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东北三省城市扩展及热岛效应研究

王斌  
【摘要】:近年来,随着经济的持续发展,我国的城市化进程不断加快,传统的监测方法难以快速有效的获取城市的扩展信息。自上世纪70年代以来,随着遥感技术的不断发展和完善,结合遥感与地理信息系统技术研究城市扩展具有周期短、劳动强度小、节省资金等诸多优势,逐渐成为监测城市扩展的主流方法。 本文采用覆盖东北三省的1975年左右的MSS影像、1990年左右的TM影像、2000年左右的ETM影像、2007年左右的CBERS影像作为主要数据源,结合前人经验及城市建成区的光谱特征建立解译标志,采用人机交互解译的方式得到四期城市矢量数据。研究了城市的分布现状,计算了其面积变化、动态度、扩展强度等信息,并结合统计资料,采用灰色关联度分析方法,对城市扩展的驱动力进行了分析。另外,还基于分形理论,对东北三省城市体系的规模分布和空间结构进行了研究。同时,利用MODIS LST和Landsat TM/ETM数据,反演了地表温度和不透水面等信息,从宏观和微观两种尺度研究了城市热岛效应。本文通过上述研究得到以下结论: 1、东北三省城市在4个时期的面积及分布特征 东北地区地势平坦,自然条件优越。城市建成区主要分布在500m以下、坡度8°以下、起伏度75m以下的地区。城市主要沿交通干线及水系分布,经统计,大部分区域分布在交通干线及水系周边10km的范围内。因此,城市的分布具有明显的轴向特征。在1975年、1990年、2000年、2007年4个时期,东北三省县级以上行政区建成区的面积分别为2039.35km2、3829.70km2、4641.24km2、6693.91km2。辽宁省建成区的面积始终为最大,分别为875.69km2、1615.43km2、2040.57km2、3020.81km2,其次为黑龙江省,面积分别为700.87km2、1322.34km2、1556.81km2、2128.24km2,最后为吉林省,面积分别为462.79km2、891.93km2、1043.86km2、1544.86km2。 2、东北三省城市的扩展情况及特征 新扩展的区域主要分布在海拔500m以下、坡度5°以下的地区。1975~1990年,黑龙江、吉林、辽宁以及总体城市建成区年均扩展率分别为5.91%、6.18%、5.63%、5.85%;1990~2000年,分别为1.77%、1.70%、2.63%、2.12%;2000~2007年,分别达到了5.24%、6.86%、6.86%、6.32%。 东北三省城市在扩展的过程中具有明显的相似性特征,以1975~1990年的扩展速度为基准,都经历了先慢速扩展后快速扩展的过程。从第1阶段的5.85%下降至第2阶段的2.12%,而后上升到第3阶段的6.32%。在城市的扩展过程中,副省级城市在扩展过程中一直处于核心地位,地级城市是城市扩展的主体,县级市及县则是一直处于快速扩展的阶段,除1990~2000年,扩展动态度高于副省级城市及地级市。扩展强度比较显著的地区主要分布在哈大交通经济带上。这些区域以点、团状的形式分布,彼此之间相对较为独立,扩展模式上主要以哈尔滨、长春、沈阳、大连4个中心城市为核心,呈辐射状向周边发展。在3个阶段的扩展过程中,第2阶段的扩展强度整体上小于第1阶段,第3阶段较前两个阶段,扩展强度明显提高,特别是沿海城市带提高程度最为明显,这些区域在图中表现为由点、团状发展成大片的面状的形式。 东北三省城市主要分布在广阔的平原地区,城市扩展受地形影响较小,多表现为蔓延式扩展;部分沿江河的城市,受河流的限制,表现为连片扩展;能源型城市受资源点分布的影响,扩展形态上更多的表现为飞地式扩展。 应用灰色关联度理论对城市扩展的驱动力进行了分析。结果表明,GDP与城市建成区面积的关联程度最高,其次为非农人口数、房地产投资额、铁路及公路运输线路长度。 3、东北三省城市群规模分布和城镇体系空间结构的分形特征 应用分形理论对东北三省辽中南、哈大齐、吉中三大城市群的规模分布和城镇体系的空间结构进行了研究。结果表明,经过30多年的发展,哈大齐城市群城市规模分布逐步得到优化,城市群内城市的发展趋于均衡,城市群的空间结构趋于紧凑。吉中城市群则经历了先优化而后又趋于分散的过程,但总体上,空间结构也趋于紧凑。另外,还发现哈大齐和吉中城市群城镇体系结构仍然不够完善,城市规模不连续。辽中南城市群内副省级城市、地级市、县级市及县三级城市规模差异很大,各级之间出现明显的脱节现象,城市群的空间结构经历了先趋于均匀化,而后受交通干线的吸引,空间结构具有明显的轴向特征。 4、东北三省城市热岛效应特征 在冬季,东北三省温度的分布情况主要受纬度的影响,即随纬度的不断增加温度逐渐降低,在春季、夏季和秋季,温度的分布情况更多的受地域的影响,西部及西南部的温度整体上高于东部和北部地区。出现热岛效应的区域主要分布在城市及其周边地区以及工矿附近。夏季的热岛强度普遍高于春秋两个季节。受空气中烟尘等污染物的影响,冬季还会出现城市冷岛效应。 采用ArtisCarnahan单通道法计算了长春市的地表温度。研究表明,长春市的高温区多分布在工业园区,低温区主要分布在旅游风景区。对比1993和2001年两期温度数据,研究表明,经过8年来的城市发展,城市热岛区域面积明显增加,高温区和极高温区的面积有所减少。 应用光谱混合分析法(SMA)对长春市的不透水面信息进行了提取。研究发现,不透水面率、地表温度、NDVI三者之间具有相关性。当NDVI>0时,NDVI与地表温度之间呈线性关系,地表温度随NDVI的增加而逐渐减小。不透水面率与地表温度存在线性关系,地表温度随不透水面率的增加而逐步升高。随着城市的不断扩展,不透水面区域面积逐年增加,城市热岛区域的面积将不断增多。不透水面率与NDVI同样存在线性关系,NDVI随不透水面的增加而不断减少。


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