重庆市主城区土地利用/覆被变化及其热环境效应关系研究

房力川 ，周 莉 ，潘洪义

（四川师范大学1.西南土地资源评价与监测教育部重点实验室；2.地理与资源科学学院 成都 610066）

1 引言

土地利用/覆被变化（LUCC）深刻的影响着全球生态环境环境变化，一直以来都受到国内外学者的广泛关注[1-6]。近年来，随着我国经济的发展，城市化水平不断提高，城市生态系统面临着越来越大的压力。城市下垫面的不同类型和组合对城市的热环境影响很大[7]，伴随城市化进程，城市扩展及其带来的地表能量收支各项发生变化，成为影响城市热环境的重要因子，现已证实城乡不同下垫面的热收支差异是城市热岛效应产生的重要原因[8]。

国内外学术界开展了一系列关于城市土地利用与城市热环境问题的研究，取得了丰硕的成果。如彭文甫[9]等利用2000-2008年TM/ETM＋数据，基于遥感和GIS分析了城市土地利用与地面热效应时空变化特征。苏振华[10]等学者通过分析城市热岛与土地利用的时空变化情况，得出了城市热岛效应与城市化和土地利用变化密切相关，不透水面的扩张是造成城市热岛效应的主要原因的结论。彭保发[11]等学者在研究上海市热岛效应的影响机理及其作用规律时发现，土地城市化是上海市城市热岛强度的主要影响因素且建成区扩张对热岛强度的累积效应大于其增量效应。吴彦樨[12]和白杨[13]等分别利用Landsat数据从不同的角度分析了城市热岛格局和景观格局的相关性。

重庆市作为“一带一路”和长江经济带重要的战略联结点以及内陆开放高地，同时也是三大“火炉”之一。随着城市化进程的加快，大规模的基础设施建设必然导致城市下垫面剧烈变化。因此，本文选择重庆市绕城高速以内的区域作为研究区，利用Landsat系列遥感影像进行土地利用监督分类，基于辐射传输方程法进行地表温度反演，定量分析土地利用/覆被变化与城市热环境效应之间关系。

2 研究区概况

重庆市位于四川盆地的东南部，长江的上游，与湖北、湖南、贵州、四川、陕西等省接壤，地跨东经 105°11′-110°11′、北纬 28°10′-32°13′的四川盆地与长江中下游平原的过渡地带。辖区总面积为8.24万Km2，属于中国面积最大的内陆城市，其都市区主要分布在长江沿线，四面环山，以丘陵，低山为主，地形起伏较大，平均高程为400m。研究区总面积为5465Km2，占全市总面积的6.63%。研究区属中亚热带湿润季风气候区，具有气温高，日照少的气候特点，年降雨量1100-1400mm，全年平均气温18℃，7-8月最热，35℃以上高温天气最多达68天，无霜期在310天以上。

3 数据及方法

3.1 数据获取及处理

本文选用2000年7月22日的landsat7 ETM+影像和2016年7月26日的landsat8 OLI/TIRS影像（轨道号128/39和128/40），数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）。卫星过境时天气晴朗，云量少，数据质量高，可视性良好。基于支持向量机分类法提取土地利用类型图，利用辐射传输方程法反演地表温度。为更好验证地物分类精度和反演精度，研究中利用Google Earth提供的同年重庆市高清影像和MODIS地温产品作为参考。

3.2 研究方法

3.2.1 分类方法

支持向量机分类器 (Support Vector Machine,SVM)是一种基于统计学习理论的机器学习方法[14]，通过寻求结构化风险最小来提高学习机泛化能力，可以在统计样本数量较少的情况下获得良好统计规律[15]。支持向量机分类器拥有其他分类器所不具有的高效性，因此在遥感影像分类中被广泛采用。论文选用径向基函数(Radial Basis Function，简称RBF)作为本次分类的核函数。其公式为：

式中：K(X,XC)为空间中任一点X到某一中心XC之间欧氏距离的单调函数，XC为核函数中心，为函数的宽度参数，控制了函数的径向作用范围。

3.2.2 地表温度反演

本文选用辐射传输方程法进行地表温度反演，根据电磁波的辐射传输理论，卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值Lλ由三部分组成：黑体辐射亮度、大气下行辐射亮度和大气上行辐射亮度。表达式为：

式中,ε为地表比辐射率，τ为大气在热红外波段的透过率。

黑体辐射亮度B(TS)的计算公式为：

根据普朗克函数，地表真实温度(K)TS的计算公式为：

对于Landsat8TIRSBand10，

4 结果分析

4.1 土地利用/覆被变化分析

本文选用支持向量机分类法（SVM）对重庆市两期遥感影像进行土地分类。结果如图1和图2所示

图1 2000年土地类型分类

图2 2016年土地类型分类

表1 2000年和2016年各土地类型面积统计 单位:Km2

2000-2016年期间，建设用地和林地面积明显增加，草地面积显著减少，建设用地的扩张主要是沿长江和嘉临江河谷地区发展。近17年来，重庆市主城区草地面积剧烈减少，从1301.469Km2减少到463.281Km2，面积净减少838.188Km2。同时，林地和建设用地面积急速增加，面积净增加218.6505Km2和435.771Km2，农地面积也增加了76.197Km2。其中，裸地、建设用地和林地的变化率分别为265.28%、168.62%和170%，年均增幅分别为15.60%、9.92%和10%，说明重庆市目前正处在快速的城市化发展的过程中，研究区内的建设用地面积扩张十分显著，但是同时也积极响应了国家退耕还林的政策，林地面积增加明显。

4.2 研究区不同历史时期土地利用转移分析

表2 土地利用转移概率矩阵（%）

近17年来，重庆市主城区的土地利用/覆被变化主要表现草地面积的减少、林地和建设用地面积的增加。从表2可知，有27.037%的草地转化为了建设用地，23.586%转化为了农地，15.917%转化为了林地。林地面积的增加主要来自于草地、裸地、林地和农地，占比分别为 15.917%、7.098%、6.302%和4.954%，建设用地的面积的增加主要来源于裸地、草地、农地和林地，占比分别为70.038%、27.037%、23.698%和11.776%。说明在重庆的城市化过程中，还是靠占用农地、林地和草地为主，同时有效的利用了裸地。

4.3 研究区地表温度反演

根据公式3.2-3.4，运用辐射传输方程法进行研究区地表温度反演，得到重庆市主城区地表温度分布图（图3和图4）。由于两期遥感影像时间差距较大，不能直接比较温度的高低。为了客观划分城市热岛边界，本文采用采用均值-标准差法将反演的温度图划分为6个不同的等级[16]，即:特高温区(Ts≥μ+std）、高 温 区 (μ+0.5std≤Ts＜μ+std)、次高温区(μ≤Ts＜μ+0.5std)、中温区(μ-0.5std≤Ts＜μ)、次中温区(μ-std≤Ts＜μ－0.5std)和低温区(Ts＜μ-std)。

近17年间，重庆市主城区特高温区和高温区域显著增加，趋势是沿嘉陵江和长江河谷地带增加，和建设用地的增加趋势保持一致，说明建设用地所在的区域为特高温区和高温区。重庆市在城市化过程中，随着建设用地的增加，特高温区和高温区面积也随之增加，城市热环境效应显著。

为了进一步分析重庆市热岛效应的时间变化，将各温区面积的统计如表3所示：

图3 2000年重庆市主城区地表温度

图4 2016年重庆市主城区地表温度

表3 重庆市主城区各温区面积统计 单位：%

图5 研究区各类用地面积比与地表温度的线性相关性（2000.2016年）

由表3可知，在2000年，重庆市主城区的中温区面积占比最大，占总面积的39.07%，特高温区和高温区分别占总面积的13.87%和8.38%；而2016年则是次中温区面积占比最大，占总面积的24.92%，特高温区和高温区分别占总面积的17.13%和13.55%。从2000年到2016年，重庆市主城区中温区面积减少明显，一共减少21.13%，高温区和特高温区面积有所增加，分别增加5.17%和3.26%，同时次中温区和低温区面积也有所增加，分别增加8.7%和3.86%。

4.4 土地利用/覆被比重与地表温度的相关性分析

为定量揭示区域LUCC比重对城市地表温度的影响，根据研究区的实际情况，分别在2000年、2016年重庆市主城区土地利用分类图上生成1 km×1km单元的矢量网格，共得到网格2144个。并将单元格网图层与两期地表温度图层进行叠加分析，统计每个单元网格的平均地表温度，同时计算出每个单元网格中土地利用类型的面积所占比重，最后对各类地物的面积比重与地表平均温度进行相关性分析，统计结果见图（附后）。

图5中的相关性曲线与回归方程显示，在两期数据中，城市各类地物面积比与地表温度均具有一定的线性关系，但相关性差异较大。其中建设用地、裸地与地表温度均为正相关关系，而林地、水体、农地和草地与地表温度呈现负相关性。拟合方程显示所有地类线性回归方程均在P＜0.01下呈现显著相关性，说明各土地覆盖类型对于城市地表温度变化都有一定的贡献。2000年与地表温度相关性程度最大的地物类型为建设用地，复相关系数R2为0.5097；2016年，与地表温度相关性程度最大的地物类型同样为建设用地，复相关系数R2为0.5492。对比两期数据，除水体与地表温度的复相关系数有所降低以外，其余所有用地类型与地表温度的复相关系数R2都有所增加。其中草地和林地与地表温度的复相关系数R2增幅最大，分别从0.0657增加到0.2804，0.0136增加到0.2263。

5 结论

本文利用支持向量机分类法获取城市土地利用/覆被信息，进而定量分析研究区的土地利用、地表温度时空演化特征和不同土地利用类型对地表温度的联合影响效应，研究结果表明：

（1）2000-2016年期间，重庆市主城区土地利用/覆被变化剧烈。其中草地面的急剧减少，共减少838.188Km2，建设用地和林地面积增加明显，分别增加 218.6505Km2和 435.771Km2，增幅为168.62%和170%，城市扩张主要沿着嘉临江和长江河谷地带进行。减少的草地主要变成了农地、林地和建设用地，建设用地的增加则主要来源于裸地、草地和林地，林地的增加主要来源于草地。

（2）2000-2016年期间，重庆市主城区的高温区和特高温区面积显著增加，建设用地面积的日益扩张，升温效果明显，是造成城市热环境效应的主要原因。影响因子相关性分析显示，城市中各类地物类型与地表温度都具有一定的相关性，但差异性较大。其中，建设用地、裸地与地表温度为正相关，林地、水体、农地和草地与地表温度呈负相关。林地和草地与地表温度的复相关系数R2大于水体和农地，说明林地和草地的降温效果优于水体和农地。