城市化進(jìn)程中綠色開放空間的幾何特征對(duì)冷島效應(yīng)的影響研究
——以廈門島為例

鄧 蕾，耿丹陽，佘紹一

（1.中國(guó)交通通信信息中心，北京 100011；2.中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所，廈門 360001）

城市化進(jìn)程中綠色開放空間的幾何特征對(duì)冷島效應(yīng)的影響研究
——以廈門島為例

鄧 蕾1,2，耿丹陽1，佘紹一1

（1.中國(guó)交通通信信息中心，北京 100011；2.中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所，廈門 360001）

本文選擇廈門島為研究區(qū)，以1987～2009年Landsat TM/ETM+夏季時(shí)間序列遙感影像為數(shù)據(jù)源，分析了城市化過程中綠色開放空間的幾何特征對(duì)其自身溫度和冷島效應(yīng)的影響。

綠色開放空間；冷島效應(yīng)；多時(shí)相；城市化

1 引言

城市綠色開放空間作為城市景觀的重要組成部分，在緩解城市熱島、調(diào)節(jié)城市小氣候和協(xié)助城市應(yīng)對(duì)未來氣候變化中扮演著不可替代的的角色。城市綠色開放空間的冷島效應(yīng)已經(jīng)成為近年景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一，該問題的研究，對(duì)于城市規(guī)劃、管理及可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義。

當(dāng)前，綠色開放空間的冷島效應(yīng)研究均為單一時(shí)相的分析[1-3]，這對(duì)于城市化進(jìn)程這一時(shí)間尺度而言遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，并且這種分析得到的結(jié)論可能具有一定的偶然性，難以作為普遍規(guī)律。本研究分析了廈門島1987～2009年城市化進(jìn)程中綠色開放空間的冷島效應(yīng)，篩選出了持續(xù)穩(wěn)定影響各類綠色開放空間斑塊溫度和冷島強(qiáng)度的因素，并進(jìn)一步分析了這些因素對(duì)各類綠色開放空間降溫效應(yīng)的影響的強(qiáng)弱，為減緩熱島效應(yīng)、改善城市綠地規(guī)劃與管理提供直接的理論基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)

廈門島的地形南高北低，南部多丘陵，最高峰云頂巖海拔339.6米。北部為海拔200米以下的低丘和階地。城市工業(yè)化水平較高，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為0.6∶41.2∶58.2[4]。經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，加快了廈門的城市化進(jìn)程，使得廈門城市擴(kuò)展迅猛，土地利用發(fā)生了巨大的變化。與此同時(shí)，城市熱島的空間范圍也逐漸擴(kuò)大，從而對(duì)居民生活和城市發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本研究選取Landsat TM/ETM+影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其衛(wèi)星參數(shù)見表1。

表1 Landsat衛(wèi)星參數(shù)

本研究所使用的遙感影像共5景（表2），分別是1987，1993，1996，2002，2009年夏季遙感影像。1987，1993，2009年所選用的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，研究區(qū)內(nèi)晴朗無云，大氣可見度高。1996年和2002年影像研究區(qū)上空有散碎朵云，因而進(jìn)行了修復(fù)處理。其中，1996年用1995年7月18日影像進(jìn)行了云修復(fù)處理，2002年用同一年份8月30日影像進(jìn)行云修復(fù)處理。影像均采用WGS-84橢球和基準(zhǔn)面，精糾正到UTM投影坐標(biāo)系（N50帶）。數(shù)據(jù)的預(yù)處理在ENV I 4.7，A rcGIS 10等軟件中操作。

表2 本研究所用影像

3.2 地表溫度反演

本研究所使用的部分影像有云，故先對(duì)影像進(jìn)行大氣校正。使用TM和ETM+熱紅外波段反演地表溫度。對(duì)于TM，熱波段是第6波段；ETM+的61和62波段都是熱波段。第61波段適用于高反射率區(qū)域的溫度反演，例如干燥的土壤或沙灘。第62波段適用于低反射率區(qū)域的溫度反演，例如沿海地區(qū)，因此這里使用的是第62波段。首先使用公式（1）將DN（digital num ber）值轉(zhuǎn)化為云頂輻亮度TOA（top-of-atmosphere radiance），然后使用公式（2）將TOA轉(zhuǎn)化為地表輻亮度，最后利用公式（3）將地表輻射亮度轉(zhuǎn)化為亮度溫度[9-12]：

式中，T是亮度溫度（單位為K）；Lλ是地表輻射亮度；Gainλ是該轉(zhuǎn)換函數(shù)的斜率；Biasλ是截距，兩者均可在TM/ E T M+影像自帶的元數(shù)據(jù)中獲得；K 1是定標(biāo)常數(shù)1，對(duì)于TM取值607.76，對(duì)于ETM+取值666.09；K 2是定標(biāo)常數(shù)2，對(duì)于TM取值為1260.56，對(duì)于ETM+取值為1282.71。

按照上述方法反演得到的溫度分布如圖1所示。

圖1 1987～2009年廈門島地表溫度分布圖

3.3 綠色開放空間選取

本研究主要是以多時(shí)相Landsat TM/ETM+遙感影像為數(shù)據(jù)源，在ENV I軟件支持下，運(yùn)用監(jiān)督、非監(jiān)督分類相結(jié)合的方法，人機(jī)交互解譯得到土地利用分類圖?？紤]到數(shù)據(jù)因素以及研究區(qū)土地利用類型特點(diǎn)，參考土地利用現(xiàn)狀分類GB-T21010-2007，將廈門市域范圍內(nèi)的土地分為6種類型：建設(shè)用地、耕地、林地、裸地、水體、灘涂。

對(duì)于土地利用分類結(jié)果進(jìn)行提取，得到3類綠色開放空間，即林地、耕地和水體斑塊的空間分布如圖2所示。

圖2 1987～2009年廈門島綠色開放空間分布圖

在分析之前，按照以下原則對(duì)分類后的綠色開放空間斑塊進(jìn)行篩選：一是通過目視判讀逐一剔除了少量可能分類有誤的斑塊。二是小型斑塊的面積越小，潛在的分類和統(tǒng)計(jì)誤差就會(huì)越大，因此剔除了面積小于等于3個(gè)象元的斑塊。三是特大型斑塊形狀復(fù)雜，并且包裹若干其他景觀類型的斑塊，其自身分析計(jì)算復(fù)雜，且多處于城市建成區(qū)外圍，因此也進(jìn)行了剔除。

基于以上原則進(jìn)行綠色開放空間斑塊的選取。1987～2009年，林地斑塊個(gè)數(shù)劇烈減少，從1987年的147個(gè)降低到2009年的28個(gè)。耕地斑塊的個(gè)數(shù)基本保持穩(wěn)定，在83～128個(gè)之間。水體斑塊的個(gè)數(shù)劇烈減少，從1987年的69個(gè)降低到2009年的10個(gè)。

3.4 綠色開放空間冷島強(qiáng)度的定義

城市熱島強(qiáng)度的定義是城市內(nèi)部地表溫度和城市外部地表溫度的差值。隨著遙感數(shù)據(jù)在城市熱環(huán)境中的廣泛應(yīng)用，溫度數(shù)據(jù)可以用過遙感數(shù)據(jù)的反演來獲得。因此，本研究中綠色開放空間的冷島強(qiáng)度定義為綠色開放空間外部溫度和內(nèi)部溫度的差值，也稱為綠色開放空間的降溫幅度。

在本研究中，我們選取100m作為緩沖區(qū)，計(jì)算綠色開放空間的冷島強(qiáng)度。原因有以下兩點(diǎn)：一是根據(jù)對(duì)前人研究的分析，一部分學(xué)者只是出于要保證周圍的建設(shè)用地斑塊能夠落在緩沖區(qū)內(nèi)，以分析綠色開放空間對(duì)建設(shè)用地的降溫作用的角度，將緩沖區(qū)的距離取一個(gè)比較大的值[5-7]；有的學(xué)者只是通過非常小的樣本量得到該類綠色開放空間斑塊的降溫范圍；甚至有的學(xué)者只是任意選取一定的范圍作為緩沖區(qū)，這顯然都不夠科學(xué)。而Sun的結(jié)論是在大量樣本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，因此取100m作為緩沖區(qū)更為合理[1]。二是本研究的研究區(qū)是廈門島，而廈門島面積較小，綠色開放空間斑塊密度較大，倘若取較大距離做緩沖區(qū)，那么斑塊緩沖區(qū)的重合度過高，甚至?xí)行┌邏K的緩沖區(qū)有80%的重疊度。因此，我們這里采用前人方案中最小距離100m做緩沖區(qū)。

3.5 綠色開放空間的幾何特征對(duì)其冷島強(qiáng)度的影響

綠色開放空間的幾何特征主要包括其周長(zhǎng)、面積和形狀指數(shù)（PSI，Patch Shape Index）。而形狀指數(shù)描述的正是周長(zhǎng)與面積的關(guān)系，因此，本研究只采用面積和形狀指數(shù)兩個(gè)因子，分析綠色開放空間的幾何特征對(duì)其溫度的影響。斑塊形狀指數(shù)的計(jì)算公式為

式中，P是斑塊周長(zhǎng)；A是斑塊面積，當(dāng)斑塊形狀為正方形時(shí)，式（5）的取值最小，等于1。

由于面積和冷島強(qiáng)度相差較大，因此這里我們采用面積的對(duì)數(shù)與冷島強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析。應(yīng)用A rcGIS的Bu ffer功能將從5景影像中選取的綠色開放空間斑塊以100米為半徑做緩沖區(qū)，然后應(yīng)用Zonal Statistics工具分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)斑塊內(nèi)部和緩沖區(qū)內(nèi)的平均溫度，再用緩沖區(qū)內(nèi)溫度平均值減去斑塊內(nèi)部溫度平均值，得到綠色開放空間的冷島強(qiáng)度。最后利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析綠色開放空間的幾何特征與其冷島強(qiáng)度的相關(guān)性。

4 結(jié)果分析

按以上方法研究綠色開放空間的幾何特征對(duì)其冷島強(qiáng)度的影響，所得結(jié)果如表3和表4所示。

表3 1987～2009年綠色開放空間斑塊冷島強(qiáng)度與面積對(duì)數(shù)相關(guān)性

表4 1987～2009年綠色開放空間斑塊冷島強(qiáng)度與形狀指數(shù)相關(guān)性

注：** 表示為在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；* 表示為在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

對(duì)相關(guān)性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得到各類綠色開放空間冷島強(qiáng)度的持續(xù)穩(wěn)定相關(guān)因子分別如下：對(duì)于耕地來說，耕地斑塊面積對(duì)數(shù)和形狀指數(shù)與冷島強(qiáng)度均在5個(gè)時(shí)相中僅有1個(gè)時(shí)相顯著正相關(guān)。因此，耕地斑塊的面積對(duì)數(shù)和形狀指數(shù)與其冷島強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系都不確定。

對(duì)于林地來說，林地斑塊面積對(duì)數(shù)與冷島強(qiáng)度5個(gè)時(shí)相均呈顯著正相關(guān)，而林地斑塊的形狀指數(shù)與冷島強(qiáng)度5個(gè)時(shí)相中有4個(gè)時(shí)相顯著正相關(guān)。因此，無論是林地斑塊的面積對(duì)數(shù)還是它的形狀指數(shù)都與其冷島強(qiáng)度持續(xù)穩(wěn)定正相關(guān)，即林地斑塊的面積對(duì)數(shù)和形狀指數(shù)都是它的冷島強(qiáng)度的持續(xù)穩(wěn)定相關(guān)因子。由此可以得出，林地斑塊的面積越大，那么它的冷島強(qiáng)度越強(qiáng)，即它對(duì)周邊的降溫效果越好。同時(shí)，林地斑塊的形狀越復(fù)雜，那么它的冷島強(qiáng)度越強(qiáng)，即它對(duì)周邊的降溫效果也越好。

對(duì)于水體來說，水體斑塊的面積對(duì)數(shù)與其冷島強(qiáng)度連續(xù)5年呈顯著正相關(guān)，而水體斑塊的形狀指數(shù)與其冷島強(qiáng)度5個(gè)時(shí)相中有3個(gè)時(shí)相顯著相關(guān)。因此，水體斑塊的面積對(duì)數(shù)與冷島效應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定正相關(guān)，即水體面積越大，那么它對(duì)周邊的降溫效果越好。而水體斑塊的形狀指數(shù)與其冷島強(qiáng)度在整個(gè)城市化過程中不穩(wěn)定相關(guān)。

5 結(jié)論與展望

綜上所述，綠色開放空間幾何特征對(duì)其冷島強(qiáng)度的影響可以得出以下結(jié)論：林地斑塊的面積對(duì)數(shù)和形狀指數(shù)都與冷島強(qiáng)度持續(xù)穩(wěn)定正相關(guān)，因此林地斑塊面積越大，林地斑塊形狀越復(fù)雜，冷島強(qiáng)度越大；水體斑塊面積對(duì)數(shù)與冷島強(qiáng)度持續(xù)穩(wěn)定正相關(guān)，因此水體斑塊面積越大，冷島強(qiáng)度越大。

此外，本文有如下問題值得進(jìn)一步深入討論：

（1）綠色開放空間斑塊選取的精度問題。城市地表組成比較復(fù)雜，多種類型在有限的空間范圍內(nèi)集聚分布，而TM/ETM+影像本身的精度并不高，這給解譯過程中綠色開放空間斑塊邊界的界定帶來很大難度，特別是一些面積較小的綠色開放空間斑塊。盡管在后期的斑塊篩選中去除了面積較小的斑塊以增加實(shí)驗(yàn)的精度，但這也會(huì)導(dǎo)致缺少對(duì)小面積綠色開放空間斑塊冷島效應(yīng)的研究。因此，在未來工作中，可以考慮使用更高空間分辨率的影像從而提高實(shí)驗(yàn)精度。

（2）研究區(qū)的選取問題。在本研究中，考慮到若以整個(gè)廈門行政區(qū)作為研究區(qū)，綠色開放空間數(shù)目較多，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理過程較為復(fù)雜。并且，廈門島是廈門市中心，熱島效應(yīng)更加顯著，因此只選取廈門島作為研究區(qū)。下一步應(yīng)當(dāng)考慮將整個(gè)廈門行政區(qū)作為研究區(qū)，為整個(gè)廈門市熱島效應(yīng)的減緩、綠地規(guī)劃與管理的改善提供更加科學(xué)的理論基礎(chǔ)?！?/p>

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How Geometric Characteristics of Urban Green Spaces Affects Cool Island Effects in the Process of Urbanization: A Study of Xiamen Island

Deng Lei1,2,Geng Danyang1, She Shaoyi1
(1.China Transport Telecommunications and Information Center, Beijing, 100011; 2.Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, X iamen, 360001)

In this study we investigated the cool island effects of urban green spaces in Xiamen city, China w ith a multi-temporal methodology. A summer series of Landsat TM/ETM+ images were used here, from 1987 to 2009 in the process of urbanization. We exam ined in the relationships between geometric characteristics of urban green spaces and cooling intensity. Spatial analysis and Pearson correlation were utilized for all the three green space types and all the five study years.

green space; cool island effect; multi-temporal; urbanization

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.04.006

TP79，F(xiàn)291.1

B

1672-7274（2017）04-0021-04