大同市主城区热岛效应及土地利用时空变化分析

石佳璐，常月明

（内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特 010022）

0 引言

研究城市热岛效应可以有效地了解城市热环境变化，为改善城市生态环境质量提供依据。目前，城市热岛的时空变化特征、模拟、预测和影响机制等内容是国内外学者的主要研究方向。同时，国内外学者在土地利用变化与城市热岛效应的关系方面也有较多的研究成果。例如，周小康等基于国家气象信息中心351个自动气象站提供的2016年北京市逐小时自动气象观测数据，探究了北京市热岛24小时移动路径与空间分布格局特征并分析了热岛逐小时变化与土地覆被的关系［1］。刘航等基于Landsat 系列影像数据，研究了2004—2015 年近10 年武汉市11个辖区城市热岛效应动态变化特征及热岛效应与土地利用变化的关系，并指出建筑用地面积的增加是城市热岛强度面积扩张的重要影响因素［2］。熊晓峰等基于2003—2018 年长时间序列MODIS 地表温度和土地利用数据对长三角城市群地表覆盖与城市热岛时空演变规律进行了研究［3］。上述已有的研究区域大多是经济发达的大都市或城市群，但对于一些经济比较落后的小城市研究甚少。

大同市不仅是山西省第二大城市经济体，同时也是首都北京的西大门。近年来，大同市城市化进程加快，城市热岛效应显著，导致城市生态环境变差。这不仅会影响大同市的生态安全和可持续发展，也可能对北京市的人居环境质量和生态功能产生一定的负面影响［4］。因此，本文利用2004—2019近15 年的Landsat 系列数据，对大同市主城区城市热岛效应及土地利用时空变化特征进行探讨，以期改善大同市热岛效应，为大同市城市规划及城市生态环境保护提供更科学的依据。

1 研究区概述

大同市是山西省第二大城市，被誉为三晋北方的门户、首都北京的屏障，位于山西省最北端，处于晋冀蒙三省区交界处，地处黄土高原东北边缘。区域气候条件属温带大陆性季风气候，冬季漫长且寒冷干燥，夏季短暂且温热多雨，春秋凉爽，温差较大，年平均气温5.5℃；降水主要集中在7—8 月。本文研究区选取大同市主城区，（即2018年行政区划）平城区、云岗区、新荣区、云州区，总面积为3 578km2（图1）。本区域不仅能反映出大同市城市热岛效应时空分布特征，也能一定程度上反映出大同市整体不同土地利用类型变化趋势。

图1 研究区域位置Figure 1 Location of study area

2 数据与方法

2.1 数据来源及预处理

本研究所选取的遥感影像数据包括Landsat5 TM 和Landsat8 OLI/TIRS，采用5 年为一期的2004-2019近15年的遥感影像数据，通过地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）获取。为了消除季节变化、植被变化、云层等因素对地表温度反演的影响，确保反演结果的客观性和可比性［5］，选取2004、2009、2015、2019年8—10月四期无云、晴朗的高质量遥感数据，具体影像日期分别为2004年8月5日、2009年9 月20 日、2015 年8 月4 日、2019 年8 月31 日。以气象数据为辅助数据。

使用遥感影像专业处理软件ENVI5.3进行辐射定标、大气校正和影像裁剪，得到研究区域预处理后图像。

2.2 地表温度反演

基于Landsat 系列数据的地表温度反演算法主要有以下3 种，大气校正法、单窗算法和分裂窗算法［6］。本文根据所用遥感数据的特性和适配性，选择了一种经过验证的高精度的大气校正方法，通过获取影像成像时的地表比辐射率参数和大气剖面参数，进而建立大气校正反演模型。具体步骤参照文献［7］。

2.3 热岛强度分级

地表温度受多种因素的影响，不同影像获取条件、获取环境和获取时间下的地表温度数值并不能直接比较，且单纯比较不同时期的地表温度数值并不能准确反映地表温度的相对时空变化特征。因此，为了更好地分析大同市主城区的热岛现象及其时空演变特征，本文采用均值-标准差法对反演得到的地表温度进行热岛强度的分级划分［8］。具体的划分方法见表1。

表1 热岛强度等级划分及划分标准Table 1 Classification of heat island intensity levels and classification criteria

2.4 土地利用分类与变化分析

根据已有的土地利用分类原则，并结合Landsat5 TM、Landsat8 OLI/TIRS 遥感影像数据的分辨率和大同市土地利用的实际情况，将大同市主城区土地利用型划分为耕地、林地、草地、建设用地和水域5大类。再运用监督分类法中的支持向量机算法（SVM）对土地覆盖进行监督分类，获得4期土地利用分类图。最后，本研究利用4期的历史谷歌地球影像作为验证数据，使用混淆矩阵法对最终的解译结果进行了精度验证［9］。总体解译精度介于89.22%～93.14%，Kappa系数在0.89 以上，满足研究需求。

土地利用动态度是指在一定时期内，土地利用类型的面积变化量与初始面积之比，反映其在该时期内的变化程度［10］。土地利用动态度的绝对值越大，表明土地利用类型的变化越剧烈，反之则变化越平缓。计算公式：

式中：K为土地利用类型动态度，%；Ua表示某一土地利用类型在研究时段起始时刻的面积，km2；Ub表示某一土地利用类型在研究时段终止时刻的面积，km2；T为研究时长，a。

3 结果与分析

3.1 地表温度反演结果及精度验证

3.1.1 地表温度反演结果

统计大同市主城区4期遥感影像地表温度反演结果，如表2 所示。

表2 2004—2019 年地表温度反演特征值Table 2 Characteristic values of surface temperature inversion from 2004 to 2019 ℃

地表温度反演结果显示：大同市主城区2019年地表温度均值最高，为32.47℃；2009 年地表温度均值最低，为15.81℃。除2009 年受天气背景影响，大同市主城区的地表温度各指标都比较低。在其余整个时间段内，大同市主城区的地表温度各指标变化趋势保持逐年递增，说明城市热岛效应逐年加剧。

3.1.2 地表温度反演验证

本文由于受到实验条件的限制，无法采用仪器测量的方法获取地表温度来验证反演结果的精度，但根据已有的文献研究，可以通过对比影像获取时的气象站气温数据来评估反演结果的可靠性［11］。查询大同市气象站资料，2004/8/5、2009/9/20、2015/8/4、2019/8/31 当日平均气温分别为22℃、13℃、24℃、26℃。结果发现采用大气校正法反演得到的2004—2019 年的地表温度均值与气象站测得的平均气温变化趋势基本一致（图2）。因此，利用大气校正法算法反演地表温度可行性强，结果准确性高。

图2 2004—2019年地表温度反演验证Figure 2 Validation of surface temperature inversion from 2004 to 2019

3.2 城市热岛效应时空分布与分析

为了更好的讨论地表温度的时空变化情况，对地表温度反演结果进行热岛强度分级，其结果如图3所示。

图3 2004—2019年热岛强度分级Figure 3 Heat island intensity classification from 2004 to 2019

同时对不同热岛强度的区域进行面积上的计算和统计，所得统计结果如图4所示。

图4 各年份不同热岛区域面积占比Figure 4 Percentage of area of different heat island regions by year

由2004—2019 年热岛强度分级（图3）可以看出，大同市主城区热岛现象明显，主要分布在各区的城镇化区域。随着工业化和城镇化的推进，热岛面积在逐步扩大，增加最明显的区域是云岗区、新荣区和云州区。从4个时期热岛强度等级空间分布格局看，大同市主城区热岛强度具有显著的空间差异，在城区建设用地密集的区域，因地表类型多为人工建筑或水泥混凝土路面，极易形成强热岛区；而大同市主城区草地周围多为建设用地，因建设用地产生了大量的人工热量和空气污染，增加了城市大气空间的热量，进而影响了草地的散热条件，使其成为强热岛区和热岛区域；在城市周边地区有大量的耕地分布，加之河流流经地区，存在一定宽度的强冷岛、冷岛和中间区域。从各年份不同热岛区域面积占比（图4）来看，大同市主城区各期均以中间区域的占比最大，占比超过40%，其余四种热岛类型占比分布比较均匀。从2004—2019年，强热岛和热岛区域在总土地面积中的占比呈现逐年上升的趋势。其中2004—2009年，强热岛和热岛区域占比迅速上升，由26.26% 增加到29.78%，增加了3.52%，这与2000 年以后快速的城市扩建造成的城市用地面积增加有关。2009—2019 年强热岛和热岛区域占比的上升速度相对平缓，由29.78%增加到30.33%，仅增加了0.55%，增幅极小，这与2000—2005 年大同市城市建设基本饱和，满足人口居住需求，以及2005年以后国家倡导的生态文明城市建设有关。中间区域占比呈现波动趋势，但变化幅度不大，占比从2004 的45.23%增加到2009 的47.51%，再减少到2015 年的40.12%，最后继续增加到2019年的42.60%，总体来看从2004—2019 年减少了2.53%。强冷岛和冷岛区域占比也呈现小幅度的波动趋势，逐年与中间区域面积变化趋势相反，由2004 年的28.51%增加到2019 年的27.07%，减少了1.44%。这说明城市扩张导致了强冷岛、冷岛和中间区域转化为强热岛、热岛区域。

3.3 土地利用类型变化统计与分析

通过对研究区2004 年、2009 年、2015 年和2019年4 期遥感影像解译，获得4 个时期的土地利用分类图（图5）。运用ArcGIS软件对土地利用分类数据进行统计，得到研究时段内土地利用类型面积及占比情况表（表3），并分别计算不同时期研究区的土地利用面积变化及动态度（表4）。

表3 2004—2019年土地利用类型面积及占比情况Table 3 Area and percentage of land use types from 2004 to 2019

表4 2004—2019年土地利用变化及动态度Table 4 Land use changes and dynamics from 2004 to 2019

图5 2004—2019年土地利用分类图Figure 5 Land use classification from 2004 to 2019

从2004—2019 年土地利用分类图（图5）和表3中可知，大同市主城区土地利用结构以耕地和草地为主，总面积占比超过80%。15年期间大同市主城区土地利用结构总体变化情况：从2004—2019 年，耕地在总土地面积中的占比呈现下降的趋势，减少的区域主要在云岗区、新荣区和云州区的西部。具体来说，2004—2009 年耕地占比下降速度迅速，从50.28%下降到34.03%，下降了16.25%，这与2000年我国正式实施的退耕还林、还草政策和快速的城市扩建占用了大量耕地有关；2009—2015 年耕地占比的下降速度相对平缓，从34.03%下降到33.52%，下降了0.51%；2015—2019 年耕地占比上升，从33.52%上升到39.65%，上升了6.13%，这主要是因为我国一直致力于保护耕地和基本农田，耕地保护措施和法律法规逐渐完善，使得耕地面积开始增加。草地面积占比呈上升趋势，与耕地的面积变化趋势正好相反，从2004 年的40.34%到2019 年的42.76%，增加了2.42%，增加的区域主要是云州区。林地面积占比呈现持续上升的趋势，面积占比从2004 年的68.59 km2增加到2009 年的115.81 km2，再到2015 年的125.66 km2，最后到2019 年的132.75 km2，增加的区域主要是新荣区和云州区。建设用地面积占比也呈现逐年持续上升的趋势，从2004年的6.15%增加到2009 年的7.40%，再到2015 年的12.08%，最后到12.78%，增加了6.63%，增加的区域主要是云岗区。水域的面积占比最小，其占比呈现小幅度的波动趋势，从2004 年的1.30%减少到2009年的0.54%，再增加到2015 年的0.79%，继续增加到2019 年的1.08%，这与近年来国家对湿地的保护政策有关。

从2004—2019年土地利用变化及动态度（表4）来看，2014—2020 年这15 年间，大同市主城区的建设用地、林地和草地面积在增加。土地变化程度由大到小依次为建设用地＞林地＞耕地＞水体＞草地。

3.4 不同土地利用类型地表温度统计分析

利用ArcGIS 软件将2004、2009、2015和2019年土地利用分类图与对应的地表温度反演结果图，采用空间叠加分析方法，比较不同土地利用类型下的地表温度均值，探究土地利用类型变化对地表温度分布的影响机制［12］，结果如图6所示。

图6 各年份不同土地利用类型的平均地表温度Figure 6 Mean surface temperature for different land use types by year

由图6可知，整体上，2009年大同市主城区各类土地利用类型温度最低，这是由于2009/9/20当日气温很低。除2009 年以外，从2004—2019 年各种土地利用类型温度均呈增加的趋势，这是由于城镇化的发展，建设用地逐步增加，更多的耕地转化为不透水面。不同土地利用类型的地表温度受其下垫面的热物理特性和热动力过程的影响，呈现出明显的时空差异。根据研究区域的五种土地利用类型，其平均地表温度由高到低依次为城镇建设用地、草地、耕地、林地和水域，主要原因在于不同土地利用类型下垫面的反照率、热容、蒸发和蒸腾等热属性存在差别。城镇建设用地属于不透水面，其下垫面主要由水泥、沥青等高热容、低反照率的材料构成，具有较低的水分蒸发和植被蒸腾作用，同时由于城市人口密集，人为热源和污染物排放较多，导致地表能量收支失衡，形成“热岛”效应［13］；草地、耕地、林地属于透水性较好的植被，下垫面主要是土壤，透水性较好，散热性较好，不利于热量的存储，因此地表温度较低；水体是透水性最好的，因此地表温度最低。因此，增加植被的种植面积和水域面积会降低城镇发展引起地表温度升高的影响。

4 结论

基于2004 年、2009 年、2015 年和2019 年大同市主城区的Landsat系列卫星遥感影像，采用大气校正模型反演了研究区的地表温度，进而分析了大同市主城区的热岛现象与土地利用时空变化特征。研究表明：

1）利用大气校正法反演地表温度的结果与气象站的温度资料相差不大，能够反映地表温度分布的实际情况。除2009年受天气背景影响，大同市主城区的地表温度各指标都比较低。在其余整个时间段内，大同市主城区的地表温度各指标变化趋势保持逐年递增，说明城市热岛效应逐年加剧。

2）大同市主城区各期整体上均以中间区为主，其余四种热岛区域分布比较均匀。随着时间的推移，大同市主城区存在明显的热岛效应，强热岛和热岛区域面积逐年扩大，增加最明显的区域是云岗区、新荣区和云州区，这主要与城市建设用地的扩展有关。但随着国家发布的一系列生态保护政策，近年来大同市城市热岛趋势减缓。

3）大同市主城区4期土地利用类型均以耕地和草地为主，两者占总面积的比例超过80%，其次是建设用地，林地和水体相对较少。从2004—2019年的15 年间，建设用地、林地和草地面积的均呈增加的趋势，而水体和耕地的面积则在逐渐减少，土地利用变化程度由大到小依次为建设用地＞林地＞耕地＞水体＞草地。

4）大同市主城区4期各种土地利用类型的平均地表温度依次为建设用地＞草地＞耕地＞林地＞水域。受天气背景影响，2009 年各类土地利用类型温度为4 期中最低，然而，在剩余年份，随着时间的推移，各种土地利用类型的平均地表温度呈逐渐上升的趋势。