北京市主城区不透水面时空演变及其热环境效应研究

城市不透水面是表征城市化进程的重要指标,开展城市不透水面研究对生态环境监测及城市建设规划具有重要意义。以北京市主城区为研究区,基于Landsat影像采用支持向量机(SVM)和线性光谱混合分解模型(LSMM)相结合的方法提取研究区2002年、2009年和2017年三期不透水面;同时采用辐射传输方程法反演研究区地表温度,分析北京市主城区不透水面时空格局演变及其与城市热环境的相关性。研究结果表明:2002—2017年,北京市主城区近15年不透水面聚集度较高且呈持续增长趋势,东、西城区不透水面面积占比最高,朝阳区和海淀区不透水面增长速率和增长强度相对较大。北京市主城区不透水面呈放射状扩张趋势且增长集中在四环以外的区域,不透水面盖度高值区面积不断增加。研究区近15年地表温度持续升高,热岛效应加剧,地表温度高值区与城市建筑区空间分布存在一致性。不透水面空间格局与热环境高度相关,不透水面的斑块密度和破碎度与地表温度呈负相关,斑块所占景观比例及最大斑块指数与地表温度呈正相关,可通过合理控制相关景观指标、优化不透水面空间格局控制地表温度。在此基础上提出了缓解城市热岛效应的建议:增加树木、草地等用地类型;将不透水面分割成许多小斑块,减少大面积不透水面区域分布;使用透水性材料等。     

城镇化过程中流域不透水面演变格局——以天津于桥水库流域为例

不透水面是衡量流域城镇化发展状况的一个关键指标,其扩展对流域生态水文过程产生重要影响.本文以天津于桥水库流域为例,在ENVI 5.1软件支持下,利用遥感影像获取1984、1994、2004和2013年4个时相的不透水面信息,采用修正后的归一化水体指数剔除水体信息,排除水体对不透水面提取精度的影响,运用线性光谱混合分析法生成流域不透水表面指数(ISA),并对其时空演变格局进行分析.结果表明: 模型均方根误差(RMSE)为0.005,像元精度为85.4%,试验结果准确可靠.1984—2013年,流域内不透水面覆盖度ISA平均值从0.16线性增长到0.23,在全流域范围内的不透水面面积增加了4.9%,其总不透水面面积增加近1倍.不透水面沿城镇区域呈现辐射式增长,沿子流域路网呈现填充式增长.不透水面覆盖度为中等等级的斑块形状不规则,破碎化程度最高.整个流域景观破碎化程度和多样性均逐年增高,人为干扰强度不断增大.     

基于Landsat影像的西宁市不透水面时空演变及其增温效应分析

【摘要】深入探讨城市不透水面时空演变及其对城市热环境的影响, 对于促进城市协调发展和优化城市生态系统意义重大。以西宁市2001、2009和2017年Landsat TM/OLI影像为数据源, 利用增强型归一化差值不透水面指数提取不透水面, 采用单窗算法反演地表温度, 分析了西宁市不透水面和地表温度的时空分布特征, 并对二者进行回归分析和对比分析, 研究了不透水面的增温效应。结果表明: (1)2001-2017年西宁市不透水面扩张显著, 总面积由41.58 km2增长到96.23 km2, 年增长率高达8.22%; (2)2001-2017年, 不透水面下垫面温度分布主要以中温区、次高温区和高温区为主, 且中温区、次高温区比例呈下降态势, 而高温区比例持续上升, 高温区面积由2001年5.36 km2增长到2017年的37.91 km2, 年增长率达12.8%; (3)城西区、城中区、城东区高温区的增长主要集中在前期, 而城北区高温区在整个研究期均呈显著增长; (4)不透水面覆盖比例与地表温度正相关, 不透水面比例每增加0.1, 地表温度增加0.7-1 ℃, 城市不透水面增加对地表温度的升高和城市热环境的恶化作用明显; (5)各城区不透水面增温效应存在差异性, 城北区不透水面增温效应最强, 城中区、城西区不透水面增温效应最弱。     

上海和纽约城市不透水面时空变化及其对生态质量影响的对比

城市空间的扩展使得大量的不透水面取代了以植被为主的自然地表景观,尤其是在规模较大的城市,其高比例的不透水面很大程度上影响了城市生态质量.本研究以中、美2个人口规模最大的城市——上海和纽约为研究区,基于上海1989、2002和2015年和纽约近同期的1991、2001和2015年的Landsat影像,利用归一化不透水面指数(NDISI)提取研究区各年份的不透水面信息,通过遥感生态指数(RSEI)评价城市不透水面大幅增长导致的城市生态质量变化,并借助景观指数分析上海和纽约两种不透水面空间分布格局对城市生态质量的影响.结果表明: 20世纪90年代初到2015年,上海和纽约的城市不透水面增长速率和空间变化模式存在显著差异.研究期间,上海不透水面的总增加面积是纽约的17.4倍,年均增长速率是纽约的62.2倍.上海的城市扩张方式主要表现为由城市中心向周边乡村扩展,而纽约的城市无明显扩张,不透水面以填充的方式在城市内部增加.2种不同的不透水面变化模式和空间分布格局对城市生态质量产生了不同影响.上海的RSEI均值从1989年的0.717下降到2015年的0.453,总体降幅达 36.8%;而1991和2015年纽约的RSEI分别为0.552和0.514,下降6.9%,其幅度远小于上海.在不透水面斑块面积大、斑块内部高度连通和聚集的区域,城市生态质量较差.     

城市不透水面与相关城市生态要素关系的定量分析

城市空间的快速扩展已使得原来以植被为主的自然景观逐渐被人工不透水建筑物所取代,并对区域乃至全球的生态系统造成了明显的影响.因此,准确了解城市不透水面及其与植被、水体、城市热环境的相关关系对于城市的科学规划和城市生态系统的修复具有重要的意义.以福州市为例,采用遥感空间信息技术,获得了城市不透水面、地表温度、植被和水体的信息,并对它们的关系进行了定量分析.发现了城市不透水面与地表温度之间的关系并不是一种简单的线性关系,而是一种很显著的指数函数关系,说明高不透水面比例地区的升温效应要明显高于低不透水面比例地区.多元统计分析表明不透水面是引发城市热岛的最重要因子.     

基于分形网络演化算法和混合光谱分解的兰州市中心城区热岛的时空格局

利用1993年、2001年和2011年的Landsat TM/ETM+热红外遥感影像反演兰州市中心城区地表真实温度,采用面向对象的分形网络演化算法对地温图进行分割,获取热场基元,通过G*指数的空间聚集分析提取热岛范围,在景观级别上选取景观指数,从数量、形状和结构3个方面表征城市热岛空间格局变化,借助混合像元分解技术提取不透水面和植被盖度,探讨城市不透水面和绿地格局与城市热岛的相关性.结果表明:近20年来,兰州中心城区热岛效应大大增强,热岛比例指数提高了1.4倍,城市扩展和热岛增强具有时空一致性;热岛景观斑块数量和密度增加,形状指数和分离度增大,景观趋于破碎化,空间连接性降低;热岛景观等级以低温度等级斑块类型向高温度等级斑块类型转换为主;地表温度与植被盖度呈较显著线性负相关,与不透水面比例呈显著对数正相关.     

城市地表温度与关键景观要素的关系

利用Landsat ETM+遥感影像,提取上海市外环线范围内的地表温度、不透水面率、归一化差值植被指数、改进的归一化差异水体指数,定量研究地表温度与城市关键景观类型之间的关系.结果表明:地表温度与不透水面率呈显著的线性正相关( R2=0.837);地表温度与归一化差值植被指数和改进的归一化差异水体指数呈非线性关系,但地表温度与正的归一化差值植被指数和正的改进的归一化差值水体指数呈显著线性关系.鉴于归一化差值植被指数和改进的归一化差异水体指数大于0时才能真正代表植被和水体,因此,建议今后研究地表温度时使用正的归一化差值植被指数和改进的归一化差异水体指数;地表温度与不透水面率、归一化差值植被指数和改进的归一化差值水体指数的多元线性回归分析表明,不透水面起着增温作用,植被、水体起降温作用,植被较水体的降温作用大.     

城市地表热力景观格局时空演变——以长春市为例

城市热环境问题是城市气候和区域气候研究中的热点,其对城市空气质量和公共健康等有着深远影响,严重威胁城市的可持续发展。以长春市为例,基于3期Landsat ETM+影像数据(2006、2010和2014),应用覃志豪单窗算法和线性光谱混合模型获取长春市区夏季地表温度、长春市不透水面盖度和植被覆盖率,构建热力景观动态度指数,分析了2006—2014年长春市热力景观格局的时空变化特征,并探讨地表温度与不透水面盖度和植被覆盖率的关系。结果表明:研究区城市热环境整体呈恶化趋势,地表平均温度年均增长0.15℃;热力景观整体变化更为剧烈,2006—2010年热力景观综合动态度为45.39%,2010—2014年热力景观综合动态度为52.64%;城市地表高温等级热力斑块面积和数量都增大,并向郊区扩张,热力景观整体呈现破碎化;低温等级为长春市变化最为剧烈的地表温度等级,城市地表热力性质复杂化。此外,统计分析表明:长春市的不透水面每增加1%,地表温度上升0.06—0.07℃;植被覆盖率每增加1%,地表温度下降0.07—0.08℃,植被对地表温度的影响力大于不透水面。     

基于不透水面的粤港澳大湾区景观格局时空变化

城市不透水面是反映城市化程度和城市环境质量的关键指标,基于不透水面研究城市景观格局演变具有重要的生态意义.利用遥感数据结合景观格局指数探讨了粤港澳大湾区2006-2016年城市不透水面时空演变状况,分析了基于不透水面的景观格局变化规律.结果表明: 2006-2016年,粤港澳大湾区不透水面扩张显著,总面积从12127.69 km²增至20188.87 km²,年增长速率高达806.12 km²·a^-1,并且在珠江东、西两岸分布形成广佛、深莞高密度聚集区.总体上,湾区内不透水面斑块数量明显增多,斑块密度和边缘密度变大,不透水面的优势度越来越突出,不透水面斑块形状趋复杂化,聚集程度降低,整体景观格局呈无序、破碎化、不规则化的趋势.湾区内各城市不透水面的景观格局演变具有明显差异,其中,澳门、香港的不透水面连通性最强,城市景观趋于稳定性、规则化、聚集性;惠州、江门市的不透水面斑块形状复杂,城市景观趋于破碎化.     

重庆南川区生态环境变化及其对城市不透水面的响应

城市建筑物的扩张使得不透水面挤占了大量的自然生态空间, 利用遥感技术对生态环境进行监测有助于快速掌握区域生态变化过程。以重庆市生态典型示范区南川为研究区, 利用2002、2011、2016年3期多时相Landsat影像, 通过耦合绿度、湿度、干度、热度四个因子, 计算各个时期的遥感生态指数(RSEI), 并采用归一化不透水面指数提取各个年份的不透水面信息, 借助景观格局指数揭示不透水面时空变化对区域生态的影响, 最后结合人类活动范围以及经济、政策等多角度对区域生态环境变化进行分析。结果表明: (1)研究期内南川区的RSEI均值由0.6791下降至0.5712, 再上升到0.6669, 生态环境总体有所恢复。构成RSEI的四个因子中, 对区域生态影响最大的是绿度指数, 其次为干度指数。(2)2002—2016年间研究区不透水面扩张主要以内部填充为主, 不透水面年增长率约为6.31%。(3)不透水面斑块面积较大、聚集度高、结合度强的区域RSEI值低, 生态等级为优的区域相较生态质量差的区域聚集度低12%左右。(4)生态环境与人类活动范围、生态政策具有一定的相关性, 与道路距离每增大100 m, RSEI值提高约0.0149; 积极的生态政策对区域生态环境具有促进作用。总的来说, 合理利用现有不透水面进行建设, 增加不透水面形态的复杂性和分散性, 保护已有植被, 注重经济增长与生态保护相协调是改善区域生态环境的关键。     

林地叶面积指数遥感估算方法适用分析

叶面积指数是与森林冠层能量和CO2交换密切相关的一个重要植被结构参数,为了探讨估算林地叶面积指数LAI的遥感适用方法和提高精度的途径,利用TRAC仪器测定北京城区森林样地的LAI,从Landsat TM遥感图像计算NDVI、SR、RSR、SAVI植被指数,分别建立估算LAI的单植被指数统计模型、多植被指数组合的改进BP神经网络,获取最有效描述LAI与植被指数非线性关系的方法并应用到TM图像估算北京城区LAI。结果表明,单植被指数非线性统计模型估算LAI的精度高于线性统计模型;多植被指数组合神经网络中,以NDVI、RSR、SAVI组合估算LAI的精度最高,估算值与观测值线性回归方程的R2最高,为0.827,而RMSE最低,为0.189,神经网络解决了多植被指数组合统计模型非线性回归方程的系数较多、较难确定的问题,可较为有效的应用于遥感图像林地LAI的估算。     

基于城市地表参数变化的城市热岛效应分析

以不透水面、植被、水体为代表的地表参数的变化决定了城市的热环境质量.针对福州从一个非"火炉"城市一跃成为中国新三大"火炉"之首,对福州市1976-2006年间的地表参数变化及其对城市热环境的影响进行研究.通过Landsat卫星影像反演了福州市1976、1986、1996、2006年的不透水面、植被、水体、地面温度等主要地表参数,并对其进行空间叠加分析和相关关系的定量分析.研究发现:不透水面对地面温度的影响可接近或超过植被和水体之和,查明了福州城市主要地表参数在这30a里发生的变化及其对城市热环境的影响.总的看来,城市地表不透水面斑块的增加和集聚、植被和水体面积的减少和破碎,以及通风不畅,是造成福州成为"火炉"城市的主要因素.     

不同地形条件下植被盖度信息提取技术研究

为系统地研究特定区域的植被盖度信息提取技术, 在不同的地形条件下, 比较了目前流行的多种高光谱遥感植被盖度提取方法。结果表明: 最优高光谱归一化植被指数(NDVI₁)的建模和验证精度均高于其他两种归一化植被指数(NDVI), 直接采用NDVI建立的回归模型对研究区植被盖度的估测能力低于像元二分模型; 阴坡的最佳模型为基于一阶微分的偏最小二乘回归模型(PLSR模型), 其建模决定系数(R²)为0.810, 均方根误差(RMSE)为6.29, 验证R²为0.773, RMSE为8.85; 阳坡的最佳模型为基于二阶微分的PLSR模型, 其建模R²为0.823, RMSE为6.04, 验证R²为0.801, RMSE为7.35; 平原的最佳模型为全受限的线性光谱混合分解模型(FCLS), 其验证R²为0.852, RMSE为5.86。     

内蒙古镶黄旗草地蝗虫潜在发生可能性评价

以内蒙古草地蝗虫产卵期、越冬期和孵化期的关键气象影响因子作为草地蝗虫气象适宜度指数构建的主要因子,对内蒙古镶黄旗2010年草地蝗虫潜在发生的气象适宜性进行评价;根据当年7月上中旬在镶黄旗的实地调查资料,选取海拔、坡向、土壤类型、土壤含砂量、植被类型、植被盖度、土地覆被类型7个相对稳定的生境因子,用模糊评判方法和3S（GIS、RS、GPS）技术对该旗草地蝗虫潜在发生的生境适宜性进行评价;最后通过构建气象-生境适宜性综合评价模型,得到该旗2010年草地蝗虫潜在发生可能性（POG）等级,并用2010年实测数据和2001-2010年历史数据对模型模拟的蝗虫发生位置和蝗灾发生面积进行验证.结果表明：用本文所建气象-生境适宜性综合评价模型对镶黄旗POG等级的评价结果是可靠的.该旗草地蝗虫潜在发生的气象适宜性等级非常一致,绝大多数为适宜等级;蝗虫潜在发生源地的空间异质性主要与生境因子有关,在海拔1300～1400 m的平地/东坡/南坡、植被盖度30%～50%的温带丛生禾草草原、土壤含砂量60%～80%的典型栗钙土的生境条件下,草地蝗虫潜在发生的可能性最高.     

光谱植被指数与水稻叶面积指数相关性的研究

 综合分析比较了几种常见光谱植被指数与水稻（Oryza sativa）叶面积指数的相关性及其预测力。结果表明,植被指数的预测力在水稻营养生长旺盛期间最好。植被指数的预测力主要依赖于叶面积指数(LAI)的整体变化范围。因此,综合不同生育时期和氮肥处理的试验资料,光谱植被指数能准确地预测LAI的变化。LAI与各植被指数均呈曲线相关,与比值植被指数(RVI)、再归一化植被指数(RDVI)和R810/R560显著幂相关,与归一化植被指数(NDVI)、垂直植被指数(PVI)、差值植被指数(DVI)、土壤调整植被指数(SAVI)和转换型土壤调整指数(TSAVI)显著指数相关。其中,近红外与绿光波段的比值R810/R560的预测力最佳。用不同移栽秧龄、不同密度、不同水分和氮肥处理的数据对R810/R560的表现进行了检验,结果表明估算精度平均为91.22%,估计的均方差根(RMSE)平均为0.480　5,平均相对误差为-0.013。表明宽波段光谱植被指数可以准确地用来监测水稻叶面积指数。     

南京城市街区湿球温度时空变化特征及其影响因子

全球气候变化和局地城市热岛加剧了城市热胁迫问题,但针对城市街区的研究仍不多见。湿球温度指示气温和湿度的综合效应,能更准确地反映人体热舒适度。本研究以南京市江北新区为对象,在不同时段、季节和天空状况下,基于移动观测方法获取气温、相对湿度和地理信息等数据,分析了街区尺度湿球温度的时空分布特征;结合天空状况、地表覆盖和城市形态指标(天穹可见度),探究了城市街区湿球温度的影响机制。结果表明: 1)南京城市街区湿球温度的时空特征与气温较为一致;与水汽压相比,气温对湿球温度的变化起主导作用;该地区湿球温度的极端高值主要是由于气温和水汽压协同增长所致。2)天穹可见度在白天与湿球温度呈显著正相关,夜间为负相关关系。植被覆盖比率的增加能够降低湿球温度,不透水面则呈现相反的作用。阴天条件下,湿球温度明显降低并且空间分布更均匀。3)植被和不透水面对湿球温度的水平尺度效应存在昼夜和季节差异,并且在夜间这一效应对天空状况更敏感;与植被相比,冬季夜间不透水面的影响范围比夏、秋季更大;两者对湿球温度的水平尺度效应与气温一致。研究结果可为改善和优化城市街区热环境、缓解城市热胁迫提供有效的科学支持和理论依据。     

Metropolitan lizards? Urbanization gradient and the density of lagartixas (Tropidurus hispidus) in a tropical city

Urbanization, with its cohort of environmental stressors, has a dramatic effect on wildlife, causing loss of biodiversity and decline in population abundance customarily associated with increasing levels of impervious surface and fragmentation of native habitats. Some studies suggest that faunal species from open habitats, and with higher abundance in natural environments, seem more likely to tolerate and live in urban environments. Here I evaluate how the level of urbanization affects lagartixas (Tropidurus hispidus) one of the most common lizards found in open vegetation ecosystems in NE Brazil. I surveyed a total of 47 transects across sites that differed in proportion of impervious surface (high, mild, peri‐urban, and rural). I also collected specific biotic (herbaceous cover, tree, and arthropod abundance) and abiotic (amount of shelters and impervious surfaces) factors that could affect lagartixas abundance. Ants were the most common arthropod both in the rural and urban environment. Lagartixas thrive in urban environments, and trees and shelter were key predictors of their abundance. Lagartixas show a clear association with use of artificial structures. The low densities of lagartixas in rural areas and higher density in urbanized areas suggest that they colonized urban areas due to the hard surfaces and they probably are not exploiting a novel habitat, but somewhat responding to conditions resembling those in which they evolved. Finally, lagartixas are extremely common in tropical cities, they have a suite of features that are associated with selective pressures in cities and they might play a key functional role in urban ecosystems making this lizard an excellent system for the study of ecology and adaptation to the urban environments.     

城市化对长三角地区主要城市植被物候的影响

基于长三角地区1998—2005年NDVI时间序列影像,利用移动平均法计算了上海、杭州、南京、常州、无锡和苏州6个城市的城区与各缓冲带的平均植被物候,并分析了城区与各缓冲带平均物候的差异及其与距城区距离间的关系.结果表明,1998—2005年间,研究区的城市化导致城区内植被始绿期提前、终绿期推后、生长期变长、NDVI的年内极差减小,离城区越近的缓冲带这些变化越明显.总体看来,城市化导致城区周围4 km范围内的植被始绿期明显提前,而终绿期推后、生长期变长、NDVI年内极差减小的趋势在离城区约10 km范围内的变化显著;城区与缓冲带植被的生长期差值和NDVI年内极差差值均与离城区距离存在显著的对数关系.