發(fā)布時(shí)間：2019-09-29 21:31

【摘要】：城市化快速發(fā)展最典型的特征之一是城市不透水面迅速增加。城市不透水面不僅是城市地表覆蓋的基本類型,可以用來(lái)監(jiān)測(cè)城市的土地利用/覆蓋變化(LUCC),而且城市不透水面的增加是城市生態(tài)環(huán)境變化的重要原因。因此,城市不透水面是當(dāng)前城市化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究的最佳切入點(diǎn)。不透水面蓋度高的地方,地表能量更多的表現(xiàn)為顯熱交換形式,嚴(yán)重影響了城市熱環(huán)境空間分布的異質(zhì)性,城市不透水面的熱環(huán)境效應(yīng)在全世界范圍內(nèi)備受關(guān)注。 目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)城市不透水面蓋度時(shí)空演變進(jìn)行了廣泛的研究,但是大部分研究主要集中在對(duì)空間分布及其差異的描述、對(duì)比和解釋；另一方面,雖然城市不透水面對(duì)地表溫度的影響已經(jīng)在不同區(qū)域得以驗(yàn)證并達(dá)成一定的共識(shí),但是大部分的研究是基于傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析方法。關(guān)于不透水面蓋度時(shí)空演變及其熱環(huán)境效應(yīng)的機(jī)理性的深層次的規(guī)律還沒(méi)有認(rèn)識(shí)清楚。事實(shí)上,不透水面蓋度時(shí)空演變及其熱環(huán)境效應(yīng)是復(fù)雜性問(wèn)題,有必要從地理復(fù)雜性科學(xué)的理論和方法來(lái)揭示其深層次的規(guī)律,但是目前的研究還沒(méi)有從復(fù)雜性科學(xué)的理論框架下來(lái)認(rèn)識(shí)這個(gè)問(wèn)題。雖然目前分形理論已經(jīng)在城市不透水面研究中有所涉及,但是既有研究成果主要集中在對(duì)不透水面的形態(tài)分形特征的認(rèn)識(shí),或者是基于剖面線的一維分形性質(zhì)的認(rèn)識(shí),而針對(duì)城市不透水面蓋度空間分布的二維分形性質(zhì),還缺乏深入的研究。尤其是關(guān)于不透水面對(duì)地表溫度的影響,鮮有研究從分形的角度進(jìn)一步定量揭示二者的相關(guān)性行為。 基于以上分析,本文選擇高強(qiáng)度人類擾動(dòng)和快速城市化的典型城市上海市中心城區(qū)為研究區(qū)域,基于遙感數(shù)據(jù)挖掘,從地理復(fù)雜性科學(xué)的理論視角出發(fā),綜合利用景觀生態(tài)學(xué)和地理學(xué)的理論和方法,對(duì)不透水面蓋度時(shí)空變化及其熱環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行分形研究,以期在理論上能促進(jìn)城市不透水面時(shí)空演變及其熱環(huán)境效應(yīng)的復(fù)雜性研究,為城市LUCC及其環(huán)境效應(yīng)的研究提供一種可以參考和借鑒的思路,在實(shí)踐上可以為城市規(guī)劃及未來(lái)發(fā)展提供依據(jù)和決策支持。 本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下： (1)基于V-I-S模型原理和線性混合光譜分解技術(shù),得到了1997-2010年間共10期的不透水面蓋度的空間分布特征。研究期間不透水面面積和不透水面蓋度均值都呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。1997年不透水面蓋度高值區(qū)主要分布在浦西老城區(qū)以及浦東的黃浦江沿岸,2002年至2007年間高值區(qū)逐漸擴(kuò)展到外環(huán)線,2007年高蓋度區(qū)成片出現(xiàn),2010年不透水面蓋度的空間分布出現(xiàn)破碎化現(xiàn)象,高值區(qū)不再成片出現(xiàn)。不透水面蓋度的空間變化以2007年為轉(zhuǎn)折點(diǎn),2007年以前,絕大多數(shù)象元以蓋度增加為主趨勢(shì),而2007年以后,56.17%的像元的蓋度呈現(xiàn)減小的特點(diǎn)。研究期間內(nèi)各像元的蓋度最大值出現(xiàn)時(shí)間的空間分布清晰的展示了外環(huán)線內(nèi)城市化的地域推進(jìn)過(guò)程。在以上研究的基礎(chǔ)上,借鑒景觀生態(tài)學(xué)中景觀的概念,將不透水面劃分為七種類型,并計(jì)算各類型的景觀指數(shù)。其中全覆蓋類型(蓋度大于80%)的斑塊面積在整個(gè)研究區(qū)域中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),且歷年來(lái)呈增長(zhǎng)的趨勢(shì),導(dǎo)致了研究期間整個(gè)研究區(qū)域的景觀多樣性指數(shù)總體呈降低趨勢(shì)。14年來(lái)全覆蓋類型的斑塊破碎化程度增大,而聚集指數(shù)基本不變,斑塊形態(tài)較為規(guī)整,體現(xiàn)了城市化過(guò)程中城市規(guī)劃對(duì)全覆蓋斑塊的影響。 (2)經(jīng)過(guò)人民廣場(chǎng)的兩條軸線上的不透水面蓋度的空間分布均存在標(biāo)度不變性,一維盒維數(shù)反映了數(shù)據(jù)序列密集程度的變化,揭示了不透水面蓋度數(shù)據(jù)是如何填充整個(gè)軸線的。東西軸線上1997年和2002年的蓋度序列均呈現(xiàn)出多重分形特征,而南北軸線上只有1997年的蓋度序列呈現(xiàn)出多重分形特征,表明歷年來(lái)不透水面蓋度沿軸線方向的分布越來(lái)越均勻。整個(gè)研究區(qū)域的不透水面蓋度的空間分布也存在標(biāo)度不變性,二維盒維數(shù)反映了不同閡值之上的不透水面蓋度空間分布的復(fù)雜程度,隨著閩值的增大,不透水面空間分布的復(fù)雜程度逐漸減小。另外,二維盒維數(shù)模型也說(shuō)明不透水面蓋度的空間分布是可以預(yù)測(cè)的。七種不透水面類型的空間分布在各自的無(wú)標(biāo)度區(qū)間內(nèi)都呈現(xiàn)出了空間自相似性特征,二維分形盒維數(shù)從整體上揭示了各覆蓋類型空間分布的復(fù)雜程度及其變化特征。 (3)基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的Moran's Ⅰ指數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明,不透水面蓋度的空間分布存在強(qiáng)的空間依賴性,1997-2010年,不透水面蓋度的空間自相關(guān)性表現(xiàn)出從聚集到分散、再到聚集的過(guò)程。Moran's Ⅰ指數(shù)僅僅從單個(gè)探測(cè)尺度上(即鄰域范圍內(nèi))揭示了不透水面蓋度分布的空間自相關(guān)性,為了從多尺度上揭示整體與部分之間規(guī)律的相似性,對(duì)不透水面蓋度圖像進(jìn)行二維去趨勢(shì)波動(dòng)分析(Detrended Fluctuation Analysis, DFA),結(jié)果表明四個(gè)年份的DFA標(biāo)度指數(shù)均接近于1/f噪聲,說(shuō)明在多個(gè)空間尺度范圍內(nèi)不透水面蓋度都存在相同的變化屬性,即某個(gè)像元蓋度的增加會(huì)引起一定尺度范圍內(nèi)的其他像元蓋度的增加,反之亦然。但是不透水面蓋度空間分布的長(zhǎng)程自相關(guān)性不存在多重分形性,只需一個(gè)標(biāo)度指數(shù)即可反映其空間分布的長(zhǎng)程自相關(guān)性特征。分形長(zhǎng)程相關(guān)性特征表明不透水面蓋度的空間分布具有分形布朗運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),DFA標(biāo)度指數(shù)越大,則數(shù)據(jù)間的長(zhǎng)程相關(guān)性就越強(qiáng),數(shù)據(jù)間的波動(dòng)就越慢,數(shù)據(jù)的空間分布就越均勻,反之亦然。因此,DFA標(biāo)度指數(shù)也可以看作是不透水面蓋度空間分布均勻度的一個(gè)標(biāo)志。 (4)通過(guò)遙感技術(shù)定量反演了1997-2010年間相應(yīng)年份的城市地表溫度,并分析了其空間分布的二維分形性質(zhì)。結(jié)果表明,研究期間內(nèi)地表溫度分布的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小,城市熱場(chǎng)的范圍逐步擴(kuò)大到外環(huán)線,熱場(chǎng)強(qiáng)度有所增強(qiáng),但是熱島特征愈加不明顯。歷年來(lái)地表溫度的空間分布都存在標(biāo)度不變性,即以某種方式,局部區(qū)域內(nèi)不透水面蓋度空間分布的規(guī)律與整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的空間分布規(guī)律相似。二維盒維數(shù)不僅揭示了不同閾值的地表溫度數(shù)據(jù)是如何分布在整個(gè)研究區(qū)域的,而且反映了歷年來(lái)地表溫度空間分布的復(fù)雜程度。歷年來(lái)地表溫度的空間分布也都存在正的長(zhǎng)程自相關(guān)性,DFA標(biāo)度指數(shù)均接近于1/f噪聲,而且只需要一個(gè)標(biāo)度指數(shù)即可反映其空間分布的長(zhǎng)程相關(guān)性。地表溫度空間分布的這種分形規(guī)律與不透水面空間分布的規(guī)律相似,本文從分形的角度進(jìn)一步證實(shí)了不透水面蓋度空間分布對(duì)城市熱環(huán)境的重要影響。 (5)1997年不透水面蓋度與地表溫度呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系,2002-2010年二者的非線性關(guān)系越來(lái)越明顯。1997-2010年間,不透水面時(shí)空演變以轉(zhuǎn)化為全覆蓋類型的軌跡為主,該軌跡的地表溫度變化主導(dǎo)了整個(gè)研究區(qū)地表溫度的變化。各不透水面類型的面積百分比構(gòu)成能很好的解釋地表溫度的變化,然而加入反映不透水面空間布局的景觀指數(shù)變量后,能更好的解釋地表溫度的變化。當(dāng)各不透水面類型的面積百分比構(gòu)成相對(duì)固定時(shí),不同的景觀指數(shù)對(duì)地表溫度影響的顯著性和效應(yīng)有很大不同。因此,可以通過(guò)平衡各不透水面類型的百分比構(gòu)成以及最優(yōu)化其空間布局來(lái)減輕城市化的熱效應(yīng)。 (6)借助去趨勢(shì)互相關(guān)性分析(Detrended Cross-Correlation Aanlysis),從兩變量互相關(guān)的角度揭示了不透水面蓋度與地表溫度空間分布的關(guān)系。結(jié)果表明,兩條軸線上不透水面蓋度與地表溫度的空間分布都存在正的長(zhǎng)程互相關(guān)性,但是不同年份二者相關(guān)的形式有所差異。1997-2010年間,南北軸線上,不透水面蓋度對(duì)地表溫度的影響程度表現(xiàn)為減弱趨勢(shì)；東西軸線上,在較小空間尺度范圍內(nèi),不透水面蓋度對(duì)地表溫度的影響程度呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì),在較大空間尺度范圍內(nèi),歷年來(lái)其影響程度逐漸減弱。不透水面蓋度與地表溫度長(zhǎng)程互相關(guān)的無(wú)標(biāo)度區(qū)間反映了城市化過(guò)程中城市空間結(jié)構(gòu)的變化特征,受城市化過(guò)程的影響,不透水面對(duì)地表溫度的影響程度逐漸降低。 (7)采用多重分形去趨勢(shì)互相關(guān)性分析(Multi-Fractal Detrended Cross-Correlation Analysis)從多個(gè)層次上進(jìn)一步刻畫(huà)了不透水而蓋度與地表溫度空間分布的長(zhǎng)程互相關(guān)性行為。結(jié)果表明,東西軸線上2002-2010年間不透水面蓋度與地表溫度的空間分布存在多重分形去趨勢(shì)長(zhǎng)程互相關(guān)性,不透水面對(duì)地表溫度空間分布的影響比較復(fù)雜,但是這種復(fù)雜程度歷年來(lái)逐漸減弱：南北軸線上2007年和2010年二者的空間分布存在多重分形去趨勢(shì)長(zhǎng)程互相關(guān)性,且多重分形強(qiáng)度基本不變。就兩條軸線相比,歷年來(lái)南北軸線上二者之間長(zhǎng)程互相關(guān)性的多重分形性更強(qiáng),不透水面蓋度與地表溫度空間分布的關(guān)系相對(duì)更復(fù)雜。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：X16;TU984

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2544142