饒 蓉，王 航

（韓山師范學(xué)院 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，廣東 潮州 521041）

隨城市擴(kuò)張，環(huán)境問(wèn)題對(duì)人居環(huán)境造成的危害日益明顯.漸漸地，人們意識(shí)到適宜的人居環(huán)境必須要有水體、植被才能滿(mǎn)足人們休閑游憩的愿望［1］.城市綠色空間的提出是人居環(huán)境研究向成熟的表現(xiàn).綠色空間是一個(gè)由園林綠地、城市林地、三維空間綠化、都市農(nóng)田和流域濕地等構(gòu)成的綠色網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［2］.借助于遙感影像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與提取綠色空間演變信息，是進(jìn)行綠色空間研究的重要手段.隨研究深入，城市綠色空間對(duì)于區(qū)域地表溫度的效應(yīng)研究成為一個(gè)重要方向.從最初的以熱紅外影像來(lái)分析大尺度區(qū)域熱環(huán)境變化規(guī)律與變化強(qiáng)度［3-4］，到利用無(wú)人機(jī)遙感研究小尺度的城市熱島中心熱環(huán)境影響因素分析［5］，綠色空間的“綠島效應(yīng)”及其在人居環(huán)境中的應(yīng)用價(jià)值得到學(xué)者們的一致認(rèn)可［6］.大部分學(xué)者采用Landsat 系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取綠色空間數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù).陳燕紅等用Landsat 影像數(shù)據(jù)對(duì)福州主城區(qū)綠色空間演化過(guò)程的溫度效應(yīng)進(jìn)行了研究［7］.李婷婷結(jié)合GIS空間分析技術(shù)進(jìn)行了重慶市主城區(qū)綠色空間時(shí)空演變及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的關(guān)聯(lián)性分析［8］.林濤等采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法，研究了福州主城區(qū)2009-2017年城市綠色空間格局演變的生態(tài)效應(yīng)［9］.

MODIS數(shù)據(jù)具有高光譜、高時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)，為研究地表植被特征和地表溫度反演提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，尤其是搭載的EOS/PMODIS探測(cè)器，可每天2次對(duì)地觀(guān)測(cè)，所獲取的MOD11A2影像采用相對(duì)成熟的分裂窗算法獲取白天和黑夜的地表溫度.借助于MODIS數(shù)據(jù)，李韶穎等以湖北省地級(jí)市以上城市城區(qū)為研究對(duì)象，研究城鎮(zhèn)化建設(shè)與城區(qū)地表溫度效應(yīng)［10］；Tomlinson 等利用MODIS 數(shù)據(jù)評(píng)估了英國(guó)伯明翰夏季UHI 對(duì)6 月至8 月白天和夜間差異的影響［11］.潘瑩等基于MOD11A2 及MCD12Q1 數(shù)據(jù)，采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法對(duì)重慶市的地表熱場(chǎng)進(jìn)行了分類(lèi)，再結(jié)合環(huán)境評(píng)估方法得到重慶市的熱環(huán)境時(shí)空特征［12］.王艷姣等利用MOD11A2數(shù)據(jù)，分析了重慶市夏季地表熱場(chǎng)分布情況，并對(duì)重慶市夏季地表熱場(chǎng)變化規(guī)律及成因進(jìn)行了研究［13］.郄宇凡利用MOD11A1 地表溫度數(shù)據(jù)和MOD10A1 積雪反照率數(shù)據(jù)研究了近20年青藏高原冰川表面溫度與反照率時(shí)空變化特征［14］.

綜上所述，多數(shù)學(xué)者利用Landsat 影像或MODIS 數(shù)據(jù)對(duì)城市的下墊面土地利用類(lèi)型、綠色空間分布特征、各城市地表溫度特征、綠色空間時(shí)空演化帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，且大部分學(xué)者采用一類(lèi)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行綠色空間信息提取，及地表溫度反演.需要指出的是，Landsat影像雖是中高空間分辨率，適宜于城市尺度綠色空間的研究，然則，其拍攝周期為16天，且影像質(zhì)量極易受云、霧影響，對(duì)于瞬息變化的地表溫度研究而言，用Landsat 影像數(shù)據(jù)反演獲取的地表溫度數(shù)據(jù)，存在準(zhǔn)確性不高和時(shí)效性差的特征.鑒于此，本文的地表溫度數(shù)據(jù)擬采用更高時(shí)間分辨率的MODIS11A2 影像獲取，并結(jié)合Landsat影像提取綠色空間和土地覆被數(shù)據(jù).在此基礎(chǔ)上，借助于GIS疊置分析、地統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行綠色空間格局的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，并聯(lián)合MODIS11A2 溫度反演數(shù)據(jù)，從已有研究鮮少關(guān)注的綠色空間演化過(guò)程切入，分析綠色空間時(shí)空演變對(duì)溫度的影響，探討城市熱島及冷島形成的原因和機(jī)制，以期為營(yíng)造人類(lèi)宜居城市、制定科學(xué)有效的緩解城市熱島方案提供借鑒.

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)介紹

重慶市位于中國(guó)內(nèi)地西南部、長(zhǎng)江上游地區(qū) （105°11′E-110°11′E、 28°10′N(xiāo)-32°13′N(xiāo)），北部、東部及南部分別有大巴山、巫山、武陵山、大婁山環(huán)繞，東西向有長(zhǎng)江、嘉陵江橫貫其中，氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨.受大山大水雙重分割，片區(qū)內(nèi)氣流不暢，極易形成下沉增溫，形成焚風(fēng)效應(yīng)，產(chǎn)生高溫天氣.

重慶市下轄23個(gè)市轄區(qū)、11個(gè)縣、4個(gè)自治縣，約2 991.4 萬(wàn)人，是成渝城市群經(jīng)濟(jì)最活躍區(qū)域之一.近年來(lái)，重慶的城市化進(jìn)程以每年大于1.43%的速度增長(zhǎng)，城市人口密度也急劇增長(zhǎng)［15］.隨著重慶市經(jīng)濟(jì)和文化的迅速發(fā)展，對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量的要求也越來(lái)越高.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

選 取2005 年、2015 年、2018 年、2020 年每年8 月的地表溫度8 天合成的MOD11A2 第6版產(chǎn)品影像，獲取行列號(hào)為h27v05、h27v06共計(jì)32景影像，其分辨率為1 km，所有MOD11A2數(shù)據(jù)均從NASA官方網(wǎng)站（http：//reverb.echo.nasa.gov/）下載.

采用2005 年、2015 年、2018 年、2020 年的重慶Landsat TM 土地利用遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率30 m，數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn/）.

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.3.1 土地利用/覆蓋分類(lèi)法

借助于ENVI5.3 和ArcGIS10.2 平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和重分類(lèi)，將研究區(qū)域的土地利用類(lèi)型分為：林地、草地、耕地、建設(shè)用地、裸地及水體，分類(lèi)情況見(jiàn)圖2.再基于以上六類(lèi)進(jìn)行柵格重分類(lèi)，將土地利用類(lèi)型進(jìn)一步分類(lèi)為綠色空間、建設(shè)用地、裸地、水體.

圖2 研究區(qū)土地利用類(lèi)型變化圖

1.3.2 綠色空間演化過(guò)程的界定

使用ArcGIS 10.2 對(duì)4 年內(nèi)的綠色主題地圖進(jìn)行疊加分析和柵格重分類(lèi)，得到2005-2015 年，2015-2018年，2018-2020年2005-2020年這4個(gè)時(shí)期綠色空間動(dòng)態(tài)演化情況（圖3）.1.3.3 MODIS溫度產(chǎn)品分析及溫度標(biāo)準(zhǔn)化分級(jí)

圖3 研究區(qū)綠色空間演化類(lèi)型變化圖

調(diào)用MODIS TOOL 批處理插件，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與投影變換，并采用MODIS 賦值NDVI去異常值的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理.最終將像元灰度值（Digitd Number，DN）轉(zhuǎn)化為地表溫度T（單位℃）詳細(xì)公式如下

采用自然間斷分類(lèi)方法劃分低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)及超高溫區(qū)，獲得研究區(qū)2005 年到2020 年的溫度等級(jí)分布圖（圖4）.最后，再將低溫區(qū)和次低溫區(qū)合并為冷島區(qū)，將次高溫區(qū)、高溫區(qū)和超高溫區(qū)合并為熱島區(qū).

圖4 研究區(qū)溫度等級(jí)分布圖

2 結(jié)果分析

2.1 綠色空間演化過(guò)程變化特征

如表1 所示，2005-2020 年，綠色空間一直呈減少趨勢(shì)，植被覆蓋度亦隨之呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，降低了0.67%；建設(shè)用地和水體一直在增加，分別增加了281.25 km2、44.75 km2；各地類(lèi)演化過(guò)程中，水體及建筑用地向林地、耕地和草地的轉(zhuǎn)入是綠色空間面積增加的直接原因.伴隨綠色空間內(nèi)部三種地類(lèi)的互轉(zhuǎn)，2015-2018 年間，大面積草地轉(zhuǎn)入林地，同時(shí)期耕地的轉(zhuǎn)入也較其它時(shí)段顯著.結(jié)合表2，研究區(qū)存在：綠色空間不變面積＞綠色空間轉(zhuǎn)換面積＞綠色空間減少面積＞綠色空間擴(kuò)張面積的現(xiàn)象，2005-2020 年四類(lèi)面積演化率分別為4 314.65 km2/a、939.90 km2/a、57.65 km2/a、17.82 km2/a，綠色空間在2015-2020 年變化最為顯著.綜上，研究區(qū)綠色空間整體呈現(xiàn)微弱減少趨勢(shì)；不同的綠地類(lèi)型之間相互轉(zhuǎn)換頻繁，以草地轉(zhuǎn)出為林地最為顯著.

表1 2005—2020年土地利用類(lèi)型面積轉(zhuǎn)換（km2）

表2 2005—2020年綠色空間面積變化

2.2 地表溫度變化特征

如表3 所示，熱島區(qū)面積顯著大于冷島區(qū)，且每個(gè)研究階段均呈現(xiàn)：熱島區(qū)不變面積＞冷島區(qū)不變面積＞熱島區(qū)變?yōu)槔鋶u區(qū)面積＞冷島區(qū)變?yōu)闊釐u區(qū)面積.2015年以來(lái)，研究區(qū)冷熱島演化加劇，2018年以前，冷島轉(zhuǎn)熱島年速率均高于68.40，2018-2020 年，年速率下降為39.73；冷島轉(zhuǎn)熱島最顯著演化期發(fā)生在2015-2018 年，而熱島轉(zhuǎn)冷島顯著發(fā)生期在2018 年-2020 年.表4 展示研究區(qū)同時(shí)期溫度變化情況.處于中溫區(qū)、次高溫區(qū)和高溫區(qū)的重慶市轄區(qū)面積，由2005年的72.80%縮小至2020年的63.55%.伴隨超高溫區(qū)的減少，全市溫度向次低溫區(qū)和低溫區(qū)轉(zhuǎn)移，次高溫區(qū)和高溫區(qū)向中溫區(qū)的轉(zhuǎn)入是研究區(qū)溫度下降的根本原因.

表3 研究區(qū)各階段冷/熱島斑塊轉(zhuǎn)移情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 研究區(qū)2005—2020年溫度等級(jí)轉(zhuǎn)移情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果（km2）

結(jié)合表2 和表3，研究區(qū)冷/熱島區(qū)與綠色空間面積變化相一致，2005-2020 年間，綠色空間面積持續(xù)減少，研究區(qū)冷島轉(zhuǎn)熱島面積持續(xù)增大，變化速率在2015-2018時(shí)段達(dá)到最快；至2018-2020年，綠色空間面積增加，研究區(qū)熱島轉(zhuǎn)冷島面積及其演化速率在2005-2020 時(shí)段內(nèi)達(dá)到最大.說(shuō)明了研究區(qū)冷/熱島區(qū)分布的變化與區(qū)域土地利用/覆蓋的變化密切相關(guān).另外，研究還顯示，從2005-2020年，綠色空間減少的面積大于綠色空間擴(kuò)張的面積，而熱島面積卻不增反降，冷島面積不減反增，這也說(shuō)明了綠色空間的減少只是增強(qiáng)重慶市熱島效應(yīng)的因素之一.

2.3 綠色空間演化過(guò)程的溫度效應(yīng)

2.3.1 基于空間重心法的城市冷/熱島演化

重心法是推斷綠色空間演化規(guī)律與地表溫度演變趨勢(shì)之間關(guān)聯(lián)性的有效方法.由研究區(qū)冷/熱島重心和區(qū)域重心的位置遷移（圖5），發(fā)現(xiàn)從2005 年到2020 年，研究區(qū)冷島的重心越來(lái)越偏離熱島重心和城市重心，且冷島重心偏離城市重心的速度越來(lái)越快，而非綠色空間的重心逐漸向城市重心聚攏，非綠色空間重心與熱島重心的持續(xù)聚集，與城市發(fā)展過(guò)程高度一致.結(jié)合不同土地利用類(lèi)型的重心遷移情況（圖6），發(fā)現(xiàn)林地、草地、耕地的重心都發(fā)生了明顯位移.林地重心持續(xù)偏離城市中心區(qū)域，位移量在所有地類(lèi)中最大，亦說(shuō)明了林地空間格局的變化，對(duì)研究區(qū)地表溫度變化影響最顯著.耕地的重心由涪陵區(qū)向豐都縣轉(zhuǎn)移，草地的重心偏移至長(zhǎng)壽區(qū)邊界.這表明，城市熱島的重心與城市冷島的重心與城市重心密切相關(guān)，研究區(qū)土地利用/覆蓋類(lèi)型的變化是引起重慶市區(qū)表面溫度變化的關(guān)鍵因素.

圖5 研究區(qū)2005—2020年綠色空間、非綠色空間和冷/熱重心位置變化圖

圖6 研究區(qū)2005—2020年不同綠色空間重心位置變化圖

2.3.2 下墊面土地利用變化的溫度效應(yīng)

分別選取2005 年、2015 年、2018 年及2020 年4 個(gè)年份的溫度等級(jí)和相應(yīng)年份的土地利用類(lèi)型，以及2005-2020年的地表溫差和對(duì)應(yīng)的土地利用類(lèi)型演化作為分析對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行堆棧剖面處理，提取剖面沿線(xiàn)的地表類(lèi)型與地表溫度屬性再進(jìn)行分析，得到剖面線(xiàn)圖.其中，溫度等級(jí)1-6分別表示：低溫、次低溫、中溫、次高溫、高溫和超高溫.

從不同溫度等級(jí)與用地類(lèi)型分布變化情況來(lái)看（圖7-10），2005-2015 年，研究區(qū)以高溫區(qū)和次高溫區(qū)為主.2015-2018年，仍有較多的高溫區(qū)分布，綠色空間被占用的面積增多，溫度由超高溫區(qū)向次高溫區(qū)和中溫區(qū)過(guò)渡；2018-2020 年，超高溫區(qū)和高溫區(qū)的分布明顯減少，次高溫區(qū)、中溫區(qū)和次低溫區(qū)的分布明顯增多.從地表溫差與用地變化關(guān)系上看出（圖11），2005-2020 年，重慶市地表溫差呈峰谷交替趨勢(shì)出現(xiàn).在接近100 m 及接近50 m 的距離內(nèi)分別有兩個(gè)很明顯的波谷，此波谷值為負(fù)，表現(xiàn)為降溫效應(yīng)，而引起此次降溫效應(yīng)的正是綠色空間的擴(kuò)張，此后溫度逐漸升高，而造成升溫效應(yīng)的是綠色空間的減少，觀(guān)察其他幾個(gè)波谷，形成原理一樣，因此可以得出波谷位置多由綠色空間面積減少引起，結(jié)合土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移過(guò)程可知，綠色空間轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地造成區(qū)域溫度上升.特別是2015-2018 年間，綠色空間轉(zhuǎn)出面積顯著增多，研究區(qū)高溫分布范圍擴(kuò)大，且溫度由超高溫區(qū)向次高溫區(qū)和中溫區(qū)過(guò)渡.

圖7 2005年剖面線(xiàn)不同溫度等級(jí)與用地類(lèi)型分布變化圖

圖8 2015年剖面線(xiàn)不同溫度等級(jí)與用地類(lèi)型分布變化圖

圖9 2018年剖面線(xiàn)不同溫度等級(jí)與用地類(lèi)型分布變化圖

圖10 2020年剖面線(xiàn)不同溫度等級(jí)與用地類(lèi)型分布變化圖

圖11 研究區(qū)2005—2020年地表溫差與用地變化關(guān)系剖面圖

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

以重慶市的綠色空間和地表溫度為對(duì)象，探討了在城市化過(guò)程中綠色空間時(shí)空演化的規(guī)律，量化分析不同演化類(lèi)型對(duì)城市地表溫度的影響.研究表明：（1）綠色空間的演化類(lèi)型將會(huì)影響區(qū)域地表溫度的變化.表2 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示從2015 年到2018 年，重慶市綠色空間減少的速率達(dá)到最大，相對(duì)應(yīng)的，表4 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示由冷島區(qū)轉(zhuǎn)化為熱島區(qū)的速率也達(dá)到最大，即綠色空間的減少會(huì)促使地表溫度上升；表3 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示從2005-2020 年，林地面積大量增加，相對(duì)應(yīng)的，表5 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示綠色空間的擴(kuò)張會(huì)促使地表溫度下降，四個(gè)表的統(tǒng)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證了該結(jié)論，該現(xiàn)象與張棋斐［5］和賈琦［16］的研究相一致.2005年之后，重慶林地面積大量增加，主要與2005年公布的《重慶市林地保護(hù)管理?xiàng)l例》的嚴(yán)格實(shí)施有關(guān)［17-18］，而林地增加對(duì)于區(qū)域地表的降溫效應(yīng)，成為重慶市地表溫度表變化的主導(dǎo)因素.（2）城市土地利用/覆蓋類(lèi)型的變化是引起城市表面溫度變化的關(guān)鍵因素.也與陳燕紅［7］等的研究結(jié)果相一致.（3）城市熱島重心分布在城市重心附近，而城市冷島重心較熱島重心遠(yuǎn)離城市重心分布；由圖5 可知城市熱島重心始終分布在城市重心附近，而冷島重心離城市重心較遠(yuǎn)，由此驗(yàn)證了該結(jié)論，亦與曾夢(mèng)［17］的研究結(jié)果一致.（4）城市綠色空間不同演化過(guò)程會(huì)引起地表溫度發(fā)生不同變化，綠色空間的減少和綠色空間的擴(kuò)張分別具有最大的制熱和制冷效果，亦與陳燕紅等［18］的研究結(jié)果一致.因此，研究綠色空間擴(kuò)張的溫度效應(yīng)時(shí)，也要關(guān)注其分布狀態(tài)，如果綠色空間的擴(kuò)張并非是大面積連片狀，而是在建設(shè)用地中散點(diǎn)式分布，由此引起的溫差必定受到周?chē)玫仡?lèi)型的影響.如2015-2018 年和2018-2020 年兩個(gè)時(shí)段，冷/熱島轉(zhuǎn)換時(shí)效性問(wèn)題.該結(jié)論與文獻(xiàn)［7］對(duì)于福州市的研究相一致.（5）重慶市夏季的熱島效應(yīng)強(qiáng)烈，但出現(xiàn)強(qiáng)熱島、極強(qiáng)熱島的地區(qū)與十年前相比，明顯減小，亦與李曉敏等［19］、何澤能［20］等的研究結(jié)果一致.今后仍需加強(qiáng)對(duì)綠色空間、地表溫度、兩者之間關(guān)聯(lián)性的定量研究，以深入揭示綠色空間演化過(guò)程中地表溫度的響應(yīng).

3.2 結(jié)論

本研究采用土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移分析、空間重心和剖面分析等方法，定量分析了重慶市城市綠色空間的演變過(guò)程及其變化以及由此引起的地表溫度效應(yīng).結(jié)果表明：（1）從2015 年到2018 年，重慶市綠色空間減少的速率達(dá)到最大，相對(duì)應(yīng)的，由冷島區(qū)轉(zhuǎn)化為熱島區(qū)的速率也達(dá)到最大，表明綠色空間的演化過(guò)程能夠影響地表溫度.（2）城市土地利用/覆蓋類(lèi)型的變化是引起城市表面溫度變化的關(guān)鍵因素.（3）城市熱島重心分布在城市重心附近，而城市冷島重心較熱島重心遠(yuǎn)離城市重心分布.（4）城市綠色空間不同演化過(guò)程會(huì)引起地表溫度發(fā)生不同變化，綠色空間的減少和綠色空間的擴(kuò)張分別具有最大的制熱和制冷效果.（5）重慶市夏季的熱島效應(yīng)強(qiáng)烈，但表現(xiàn)為強(qiáng)熱島、極強(qiáng)熱島的地區(qū)與十年前相比，明顯減小.