城市扩张对东莞市陆表温度的影响分析

冯徽徽,刘慧平,朱寿东,白 穆

(北京师范大学地理学与遥感科学学院遥感科学国家重点实验室,北京 100875）

城市扩张对东莞市陆表温度的影响分析

冯徽徽,刘慧平＊,朱寿东,白 穆

(北京师范大学地理学与遥感科学学院遥感科学国家重点实验室,北京 100875）

利用1995年12月30日、2003年1月10日两期Landsat TM/ETM遥感影像反演东莞市陆表温度(LST）,分析东莞市陆表温度的总体情况及时空特征,并通过引入温度植被指数(Temperature-Vegetation Index,TVX）空间方法,研究城市化对陆表温度的影响。结果表明:城市化进程是导致东莞市陆表温度上升的重要原因,这种作用在TVX空间中主要体现在聚类点由高植被覆盖-低温度向低植被覆盖-高温度区域的运动过程。

城市扩张;陆表温度;时空特征;温度植被指数(TVX）;东莞

0 引言

改革开放以来,随着经济的迅速发展,东莞市经历了由“三来一补”带动的“自下而上”的城市化过程[1-3],城市用地在短时期内迅速扩张。快速城市化进程不仅深刻影响东莞市社会经济变革,同时也对其资源环境产生了深刻影响。作为地球资源环境动态分析的重要指标,陆表温度(Land Surface Temperature,LST）对城市规划、环境保护等具有重要作用,它受到许多因素的影响,如季节因素、下垫面特征、土地利用/覆盖类型等[4-7]。

近年来,土地利用变化尤其是城市化进程对陆表温度的影响已成为学者关注的热点问题,如Xiao等[6]通过分析中国喀斯特地区陆表温度的分布情况,研究了城镇建筑材料与地表植被对陆表温度的影响;宫阿都等[8,9]通过陆地卫星热红外单波段分别反演了北京与珠三角地区的陆表温度,研究了土地覆盖变化特别是城市增长对地表温度的影响;刘宇等[10]通过分析不同时期东莞市陆表温度的分布情况,构建了热效应贡献度指数等3个评价指标,定量分析了不同土地利用类型对城市陆表温度的贡献度。这些研究从不同的角度探讨了城市化过程对地表温度的影响,但在定量分析及可视化表达方法的研究上有待进一步深化。

本文在总结前人研究成果的基础上,利用多时相遥感数据反演了东莞市陆表温度,并引入温度植被指数(TVX）空间方法,通过观察 TVX空间中聚类点的运动轨迹,分析了城市化进程对陆表温度动态变化的影响。

1 研究区与数据处理

本文选取广东省东莞市(东经113°31′～114°15′,北纬22°39′～23°09′）为研究区,区域东西长约70.45 km,南北宽约46.8 km,陆地面积2 465 km2[11]。改革开放以来,由于国家政策的引导,东莞市经济迅速发展,城市化水平迅速提高,城市在短期内占用了大量的农业用地,得到迅速扩张(图1）。

图1 1995-2003年东莞市城市扩张Fig.1 Urban growth in Dongguan City from 1995 to 2003

主要数据包括1995年12月30日、2003年1月10日两期Landsat TM/ETM影像,轨道号是122/ 44,成像时间为北京时间上午10时到11时,辅助数据包括东莞市行政区划图、2000年东莞市土地利用分类矢量图(作为参照图辅助进行其他年份的土地利用分类）。先对两期影像进行几何精校正,匹配精度控制在0.5个像元内,并将所有数据统一采样成30 m的分辨率;根据《土地利用现状分类》国家标准(2007年8月10日颁布）及《城镇地籍调查规程》(1989年9月6日颁布）,结合研究区的实际情况,通过在图像上选取一系列样本点,运用CART算法获取土地利用分类规则,在ENV I中构建决策树,将研究区土地利用类型分成农用地、林地、水域、城镇用地及其它用地五大类;最后以东莞行政区划图生成掩膜,对分类图像进行裁剪,得到只包含东莞市的土地利用分类图。

2 研究方法

2.1 陆表温度LST计算方法

利用遥感数据进行陆表温度反演已有许多成熟的算法,如分裂窗算法[12,13]、单窗算法等[14-16]。对于只有一个热红外波段的 TM数据,一般采用单窗算法反演陆表温度。本文由于未能获取到近地表气温和大气水分含量的大气参数,故无法使用单窗算法反演地表温度;另一方面,华南地区的大气水汽含量高,使用覃志豪等[16]提出的方法估算大气透射率会存在较大的误差。故本文采用A rtis及 Sobrino等提出的温度反演方法[17-19],在天空晴朗的条件下,大气的影响程度在空间上可认为一致,其不会影响陆表温度的空间相对分布。具体计算过程如下:

(1）辐射亮度Lb的计算:

式中:Lmax、Lmin分别表示最大和最小热辐射能量,可从原始影像的头文件中获取。

式中:K1、K2为常数。

式中:λ=11.5μm,α=0.01438 m K,ε表示地表辐射率。ε可参考Sobrino等[18,19]提出的方法进行估计:当NDV I≥0.7时,ε=0.99;NDV I≤0.05时,ε=0.973; 0.05＜NDV I＜0.7时,ε=0.986+0.004×Pv(Pv表示植被覆盖度,Pv=[(NDV I-0.05）/0.65]2）。

2.2 温度植被指数(TVX）空间轨迹分析方法

自1972年 Rao[5]首次提出利用卫星影像测定城区的热运动轨迹以来,越来越多的学者致力于研究土地利用变化(尤其是城市化）、植被指数等对陆表温度的影响[20-23]。本文引入一种研究陆表温度时空变化的新方法——温度植被指数(TVX）空间方法[5,22],在集成陆表温度与植被指数的散点图空间中研究两者的相互关系:即以陆表温度与植被指数分别作为TVX空间的横、纵坐标,构建 TVX空间;以某类土地利用类型为聚类点,计算其在空间中的位置。通过分析TVX空间中聚类点的运动轨迹,可以研究陆表温度的时空变化特征,尤其是土地利用变化(城市化）对陆表温度变化的影响。

为使不同时相的数据有更好的可比性,需对陆表温度进行归一化处理,同时以植被覆盖度作为植被指数的分析指标,具体计算公式为:

式中:T表示像元平均温度,Tmin、Tmax分别表示研究区中温度最低值和温度最高值。

式中:NDV I表示像元的平均NDV I值,NDV Imin表示裸土的 NDV I值,NDV Imax表示全植被覆盖下的NDV I值。本研究采用 Sobrino等[18,19]的估计方法,NDV Imin取值0.05,NDV Imax取值0.7。

3 结果分析

3.1 陆表温度LST反演结果

根据式(1）～式(3）,在 IDL编程环境下,对Landsat TM/ETM影像数据进行计算、处理,反演出多时相不同季节的东莞市陆表温度,并根据式(4）求出各时期的归一化温度,使各时相数据间具有更好的可比性。最终在A rcGIS9.3中根据自然断裂法对陆表温度进行等级分类,将其分为低温、亚低温、中温、亚高温和高温5个类别。

(1）1995—2003年研究区的陆表平均温度上升幅度较大(表1）,图2(见封2）显示了两个时期的陆表温度分布情况。对比东莞市土地利用图与图2的显示结果可以发现,高温区域主要集中在城镇地区,在空间上呈现以城镇为中心、沿道路不断向两旁延展的线状格局,低温区域主要集中在林地。表明城市化过程确实导致研究区陆表温度上升,主要原因是由于城市建筑材料(如水泥、砖瓦、沥青、建筑等）热容量和热惯量小,而热传导率和热扩散率却较大,使得接收的太阳辐射很快辐射到周围大气中,从而导致城区的陆表温度高于周边地区,引发城市热岛效应,提高研究区陆表总体平均温度。

表1 1995-2003年东莞市归一化陆表温度 T＊S总体情况Table 1 The overall condition of Normal LST(T＊S） of Dongguan from 1995 to 2003

(2）以土地利用分类图为掩膜,计算不同土地利用类型的陆表温度分布状况(表2）,结果表明,城镇用地、其它用地(主要为未利用地）的陆表温度一般较高,而农用地、林地、水体相对较低。值得注意的是,1995年的水域平均温度均大于农用地和林地,之后水域温度逐渐降低,成为各土地利用类型中温度最低区域,主要原因可能是1990-1995年东莞市水污染较严重,制造业污水直接排放到河流中[6],导致水体热容量降低,温度升高较快。而到后期,随着东莞市加大对环境污染的治理力度,水污染情况得到极大改善,水域在温度序列中逐渐成为最低的区域。另需关注的是,各土地利用类型的温度标准差均降低较大,表明随着东莞市加大对土地资源的管理力度,土地利用方式逐渐趋于合理。早期土地利用类型的温度标准差均较大,主要是由于1990年以后的开发热导致大量农用地和林地被占用,1995年由于投资链断裂而出现了大批土地撂荒现象,导致研究区内混合像元数量增大,从而使得其地表辐射温度具有较宽的变化范围。水域的温度标准差逐年递减,从另一方面表明因水体污染造成水域的不均一性得到改善,水域温度的变化范围逐渐减小。

表2 不同土地利用类型的归一化陆表温度 T＊S分布状况Table 2 The distribution of Normal LST(T＊S）of Dongguan with the various land use type

3.2 东莞市陆表温度LST时空变化特征分析

根据各个时期的土地利用图,提取在下一阶段转变为城市用地的土地利用类型,同时根据式(4）和式(5）,计算其变化前后的植被覆盖度与归一化陆表温度,进而构建TVX空间进行分析。由于东莞市城市化过程中占用最多的是农用地和林地,故本文主要针对这两种土地利用类型的变化对陆表温度的影响进行分析,得到TVX空间变化轨迹(图3）。

图3 TVX空间变化轨迹Fig.3 The change trajectory of TVX space

(1）TVX空间中聚类点的运动轨迹揭示了土地利用变化(城市化）对陆表温度变化的影响。在城市化早期,林地和农用地处于 TVX空间的左上角,该区域对应着较高的植被覆盖度和较低的温度。随着城市用地不断占用林地与农用地,被占用的土地类型均沿其斜线轨迹向TVX空间的右下角运动,该区域对应较低的植被覆盖度和较高的温度。聚类点在TVX空间中的初始位置决定了其运动变化的方向与幅度。图3表明,在农用地与林地转变为城镇用地的过程中,陆表温度与植被覆盖度的变化情况是,农用地:ΔT′farmland=0.107,ΔP′vfarmland= -0.025,林地: ΔT′woodland=0.105,ΔP′vwoodland= -0.064。表明城市化过程中,随着植被覆盖度不断减小,陆表温度迅速上升。

(2）为从空间上直观地研究城市化进程对陆表温度的影响,本文通过叠加处理、图像相减等相关操作,得到1995-2003年土地利用变化及陆表温度变化对比情况(图4,见封2）。从图4可以看出,东莞市陆表温度变化情况与土地利用变化情况相符:增温幅度最大的区域主要是农用地向城镇用地转化的部分(图4a中的蓝色部分）及林地转变为城镇用地的部分(图4a中的绿色部分）,增温区域在空间上一般以现有的城镇为中心向外蔓延。

4 结论

(1）城市化过程造成研究区下垫面性质的剧烈变化是引起陆表平均温度上升的主要原因,其高温区域主要以城镇为中心,沿道路不断向两旁延展。此外,1995年与2003年土地利用类型的温度序列存在细微的变化,主要是由于环境污染及盲目开发造成的。需引起注意的是,1995年各土地利用类型的温度标准差均大于2003年,说明陆表温度的大小与分布对环境变化的影响较敏感。

(2）引入TVX空间方法,分析陆表温度随土地利用变化(城市化）的变化情况,进一步论证城市化过程与陆表温度之间存在着较强的正相关,即城市化是造成陆表温度上升的重要原因。这种利用TVX空间中聚类点的运动轨迹分析土地利用变化(城市化）对陆表温度的影响的方法在国内鲜见报道。

(3）由于缺乏相关辅助数据的支持,在土地利用分类上只将研究区分成农用地等5类,但对东莞市而言,农用地还可细分为园地、耕地等类型,其对陆表温度的影响各不相同。后期工作中希望可以获取更多的辅助数据,进行更精细的土地利用分类,进而更准确地分析不同土地利用类型在城市化进程中对陆表温度的影响。此外,利用多时相的影像数据分析不同季节城市化过程对陆表温度的影响也是后续研究的重点内容。

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Influence Analysis of Urban ization on Land Surface Temperature in Dongguan City

FENG Hui-hui,L IU Hui-ping,ZHU Shou-dong,BA IM u
(School of Geography and RS,Beijing N orm al University,the State Key Laboratory of Remote Sensing Science,Beijing 100875,China）

In this paper,the influence of urbanization on land surface temperature(LST）was investigated in Dongguan City. Through the temperature retrieval method p roposed by fo rmer researchers,the LSTs of Dongguan were retrieved from two Landsat TM/ETM imagesw hich were taken in 1995 and 2003.Then,the general situation and spatio-temporal characteristicsof LSTs of Dongguan were discussed,the temperature-vegetation index(TVX）space was also introduced to investigate the influence of urbanization over LST.The result indicated that urbanization was an important reason for the LST increase of Dongguan,w hich was confirmed by the trajecto ry from the dense vegetation-low temperature condition to the sparse vegetation-high temperature condition in TVX space.

urbanization;land surface temperature;spatio-tempo ral characteristics;temperature-vegetation index;Dongguan

TP79;P407

A

1672-0504(2010）03-0087-04

2010-02-27;

2010-04-15

国家863计划项目(2006AA 120102）;国家自然科学基金项目(40671127）

冯徽徽(1986-）,男,博士研究生,主要研究方向为遥感城市监测与城市时空模拟。＊通讯作者E-mail:hpliu@bnu.edu.cn