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《兰州大学》 2011年
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兰州市景观生态格局热环境效应研究

潘竟虎  
【摘要】:当前,世界和中国都在经历快速城市化过程。城市化在地域上首先表现为景观格局的演变,城市景观的空间配置及其时间演变是产生各种生态环境问题的前提。在人工景观取代自然景观的城市化过程中,由地表覆被材质的变化而导致了地表热辐射、热存储和热传递的一系列改变,并以城市热岛的形式表现出来。选择城市景观下潜在的热环境作为城市景观格局的生态学响应,引入景观生态学的研究范式,研究城市景观生态与环境问题,具有重要的理论和实践意义。 本文选择半干旱区河谷城市的典型代表——兰州市作为研究对象,借助遥感、GIS和空间统计分析方法,提取城市扩张信息和关键生态囚子,反演地表真实温度,研究兰州市景观生态格局、过程及其热环境效应,分析影响热环境格局的人文驱动因素。通过本研究,期望从理论和方法上建立一种城市化过程中景观格局热环境效应的研究框架、方法和体系;在实践上,为兰州城市景观优化布局、生态宜居城市建设、可持续发展研究等提供方法借鉴和案例参考。本论文系统性地将遥感、地理信息系统、景观生态学和数字图像处理等方法综合应用于城市热环境效应研究中,完成的主要工作和取得的主要结论如下: 1.兰州市中心城区用地扩展及其热岛响应研究。利用四期Landsat MSS/TM/ETM+影像提取兰州市中心城区用地信息,采用单窗算法反演地表温度,分析城市扩张与热岛增强的响应关系。结果发现:兰州中心城区用地快速扩展主要体现在2001年以前的20a,城市扩展与热岛扩张趋势具有时空一致性。 2.兰州市中心城区下垫面类型及格局的热环境效应研究。构建了植被-不透水而-大气污染物模型,利用线性混合光谱分解技术,分析兰州市不透水面与植被盖度的时空格局变化特征;探讨了地表温度和植被指数在不同土地利用类型之间的差异以及二者之间的定量关系,并引入多样性和聚集度指数,讨论了在不同土地利用的空间组合下,二者的空间差异及相互关系;研究了不同类型小区地表温度热场与下垫面结构的关系。结果表明: (1)1999-2006年,兰州市中心城区不透水面盖度和面积增加明显,而植被盖度则急剧降低;城市热岛强度、不透水面以及植被覆盖三者的分布呈不同程度的空间正自相关性,地表温度的空间依赖性极强。 (2)在500m的尺度上地表温度与土地利用多样性具有负相关关系,植被指数则与多样性呈正相关关系;地表温度随着景观多样性的增加而降低,随聚集度增加而增加。 (3)水体、绿地具有明显的降温功能,人工建筑表面则具有增温效果;可通过该3种地表类型的覆盖程度的多元回归,较好地反映小区地表温度的状况。地表温度与绿化率、绿地斑块平均面积、连通指数、形状指数、分维数均呈负相关性,与绿地分离度呈正相关性。 3.兰州市西固区景观格局空间尺度效应研究。利用2005年SPOT 5卫星影像,研究景观指数的粒度变化,确定出适宜的研究尺度,从斑块格局、区域景观格局等方面进行景观生态格局分析。结果表明:NP、PD、LSI和Ⅰ(?)AFRAC对粒度变化比较敏感;SHDI对粒度变化不敏感;10m分辨率是西固区土地利用景观的本征观测尺度;景观格局呈现出城市中心——城乡交错带——乡村的分异特征,梯度变化明显。 4.兰州市热环境人文驱动因素研究。从多要素综合作用的角度,采用多源空间数据和空间主成分分析方法,研究人类活动对兰州城市热环境的影响,并模拟热环境分布格局。结果发现:兰州市人类活动对热环境的影响因子可以归纳为4种相对独立的基本要素,即景观格局、工业布局、城市建筑以及地表覆盖;影响兰州市中心城区热环境的最核心要素是景观格局。
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