新疆典型城市不透水面及其地表温度的分形研究

发布时间：2020-04-13 07:30

【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。
【图文】：

位图,不透水,城市遥感,盒维数

北纬 42°48′3.6″-42°55′26.4″，见图2-1。图 2-1 研究区位图Fig. 2-1 Location of the research area2.3 研究内容与方法本文以乌鲁木齐市、克拉玛依市、库尔勒市、哈密市的主城区作为研究区域，，考虑到是对不透水面的提出，因此在研究区域的选择上，主要选取了城市中心区域，具体范围见研究区概况。本文的整体思路，是依靠影像数据为基础数据源，通过遥感技术手段获取城市不透水面和城市地表温度，然后以分形理论为基础，通过一维盒维数、二维盒维数、去趋势波动模型等对城市不透水面覆盖及城市地表温度予以定量分析，然后应用去趋势长程互相关分析、多重分形去趋势长程互相关分析研究两者之间的关系。同时以乌鲁木齐市作为典型区域，通过构建城市遥感生态指数，分析城市遥感生态系统的

面指数,不透水,标准差,均值

图 3-1 不透水面指数平均值及标准差Fig. 3-1 Average and standard deviation of Impervious surface index研究发现，研究区 NDISI 的均值整体表现为比较明显的上升趋势，2016 年的NDISI相对较大，然而在2006年下降显著。其中，乌鲁木齐市2000年为0.489，到2011年达到最大值 0.565，增长了0.0751，其中最小值出现在2006年为0.484；
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X16;TU984;P423.7

【参考文献】