多尺度下京津冀地區地表熱環境與景觀變化的關系分析

徐明雪， 李 君， 姚 磊， 吳泉源

(1.山東師范大學 地理與環境學院， 山東 濟南 250014； 2.南京師范大學 地理科學學院， 江蘇 南京 210023)

隨著城市化進程的推進，城市地表景觀結構隨土地利用變化而改變，由于不同景觀類型的物理特性、熱學特性和輻射特征存在巨大差異，從而引起地表溫度的變化，導致不同的城市熱環境效應[1-3]。

目前，城市地表熱環境的研究內容主要集中于地表溫度反演[4-6]、地表熱環境時空動態[7-9]、地表溫度對景觀格局變動的響應[10-13]以及地表溫度的影響機制[14-15]等方面。地統計分析和多元統計分析應用于城市熱環境的研究[16-18]，不僅能夠反映影響因素對地表溫度的影響，也可以表達因變量之間的關系。不同尺度對分析結果影響較大，即同一描述對象在不同尺度數據中表現的規律可能有很大的差別，對于某種目的的研究，存在比較適宜的地理數據尺度[19-22]。目前，大多數研究從某一尺度上來探究景觀類型變化與地表溫度兩者之間的關系[23-26]，多尺度范圍上對其展開的研究比較匱乏，因此有必要進行多尺度分析，選擇比較適宜的尺度。

京津冀地區是城市化水平較高，城市建設較為完善的地區，其城鎮化發展導致該地區出現環境污染、生物多樣性減少和城市熱島等一系列生態環境問題。張旸等[27]結合夜間燈光數據和土地利用數據估算了京津冀地區各地級市城市熱島強度。陳彬輝等[28]利用MODIS數據對京津冀地區城市熱島效應時空差異進行了研究。趙安周等[29]基于MODIS-LST、EVI以及土地利用/覆蓋數據，結合京津冀地區13個城市生長季來研究城市擴張對城市熱島效應的影響。綜合前人研究，基于空間信息技術平臺及相關分析等方法，研究2000—2015年京津冀地區景觀結構和地表熱環境的時空規律，并對多尺度下景觀結構變化與地表熱環境之間的關系展開討論，可為京津冀地區區域規劃、景觀資源合理配置與生態系統優化、地表熱環境效應調控措施的制定等提供理論依據。

1 研究區概況

京津冀地區(113°27′～119°50′E， 36°05′～42°05′N)作為研究區域，包括北京市、天津市和河北省地區，見圖1。其位于華北平原，東臨渤海，西臨太行山，北靠燕山山脈。京津冀地區處于溫帶半濕潤地區，為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。該地區夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春秋兩季較短，四季分明。其中大部分的降水集中在夏季的6～8月。京津冀地區作為中國北方的經濟中心，經歷了巨大的經濟增長和大規模的城市化，城市范圍急劇擴大，從而導致土地利用發生了顯著變化，使得城市熱島效應日益嚴重，已成為京津冀地區可持續發展迫切需要解決的生態問題。

圖1 研究區位置

2 數據與方法

2.1 數據來源及處理

地表溫度數據(Land Surface Temperature, LST)下載來自美國國家航空航天局NASA官方網站(https://ladsweb.modaps.eos-dis.nasa.gov/search)的MODIS MOD11A2地表溫度產品，該產品包括白天地表溫度和夜間地表溫度，其為8天合成影像，空間分辨率為1 km。該溫度產品是基于分裂窗算法通過反演獲取的，數據誤差小于1 K[30-32]。本文選用2000年和2015年的6、7、8月京津冀地區白天地表溫度數據，經過MRT、ArcGIS平臺的拼接裁剪、投影和柵格計算等處理之后，最終得到2000年和2015年的京津冀地區夏季地表溫度。

土地覆被數據來源于Landsat系列衛星遙感影像，選用2000年和2015年京津冀地區空間分辨率為30 m的遙感影像。根據《土地利用現狀分類標準》(GB/T 21010-2007)，利用監督分類方法中的最大似然法和目視解譯將京津冀地區景觀類型劃分成林地、草地、水體、耕地、建設用地和其他用地等6類，基本涵蓋了京津冀地區的主要景觀類型。原始影像對照高分影像選取樣本，分別在2000年、2015年的景觀分類圖上，每個地類各隨機選取50個點(共100個)，以相應年份遙感影像的目視解譯結果為參照數據進行精度檢驗，2000年和2015年景觀分類圖的分類精度分別為90.36%、91.45%，Kappa系數分別為0.82、0.89，滿足了分類精度要求。

2.2 研究方法

2.2.1數據格網化

地理學研究對象格局與研究過程、時空分布、耦合等特性都是尺度依存的，即地理事物內部的某種關系可能只在其中某種尺度上才表現出來[33]。利用ArcGIS 10.2軟件的支持，本文根據研究區面積以及現有數據的空間分辨率, 將研究區劃分為1 km×1 km、 5 km×5 km、 10 km×10 km、 15 km×15 km、 20 km×20 km五個空間尺度，其中1～20 km的空間尺度下創建的格網數分別為198 603個、8 262個、2 149個、1 010個和571個，進行景觀類型與地表熱環境的多尺度效應研究。

2.2.2地表溫度分級

目前探究地表熱環境最常用的溫度等級劃分方法有自然斷點法、溫度正規化法、均值-標準差法等。本文采用均值-標準差法，以京津冀地區地表溫度(LST)平均值為基準，通過與不同倍數標準差進行組合來區分閾值，對LST等級進行劃分。該方法具有在一定程度上減小背景差異影響的優勢，使不同時相的地表溫度數據更具可比性[34]。根據該方法將各年份夏季京津冀地區LST劃分成5個溫區，即高溫區、次高溫區、中溫區、次低溫區和低溫區，見表1。

表1 均值-標準差法劃分溫度等級

2.2.3偏相關分析

為了使京津冀地區各景觀類型及其變化與城市地表溫度進行關聯分析，統計 1 km、5 km、10 km、15 km、20 km格網單元下的各景觀比例變化和平均地表溫度變化，以地表溫度變化為因變量，各景觀類型變化比例為自變量。由于不同的覆被類型在城市地域之間交錯分布，本文以偏相關系數來定量揭示景觀類型變化與地表溫度變化的關系。

偏相關分析是指當兩個變量同時與第三個變量有相關關系時，剔除第三個變量的影響，分析另外兩個變量之間的凈線性相關關系[35-36]。其計算公式為：

(1)

式中：rxy,z表示將變量z視為常數后，變量x與y的偏相關系數；rxy、rxz、ryz分別表示x與y、x與z、y與z之間的相關系數。其中，相關系數計算公式為[37]：

(2)

3 結果與討論

3.1 京津冀地區的景觀類型時序變化及轉移趨勢分析

圖2表明，2000—2015年間，隨城市化和工業化的推動，京津冀地區景觀結構發生了變化，其時空差異特征明顯。其中，2000年的景觀類型以林地和耕地景觀為主，建筑用地景觀面積較小，主要集中位于北京市、天津市和河北省個別地區。2015年，京津冀地區林地和耕地景觀面積仍最大，但相較于2000年，耕地面積明顯縮減，而建設用地在研究期間呈現快速增長趨勢，占全區的比重由2000年的8.28%增加到2015年的12.05%，成為面積僅次于林地和耕地的景觀類型；建筑用地面積在北京市、天津市區內并進一步擴大。研究期間水體的面積有所減少，但變化相對較小。

分析2000—2015年京津冀地區景觀類型的轉化情況，通過轉移矩陣分析可揭示此期間京津冀地區景觀時空演化規律，見表2。2000—2015年間，建筑用地的面積大幅度增加，增加了7 915.18 km2，其中主要是由耕地流向建筑用地，轉換的面積為6 911.15 km2，耕地的面積劇烈縮減，研究期間內共減少了8 082.74 km2。同時，有部分林地草地轉化為耕地，轉化的面積比例分別是1.26%和3.38%，林地主要流向耕地和建筑用地，轉化的面積分別為886.73 km2和421.44 km2。部分草地和耕地轉化為林地，耕地轉化為林地的面積為1 353.20 km2，草地主要流向耕地、建筑用地和林地，轉化的面積比例分別為2.76%，3.38%和2.51%。部分耕地轉化為草地，水體主要流向耕地和建筑用地，轉化的面積比例分別為5.54%和7.83%。其他用地的面積有少量減少，但與其他景觀類型之間的轉化不明顯。

圖2 2000年和2015年景觀類型圖

表2 京津冀地區景觀時序變化轉移矩陣(2000—2015年)

3.2 京津冀地區地表溫度(LST)空間分布特征

圖3表明，2000—2015年京津冀地區地表熱環境空間格局發生了相應的變化，其時空差異特征明顯。其中，2000年的地表熱場主要以中溫及以下為主，高溫區范圍較小，主要位于北京市、天津市、廊坊市和滄州市，京津冀西南部地區也有部分高溫區，呈條狀分布。受地形影響，中溫及以上溫區主要分布在華北平原，低溫區、次低溫區分布在山地地區，集中在太行山一脈，地表熱環境空間格局比較簡單。2015年京津冀地區地表的大量自然景觀轉變為人工和半人工景觀類型，導致京津冀地區下墊面景觀格局改變，土地利用程度加強，高溫、次高溫區增加明顯。京津冀西南部高溫區范圍進一步擴大，北京市-廊坊市-天津市-滄州市繼續保持高溫，在研究期間華北平原原本以中溫區為主，2015年，逐漸變為以高溫區、次高溫區為主，并呈輻射狀向城市周邊蔓延。其中京津冀地區南部地區的城市開始集中連片發展，導致京津冀地區建成區范圍大幅度地增加，在地表溫度上表現為高溫區、次高溫區面積顯著增加，熱環境效應明顯增強，唐山市地表溫度也有一定程度地上升。北部地區地勢高，低溫區面積增加。整體來看，京津冀地區在2000—2015年地表溫度變化呈現中心升溫迅速，廊坊市溫度上升明顯，北部稍有降溫，南部整體升溫的情況。

圖3 京津冀地區2000年、2015年地表溫度空間分布特征

3.3 景觀類型變化對地表溫度的影響

3.3.1景觀類型占比與地表溫度的相關分析

以2015年京津冀地區10 km空間單元下景觀結構與LST的相關關系為例(圖4)，結果表明，景觀結構與LST有顯著相關關系。

圖4 10 km京津冀地區景觀類型占比與地表溫度的關系(2015年)

由圖4和圖5可知，總體上林地景觀與LST呈現極顯著的負相關關系，相關系數高達0.76，為抑制京津冀地區地表熱環境效應的重要貢獻源，而建筑用地、耕地景觀與LST呈現顯著正相關關系，相關系數最高分別為0.67和0.65，兩者為京津冀地區地表熱環境效應的主要影響源。該地區耕地景觀與LST呈現正相關關系，由于該地區部分農田作物收獲后，大面積裸露的土壤表層比林地、水體顯熱量貢獻更大，因此地表溫度也相對較高。與2000年相比較，2015年的林地、建筑用地景觀與地表溫度的相關性顯著增強，結合2000—2015年期間的土地覆被情況和熱環境分布變化可知，2000—2015年京津冀地區的建筑用地景觀面積明顯增加，而林地、耕地景觀面積大量減少。草地景觀與地表溫度的相關性一直在緩慢增強，草地景觀面積一直處于逐漸擴張趨勢，降溫作用逐漸體現出來，但由于其不同于林地的物理特性并且分布較為破碎，降溫效果不明顯。因此京津冀地區建設用地景觀面積的擴張是地表溫度升高的重要原因，而林地景觀在抑制京津冀地區地表溫度的方面發揮了重要作用。不同空間單元下景觀類型占比與地表溫度的相關性分析表明，隨著尺度變化，景觀結構與地表溫度的相關性產生差異。總體上，耕地、水體、建設用地景觀與地表溫度的相關性隨尺度增大而上升，而林地景觀與地表溫度的相關性隨尺度增大而有輕微下降的趨勢。以上說明，尺度變化對景觀結構與地表溫度的相關分析會產生一定的影響，之后在景觀結構與地表熱環境的互動分析上需注意選擇適宜的尺度。

圖5 景觀類型占比與地表溫度的相關性隨尺度變化的特征(2000年和2015年)

3.3.2景觀類型變化與地表溫度變化的相關分析

通過在1～20 km不同空間單元上景觀類型占比與熱環境的相關性分析可知，景觀類型占比對熱環境具有顯著影響，并且隨著尺度的變化而有一定差異。為進一步揭示京津冀地區地表熱環境與景觀類型之間的關系，本文對2000—2015年地表溫度變化與各景觀類型變化進行多尺度效應的研究。

將2000—2015年京津冀地區地表溫度變化與各景觀類型變化進行不同空間單元的相關分析，得到1～20 km京津冀地區地表溫度變化與各景觀類型變化的相關關系結果(圖6)，水體景觀變化和耕地景觀變化與地表溫度變化呈極顯著負相關關系，在10 km×10 km空間單元上相關系數高達0.421。由于水體景觀面積較小，只通過在一定空間單元上研究水體景觀的面積占比與地表溫度的關系并不能夠很好地表現出水體景觀對地表溫度的影響。本文通過水體景觀在不同尺度空間單元的變化比例與地表溫度的變化進行研究，結果表明，水體景觀面積的增加抑制了地表溫度的增加，降溫作用明顯。同時，耕地景觀面積雖然在不斷減少，但由于它有一定量的植被覆蓋，隨著城市熱環境的惡化，耕地的降溫作用也越來越明顯。

圖6 2000—2015年景觀類型變化與地表溫度變化的相關性隨尺度變化的特征

建筑用地景觀變化與LST變化呈極顯著正相關關系，相關系數最高為0.442。本研究中建筑景觀與LST呈正相關關系，主要因為2000—2015年京津冀地區建筑用地不斷擴張，建筑物道路等化學人工材料吸熱較快且熱容量較小，較自然下墊面升溫快，所以建筑用地景觀類型的增加導致了地表溫度升高。林地、草地和其他用地景觀變化較小，較耕地景觀、建筑用地景觀來說，對地表溫度的變化影響較小。不同空間單元下景觀類型變化比例與地表溫度變化的相關性分析表明，景觀結構與地表溫度的相關性隨尺度變化而產生差異。總體上，建設用地的變化與地表溫度變化的相關性隨尺度增加而上升，其中在1～10 km之間增加迅速，而后緩慢增加。耕地景觀變化與地表溫度變化的相關性在1～20 km之間總體上呈現波動變化，10 km和20 km時兩者之間相關關系較強。而草地、水體景觀變化與地表溫度變化的相關性在10 km×10 km的空間單元上達到最高。從而說明，尺度變化對景觀變化與地表溫度變化的相關分析會產生一定的影響，選擇適宜的尺度對城市土地利用規模、結構、方式進行空間布局可以達到更好地效果。

目前學者已深入研究了景觀類型對城市熱環境的影響，尤其注重建設用地景觀、綠地景觀(林地、草地)、水域景觀空間形態對城市熱島效應的影響。然而目前研究通常是針對單一景觀類型在單一尺度下產生的熱環境效應，對于多種景觀類型變化影響城市熱環境的時空尺度對比較少，多尺度范圍上對景觀類型變化與地表熱環境的研究也比較缺乏。本文將京津冀地區劃分成1 km×1 km、5 km×5 km、10 km×10 km、15 km×15 km、20 km×20 km五個空間尺度，研究五個空間尺度范圍下景觀類型變化與地表熱環境之間的關系，對比分析不同景觀類型占比和景觀類型變化與地表溫度的相關性，從而區分城市熱環境景觀并定量計算其相關程度。研究結果發現林地和水體是抑制地表熱效應的重要貢獻源，建設用地、耕地景觀變化與地表溫度變化的相關性總體上隨尺度增加而上升，而草地、水體景觀變化與地表溫度變化的相關性在10 km×10 km的空間單元上達到最高。不同景觀類型變化與地表溫度變化的相關分析在不同尺度上會產生不同的結果，后續研究景觀類型與地表溫度之間的關系時需要注意選擇適宜的尺度。

4 結 論

本文基于MODIS地表溫度數據和土地覆被數據，綜合分析了京津冀地區2000—2015年夏季地表熱環境時空演變特征及多尺度下地表熱環境與景觀結構、景觀變化之間的關系。通過分析得出如下結果。

1) 2000-2015年間，京津冀地區景觀結構發生了較大的變化，其時空差異特征明顯。京津冀地區林地景觀和耕地景觀的面積所占比例最大，15年間耕地景觀面積明顯縮減，而建設用地景觀在研究期間呈現快速增長趨勢，通過轉移矩陣的計算分析，說明城市化的發展和建筑用地的增加主要來自于耕地對其的轉化。

2) 京津冀地區2000-2015年地表熱環境效應在整體上逐漸增強，出現明顯的空間格局變化，2000年的地表熱場主要以中溫及以下溫區為主，高溫區范圍較小，且呈條狀分布，熱環境空間格局較簡單。至2015年，京津冀地區高溫、次高溫區增加明顯，呈現輻射狀分布，熱環境效應明顯增強。

3) 京津冀地區景觀結構與地表溫度的相關性分析表明，林地景觀與LST呈極顯著負相關關系，能夠有效地抑制京津冀地區地表熱環境效應，而建筑用地、耕地景觀與LST呈極顯著正相關關系，兩者對京津冀地區地表熱環境效應具有重要影響。景觀結構隨尺度變化與地表溫度的相關性產生差異說明，尺度變化對景觀結構與地表溫度的相關分析會產生一定的影響，選擇適宜的尺度在景觀結構與地表熱環境的互動分析上具有重要意義。

4) 2000-2015年地表溫度變化與各景觀類型變化進行多尺度效應的研究進一步表明，水體景觀變化和耕地景觀變化與地表溫度變化呈極顯著負相關關系，在10 km×10 km的空間單元上相關性最高，水體景觀的增加抑制了地表溫度的增加，降溫作用明顯。景觀動態變化與地表溫度變化的相關性隨尺度變化而產生差異。建設用地、耕地景觀的變化與地表溫度變化的相關性隨尺度增加而上升，而在10 km×10 km空間單元上草地和水體景觀變化與地表溫度變化的相關性達到最高，從而說明尺度變化對景觀變化與地表溫度變化的相關分析有一定的影響，選擇適宜的尺度對城市土地利用規模、結構、方式進行空間布局可以達到更好的效果。