摘要：以2000～2010年Landsat 5 TM 影像数据为数据源，利用线性光谱混合分析法、热传导方程法和归一化植被指数（NDVI）研究了青海省西宁市土地利用变化、地表温度（LST）、植被指数分布图，分析了西宁市城市化进程对LST、NDVI的影响。结果表明：西宁市10年间植被转变为水体、裸露地和人工表面用地的面积分别达到0.18 km2、0.84 km2和18.91 km2；反之，水体转换为植被的仅有0.04 km2。西宁市10年间平均LST升高了1.1℃，在空间上，LST呈增加趋势的面积为339.74 km2，占研究区总面积的99.88%。在植被方面，NDVI总体呈现增加趋势，增加面积为241.77 km2，占研究区总面积的71.03%。并且不同地物类型LST变化情况不同，其中交通用地、工业用地、灌木绿地、居住地的LST升高最快，10年间分别升高了1.43℃、1.42℃、1.32℃和1.23℃，而温度变化较缓慢的是河流绿地，温度升高了0.77℃。说明城市植被用地大面积改变为其他人工用地是城市热岛效应形成的主要影响因素。
关键词：城市化；地表温度；植被归一化指数；热岛效应
中图分类号：X16
文献标识码：A文章编号：16749944（2017）12001505
1引言
目前，国内外许多利用热红外遥感对城市热岛效应的研究都有较大的进展[1]。国外利用遥感进行城市热岛效应的研究起步较早，主要有针对热岛效应形成机制的研究，使用大气模型对城市热岛的研究以及热岛效应对大气影响的研究等[2～4]。
国内对热岛效应的研究始于20世纪80年代，起初主要是对北京、上海、广州等大都市的基于气象学的城市热岛效应观测和分析研究，迄今为止已有多个城市开展过基于遥感的城市热岛效应研究，研究主要包括：从宏观角度定性或定量地进行热岛效应分布与强度分析、变化监测、热岛效应与植被指数或土地覆盖类型的相关性等的研究[5～13]。可见，近年来国内外城市热岛的研究成果很丰富，未来利用遥感技术来进一步研究城市热岛效应的各类问题仍将是一个十分重要的方向。
随着城市的快速发展，西宁市城市规模日益扩大，城市人口密集、工厂及车辆排热、居民生活用能的释放、城市建筑结构及青藏高原下垫面特性的综合影响，对城市气候和土地类型有深远的影响，使得热岛问题日益突出，并引发了一系列的环境问题。城市热岛还在一定程度上影响城市空气湿度、云量、降水、生物等，这些使城市气候及环境受到极大的影响，也给城市的可持续发展带来阻碍[14，15]。
因此，开展对西宁市城市化进程与热岛效应关系的研究是非常必要的，这对缓解热岛强度，合理规划土地利用类型，改善人居环境都具有十分重要的作用。
2研究区概况及数据来源
2.1研究区概况
研究区西宁市是青海省的省会，地处青藏高原河湟谷地南北两山对峙之间（研究区位置见图1），是青海省政治、经济、文化、科技、交通中心和主要工业基地。西宁市是青藏高原第一大城市，2014年末西宁市常住人口达229.07万人，城镇化率达到68.61%，特别是城镇人口增长显著，与10年前的2014年相比，人口城镇化率提高10.19%。
在西部大开发政策的带动下，西宁逐步向国际化的大都市发展，而城市快速发展的同时也带来一系列的环境问题。
2.2数据来源
从青海省生态环境遥感监测中心购买数据，通过对数据进行处理和解译，分析西宁市城市化进程与热岛效应的关系。
3研究方法
本项目利用西宁市2000～2010年（10年）不同时期的Landsat 5 TM 影像，通过ArcGIS， ENVI软件分析西宁市热岛效应相对强度空间分布以及植被指数分布，并结合变化分析、GIS分析、对比与相关性分析等方法具体研究了西宁市城市化进程与热岛效应之间的关系，旨在为城市合理布局，改善环境状况提供基本依据[16～19]。
4结果与分析
4.1地表温度（LST）时空动态变化
本研究基于Landsat-TM和ETM+遥感影像，对其热红外波段（10.4～12.5 μm）进行预处理，利用热辐射传输方程反演地表温度（LST），并分析其时空动态变化。分析结果显示：西宁市2000～2010年LST呈现波动上升趋势，其中2001、2003、2006、2007和2009為温度谷点，其中最高温出现在2010年，其次为2008年，两年的温度分别为37.85℃和33.61℃，10年間平均LST升高了1.1℃（图2）。LST的空间变化如图3所示，其中LST呈增加趋势的面积为339.74 km2，占研究区总面积的99.88%，主要分布在城西区、城北生物园区和东部经济开发区。LST呈减少趋势的面积仅为0.63 km2，位于海湖新区外缘地带、城北区外缘地带以及城东区外缘地带。温度增加的面积主要分布在主城区和城市的中心地带，变化较明显的趋势是：主城区温度高于西宁市周边地区。LST变化的显著性检验如图4所示，无显著变化（Not Significant Change）面积为185.35 km2，显著增加（Significant Increase，0.01 4.2归一化植被指数（NDVI）时空动态变化 西宁市2000～2010年归一化植被指数（NDVI）时空动态变化趋势如图5所示。总体上研究区内NDVI呈增加趋势，该指数越大表示植被覆盖度越大。NDVI变化趋势的空间分布如图6所示，其中，NDVI呈增加趋势的面积为241.77 km2，占研究区总面积的71.03%，主要分布在海湖新区外缘以外地带、城北区最外缘地带，城东区部分外缘地带，植被的增加有利于热岛效应的降低。呈减少趋势的面积为98.61 km2，占研究区面积的28.97%，主要分布在城西区、城北区、东部经济开发区。NDVI变化趋势显著性检验结果将变化趋势分为以下5个等级，NDVI变化显著性水平如图7所示，呈极显著减少（Extremely Significant Decrease， ESD， Slope < 0， P < 0.01）趋势的面积为3.91 km2，显著减少（Significant Decrease， SD， Slope < 0， 0.01 < P < 0.05）面积为9.24 km2。其中，308.70 km2的面积无显著变化（Not Significant Change， NSC， Slope = 0），显著增加 （Significant Increase， SI， Slope > 0， 0.01 < P < 0.05） 面积为15.24 km2，极显著增加（Extremely Significant Increase， ESI， Slope > 0， P < 0.01） 面积达到3.28 km2。
4.3LST與NDVI相关性分析
本研究利用皮尔逊相关系数（Pearson correlation coefficient）分析两变量LST与NDVI之间的相关性关系，得出LST与NDVI之间存在很好的相关关系，图8是西宁市LST与NDVI相关性分析图。极显著的正相关（extremely significant positive correlation，ESPC） 面积为10.78 km2，显著正相关（significant positive correlation，SPC） 面积为19.35 km2，弱正相关（weak positive correlation，WPC） 面积为223.53 km2，极显著负相关（extremely significant negative correlation，ESNC） 面积为85.42 km2，显著负相关（significant negative correlation，SNC） 面积为0.42 km2，弱负相关（weak negative correlation，WNC） 面积为0.09 km2，两者呈现明显的负相关关系，负相关的面积是正相关面积的2.85倍，即植被覆盖度越高，城市地表温度越低，可见植被覆盖度会影响城市的地表温度，说明地表温度和植被指数的变化对于城市热岛的形成和发展产生了重要影响，且城市内部绿地植被在缓解热岛效应方面有显著作用。
4.4土地类型变化及LST特征
2000～2010年西宁市土地类型和不同地物类型平均地表温度发生了明显的变化。结果表明：西宁市2000～2005年土地利用变化趋势是：植被转换为了水体、裸露地和人工表面，转化的面积分别为0.37 km2、0.84 km2和15.23km2；0.02 km2的水体转换为了植被（图9）；2005～2010年3.68 km2植被转换为了人工表面，0.22 km2的水体转换为了植被用地（图10）；2000～2010年大量的植被用地转换为了水体、裸露地和人工表面用地，面积分别为0.18 km2、0.84 km2和18.91 km2，0.04 km2水体转换为植被用地（图11、表1、表2、表3）。然而土地类型的变化又影响着平均地表温度（表4），其中交通用地、工业用地、灌木绿地、居住地的平均LST变化最明显，分别升高了1.43℃、1.42℃、1.32℃和1.23℃。而温度变化较缓慢的是河流绿地，温度升高了0.77℃。说明植被用地转换为人工表面是平均地表温度升高的最主要原因，西宁市主城区温度有较高的气温增幅，更多来源于城市化发展的结果，也是导致城市热岛效应的主要因素。
5讨论与结论
（1）西宁市2000～2010年10年间平均地表温度（LST）整体呈现上升趋势，平均温度升高了1.1℃。城西区中心地带、城北生物园区和东部经济开发区的温度变化比较明显，也是温度变化面积较大的区域，增加的面积达到339.74 km2，占研究区总面积的99.88%。
（2）西宁市2000～2010年10年间归一化植被指数（NDVI）总体呈现增加趋势，增加趋势满足线性方程：y=0.0028x-5.5559，R2=0.0201，增加趋势的面积为241.77 km2，占研究区总面积的71.03%，主要分布在海湖新区外缘以外地带、城北区最外缘地带，城东区部分外缘地带。
（3）西宁市2000～2010年10年间土地类型发生了变化，其中大量的植被用地转换为了水体、裸露地和人工表面用地，面积达到0.18 km2、0.84 km2和18.91 km2，水体转换为植被的面积为0.04 km2。10年间不同地物类型平均地表温度变化趨势不同，其中交通用地、工业用地、灌木绿地、居住地的平均地表温度升高最快，分别升高了1.43℃、1.42℃、1.32℃和1.23℃，而温度变化较缓慢的是河流绿地，温度升高了0.77℃。
（4）从西宁市2000～2010年10年间LST、NDVI、土地类型和不同地物的地表温度变化趋势得出：主城区温度升高的主要原因是大量植被用地被开发为其他类型的人工用地，从而导致城区大面积的温度高于郊区，即城市化进程中大量的植被用地转化为人工用地是导致城市热岛效应的主要原因。说明，城市效应对西宁市气候产生了一定的作用，在很大程度上，温度增高贡献率与过去10年间西宁市所经历的变化发展，城市功能、综合实力以及城市形态和环境面貌等发生巨大变化有一定的关系。
（5）西宁市是河谷型城市，热岛效应的加剧会给城市整体带来危害，包括城市上空云、雾增加，有害气体、烟尘在市区上空积累的现象加剧，进而影响城市环境质量和市民身体健康。我们应该采取措施，利用各种技术，严格控制城市的建设和发展，加大绿化效力，使城市发展和生态文明可持续发展模式相一致，城市热岛效应的程度和危害就会降低。
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A Study on the Relationship between Urbanization Process and Heat Island Effect in Xining City
Wang Zhanqing1， Wang Zhaoqi2， Wang Ke3
（1. Ecological Environment Engineering College， Qinghai University， Xining 810016， China； 2. Department of Ecology School of Life Science， Nanjing University， Nanjing 210023， China； 3. Hutai Middle School， Xining 810000， China
）
2017年6月绿色科技第12期
Abstract： This article studied the change of the land use， the surface temperature （LST） and vegetation index distribution in Xining city， Qinghai province with Landsat TM image data in 2000 ～ 2010 as data sources， using linear spectral mixture analysis， heat conduction equation method and the normalized difference vegetation index （NDVI）. It analyzed the influence that the urbanization on LST and NDVI in Xining city. The results showed that the area that vegetation changed into water， bare land and artificial surface land is 0.18 k ㎡， 0.84 k ㎡ and 18.91 k ㎡respectively in the past 10 years in Xining city； On the other hand， the area that water is converted to vegetation is only 0.04 k ㎡. The average LST increased 1.1 ℃ within 10 years in Xining. The LST showed a trend of increase in space and the area is 339.74 k ㎡accounting for 99.88% of the total area of the study area. Over all NDVI showed a trend of increase in vegetation and the area is 241.77 k ㎡ accounting for 71.03% of the total area of the study area. And the change of the LST is different among different terrain types， among which the LST of traffic land， industrial land， shrub green space， place of residence increases fastestwith 1.43 ℃， 1.42 ℃， 1.32 ℃ and 1.23 ℃， respectively during 10 years. The temperature change of river green space is relatively slow， which increased by 0.77 ℃. It indicated that the change of large area of land used for urban vegetation into other artificial land use is the main effect factor of urban heat island effect.
Key words： urbanization； the surface temperature； NDVI； heat island effect