成都市熱力景觀空間格局分析

但尚銘,但 玻,蔣 薇

(1.四川省氣候中心,成都 610072;2.四川省氣象臺,成都 610072;3.成都信息工程學院,成都 610225)

1 引 言

城市化造成城市熱島效應 (簡稱熱島效應或熱島)的出現和溫室氣體排放,導致全球溫室效應的加劇[1]。夏季,熱島效應往往助長高溫天氣,造成高溫災害。國內對熱島效應已有不少研究。城市熱環境 (熱島效應)與城市規劃之間存在密切關系[2]。我國正處于高速城市化階段,研究熱島效應對城市災害、環境保護、大氣污染、防暑降溫、市政建設等領域,對成都市的“世界現代田園城市”建設具有重要現實意義。

景觀學原理、觀念和方法認為,城市中的各類構成要素是一個具有高度空間異質性的系統,在外界影響和其自身作用下動態變化,具有景觀的特征。城市景觀是城市中由街道、廣場、建筑物、園林綠化等形成的外觀及氣氛。城市熱環境 (即溫度場或熱力場)是城市空間環境在熱力場中的綜合表現,對城市氣候、城市生態環境、人居環境等有著深遠影響。城市熱環境的空間異質體被稱為熱力景觀。城市景觀由于 3個方面的原因影響熱力景觀[3]：城市景觀要素的物理性質的差異,不同景觀要素的擴散效率的差異,以及人類活動廢熱排放的空間差異。由此可見,熱力景觀可以綜合表現城市的建筑、人口、能耗、污染等負荷和水體、綠地等生態結構。景觀指數作為一種定量化指標,常被用來研究城市景觀、熱力景觀、水域景觀等的空間格局及其變化[4～6]。

成都市地處四川盆地西部,成都平原腹地,是四川省的政治、經濟、文化中心。市中心緯度和經度為 30°39.7′E和 104°3.8′N;市區西距都江堰、青城山直線距離約 55km,東距龍泉山約 25km;屬亞熱帶季風氣候,熱量充足,雨量豐富,四季分明,氣候潮濕,多云霧、少日照;年降水量1000mm左右,主要集中在 7、8兩月;年平均氣溫 16.3℃,夏季最高溫一般不超過 35℃,但卻悶熱;冬季平均氣溫約為 5℃,由于陰天多,空氣潮濕,故顯得陰冷;具有春早、夏熱、秋涼、冬暖的氣候特色。成都市外環高速公路以內的面積約580km2。受遙感數據所限,研究區在三環路以內,面積約 200km2。

2 數據和方法

采用 2008年 11月 23日成都地區的美國陸地資源衛星 Landsat5/T M影像數據。T M傳感器共 7個波段,其中第 1～5和 7波段的分辨率為 30m,第6波段的分辨率為 120m。

2.1 技術路線

研究的主要技術流程見圖 1。一方面,對遙感信息進行數據定標、重采樣等預處理,提取行政邊界和亮溫反演,再按照溫度分級提取熱力斑塊;另一方面,借鑒并選取評價參數,最后計算景觀指數和進行結果分析。

2.2 亮溫反演

利用第 6波段采用下式反演亮溫[7]：

式中：T6為經反演并進行溫標轉換后的亮溫(℃),L(λ)為輻射強度;K1=607.76 W·m-2· sr-1·μm-1;K2=1260.56K為衛星發射前傳感器的校準常數;273.15為將開氏溫度轉換為攝氏溫度的轉換常數。

圖1 技術路線流程圖Fig.1 Technical pathway

2.3 熱力景觀類型

熱力景觀類型是指不同的溫度范圍,按照溫度值的大小將其劃分為 7種類型(見表 1)。將某類中任一連續分布的水平空間結構體作為一個斑塊,即分類的最小單元。

表1 熱力景觀類型劃分Tab.1 Classification of ther mal landscape

2.4 熱力景觀參數

選用的景觀指數及計算式如下[8]。破碎度指數(表示景觀被分割的破碎程度)F為：

式中：ni為景觀類型 i的斑塊數,Ai為景觀類型i的面積。

多樣性指數(表示景觀的異質性)H為：

式中：m為熱力景觀總類型數,Pi為類型 i在景觀中所占的比例。

優勢度指數(描述景觀由少數幾類斑塊控制的程度)D為：

均勻度指數(表示各類景觀分布的均勻程度)E為：

3 結果和分析

3.1 景觀格局總的特點

圖2是成都市的熱力景觀圖,其中成華區、錦江區、武侯區、青羊區和金牛區的面積分別為64.0km2、29.2km2、47.5km2、25.7km2和 33.5km2。

研究區熱力景觀空間格局總的特點是,Ⅰ、Ⅱ類主要分布在東部、西北部和西南部,與這些地方主要由傳統工業、倉儲、工業開發區、家具、小商品城等區域功能特點相吻合;Ⅵ、Ⅶ類大多位于西部和南部,其他地方為零星分布。這些地方水體較多、植被較好、建筑密度較低。由熱力斑塊統計表(見表 2)可知,Ⅴ類所占面積和數量均為最多,其比例分別為 40.0%和 29.8%,斑塊的平均面積為19.72hm2;Ⅳ和Ⅴ的斑塊面積所占比例之和高達74%,為研究區的主體。Ⅳ類的平均面積最大,為34.79hm2;Ⅶ類的平均面積最小,為 1.62hm2,主要由水體或面積較大的林地構成。

圖2 成都市熱力景觀圖Fig.2 Ther mal landscape map in Chengdu City

表2 成都市熱力斑塊統計Tab.2 Statistics of thermal landscape patches

3.2 景觀指數差異性分析

表3是成都市各行政區的熱力景觀格局指數。

表3 熱力景觀格局指數Tab.3 The spatial pattern indexes of thermal landscape

各行政區的各類指數明顯不同,是城市構成要素在熱力景觀上存在差異的數量化表現。錦江區破碎度最大,為 0.924;其次為金牛區,為 0.778;成華區最小,為 0.559。這是由于錦江區和金牛區內繁華的商業區、科技園、企業和工廠等交錯分布,熱力景觀斑塊分割較嚴重,致使破碎度較大;成華區是原東郊工業片區所在地,現仍然為較集中的熱源,高溫斑塊規模較大,因此破碎度較小。多樣性指數的值越大,景觀類型的豐富程度和復雜程度就越高。金牛區、成華區和錦江區的多樣性指數均較大且比較接近,說明類型比較豐富;青羊區的多樣性指數明顯小于其他區的原因,是因為Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ類的面積之和占該區面積的比例為 72.4%,相對于其他區而言占了顯著優勢(武侯、錦江、金牛和成華區同類面積所占的比例分別為 56.8%、47.4%、41.3%和 18.5%。由于文章篇幅所限,沒有全部列出各行政區的熱力景觀格局指數表)。當均勻度指數值趨于 1時,各種景觀類型也分布得最均勻。青羊區的均勻度指數最小,為 0.499;金牛區的最大,為 0.685。優勢度指數的含義與均勻度指數含義相反。

4 討論和結論

最近 10年以來,成都市城市擴展非常顯著,城市景觀以及由此導致熱力景觀發生了根本改變。2001年城市熱島的主要特點是,白天熱島中心區在城市東部二、三環路之間,夜間位于城市中心區;隨著城市的擴展、東郊工業區的改造以及城市綠化的改善,到 2006年,城市熱島特點已經顯著改變,白天的午后具有顯著的、幾乎閉合的環狀特征,溫度較高的熱島環位于二環路以外至三環路兩側[9]。尤為明顯的是,從市中心往西至郊外的公園、綠地較多,因此在白天的高溫時段出現冷區,存在局部溫度相對較低的“冷島”現象。這些特點和現象體現了城市對熱力場的驅動作用[10],與城市環境的改變相吻合。

對成都市三環路內成華、錦江、武侯、青羊和金牛區熱力景觀指數的對比分析結果與該市人工熱源、人工構筑物等分布的實際情況基本一致,這說明采用景觀指數的定量化分析方法能夠較好地反映區域內不同熱力景觀空間格局的差別。

研究區內較高溫度類型的大斑塊大多集中在成華、金牛、武侯區工業和商品交易市場等發展較快的地方,由此導致各景觀類型分布不均勻。各區不同的景觀類型結構,也會對大氣污染分布特點產生影響。因此,應繼續優化城市內部布局,尤其應在城市規劃中注意優化上述 3個區的建筑類型結構,提高城市綠地覆蓋率,從總體上改善成都的城市人居環境。

[1] 彭少麟 .全球變化與可持續發展[J].生態學雜志,1998,17 (2)：32-37.

[2] 李 鹍,余 莊.基于遙感技術的城市布局與熱環境關系研究——以武漢市為例[J].城市規劃,2008,32(5)：75-82.

[3] 陶康華,陳云浩,周巧蘭,等 .熱力景觀在城市生態規劃中的應用[J].城市研究,1999,6(1)：20-22.

[4] 楊英寶,江 南,蘇偉忠 .南京城市景觀空間格局的變化分析[J].南京林業大學學報(自然科學版),2004,28(6)：39-42.

[5] 陳云浩,李曉兵,史培軍,等 .上海城市熱環境的空間格局分析[J].地理科學,2002,22(3)：317-323.

[6] 王明常,何 月,邢立新,等 .吉林西部遙感水域空間格局演變研究[J].遙感技術與應用,2007,22(1)：45-49.

[7] Fei Yuan,Marvin E.Bauer.Comparison of impervious surface area and normalized difference vegetation index as indicators of surface urban heat island effects in Landsat imagery[J].Remote Sensing of Environment,2007,106：375-386.

[8] 王天明,王曉春,國慶喜,等 .哈爾濱市綠地景觀格局與過程的連通性和完整性[J].應用與環境生物學報,2004,10(4)：402-407.

[9] 張 偉,但尚銘,韓 力,等.基于AVHRR的成都平原城市熱島效應演變趨勢分析[J],四川環境,2007,26(2)：26-29, 62.

[10] DAN Shang-ming,DAN Bo,L IAO Ji,et al.Analysis of Trends of Urban Heat Island and itsDrivers in Chengdu[J].Remote Sensing of the Environment：16th National Symposium on Remote Sensing of China,Proceedings of SPIE(USA),0277-786X, 2007,7123：71230E1-8.