張 瑜，黃曦濤，韓 玲，謝露蓉，嚴(yán)榮華

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安710054;2.陜西測(cè)繪地理信息局，陜西 西安710054;3.陜西省基礎(chǔ)地理信息中心，陜西西安710054;4.國(guó)家測(cè)繪地理信息局，北京100830)

一、引 言

城市熱島的形成是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，而熱島效應(yīng)的形成與多種影響因子有關(guān)，并且多種因子之間也會(huì)相互作用，相互影響。準(zhǔn)確理解和深入研究一個(gè)城市的熱島效應(yīng)的影響機(jī)理有助于尋找客觀(guān)規(guī)律，對(duì)于緩解城市高溫引起的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義［1］。地表溫度是城市熱島效應(yīng)研究的核心，溫度對(duì)生態(tài)平衡、能量交換都起著至關(guān)重要的作用。城市熱島效應(yīng)的產(chǎn)生會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)境質(zhì)量，是目前環(huán)境學(xué)研究的重要問(wèn)題之一。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，西安市的城市規(guī)模日益擴(kuò)大，熱島問(wèn)題日益突出，可能會(huì)引發(fā)一系列高溫災(zāi)害、洪澇災(zāi)害，并加劇污染及影響人類(lèi)健康。這些問(wèn)題都在一定程度上影響了人們?cè)诔鞘兄械木幼　⑸a(chǎn)、生活環(huán)境，也給城市的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)阻礙［2］。城市熱島效應(yīng)影響因子的研究將為合理規(guī)劃、緩解城市熱島提供有益的探索。

已有研究表明，如人工建筑用地與熱島效應(yīng)之間存在正相關(guān)關(guān)系［3］，水體、綠地與熱島效應(yīng)之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系［4］，但大多研究停留在僅限于建立熱島效應(yīng)的一個(gè)影響因素與地表溫度的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系的簡(jiǎn)單分析上，缺乏對(duì)多因素的綜合研究分析［5］，并且無(wú)法得知多因素對(duì)熱島效應(yīng)的影響程度及排序與趨勢(shì)問(wèn)題，不夠全面，這就形成了熱島效應(yīng)研究領(lǐng)域的分析成果多單一、少綜合，多定性、少定量的局面，影響了成果在城市生態(tài)系統(tǒng)和城市規(guī)劃中的應(yīng)用。

本文使用遙感數(shù)據(jù)和西安市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多影響因子與城市熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)度定量計(jì)算，并對(duì)多影響因子的影響程度進(jìn)行排序和分析，為緩解城市熱島提出有效的措施。

二、數(shù)據(jù)預(yù)處理與影響因子選取

1.地表溫度提取

本文使用了 1995、1999、2000、2004、2006、2010、2011、2013年3—5月的 Landsat數(shù)據(jù)，共8期。其中，1995、2004、2006、2010 年的 4 期數(shù)據(jù)是由 Landsat5衛(wèi)星獲取的，1999、2000、2011年的3期數(shù)據(jù)是由Landsat7衛(wèi)星獲取的，2013年的1期數(shù)據(jù)是由Landsat8衛(wèi)星獲取的。以L(fǎng)andsatTM和ETM+第6波段及Landsat8 OLI的第11波段熱紅外數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇以 Artis and Carnahan的單通道算法［6-7］為反演模型，通過(guò)輻射定標(biāo)、大氣校正、地表亮溫計(jì)算、地表比輻射率計(jì)算、地表溫度計(jì)算，使用ERDAS 9.2的建模工具分別反演了不同年份共8期數(shù)據(jù)的西安市研究區(qū)域內(nèi)地表溫度，為了去除環(huán)境、天氣及季節(jié)的差異使其具備可比性，對(duì)其經(jīng)過(guò)歸一化處理，結(jié)果如圖1所示。獲得的研究區(qū)地表溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)在城區(qū)內(nèi)提取隨機(jī)樣點(diǎn)取平均值，獲得8期數(shù)據(jù)的城區(qū)溫度見(jiàn)表1。

圖1 西安市地表溫度圖

表1 1995—2013年西安市城區(qū)平均溫度歸一化值

2.影響因子選取

城市熱島效應(yīng)的形成與城市下墊面性質(zhì)、人為活動(dòng)、城市格局、氣候、天氣、地形地貌等各類(lèi)因素都息息相關(guān)。對(duì)于地形地貌等穩(wěn)定的因素本文中暫不予考慮，僅考慮人為相對(duì)可控或能夠加以改善的因素，并從中加以選擇，選取具有代表性的因子進(jìn)行研究。城市下墊面性質(zhì)中選取建成區(qū)面積和綠地面積兩個(gè)因子，氣候因素中選取降水量和平均風(fēng)速兩個(gè)因子，人為因素中選取人口、GDP、工業(yè)總值、運(yùn)輸量4個(gè)因子，環(huán)境因素中選取廢氣排放量、能源消耗液化石油氣、能源消耗人工煤氣3個(gè)因子，共計(jì)11個(gè)影響因子。

3.地表分類(lèi)

利用1995—2013年的Landsat5、7、8遙感影像，使用ERDAS 9.2軟件，按建筑用地、裸地、綠地、水域 4 類(lèi)進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)［8］，kappa 系數(shù)均高于 0.7，分類(lèi)合格，分類(lèi)成果如圖2所示。

圖2 西安市地表分類(lèi)圖

獲得的研究區(qū)地表分類(lèi)數(shù)據(jù)，通過(guò)在ArcGIS9.2軟件中對(duì)像素面積的統(tǒng)計(jì)，提取出8期數(shù)據(jù)的建成區(qū)面積和綠地面積，見(jiàn)表2。

表2 1995—2013年西安市建成區(qū)面積和綠地面積 km2

4.統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)提取

本文收集了 1995、1999、2000、2004、2006、2010、2011、2013年的西安市統(tǒng)計(jì)年鑒資料［9］。資料中包含城市綜合情況、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人口、人民生活、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、能源、建筑、運(yùn)輸、教育、科技、文化、體育、衛(wèi)生等20多個(gè)方面的詳細(xì)權(quán)威數(shù)據(jù)。根據(jù)確定的影響因子提取西安市城區(qū)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 1995—2013年西安市熱島效應(yīng)其他影響因子

三、研究方法

熱島效應(yīng)如同社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、教育系統(tǒng)等一樣都屬于一般的抽象系統(tǒng)。抽象系統(tǒng)都包含許多因素，多種因素共同作用決定了系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。在眾多的因素中，哪些是主要因素，哪些是次要因素，哪些對(duì)系統(tǒng)的影響大，哪些對(duì)系統(tǒng)的影響小，哪些促進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展，哪些阻礙系統(tǒng)發(fā)展，都是系統(tǒng)分析中的關(guān)鍵問(wèn)題。通常用于系統(tǒng)分析的方法很多，有回歸分析、方差分析、主成分分析等，但這些分析基本都需要大量數(shù)據(jù)，或要求數(shù)據(jù)符合一定特征，或計(jì)算復(fù)雜計(jì)算量大。灰色關(guān)聯(lián)分析方法彌補(bǔ)了采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)分析的不足。

1.灰色關(guān)聯(lián)度理論［10］

灰色關(guān)聯(lián)度分析(grey relational analysis)是依據(jù)各因素?cái)?shù)列曲線(xiàn)形狀的接近程度作發(fā)展態(tài)勢(shì)的分析，尋求系統(tǒng)中各因素之間的數(shù)值關(guān)系?；疑P(guān)聯(lián)度分析的意義是指在系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，如果兩個(gè)因素變化的態(tài)勢(shì)是一致的，即同步變化程度較高，則可以認(rèn)為兩者關(guān)聯(lián)較大;反之，則兩者關(guān)聯(lián)度較小。因此，灰色關(guān)聯(lián)度分析對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)提供了量化的度量。該理論的計(jì)算原理為假設(shè)X0=(x0(1)，x0(2)，…，x0(n))為系統(tǒng)特征行為序列，且Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n)為相關(guān)因素序列。

對(duì)于 ξ∈(0，1)，令

則稱(chēng)γ(X0，Xi)為X0與Xi的灰色關(guān)聯(lián)度。

2.基于灰色關(guān)聯(lián)度的西安市熱島效應(yīng)影響因子貢獻(xiàn)率計(jì)算

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算式(1)和式(2)，確定因變量為多期西安市地表溫度，設(shè)為X1，自變量為各個(gè)影響因子，分別設(shè)綠化面積為X2、建城區(qū)面積為X3、降雨量為X4、平均風(fēng)速為 X5、廢氣排放量為 X6、人口為X7、GDP為X8、工業(yè)總值為 X9、運(yùn)輸量為X10、能源消耗液化石油氣為X11、能源消耗人工煤氣為X12。通過(guò)前面各要素的提取可得

計(jì)算步驟如下:

1)先計(jì)算各序列的初值Xi'=Xi/xi(1)，相當(dāng)于把數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使數(shù)據(jù)之間具有可比性。

2)求各序列之間的差值，Δi(k)=|x1'(k)－xi'(k)|，其中，i=(1，2，…，12)，k=(1，2，…，8)。

3)求兩級(jí)最大差與最小差

M=maxmaxΔi(k)=28.402 33，其中，i=(1，2，…，12)，k=(1，2，…，8)

m=minminΔi(k)=0，其中，i=(1，2，…，12)，k=(1，2，…，8)。

4)求各序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)γ1i(k)

γ1i(k)=(m+ξM)/(Δi(k)+ξM)，取 ξ=0.5，i=(1，2，…，11)，k=(1，2，…，8)，代入式(2)、式(3)的計(jì)算結(jié)果，得

γ1i(k)=14.201 165/(Δi(k)+14.201 165)。

5)求灰色關(guān)聯(lián)度 γ1i=(1/8)×∑γ1i(k)，i=(1，2，…，11)。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4和圖3。

表4 各影響因子與地表溫度的關(guān)聯(lián)度

圖3 影響因子貢獻(xiàn)率

四、結(jié)果分析

根據(jù)上述定性分析西安市城市熱島效應(yīng)的影響因素，可見(jiàn)這11個(gè)因素基本概括了影響西安城市熱環(huán)境的主要因素。再通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度分析方法定量探索各因素對(duì)西安市熱島效應(yīng)影響的關(guān)聯(lián)度大小，可見(jiàn)各影響因子對(duì)熱島效應(yīng)的影響程度是不同的。通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算結(jié)果可以得出:降雨量影響因子的關(guān)聯(lián)度最大，達(dá)到了0.988 534，工業(yè)總值影像因子的關(guān)聯(lián)度最小，為0.676 88，從大到小的順序依次為:降雨量＞平均風(fēng)速＞廢氣排放量＞建成區(qū)面積＞人口＞能源消耗人工煤氣＞能源消耗液化石油氣＞運(yùn)輸量＞綠化面積＞GDP＞工業(yè)總值。

自然因素仍然是影響西安市熱環(huán)境的主要因素。西安市位于陜西省關(guān)中腹地中心，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，北瀕渭河，南依秦嶺，八水環(huán)繞，自然環(huán)境相對(duì)比較穩(wěn)定，適宜人居。

然而隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人為因素對(duì)西安市熱環(huán)境的影響也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。西安市是陜西省省會(huì)所在地，現(xiàn)轄9區(qū)4縣，是陜西省和西北地區(qū)重要的綜合性中心。隨著改革開(kāi)放和西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西安市進(jìn)入快速建設(shè)和發(fā)展期，工業(yè)體系、城市基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)體系等日趨完善，GDP、工業(yè)總值、人口逐年增長(zhǎng)，各類(lèi)高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)應(yīng)運(yùn)而生，西安向具有歷史文化特色的國(guó)際性現(xiàn)代化大城市邁進(jìn)。然而，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展也帶來(lái)了城市擴(kuò)張過(guò)快、過(guò)度消耗、環(huán)境污染、產(chǎn)能底下等粗放型發(fā)展問(wèn)題，這些都會(huì)給城市熱環(huán)境帶來(lái)負(fù)面的影響。

五、結(jié) 論

本文不同于大多數(shù)僅研究熱島效應(yīng)的某一個(gè)或幾個(gè)影響因素與地表溫度的相關(guān)關(guān)系簡(jiǎn)單線(xiàn)性回歸分析，而是對(duì)多因素進(jìn)行綜合研究分析并提取重要影響因子，定量獲得多因子對(duì)熱島效應(yīng)的影響程度排序;創(chuàng)新性地采用了基于灰色關(guān)聯(lián)度的熱島效應(yīng)影響因子貢獻(xiàn)程度大小的計(jì)算方法，使用了模糊數(shù)學(xué)的理論思想，并且充分考慮了熱島效應(yīng)形成因素的復(fù)雜性和不確定性，更加符合實(shí)際;灰色理論計(jì)算需要的數(shù)據(jù)資源比一般的統(tǒng)計(jì)分析方法少，不需要大量數(shù)據(jù)就能尋找到規(guī)律;綜合運(yùn)用遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，可以使熱島效應(yīng)定量研究的數(shù)據(jù)源不斷豐富。

根據(jù)本次研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):在自然環(huán)境較為穩(wěn)定的西安市，人為因素對(duì)城市熱島效應(yīng)造成的負(fù)面影響日趨顯著，不利于可持續(xù)發(fā)展，不容忽視。希望有關(guān)部門(mén)能夠在未來(lái)的城市規(guī)劃工作中，充分考慮人為可控的熱島效應(yīng)影響因子，倡導(dǎo)節(jié)能減排，合理控制城市用地?cái)U(kuò)展速度，提高土地利用效率，使用清潔能源，注重環(huán)境綠化，使西安市的城市熱環(huán)境得到合理改善，更加適合人居。

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