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重庆市中心城区土地利用/覆盖变化及其对地表温度影响研究

彭征  
【摘要】: 近年来,全球城市化引起土地利用/覆盖变化的加剧,从而导致社会、经济与环境的进一步变化,进而对区域生态环境以累积的方式影响全球环境变化。而城市生态系统的脆弱性和不稳定性,导致一系列的城市问题不断显现。其中,城市的热力环境问题就一直受到广泛的关注。由于受遥感数据源精度的限制,目前对土地利用/覆盖变化的研究,大都局限于大、中尺度全球或区域层面,尤其是将城市土地类型作为一个整体对城市土地利用/覆盖变化进行研究。相应的,地表温度的研究受城市土地利用/覆盖类型的分类精度的限制,多是某一区域内一种或两种用地类型,研究其与地表温度的关系,而一个特定区域内各种用地类型对该区域地表温度的影响是一个有机的统一整体。因此,只有对城市土地的二级地类细化研究才能更好的反应城市内部结构和演变规律;只有研究各用地类型和地表温度相互影响的作用机理,才能进一步揭示进行两者关系研究的意义。基于以上论述,本文运用遥感解译和GIS空间分析技术,选取重庆地区经济发展最为迅速、人类活动最为频繁的中心城区小尺度典型区域为研究区,利用1986、1995、2000和2007年的TM/ETM影像数据以及统计数据,将城市土地利用类型细化为14个二级地类,分析其土地利用/覆盖变化,以城市土地利用类型的地表温度定量反演为基础,对城市内部地表温度时空分布特征及其与下垫面的关系进行研究,揭示城市土地利用/覆盖变化对城市热环境的影响,为城市合理规划及缓解城市热环境恶化提供科学参考。论文取得了以下主要的研究成果: 1.重庆市中心城区土地利用/覆盖变化的研究 应用ERDAS,ARCINFO等遥感、GIS软件,将研究区1987、1995、2000和2007年的4景卫星影像数据在与野外实测资料相互对比的情况下进行分类。据此建立起土地利用/覆盖变化的转移矩阵,并得出研究区近20年来的土地利用/覆盖变化总体趋势:研究区土地利用/土地覆盖变化,存在“一增二减”现象。“一增”是指城镇用地的面积显著增加,城镇用地占土地总面积比例从1986年的11.54%增加到2007年的18.02%,净增加面积达到了130.76km~2。“二减”是指旱地和水田面积的大幅度减少,旱地占地总面积从1986年的581.15km~2下降到2007年的490.33km~2,减少面积达90.82km~2。水田的面积则减少了44.64km~2,占土地总面积比例从1986年的20.10%连续递减到2007年的19.17%。 重庆市中心城区的土地利用变化存在着明显的空间差异。城镇用地主要是在沿江两岸周围的较平坦地区,山区则主要发展林地、早地等。1995年以前,山区林地遭到严重的破坏,旱地和水田减少较缓慢。1995年以后,早地、水田急剧减少,而城镇用地急剧增加,从沿江两岸扩展到周边的丘陵山地区。整个研究时间段内,各土地类型相互转化的幅度后期较高,前期较低。归根结底,主要是由于直辖后重庆大面积的土地利用变化,导致各土地类型之间的转变更加频繁。 2.中心城区城市土地利用动态分析 为了对重庆市中心城区城镇用地进行更深入的研究,利用网格分析法、同心圆理论、GIS的栅格分析技术等理论与方法对土地利用变化的各种因素进行分析,得出以下结论:重庆市中心城区城市形态具有分形特征。其城市分形显示出典型的进化规律:近20年来,重庆市中心城区城市形态和其范围内城市各类用地的分维标准误差逐渐下降,从而意味着重庆市中心城区城市生长具有自组织优化趋势。重庆市中心城区建成区住宅用地扩展强度与模式在不同时期发生了很大变化。住宅用地扩展强度、速度在1997年前后发展趋势相反,1986~1995年,扩展强度持续上升,1995~2000年,扩展强度与速度升至最高值,2000~2007年,扩展强度与速度逐步下降,前后强度最大相差近十倍。1986~2007年,研究区内工业用地由18.0391km~2增至64.4700km~2,净增面积为49.4309km~2,年扩展速度为13.05%;其增加来源主要是水田和旱地,分别占23.99%和39.14%,二者之和为63.13%,超过半数以上。重庆中心城区内不仅商业用地比例过小,而且商业的行业分布不合理。根据我们对国际大城市的研究发现,随着城市化进程的加快,一般而言商业的最佳区位离市中心5km以内,而中心城区商业用地比例为15%左右。重庆市近20年的遥感影像所描绘的城市形态变化过程,主要是从1997年的“极核式”空间布局到2004年“分散集团式”和“集中型同心圆式”组合成的复合式空间格局。这两个扩展形式都体现了城市轨道交通的影响。作为城市交通主要方式的公共交通机动性良好时,容易引导城市沿交通线路轴向扩展(2007年);交通机动性较差之时,则是城市近域的圈层扩展(1986年)。 3.中心城区地表温度时空变化分析 本文采用单窗算法反演了1986年和2007年重庆市中心城区各土地覆盖类型的地表温度与城市建成区各城市用地类型的地表温度,发现反演出的城镇用地的地表温度值最高(1986年305.16K,2007年305.33k)。城市空间的扩展,使得土地利用覆盖类型发生变化的区域,尤其是转换为城镇用地的区域,在该时段内的地表温度明显的上升。城市空间的扩展引起下垫面性质的改变,尤其是城市的空间面积的增加,使得该区域地表温度相应的增加。研究时段内公园绿地的地表温度总是处于最小的状态,而工业用地的地表温度却总是所有城市用地类型地表温度分布最高的区域,而且各个统计的土地覆盖类型地表温度的标准差都不高,说明城市内部,单一用地类型的地表温度变化幅度较小。比较1986和2007年的数据,发现城市用地的地表温度从高到低都遵循以下的排列顺序:工业用地、住宅用地、商业用地、公园绿地和防护绿地。总的来说,工业用地地表温度最高,住宅和商业用地的地表温度差距不大,防护绿地和公园绿地的地表温度最低。 4.重庆中心城区土地利用/覆盖变化对地表温度影响的定量分析 深入分析植被覆盖与地表温度的内在关系,将下垫面类型分别与植被覆盖和地表温度进行叠加分析。比较各下垫面类型的地表温度和植被覆盖度均值、标准差,结果显示研究时段内,林地具有最高的植被覆盖度(58.70%~50.95%),城市用地的植被覆盖度仅高于水域(19.07%和17.77%),与之相对应的是,林地的平均地表温度最小,而城镇用地的地表温度最大。选取城镇用地的住宅用地、工业用地、商业用地、公园绿地和防护绿地分别制图,得到中心城区各城市用地植被覆盖度分布图。得出研究时段内公园绿地的植被覆盖度总是处于最高的状态,而工业用地的植被覆盖度却总是所有城市用地类型植被覆盖度分布最低的区域,而且各个统计的土地覆盖类型植被覆盖度的标准差都很高,说明城市内部,单一用地类型的植被覆盖度变化幅度较大。将植被覆盖度与地表温度做相关分析得出,植被覆盖指数与地表温度总体上呈负相关关系,植被覆盖度与地表温度的关系根据斜率的不同,明显的分成了两种:0%~35%和35%~75%,前一种的斜率大于0.2,后一种斜率在0.05-0.1之间。总结了土地覆盖变化对地表温度的影响。随着重庆市中心城区丘陵和山地地区的土地利用的覆盖变化,相应的发生植被覆盖度的变化,进而影响到地表温度。在土地覆盖类型发生变化的区域,大体上植被覆盖度下降10%,地表温度增加0.49K。


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