X市不同土地覆蓋類型對地表溫度變化的影響分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1862X市不同土地覆蓋類型對地表溫度變化的影響分析案例 1293941.1不同土地覆蓋類型對地表溫度變化的影響 1227751.1.1不同土地覆蓋類型對地表溫度影響的識別方法 295001.1.2不同土地覆蓋類型對地表溫度變化的影響 366881.2具有降溫作用的地類的降溫效果分析 9284521.2.1降溫效果分析方法 9211451.2.2具有降溫作用的地類的降溫效果 10175781.3實(shí)現(xiàn)理想降溫效果的地類配置 1234181.3.1地類配置研究方法 12148681.3.2實(shí)現(xiàn)理想降溫效果的地類配置 131.1不同土地覆蓋類型對地表溫度變化的影響基于之前的研究，可以得到各土地覆蓋類型的溫度特征及其變化規(guī)律，但并不清楚這些地類對地表溫度變化的影響，因此選取數(shù)據(jù)質(zhì)量相對最好且年份最新的2019年為研究時間點(diǎn)，進(jìn)一步更細(xì)致的探究各地類的分布對地表溫度變化的影響。已有研究表明樹木的冠層和樹蔭可以有效降低溫度ADDINNE.Ref.{FE1CF37F-63C8-4CCB-9363-2AF50C02665B}[23,32]，而草地、農(nóng)田等無冠層植被的降溫效果相對于樹木、灌木等有冠層植物來說并不明顯ADDINNE.Ref.{8C3BA1E0-0574-4620-A4E7-AE31FA0AFD1C}[110,111]。故在此將之前分類中的植被進(jìn)一步細(xì)分為植被1和植被2，其中植被1為草地、農(nóng)田等無冠層植被所覆蓋的區(qū)域，植被2則為林地、灌木等有冠層植被所覆蓋的區(qū)域，據(jù)此更加細(xì)致的探究不同地類分布對地表溫度變化的影響，分類結(jié)果如圖1.1。進(jìn)一步計(jì)算植被1和植被2的平均地表溫度分別為31.2℃和30.11℃，均低于2019年研究區(qū)的平均地表溫度32.11℃。之后對細(xì)分地類后的2019年土地覆蓋分類結(jié)果重新進(jìn)行精度驗(yàn)證，選取500個隨機(jī)樣點(diǎn)與最接近所使用數(shù)據(jù)成像日期的Googleearth圖像進(jìn)行比對，可知土地覆蓋類型分類總體精度達(dá)到84%。圖1.12019年土地覆蓋分類結(jié)果（細(xì)分植被后）1.1.1不同土地覆蓋類型對地表溫度影響的識別方法 在此對研究區(qū)域進(jìn)行劃分，利用ArcGIS的生成漁網(wǎng)功能，將研究區(qū)劃分為若干個網(wǎng)格，然后利用空間分析方法計(jì)算每個網(wǎng)格內(nèi)各個土地覆蓋類型的面積占比，并計(jì)算每個網(wǎng)格中的平均溫度，匯總每個網(wǎng)格的地類占比和平均地表溫度，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方式分別對各地類占比與其對應(yīng)網(wǎng)格的平均地表溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，據(jù)此識別不同地類的分布對地表溫度變化的影響。目前，已有部分研究采用了劃分格網(wǎng)的方式從小尺度上對地類分布與地溫的相互耦合關(guān)系進(jìn)行了探索，但不同研究者對網(wǎng)格尺寸的設(shè)定仍有不同意見，如SongADDINNE.Ref.{201038C9-8601-4159-BF22-70A9BACEA9BC}[112]等在分析北京景觀組成和地表溫度間的相關(guān)性時發(fā)現(xiàn)660m×660m和720m×720m的網(wǎng)格較為適宜；MyintADDINNE.Ref.{0B807216-4FD3-4E43-8703-4795E69F9F8C}[57]等在分析沙漠城市美國鳳凰城的不透水面和植被覆蓋對氣溫變化的影響時得出使用210m×210m和270m×270m的網(wǎng)格尺寸能得到較好的結(jié)果；EstoqueADDINNE.Ref.{97B6773C-8570-4D23-880B-F251A44BA6CA}[113]等在對東南亞三個城市的景觀組成和格局對地溫變化的影響進(jìn)行了分析之后，建議使用210m×210m和240m×240m大小的網(wǎng)格進(jìn)行研究。基于對尺寸的爭議，HouADDINNE.Ref.{859D8DFE-5EDE-4842-9E3B-395A3B6611F2}[111]等則選擇了210m×210m、450m×450m和690m×690m三種尺寸對杭州溫度變化與土地類型的耦合關(guān)系進(jìn)行了分析，得出了較為理想的研究結(jié)果。據(jù)此，本文結(jié)合已有的研究經(jīng)驗(yàn)以及研究區(qū)實(shí)地情況，選取210m×210m、450m×450m和660m×660m三種尺寸的網(wǎng)格，從不同空間尺度探究地類分布與地表溫度變化的關(guān)系。1.1.2不同土地覆蓋類型對地表溫度變化的影響1）建設(shè)用地在三種不同大小的網(wǎng)格中，分別擬合了建設(shè)用地面積占比與平均地表溫度的相互關(guān)系如圖1.2。在210m尺寸的格網(wǎng)中，建設(shè)用地占比與平均地表溫度顯示出較強(qiáng)的相關(guān)性，R2為0.503（ρ<0.01），建設(shè)用地的分布能合理解釋地表溫度升高的現(xiàn)象。在450m尺寸的格網(wǎng)中，建設(shè)用地占比與地表溫度的正相關(guān)性進(jìn)一步增強(qiáng)，R2為0.650（ρ<0.01），而在660m大小的網(wǎng)格中兩者的相關(guān)性進(jìn)一步提升，R2達(dá)到了0.694（ρ<0.01）。由于建設(shè)用地主要為建筑、道路等人工不透水面，吸熱能力強(qiáng)，因此與地表溫度變化有強(qiáng)烈的正相關(guān)性，而且隨著格網(wǎng)尺寸增加，相關(guān)性逐漸增強(qiáng)，說明建設(shè)用地是造成城市升溫的主要因素之一，是一種具有熱島效應(yīng)的土地覆蓋類型。圖1.2建設(shè)用地占比與平均地表溫度擬合結(jié)果2）裸地分別對三種不同尺寸的網(wǎng)格中裸地的占比和平均地表溫度進(jìn)行了擬合分析如圖1.3。結(jié)果表明，在210m尺寸的網(wǎng)格中，裸地占比與地溫變化無明顯的相關(guān)性，兩者擬合結(jié)果的R2只有0.002（ρ<0.01），隨著格網(wǎng)尺寸的增加，擬合效果也無明顯變化，在450m大小的格網(wǎng)和660m大小的格網(wǎng)尺寸下，擬合結(jié)果的R2分別為0.001和0.004（ρ<0.01），說明裸地雖然是一種自身較熱的土地覆蓋類型，但它對地表溫度的變化基本沒有影響。圖1.3裸地占比與平均地表溫度擬合結(jié)果3）植被1對三種尺寸下植被1的占比與平均地表溫度進(jìn)行擬合如圖1.4，可以看出，在210m、450m和660m的三種格網(wǎng)尺寸下，植被1的面積大小與地表溫度變化均無相關(guān)性，R2分別為0.033、0.058、0.078，表明植被1作為被植被所覆蓋的區(qū)域，雖然擁有比建設(shè)用地、裸地更低的溫度，但是與地表溫度的變化沒有相關(guān)性，說明它不具有明顯的降溫效果。圖1.4植被1占比與平均地表溫度擬合結(jié)果4）植被2對植被2面積占比和平均地表溫度的擬合結(jié)果如圖1.5，可以看出，在210m大小的網(wǎng)格中，植被2的面積增加可以顯著降低地表溫度，與地表溫度變化有顯著的負(fù)相關(guān)性，R2達(dá)到0.473（ρ<0.01）。隨著格網(wǎng)尺寸的增加，兩者的相關(guān)性不斷提升，在450m大小的網(wǎng)格中擬合結(jié)果的R2達(dá)到0.532（ρ<0.01），在660m大小的網(wǎng)格中這一數(shù)值進(jìn)一步提升到0.564?？梢钥闯?，植被2除了自身擁有較低的溫度之外，也可以顯著影響地表溫度變化，是一種具有降溫效果的土地覆蓋類型。圖1.5植被2占比與平均地表溫度擬合結(jié)果5）水體通過對水體面積比和平均地表溫度進(jìn)行擬合如圖1.6，可以得出水體分布對地表溫度變化的影響。在210m大小的格網(wǎng)中，水體面積比和平均地表溫度呈顯著的負(fù)相關(guān)性，R2為0.492（ρ<0.01），證明水體與植被2相同，是一種能有效降低地表溫度的土地覆蓋類型。而與建設(shè)用地和植被2不同的是，隨著格網(wǎng)尺寸的增加，水體面積比和平均地表溫度間的相關(guān)性明顯下降，在450m大小的格網(wǎng)中，R2降低到0.395（ρ<0.01），而在660m大小的格網(wǎng)中，R2進(jìn)一步降低至0.298，因此說明水體雖然可以顯著改善城市熱環(huán)境，但其影響范圍相較于植被2可能更小。圖1.6水體占比與平均地表溫度擬合結(jié)果通過對不同土地覆蓋類型的分布與平均地表溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，可以得知建設(shè)用地、植被2和水體與地表溫度變化有顯著相關(guān)性，而裸露的自然表面和無冠層植物覆蓋的地表無法對地表溫度變化產(chǎn)生明顯影響。其中，植被2這類擁有冠層的植物具有顯著降溫效果，而且隨著格網(wǎng)尺寸的增加，植被2與地表溫度變化的相關(guān)性會隨之提升。相比之下，沒有冠層的植被1無法像有冠層的植物阻隔太陽輻射而降低溫度ADDINNE.Ref.{9AAB9B03-F5FC-4ACB-98A9-5990A2B3D886}[23,32]，對地表溫度變化無法產(chǎn)生顯著影響。因此，盡管植被1和植被2自身的平均地表溫度均低于研究區(qū)整體的平均地表溫度，但在研究他們對地表溫度變化的影響時將兩者統(tǒng)一劃分為綠地進(jìn)行分析可能是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腁DDINNE.Ref.{C60AE184-D98E-4C28-8436-5F7F5D898D87}[37,56]。水體的平均溫度是所有地類中最低的，也具有降溫作用，但隨著格網(wǎng)尺寸的增加，水體的分布與地表溫度的相關(guān)性逐漸降低，說明其降溫效果可能不如植被2。這也可能與研究區(qū)大部分水體周圍為高密度建成區(qū)有關(guān)，城市形態(tài)已被發(fā)現(xiàn)與水體降溫效果有著潛在的聯(lián)系A(chǔ)DDINNE.Ref.{09963580-F3A7-4EF9-9007-1B7A484FA106}[114]。人工不透水面長久以來已被證實(shí)是城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的最主要原因之一ADDINNE.Ref.{7A44F947-E401-4695-8AF4-038CCD96E934}[60,115]，這印證了研究中建設(shè)用地與地表溫度間有極強(qiáng)正相關(guān)性的分析結(jié)果。總體來看，在干旱地區(qū)樹木、灌木可能是實(shí)現(xiàn)降溫的首選，減少草地而增加林地覆蓋范圍能有效緩解城市熱島效應(yīng)。水體具有帶來降溫效果的能力，但在干旱地區(qū)分布較少，且影響范圍相較于林地、灌木等有冠層植被可能更小。1.2具有降溫作用的地類的降溫效果分析1.2.1降溫效果分析方法基于地類占比與地表溫度之間相關(guān)性的分析，可以識別出具有降溫作用的土地覆蓋類型。針對具有降溫效應(yīng)的地類進(jìn)行距離分析，提取周圍一定范圍內(nèi)的像元，這些像元包含與這些地類之間的距離。將生成的距離結(jié)果與地表溫度和土地覆蓋分類結(jié)果進(jìn)行重疊，每個像元就共包含距離、地表溫度和土地覆蓋類型三個信息?；谶@些像元所擁有的信息，統(tǒng)計(jì)不同距離下其它地類的平均溫度。可以確定的是，隨著與具有降溫效應(yīng)的地類間的距離增加，相應(yīng)的地溫也會升高。這里以溫度上升趨勢消失的第一個拐點(diǎn)處與降溫地類的距離作為降溫距離?；谏鲜龇椒梢源_定具有降溫作用的地類對周圍環(huán)境地表溫度的影響范圍，并分析這個范圍內(nèi)其它地類對降溫作用的響應(yīng)情況。同時，定義具有降溫作用的地類的平均溫度和最大降溫距離處的平均溫度之間的差值為降溫強(qiáng)度，確定具有降溫作用的地類對地表溫度的影響程度。1.2.2具有降溫作用的地類的降溫效果之前的結(jié)果表明植被2和水體有明顯的降溫作用，但尚不清楚它們的具體降溫效果，因此需要從降溫距離和降溫強(qiáng)度上對他們的降溫效果進(jìn)行分析。1）植被2的降溫效果對降溫距離分析的結(jié)果如圖1.7a，植被2周圍一定范圍內(nèi)的建設(shè)用地、植被1和裸地的平均地表溫度隨著與植被2間的距離增加有明顯的遞增過程，建設(shè)用地在距離植被2達(dá)到330m時溫度趨勢線上升到拐點(diǎn)，裸地則在距離植被2達(dá)到180m時溫度上升到拐點(diǎn)，植被1的溫度上升拐點(diǎn)則在距離植被2達(dá)到210m時出現(xiàn)，據(jù)此可以得出植被2針對建設(shè)用地、裸地和植被1的降溫距離分別為330m、180m和210m。分別對三種地類在降溫距離內(nèi)的溫度上升曲線進(jìn)行擬合如圖1.7b，擬合結(jié)果的R2均大于0.97，說明該結(jié)果可以客觀的解釋植被2針對這三種地類的降溫距離。在植被2降溫范圍內(nèi)，建設(shè)用地的平均地表溫度升高了3.84℃，即植被2針對建設(shè)用地的降溫強(qiáng)度為3.84℃，同理可以看出植被2針對裸地的降溫強(qiáng)度為2.19℃，而針對植被1的降溫強(qiáng)度則為1.66℃。圖1.7植被2降溫效果2）水體的降溫效果水體降溫距離的分析結(jié)果如圖1.8a，與植被2降溫效果的分析結(jié)果相同，水體周圍一定范圍內(nèi)的建設(shè)用地、裸地和植被1的平均地表溫度也隨著與水體間的距離增加而升高。建設(shè)用地在距離水體達(dá)到180m時升溫趨勢線達(dá)到拐點(diǎn)，裸地的溫度趨勢線上升拐點(diǎn)在距離水體150m處出現(xiàn)，植被1的溫度趨勢線上升拐點(diǎn)則在距離水體210m時出現(xiàn)。對三種地類在降溫距離內(nèi)的溫度上升曲線進(jìn)行擬合如圖1.8b，可以看到該結(jié)果能客觀的解釋水體針對這三種地類的降溫距離。同時通過對比可知，植被2相對于水體有更大的降溫距離，尤其是對建設(shè)用地的降溫距離比水體多150m。在水體的降溫范圍內(nèi)，水體針對建設(shè)用地的降溫強(qiáng)度為4.32℃，針對裸地的降溫強(qiáng)度為3.94℃，針對植被1的降溫強(qiáng)度則為2.93℃。因此，從平均地表溫度的上升幅度來看，水體相對植被2具有更高的降溫強(qiáng)度。圖1.8水體降溫效果降溫效果的分析結(jié)果表明，植被2針對建設(shè)用地的降溫范圍比水體大150m，可以達(dá)到330m，是緩解熱島效應(yīng)的首選。由于裸地與建設(shè)用地類似，具有吸熱作用，植被2針對這一地類也有比水體更好的降溫距離，但是相對建設(shè)用地降溫距離更小。這是由于夏季為該區(qū)域部分農(nóng)作物成熟的季節(jié)，一些農(nóng)用地處于換季階段，地表覆蓋的植被稀疏，與裸地非常相似，這類區(qū)域?qū)儆谵r(nóng)業(yè)用地，定期的灌溉會降低溫度，也可能會對降溫距離的分析產(chǎn)生影響ADDINNE.Ref.{33266174-1003-4BA2-B98A-9FED7795F2AC}[116]。但是，裸地在研究區(qū)內(nèi)，尤其是熱島效應(yīng)嚴(yán)重的城區(qū)中樣本分布很少，并且和植被1一樣與地表溫度變化無明顯相關(guān)性，并非本研究的重點(diǎn)分析對象。熱島效應(yīng)主要發(fā)生在建筑密度大的城市當(dāng)中，應(yīng)該首要考慮如何對建設(shè)用地進(jìn)行降溫。因此，從規(guī)劃的角度上看，在建筑周邊330m之內(nèi)提高林地、灌木的覆蓋面積，可以有效降低地表溫度。而將湖泊等水體景觀設(shè)置在建筑周圍180m內(nèi)也可以有效改善熱環(huán)境，并且根據(jù)結(jié)果來看水體會在降溫距離內(nèi)帶來比植被2更大的降溫幅度，但在干旱地區(qū)水體分布較少，這樣的降溫方式可能會帶來更大的成本，且無法保證其實(shí)際效果。1.3實(shí)現(xiàn)理想降溫效果的地類配置1.3.1地類配置研究方法 現(xiàn)有研究表明，綠地、水體等景觀的面積、形狀和空間分布也會影響地表溫度變化，因此景觀格局分析已經(jīng)成為熱環(huán)境研究中的主要分析手段之一。景觀指數(shù)是一種對事物空間結(jié)構(gòu)和空間配置等特征進(jìn)行定量描述的指標(biāo)，也是熱環(huán)境相關(guān)研究中常用的分析指標(biāo)ADDINNE.Ref.{81AE7667-FE51-44D4-9013-F1E6A5C23CFA}[24,25,31,38]。由于已經(jīng)識別出對地表溫度變化有顯著影響的地類，因此可以直接對這些地類從景觀角度分析它們的結(jié)構(gòu)和分布與地表溫度變化的關(guān)系。本次研究從類型水平上選取了聚集度指數(shù)、最大斑塊指數(shù)、平均斑塊面積指數(shù)、平均斑塊形狀指數(shù)來討論景觀配置，因?yàn)樗鼈兛梢栽谔囟▍^(qū)域?qū)Σ煌仡惖目臻g特征進(jìn)行整體性描述。平均斑塊面積指數(shù)和形狀指數(shù)分別描述同類型斑塊的面積大小和形狀復(fù)雜程度的平均水平。最大斑塊指數(shù)表示同類型斑塊中最大斑塊的面積在所有斑塊面積總和中的占比。聚集度指數(shù)表示同類型斑塊的聚集程度。通過在每個網(wǎng)格中計(jì)算這些指數(shù)，可以從配置的角度清晰的描述每種地類斑塊的空間特征。針對景觀類型尺度的研究，更多考慮不同地類的組合和配置，因此仍然采用格網(wǎng)的形式將研究區(qū)劃分為若干個網(wǎng)格，以每個網(wǎng)格為基本研究單元，計(jì)算每個網(wǎng)格中建設(shè)用地、植被2和水體的各景觀指數(shù)。之前分析地類占比和地表溫度變化相互關(guān)系的網(wǎng)格由于尺度較小，并不適用于整體配置的研究，同時也要考慮在建筑密度大、人口稠密的城區(qū)中，強(qiáng)烈的熱排放可能會影響降溫效果，故對研究區(qū)以1km×1km大小的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。之后，計(jì)算每個網(wǎng)格的平均地表溫度，進(jìn)一步分別分析各地類的每個景觀指數(shù)與平均地表溫度的相關(guān)性，以此探究各地類的空間結(jié)構(gòu)和分布對地表溫度變化的影響。1.3.2實(shí)現(xiàn)理想降溫效果的地類配置基于上述結(jié)果，可以明確建設(shè)用地、植被2和水體與地表溫度變化之間有顯著相關(guān)性，故進(jìn)一步計(jì)算這3種土地覆蓋類型在每個網(wǎng)格中的聚集度指數(shù)、最大斑塊指數(shù)、平均斑塊面積指數(shù)和平均斑塊形狀指數(shù)，將結(jié)果與相對應(yīng)網(wǎng)格的平均地表溫度進(jìn)行擬合，分析各地類的空間結(jié)構(gòu)和分布對地表溫度變化的影響。1）建設(shè)用地對網(wǎng)格中建設(shè)用地各景觀指數(shù)的計(jì)算結(jié)果和平均地表溫度進(jìn)行擬合如圖1.9，建設(shè)用地的最大斑塊指數(shù)與地表溫度具有極強(qiáng)的正相關(guān)性，R2達(dá)到0.710（ρ<0.01），表明建設(shè)用地的單個斑塊越大，越在某區(qū)域占主導(dǎo)地位，越能顯著提高地表溫度。建設(shè)用地的平均斑塊面積指數(shù)與平均地表溫度也呈顯著正相關(guān)，擬合結(jié)果的R2達(dá)到0.549（ρ<0.01），表明建設(shè)用地分布的越多就越能提高地表溫度。建設(shè)用地的聚集度指數(shù)與平均地溫也呈正相關(guān)，擬合結(jié)果的R2達(dá)到0.416（ρ<0.01），說明建設(shè)用地的聚集程度增加也能提升地表溫度。建設(shè)用地的平均斑塊形狀指數(shù)則與地表溫度無明顯相關(guān)性，擬合結(jié)果的R2僅有0.049，說明該地區(qū)建設(shè)用地的形狀與地表溫度變化無明顯關(guān)系。圖1.9建設(shè)用地各景觀指數(shù)與平均地表溫度擬合結(jié)果2）植被2對植被2各景觀指數(shù)的計(jì)算結(jié)果和平均地表溫度進(jìn)行擬合分析如圖1.10，植被2的最大斑塊指數(shù)與地表溫度變化呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性，擬合結(jié)果的R2達(dá)到0.519（ρ<0.01），說明林地單個斑塊越大，越能在一個區(qū)域占面積主導(dǎo)地位，就能最大限度的實(shí)現(xiàn)降溫效果。植被2的聚集度指數(shù)也與平均地表溫度變化呈負(fù)相關(guān)，擬合結(jié)果的R2為0.257（ρ<0.01），說明林地、灌木斑塊在空間分布上的聚集性也與其降溫效果有著一定聯(lián)系。植被2的平均斑塊面積指數(shù)與地溫變化也有負(fù)相關(guān)關(guān)系，擬合結(jié)果的R2為0.241（ρ<0.01），表明增加林地面積能顯著提高其改善熱環(huán)境的能力。植被2的平均斑塊形狀指數(shù)也與平均地表溫度呈負(fù)相關(guān)，其擬合結(jié)果的R2為0.229（ρ<0.01），因此提高林地斑塊的形狀復(fù)雜程度，也可以有效的提高其降溫效果。圖1.10植被2各景觀指數(shù)與平均地表溫度擬合結(jié)果3）水體通過對水體的各景觀指數(shù)計(jì)算結(jié)果和平均地表溫度進(jìn)行擬合分析如圖1.11，水體的最大斑塊指