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新疆典型城市不透水面及其地表温度的分形研究

周玄德  
【摘要】:城市化加快的一个明显特点是城市不透水面快速扩张,城市建设中各类建筑物和构筑物的面积和密度不断增加,大量的自然表面转化为不透水面,城市景观发生了巨大的变化。城市不透水面的变化情况已成为表征城市化程度的一项重要指标。同时,城市不透水面也蕴含着强蓄热能力、差蓄水能力及阻碍气流传输等特征,也成为衡量城市环境质量的重要指标,可以很好的从其入手研究城市化的生态效应。关于城市不透水面的生态环境效应的研究中,城市地表温度的变化已经受到众多学者的关注。关于城市不透水面、地表温度的研究,主要集中在时空演变描述,两者之间的相关性也得到了众多研究成果的验证。然而通过分形理论对不透水面、地表温度及两者之间的关系研究较少。目前,伴随着生态修复、城市修补、城市更新、海绵城市等概念的提出,将不透水面景观融入到城市大环境中,分析面状的不透水面与地表温度的定量关系更显重要,单一的剖面线分析已难以满足要求。因此在前人研究的基础,为了更加深入的探讨不透水面、地表温度的时空变化的特征,选取干旱区绿洲城市作为研究区,通过遥感技术手段,以地理学、景观生态学、分形理论及系统学等为理论支撑,分析了2000年以来不透水面类型变化强度、变化方向及景观格局特征,及其对地表温度影响的定量分析,探讨两者的变动规律,分析不透水面、地表温度对城市生态系统的影响,对优化城市生态系统有一定的指导意义,为城市规划相关部门在城市发展整体布局中提供参考。主要研究内容及结论如下:(1)通过归一化差值不透水面指数法得到了2000-2016年研究区不透水面指数。研究发现城市不透水面指数均值表现为波动的上升趋势。2000年以来,研究区不透水面指数的内部差异较少,空间分布的离散程度低。乌鲁木齐市高覆盖不透水面区域明显增多,东外环东侧、北外环北侧增加显著;克拉玛依市不透水面也逐步由主城区向外延伸,其中在主城区由道路构成的不透水面的条状明显增多;库尔勒市不透水面的分布主要随着孔雀河、库塔干渠、哈拉苏渠的相继开通,向外蔓延;哈密市的不透水面分布上呈现点状到线状、网状的转化。在2000-2006、2006-2011、2011-2016三个时间段上,乌鲁木齐市不透水面指数以降-升-降的变化轨迹为主,克拉玛依市、库尔勒市、哈密市不透水面均以降-升-升的变化轨迹为主。在不透水面重心转移变化中,无覆盖、低覆盖、全覆盖不透水面的重心偏移距离整体较大。乌鲁木齐市、克拉玛依市不透水面类型集聚明显,全覆盖景观在区域中占主导,库尔勒市、哈密市不透水面景观类型基本保持不变。乌鲁木齐市、库尔勒市各类斑块的连接性趋好,克拉玛依市、哈密市各类斑块的连接性减弱。研究区不透水面景观形状复杂化明显,其中全覆盖类型尤为显著。(2)通过盒维数的分形研究发现,不透水面中不论是轴线上还是整个区域都存在标度不变性。研究区不透水面指数主要集中在0.5-0.7之间,该区间的数量表现为明显的增长趋势,不少低不透水面覆盖区域逐年转化为相对较高的不透水面,而且分布越来越集中,相对比较紧密。不透水面存在正的长程自相关特征,不透水面的分布不是随机的,是在一定的规律下布局,在空间上表现为高-高和低-低的聚集分布。研究区某个像元内不透水面的增加,会影响周围像元不透水面指数的增长,反之,某个像元不透水面的减少,也带来周围像元不透水面指数的减少,相邻像元不透水面相关性明显。(3)根据单通道算法反演地表温度,得到了研究区4个时相的地表温度的空间分布。乌鲁木齐市的地表温度增温明显,其他区域的地表温度总体变化不大、相对平稳。乌鲁木齐的高温区主要集中在主城区,有向郊区蔓延的趋势;克拉玛依市主城区地表温度相对较低,该区域面积在逐渐扩大,向周边延伸明显;库尔勒市的地表温度整体表现为西低东高的特征;哈密市地表温度的空间分布上整体表现为温度较低的区域在减少,东北的高温在弱化的态势。通过盒维数分析发现,地表温度空间分布的自相似特征明显。2000年以来,乌鲁木齐市、克拉玛依市、库尔勒市高于地表温度均值的像元在空间分布趋于分散化、均匀化,哈密市高于地表温度均值的数据点在空间分布上趋于集中化。在不同类型地表温度的重心转移中,低温区、亚低温区、高温区的整体偏移距离较大。研究区地表温度的空间分布存在长程相关性特征,即每个像元内的地表温度并不是随机分布的,而体现着像元值之间的联系性,表现为相同的变化趋势。(4)选取研究区中的乌鲁木齐市作为研究对象,深入分析不透水面与地表温度的关系,通过密度分割,发现两者之间非线性关系特征明显,表现一定的阶段性特征。从无覆盖到高覆盖,其对应的地表温度表现为上升的趋势。不同类型的地表温度空间差异明显,其中全覆盖下地表温度的差异性较为显著。不透水面类型变化轨迹中,主要以转化为高覆盖类型为主。转化为高覆盖的轨迹地表温度的偏离度较低、贡献度最高。除低覆盖以外,其他不透水面覆盖类型面积构成与地表温度相关性显著。不透水面景观格局指数与地表温度的相关性相对复杂,不同类型的不透水面差异明显。在轴线分析上,不透水面指数与地表温度存在正的互相关关系,南北轴线的幂律变化的正的互相关明显,东西轴线的去趋势互相关关系相对复杂。在多重分形谱分析中,2000年、2011年、2016年东西轴线上不透水面与地表温度长程相关性较强。(5)以乌鲁木齐市为典型案例,通过绿度、湿度、热度、干度四个分量构建城市遥感生态指数,进一步分析地表温度、不透水面等因素对城市生态系统的影响。2000-2016年乌鲁木齐市遥感生态指数表现为微弱的上升,然而乌鲁木齐市的生态指数依然以低水平为主,生态指数达到良、优的水平区相对较少,整体的生态环境水平不高。乌鲁木齐市遥感生态指数主要集中在一个级差的范围内变化。乌鲁木齐市北部区域的生态整体好于南部,生态指数高值区域的斑块向南偏移,南部区域的生态也在进一步的改观。不同等级类型的遥感生态指数形状复杂性明显,聚集性增强。很多因素共同作用于生态系统,其中植被对该系统的贡献度较大,地表温度、不透水面对生态环境的抑制性明显。


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