基于Landsat数据的城市热力景观时空演变特征研究

石蕾洁，杨若雨

1.中联西北工程设计研究院有限公司；2.西安市城市规划设计研究院

随着城市化进程的推进，城市内部资源环境压力加剧，生态环境问题大量涌现，尤其是全球变暖现象愈加明显。环境污染、资源匮乏、交通拥挤等问题使人类赖以生存和发展的生态系统受到了巨大的影响[1-2]。Manley于1958年提出了“城市热岛”（Urban Heat Island）的概念，即城市内部温度明显高于周围郊区温度[3]。城市热岛效应已成为中国地理国情监测的一项试点内容，大量学者投入到城市热岛效应研究中。陈云浩[4]首次提出了“热力景观”概念，将景观生态学引入城市热环境的研究中，对不同时期上海市热环境的空间结构与格局进行了研究；刘宇翔[5]等从全国、气候带、城市3个空间尺度探讨了我国347个城市昼夜地表热岛强度的空间分布特征以及时间变化规律；邓玉娇[6]等定量分析了粤港澳大湾区城市热岛的时空分布特征；孙艳伟[7]等利用MODIS数据,基于一致性方法定量测度了我国1232个主要城镇人居斑块的热岛强度及其时空变化模式；高静[8]等分析了武汉市局部源汇景观格局对城市地表温度的贡献及其效应；黄亚平[9]等以武汉市主城区589个控规管理单元为样本,运用RS、GIS的技术识别热岛空间格局,揭示热岛空间分布的影响要素；丁海勇[10]等对南京市土地利用/覆盖类型动态变化的空间特征及地表温度对城市化的响应情况进行了定量研究；阴瑜鑫[11]等基于GEE平台，使用城乡二分法估算长江经济带2003—2019年的城市地表热岛强度，再利用城市热场变异指数评价生态环境，并利用地理探测器进行城市热岛成因分析；李宇[12]等通过城乡对比法（UMR）和观测减去再分析方法（OMR）对比分析了中国92个主要城市的城市化对局地增温的贡献。本文将西安-咸阳主城区作为研究区，基于Landsat影像反演地表温度，利用均值-标准差法、标准差椭圆法分析热力景观时空变化特征，为城市生态环境的改善、城市的合理规划布局等提供了科学指导。

一、研究区概况

本文选取大西安都市圈建设的核心区域西安-咸阳主城区作为城市热环境研究的典型区域，总面积约为1664km²。西安-咸阳地区地处渭河流域中部关中盆地，四季冷热分明，属暖温带半湿润大陆性季风气候，春季温暖干燥，夏季炎热多雨，秋季冷暖适宜，冬季寒冷多雾。近年来，随着城市的快速发展，建筑用地不断增加，西安-咸阳主城区的生态环境问题日益严重，夏季高温多次创历史新高。2017年西安成为第一个夏季高温破40℃的省会城市，高温日数量连续排在全国前三位，因此研究西安-咸阳主城区的热环境演变特征并提出缓解措施是具有重大意义的。

二、数据与方法

（一）数据来源

本文主要使用Landsat影像数据进行地表温度的反演，空间分辨率为30m。本文研究的时间跨度为2000-2019年，根据影像数据的成像情况，分别选取了2000年、2006年、2013年和2019年夏季（6-8月）的Landsat影像数据，四期影像数据质量较高，且在研究区范围内基本无云覆盖，能较好反映地表真实状况。本文选取MODIS陆表温度产品MOD11A1对Landsat数据反演得到的地表温度进行精度验证。

（二）研究方法

1.地表温度反演

本文选用覃志豪单窗算法反演地表温度。单窗算法是覃志豪[13]等根据地表热辐射传输传导方程，推导出的一种利用Landsat TM/ETM+第6波段数据反演地表温度的算法，该算法需要3个参数：大气平均作用温度、大气透过率和地表比辐射率。计算公式如下：

式（1）中，Ts为地表真实温度（K）；a和b是常量，分别为-67..355351和0. 458606；和是中间变量，，，其中是地表比辐射率，是大气透射率；T6是卫星高度上传感器所探测到的像元亮度温度（K）；Ta为大气平均作用温度。

本文选取MODIS陆表温度产品MOD11A1对Landsat数据反演得到的地表温度进行精度验证。

2.城市热力景观等级划分

均值-标准差法利用地表温度的平均值和不同标准差倍数的组合划分城市热力景观等级。本文将热力景观等级划分为6级，分别为：低温区、次中温区、中温区、次高温区、高温区和特高温区（见表1）。

表1 城市热力景观等级划分

3.标准差椭圆法

标准差椭圆法来源于中心形态学，它能精准地概括地理要素的空间特征，如中心趋势、离散和方向趋势，其形态可在一定程度上反映要素空间分布的方向性特征。椭圆的方位角反映要素分布的主趋势方向，主辅轴反映要素分布的主次方向和聚集离散程度。

三、结果与分析

（一）城市地表温度变化特征

利用覃志豪单窗算法反演得到研究区年夏季地表温度。2000年地表平均温度为32.31℃。最低温度为20.62℃，位于秦都区内渭河水面上。最高温度为41.29℃，位于莲湖区；2006年地表平均温度为30.54℃，较2000年降低了1.77℃。最低温度为22.82℃，位于渭城区内渭河水面上。最高温度为45.54℃，也位于莲湖区内。2006年平均地表温度低于2000年，而最低和最高温度均高于2000年，标准差为1.80，也略低于2000年，说明2006年地表温度值相对于2000年分布较为聚集，大部分数值较为接近平均值；2013年升温幅度较大，平均地表温度为35.46℃，较2006年升高了约16.11%。最低温度也位于渭城区的渭河水面上，但较2006年升高了2.86℃。2013年最高温度基本与2006年持平，为45.84℃，位于新城区内。而标准差明显增大，说明2013年地表温度值离散程度较大，高值和低值趋于两极化分布；2019年平均地表温度持续升高，达到了39.67℃，较2013年升高了约11.87%。最低温度为24.12℃，位于灞桥区内灞河水面上。最高温度为49.52℃，较2013年升高了3.68℃，位于长安区内。标准差与2013年持平，地表温度值继续保持离散分布状态。总体来看，2000-2019年研究区内平均地表温度呈持续上升的趋势，2006年稍有降低，平均温度共升高了7.36℃。温度低值点多位于渭河和灞河水面处。

（二）城市热力景观空间分布变化特征

在6类热力景观中，次高温区、高温区和特高温区3类热力景观构成了“城市热岛景观”。2000年，西安市城三区（碑林区、新城区、莲湖区，下文同）基本为高温区域，在护城河附近温度稍有降低，形成了带状中温区热力景观，碑林区内的兴庆宫公园由于具有大量绿地与水面，也形成了面状低温区热力景观；雁塔区的高温中心主要在以大雁塔、小寨、电视塔为中心的商圈范围，未央区以城三区为中心向北和向西延伸也形成了部分高温中心，灞桥区的高温中心为东三环、长乐东路、连霍高速所形成的区域，长安区的高温中心位于航天城、凤栖原区域，而秦都区和渭城区的高温中心主要位于咸阳市政府和咸阳国际机场附近；2006年，各辖区原有高温中心基本无明显变化，但高温区域均向外发生扩散，尤其是雁塔区由于高新技术产业开发区迅速发展，大量工业企业坐落于此，城市热量增加，地表温度升高；2013年城市热岛景观斑块面积有所增加，但整体城市热力景观等级有所下降，尤其是城三区内大量高温区热力景观斑块转移为次高温区热力景观斑块，城市热量主要向长安区和未央区进行辐射。未央区为西安市人民政府的坐落地，并且北客站已建成使用，经济、政治、文化等产业发展迅速，建设用地大量增加，使得地表温度升高。而长安区已发展成为西安高校聚集地，原有农田被开发为住宅、商场等建设用地，城市下垫面性质改变，生活设施逐渐完善，也在一定程度上导致部分人口迁居在此，因此城市热量大幅度增加。同时随着西咸一体化的规划开展，咸阳市主城区及新城区均迅速发展；到2019年西咸新区的发展对城市热力景观的影响较大，新增加的高温中心主要集中于沣东新城以及秦汉新城。总体来看，2000-2006年，西安市城三区和咸阳市城区为城市热岛景观主要区域，该区域建筑密度较大，人类活动密集，因此地表温度明显高于周边地区，形成了明显的“城市热岛”。2006-2019年，随着其他行政区尤其是西咸新区的快速发展，大量商业、工业中心建成，人类活动范围扩大，城市热岛景观向外扩散延伸，形成了多个新的高温中心，城三区的资源环境承载压力相对减小。

（三）城市热力景观方向趋势变化特征

2019年低温区及中温区热力景观椭圆的方位角大于2000年，说明研究区低温区及中温区热力景观整体向东南方向倾斜，可能是由于研究区东部浐河、灞河的水体冷岛效应，使得低温区域方向逐渐趋于河流方向；而城市热岛景观的方位角均小于2000年，则说明研究区城市热岛景观整体向西北方向倾斜，主要原因可能是未央区及西咸新区快速发展形成新的高温中心，从而对城市热岛景观的影响程度逐渐加强。而各类城市热力景观的方向趋势和向心力整体都有所减弱，2000-2013年为变化的主要时期，2013-2019年变化程度相对较小。2006年以后，三类城市热岛景观重心整体向西北方向迁移到未央区，其重心迁移趋势与景观分布方向倾斜趋势大致相同。

四、结论与讨论

（一）结论

本文基于Landsat遥感影像反演地表温度，结合景观生态学和统计学的研究方法，选取合适的景观指数，运用拐点法和信息损失评价法识别城市热力景观格局分析的适宜粒度范围。基于最适宜粒度，研究夏季热力景观空间格局演变特征，并基于移动窗口法对8个方向上热力景观格局变化特征进行梯度分析，主要得到以下结论。

（1）2000-2019年，研 究区内夏季平均地表温度呈持续上升的趋势，2006年稍有降低，平均地表温度从32.31℃升高到39.67℃。地表温度值离散程度较大，高值和低值趋于两极化分布。2019年研究区城市热岛景观斑块面积约为866.93km²，较2000年约增加112.73km²。2000-2006年，西安市城三区（碑林区、新城区、莲湖区）和咸阳市城区为城市热岛景观主要区域，地表温度明显高于周边地区，形成了明显的“城市热岛”。2006-2019年，城市热岛景观向外扩散延伸现象明显，形成了多个新的高温中心。

（2）城市热环境在空间分布方向上大致呈现“东南-西北”的分布格局，城市热岛景观分布方向和重心主要向西北方向偏移，而低温区及中温区热力景观的偏移方向与城市热岛景观相反，大致向东南方向倾斜，分布方向逐渐趋于河流方向，且各类热力景观的方向趋势和向心力程度整体均有所减弱。

（二）讨论

本文对城市热环境的内在特征进行了从表象到实质、从整体到局部的解读和论证，然而，由于城市热力景观的形成机制与影响因素较为复杂，本文仍存在一些问题值得进一步的思考与完善。在后续的研究中，可细化研究尺度，从昼夜及季节两个时间尺度研究城市热力景观的演变特征。