间隙度指数应用到景观生态学中[6]。间隙度指数建立在网格基础上，网格边界对该方法不产生影响。该方法计算过程为：选择一定大小的模板R(即采样网格大小)；将模板R在贵池区温区划分图上不断移动，在不同的特高温区内，统计所占模板的像元数量S；计算S在整个贵池区区域中的概率Q(S,R)；计算S的一阶原点矩Z(1)和二阶原点矩Z(2)，见公式(2)和(3)。

(2)

(3)

通过S的一阶原点矩和二阶原点矩计算间隙度指数，见公式(4)。

(4)

为了深入比较三期贵池区地表温度图像所产生的城市热岛效应的区别，本文将特高温区看作是贵池区的热岛，利用间隙度指数评价城市热岛在贵池区空间分布上的特点。将三期温区划分图中不同的温区赋予不同的数字进行标注，采用公式(2)(3)和(4)计算不同时期的间隙度指数，从而定量地获得不同时期的热岛分布特征，结果见表3。

表3 不同时期间隙度指数

间隙度指数越大说明热岛聚集度越高。从表3可以看出，1995年贵池区热岛间隙度指数最小，2015年间隙度指数最大，2005年居中。说明从1995年到2015年，贵池区热岛聚集度越来越高。这是因为早期贵池区发展落后，城区没有形成，所以热岛较为分散。随着时间的推移，贵池区不断发展，城区开始慢慢形成。到了2015年，贵池区建设用地主要集中在老城区，由市中心向四周发散，呈现出中心辐射现象，热岛也随之越来越聚集。因此，1995年到2005年贵池区城市热岛现象不是很明显，2015年贵池区热岛现象最为明显，贵池区城市热岛特高温区主要集中在老城区中心区域，围绕着平天湖，地表温度高于周边区域，并与城市的轮廓和道路分布一致。低温区主要集中在水域，沿长河、平天湖以及城内河流，温度相对较低。次中温区、中温区和次高温区主要集中在植被覆盖度高的区域。

4 结 论

本文利用池州市贵池区三期遥感数据(Landsat TM和Landsat8)，获取了三期贵池区地表温度图像，利用均值-标准差等间距法对三期地表温度进行了温区的划分，并利用间隙度指数模型分析了贵池区城市热岛时空变化特征。结果表明：

(1)从1995年到2015年，池州市贵池区特高温区、高温区和中温区所占面积百分比呈现增长趋势；次高温区、次中温区和低温区所占面积百分比呈现减少趋势；且2005年到2015年变化率更为明显。

(2)池州市贵池区从1995年到2015年，间隙度指数越来越大,说明从1995年到2015年贵池区城市热岛越来越聚集，2015年贵池区城市热岛聚集度最高。

(3)池州市贵池区从1995年到2015年，城市热岛现象越来越明显，且2015年贵池区热岛现象最为明显。热岛特高温区主要集中在老城区中心区域，并与城市的轮廓和道路分布一致。