基于Landsat TM土地覆盖分类数据和MODIS地表温度数据,探讨京津唐城市群不同土地覆盖的地表温度(7日),并采用常用的普通线性回归(OLS)和地理加权回归(GWR)方法分别拟合土地覆盖比例与地表温度的关系.结果表明: 研究区不同土地覆盖类型的地表温度差异明显,人工表面(40.92±3.49 ℃)和耕地(39.74±3.74 ℃)的平均温度较高,林地(34.43±4.16 ℃)〖JP〗和湿地(35.42±4.33 ℃)的平均温度较低;土地覆盖比例与地表温度显著相关,且两者之间的定量关系存在空间非稳定性,地理位置以及周围环境影响的差异是空间非稳定性产生的主要原因;GWR模型的拟合结果优于OLS模型(RGWR2>ROLS2),并且GWR模型可以量化土地覆盖比例与地表温度两者关系的空间非稳定性特征.
We used land cover data derived from Landsat thematic mapper (TM) and land surface temperature (LST) data from moderate-resolution imaging spectro-radiometer (MODIS) satellite images to study the variations in LST in July of different land cover types in Beijing-Tianjin-Tangshan urban agglomeration. Ordinary linear regressions (OLS) models and geographically weighted regressions (GWR) models were used to investigate the relationships between the proportions of land cover types and LST. The results showed that great variations in LST occurred among different land cover types. The average LST ranged from high to low in the order of developed land (40.92±3.49 ℃), cultivated land (39.74±3.74 ℃), wetland (35.42±4.33 ℃), and forested land (34.43±4.16 ℃).The proportions of land cover types were significantly related to LST, but with spatial non-stationarity. This might be due to inherent difference in land cover across locations, and the surrounding environments. GWR models had higher R2 values, compared to OLS, indicating better model performance. In addition, GWR models could reveal the spatial non-stationarity of the relations between LST and the proportions of different land cover types.
全 文 :基于 GWR模型的土地覆盖与地表温度的关系
———以京津唐城市群为例
王 佳1,2 钱雨果1 韩立建1 周伟奇1∗
( 1中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085; 2中国科学院大学, 北京 100049)
摘 要 基于 Landsat TM 土地覆盖分类数据和 MODIS 地表温度数据,探讨京津唐城市群不
同土地覆盖的地表温度(7日),并采用常用的普通线性回归(OLS)和地理加权回归(GWR)方
法分别拟合土地覆盖比例与地表温度的关系.结果表明: 研究区不同土地覆盖类型的地表温
度差异明显,人工表面(40.92 ±3.49 ℃)和耕地(39.74 ±3.74 ℃)的平均温度较高,林地(34.43 ±
4.16 ℃)和湿地(35.42 ±4.33 ℃)的平均温度较低;土地覆盖比例与地表温度显著相关,且两
者之间的定量关系存在空间非稳定性,地理位置以及周围环境影响的差异是空间非稳定性产
生的主要原因;GWR模型的拟合结果优于 OLS模型(RGWR2>ROLS 2),并且 GWR模型可以量化
土地覆盖比例与地表温度两者关系的空间非稳定性特征.
关键词 京津唐城市群; 土地覆盖; 地表温度; 地理加权回归; 空间非平稳性
Relationship between land surface temperature and land cover types based on GWR model:
A case of Beijing⁃Tianjin⁃Tangshan urban agglomeration, China. WANG Jia1,2, QIAN Yu⁃
guo1, HAN Li⁃jian1, ZHOU Wei⁃qi1∗ ( 1State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Re⁃
search Center for Eco⁃Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) .
Abstract: We used land cover data derived from Landsat thematic mapper (TM) and land surface
temperature ( LST) data from moderate⁃resolution imaging spectro⁃radiometer (MODIS) satellite
images to study the variations in LST in July of different land cover types in Beijing⁃Tianjin⁃Tangs⁃
han urban agglomeration. Ordinary linear regressions (OLS) models and geographically weighted re⁃
gressions (GWR) models were used to investigate the relationships between the proportions of land
cover types and LST. The results showed that great variations in LST occurred among different land
cover types. The average LST ranged from high to low in the order of developed land (40.92 ±3.49
℃), cultivated land (39.74 ±3.74 ℃), wetland (35.42 ±4.33 ℃), and forested land (34.43 ±4.16
℃). The proportions of land cover types were significantly related to LST, but with spatial non⁃sta⁃
tionarity. This might be due to inherent difference in land cover across locations, and the surround⁃
ing environments. GWR models had higher R2 values, compared to OLS, indicating better model
performance. In addition, GWR models could reveal the spatial non⁃stationarity of the relations be⁃
tween LST and the proportions of different land cover types.
Key words: Beijing⁃Tianjin⁃Tangshan urban agglomeration; land cover; land surface temperature
(LST); geographically weighted regression (GWR); spatial non⁃stationarity.
本文由国家自然科学基金项目(41371197)和全国生态环境十年变化(2000—2010 年)遥感调查与评估项目( STSN⁃12⁃01)资助 This work was
supported by the National Natural Science Foundation of China (41371197) and the China Ecosystem Assessment from 2000⁃2010 based on remote sen⁃
sing (STSN⁃12⁃01) .
2016⁃01⁃04 Received, 2016⁃03⁃31 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: wzhou@ rcees.ac.cn
应 用 生 态 学 报 2016年 7月 第 27卷 第 7期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2016, 27(7): 2128-2136 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201607.008
大规模、快速的城市化进程极大地改变了城市
区域原有的土地覆盖格局,主要表现为人工表面大
量增加、林地和耕地快速消失[1-4] .土地覆盖的变化,
改变了生态系统的能量、物质以及信息流动,引起了
一系列的生态环境问题,其中,城市热岛效应就是一
个典型问题[5-7] .
城市热岛的早期研究主要是基于气象站的定点
观测,以及气象车的流动监测.搜集的点状和线状数
据虽能很好揭示温度在时间上的变化,却难以刻画
温度在空间上的分布及变化.随着热红外遥感技术
的快速发展,热岛研究进入了新阶段.利用遥感数据
的热红外波段信息,可反演得到空间上连续的地表
温度(land surface temperature,LST),从而可在城市
和区域尺度上研究热环境特征[8] .
土地覆盖的变化被认为是导致地表温度变化的
主要因素,众多学者开展了大量相关研究,发现不同
土地覆盖类型的地表温度存在显著差异[9-13] .总体
来说,城市中的林地和水体的温度较低,是城市中的
“冷岛” [14-20] .而建设用地的温度较高,增加城市内
的建设用地会加剧城市热岛效应[21-22] .目前已有的
研究主要通过全局回归模型(如最小二乘法 ordina⁃
ry linear regressions,OLS)探究土地覆盖比例与地表
温度的关系[17,23] .尽管这些结果都发现,增加绿地比
例可降低地表温度,增加建设用地比例会导致地温
升高,但不同研究拟合的回归系数却有较大差异.这
表示土地覆盖对地表温度的影响可能存在空间非平
稳性,即在研究区不同的空间位置,土地覆盖的变化
对地表温度的影响程度可能并不一致.而目前这方
面的研究还比较缺乏[24-25] .地理加权回归模型(geo⁃
graphically weighted regression,GWR)是一种有效地
定量研究空间非平稳性的方法[26-27],在其他相关领
域已得到广泛应用[28-30] .
以往的土地覆盖与地表温度关系研究主要在城
市尺度展开[14,31],对城市群尺度的研究较少[32] .我
国新型城镇化战略明确提出,将以城市群的发展模
式作为我国城市化发展的主体形态[33] .城市集群式
的发展可以促进城市之间物质、能量以及信息的流
通联系[34],但同时,也可能带来区域性的生态环境
问题,如区域性的城市热岛问题等.研究城市群尺度
的土地覆盖与地表温度的关系,可以为城市群的热
环境改善提供参考.本研究基于 MODIS 地表温度产
品(MOD11 A2)和 Landsat TM 土地覆盖分类数据,
分析京津唐城市群土地覆盖及地表温度的空间格
局,以及土地覆盖比例与地表温度的关系及其空间
非平稳性.
1 研究地区与研究方法
1 1 研究区概况
京津唐城市群包括北京、天津 2个直辖市,及河
北省唐山等 7 个地级市(图 1).京津唐城市群位于
华北平原东北部,以温带大陆性季风气候为主,四季
分明.其土地面积 16.91×104 km2,占全国总面积的
1.8%.近年来,京津唐城市群城市化进程很快,开发
强度极大,城市建设用地(如人工表面)快速增长,
大量侵占原有林地和耕地.快速的土地覆盖类型变
化加剧了城市热岛效应.以北京市为例,1961—2008
年,北京城区热岛强度上升了 0.83 ℃,城市热岛问
题日益突出[35] .因此,该城市群是研究土地覆盖对
地表温度影响的理想区域.
1 2 数据来源与处理
1 2 1土地覆盖分类数据 本研究以 2010、2009 年
Landsat5 TM影像作为土地覆盖分类的基础数据.共
采用 17 景 TM 影像,分别为 121 / 32(2010⁃06⁃23)、
121 / 33(2010⁃09⁃11)、122 / 31(2010⁃08⁃01)、122 / 32
(2009⁃09⁃15)、122 / 33 (2009⁃08⁃30)、122 / 34 (2009⁃
08⁃30)、123 / 30(2010⁃08⁃24)、123 / 31(2010⁃08⁃24)、
123 / 32(2010⁃06⁃05)、123 / 33(2009⁃09⁃22)、123 / 34
(2010⁃06⁃21)、124 / 31 (2009⁃08⁃28)、124 / 32 (2009⁃
08⁃12)、124 / 33(2009⁃08⁃12)、125 / 31(2010⁃07⁃05)、
1 25 / 32(2010⁃07⁃05)、125 / 33(2009⁃07⁃02) .该影像
图 1 京津唐城市群地理位置示意图
Fig.1 Sketch map of geographic location of the Beijing⁃Tianjin⁃
Tangshan urban agglomeration.
92127期 王 佳等: 基于 GWR模型的土地覆盖与地表温度的关系———以京津唐城市群为例
有 7 个波段,除热红外波段的空间分辨率为 120 m
外,其他波段的空间分辨率均为 30 m.经过辐射校
正、几何配准、图像拼接等预处理后,通过面向对象
的分类方法对研究区开展了土地覆盖的分类.将研
究区内的土地覆盖划分为 6 类,分别是林地、草地、
湿地、耕地、人工表面和其他(图 2).其中,林地指以
木本为主的植被群落,包括乔木、灌木等自然、半自
然以及人工管理林地、林园等;草地指以一年或多年
生的草本植被为主的植被群落,包括自然、半自然以
及人工管理养护的草地、草甸等;湿地为河流、湖泊、
沼泽等,包括永久或季节性的水面,自然或人工维护
的水面等;耕地指以收割为目的的人工种植草本植
被,包括水田、旱地等;人工表面主要指人工建造的
陆地表面,主要包括城乡居民点、工矿以及交通等;
其他主要指植被覆盖很小的区域,主要包括稀疏灌
木林、稀疏草地、苔藓 /地衣、裸土以及裸岩等.基于
Google Earth对土地覆盖分类进行精度验证,总体分
类精度为 96%.
1 2 2地表温度数据 本研究采用的地表温度数据
是 MODIS地表温度产品(MOD11A2)的 8 d 合成产
品,合成时段为 2010 年 7 月 4—12 日.该产品空间
分辨率为 1 km,地表温度的反演采用劈窗算
法[36-37] .为覆盖整个京津唐城市群,本研究共选取 4
景(h26v04、 h26v05、 h27v04 和 h27v05)数据质量
较好的 MODIS 数据.利用 MODIS Reprojection Tool
( MRT)对4景影像进行投影和拼接处理,并利用如
图 2 京津唐城市群土地覆盖类型
Fig.2 Land cover types of Beijing⁃Tianjin⁃Tangshan urban ag⁃
glomeration.
下公式计算地表温度(℃) [38]:
T= 0.02 DN-273.15 (1)
式中:DN 为 MOD11A2 象元值.最终得到京津唐城
市群地表温度为 16.71~53.11 ℃(图 3).
1 3 研究方法
本文以 1 km 为间隔,分别获取 1 km×1 km 到
10 km × 10 km 的格网作为研究单元,参考 Peng
等[39]方法最终选择合适的研究单元格网大小为 3
km×3 km,分别获取每个研究单元内平均地表温度
以及不同土地覆盖类型比例,并分别利用 OLS 和
GWR两个回归模型拟合不同土地覆盖比例与地表
温度的关系.比较两种方式计算的回归系数和拟合
优度,以分析不同土地覆盖类型比例与地表温度关
系及其空间非平稳性.
1 3 1普通线性回归模型 OLS 是对被解释变量与
解释变量相互依存关系进行分析的一种常用的统计
学方法,计算公式如下:
yi = β0 + ∑
k
βkxik + εi (1)
式中:yi为第 i点的因变量值;β0为模型截距;xik为第
k个自变量在第 i点的值;k为自变量记数;βk为第 k
个自变量的斜率或者回归系数;εi为残差.
OLS是非空间的模型,其前提假设:变量在各个
点之间是相互独立的.利用 OLS 进行土地覆盖与地
表温度关系分析时,所获得的回归参数是研究区内
的平均拟合,无法反映土地覆盖变化对地表温度的
图 3 京津唐城市群 MODIS地表温度的分布
Fig.3 Distribution of land surface temperature of Beijing⁃Tian⁃
jin⁃Tangshan urban agglomeration by MOD11A2 product.
0312 应 用 生 态 学 报 27卷
影响在空间上可能会因为地理环境的变化而不同,
即,两者的关系可能存在空间非稳定性.为此,本文
利用 GWR进行进一步分析.
1 3 2地理加权回归分析 基于地理学第一定律的
GWR模型扩展了传统 OLS 模型的框架,将数据的
地理位置加入到回归参数中,并且同时考虑相邻点
的空间权重,允许局部而不是全局的参数估
计[26, 40-41] .GWR模型计算公式为:
yi = β0 ui,vi( ) + ∑
k
βk(ui,vi)xik + εi (2)
式中:(ui, vi)是第 i 点的空间位置;βk(ui, vi)是连
续函数 βk( u, v)在点( ui, vi)处的值,并且,如果
βk(ui,vi)在空间上保持不变的话,则 GWR 模型退
化为全局 OLS模型.βk(ui, vi)的估计函数如下:
βk(ui,vi)= (XTW(ui,vi)X)
-1XTW(ui,vi)y (3)
式中:W(ui, vi)为距离权重矩阵.是观测点与其他
点之间的距离函数.
Wij =exp (-dij 2 / h2) (4)
式中:h 为带宽,本文通过 AIC 准则确定带宽;dij为
观察点 j与 i之间的距离.带宽之外的权重为 0.
OLS及 GWR模型在 ArcGISTM 10.1中实现.
2 结果与分析
2 1 京津唐城市群土地覆盖及地表温度的空间
分布
耕地和林地是京津唐城市群区域最主要的土地
覆盖类型,分别占研究区面积的 43.3%和 36.6%.其
中,耕地主要分布于京津唐城市群东南部、西北部的
平原地区;林地主要分布在东南、西北走向的太行山
地带(图 2).人工表面占比为 8.2%,主要分布在京
津唐城市群东南平原地带,北京、天津等城市区域的
人工表面集中连片分布,同时有大量的小块人工表
面分散在农田生态系统中.草地覆盖占比为 8.3%,
主要分布于西北部、以及太行山林区边缘.京津唐城
市群湿地面积很少,仅占 3.3%,研究区湿地集中分
布于天津、唐山等地区.
京津唐城市群地表温度的空间格局与土地覆盖
的空间分布有着密切的关系,高温区多位于建设用
地,低温区多位于林地和湿地(图 2、图 3).整体上
看,地表温度形成东南、西北高温而东北⁃西南带状
低温的空间分布格局:其中,高温区主要集中分布在
东南、西北地区,特别集中于北京、天津、唐山等的城
市主要建成区以及西北耕地集中分布的区域(图
3).低温区主要集中分布于太行山林区地段.
2 2 不同土地覆盖类型地表温度的差异性
不同土地覆盖类型的地表温度存在差异(表
1),按平均温度由高到低的顺序排列为:人工表面>
耕地>草地>湿地>林地(“其他”类型占比较小,不
予考虑).林地、湿地的温度较低,分别为(34. 43 ±
4.16)和(35.42 ±4.33)℃;人工表面和耕地的温度较
高,分别为(40.92 ±3.49)和(39.74 ±3.74)℃;草地
温度略低于人工表面和耕地,为(38.87 ±4.72)℃ .从
最高温和最低温看,温度最高的是耕地,温度最低的
是林地.
2 3 土地覆盖比例对地表温度的影响
2 3 1普通线性回归模型 不同土地覆盖类型比例
显著影响地表温度,增加林地和湿地的比例可以显
著降低地表温度,而增加草地、人工表面以及耕地的
比例则会显著提高地表温度 (表 1、2).林地 ( r =
-0.64,P<0.01)具有显著的降温作用,林地比例与
地表温度的回归系数为-0.077,表明林地比例增加
10%,地表温度下降 0.77 ℃ .湿地的降温能力(回归
系数为 - 0. 038, P < 0. 01)弱于林地 (回归系数为
-0.077,P<0.01) .相反,耕地( r= 0.534,P<0.01)、人
表 1 不同土地覆盖类型的地表温度
Table 1 Landsurface temperature of different land cover
types (℃)
土地覆盖类型
Land cover
type
最高温度
Max
temperature
最低温度
Min
temperature
平均温度
Mean
temperature
标准差
SD
林地
Forest land
48.49 16.71 34.43 4.16
草地
Grassland
49.63 18.47 38.87 4.72
湿地
Wetland
52.07 23.89 35.42 4.33
耕地
Cultivated land
53.11 23.01 39.74 3.74
人工表面
Artificial surface
49.99 24.15 40.92 3.49
其他
Other
50.13 25.79 39.21 4.54
平均
Average
53.11 16.71 37.69 4.77
表 2 土地覆盖与地表温度的 OLS回归关系
Table 2 Regression relationship between land cover types
and land surface temperature from OLS
土地覆盖类型
Land cover type
普通线性回归模型
OLS
R2 Pearson 系数
Pearson
coefficient
林地 Forest land y=-0.077x+40.50 0.41∗ -0.64
草地 Grassland y= 0.037x+37.35 0.02∗ 0.13
湿地 Wetland y= -0.038x+37.78 0.01∗ -0.09
耕地 Cultivated land y= 0.071x+34.60 0.28∗ 0.53
人工表面 Artificial surface y= 0.122x+36.67 0.14∗ 0.38
∗P<0.01.
13127期 王 佳等: 基于 GWR模型的土地覆盖与地表温度的关系———以京津唐城市群为例
工表面( r= 0.375,P<0.01)以及草地( r = 0.125,P<
0.01)比例的增加会导致地表温度升高.其中,人工
表面(回归系数为 0.122,P<0.01)的增温能力最强,
增加 10%的人工表面会造成地表温度上升 1.22 ℃ .
耕地和草地的增温能力相对较弱,回归系数分别为
0.071和 0.037.林地、耕地以及人工表面对地表温度
的解释能力较强,分别为 41%、28%以及 14%.
2 3 2地理加权回归模型 地理加权回归模型分析
显示土地覆盖对地表温度变化的影响存在空间非稳
定性,土地覆盖对地表温度的影响程度在不同空间
位置上存在差异(表 3).本研究重点分析林地、耕地
以及人工表面 3种土地覆盖类型与地表温度关系的
表 3 土地覆盖与地表温度的 GWR回归关系
Table 3 Regression relationship between land cover and
land surface temperature from GWR
土地覆盖类型
Land cover type
回归系数
Regression coefficient
最小值
Minimum
最大值
Maximum
平均值
Mean
R2
林地 Forest land -0.43 1.73 -0.03 0.84
草地 Grassland -0.84 2.58 0.09 0.77
湿地 Wetland -4.53 8.00 0.14 0.78
耕地 Cultivated land -0.31 0.61 0.05 0.79
人工表面 Artificial surface -1.01 3.90 0.26 0.90
空间非稳定性.
与普通最小二乘法回归拟合的结果类似,林地
图 4 林地(A)、人工表面(B)和耕地(C)与地表温度关系的空间变异(GWR拟合)
Fig.4 Spatial variation in regression outputs from the GWR analysis of land surface temperature against forest land (A), artificial sur⁃
face (B) and cultivated land (C).
a) 比例 Percentage; b) 系数 Coefficient; c) 局部 R2Local R2 .
2312 应 用 生 态 学 报 27卷
具有降温作用,但 GWR 拟合的结果揭示其降温能
力在空间上存在较大差异(表 3、图 4).GWR拟合的
回归系数在-0.43~ 1.73,位于林区的林地降温能力
大于东南部平原地区,可能在平原地区,特别是城市
地区,林地比例较少而且破碎化程度较高[42-45],同
时,城市环境胁迫使得林地植被长势较差,其植被蒸
腾能力较弱[46-47] .在太行山地带,林地降温能力(回
归系数<-0.03)较高,并且从空间上表现为从林地
内部到林地边缘的降温能力呈逐步增强趋势,如在
林区边缘,每增加 10%的林地覆盖,地表温度下降
0.8 ℃以上(图 4).这是因为在林地边缘,郁闭度相
对较小,一定的林地增加能够增加植被的有效蒸腾
能力,显著降低地表温度.
人工表面会促进地表温度的增加(表 3、图 4),
但其增温能力在空间也存在非稳定性,回归系数在
-1.01~3.90.在太行山地带,单位人工表面比例的增
加导致的温度上升,远远大于东南平原地区(图 4).
如在林区,人工表面覆盖比例每增加 10%,可导致
地表温度上升 2.9 ℃以上.可能是因为林区人工表
面(如工厂)的增加主要侵占原有的自然林地,不仅
导致下垫面发生变化,同时人工表面侵占所带来的
环境扰动也会影响周边林地的生长及降温能力.耕
地对地表温度影响的空间非稳定性也很明显.在北
部林区,耕地增加会导致地表温度上升,但在东南部
和西北部,耕地覆盖比例的增加会使地表温度下降
(图 4).
2 3 3 OLS和 GWR的对比 OLS模型和 GWR模型
均能有效建立变量之间的定量关系,特别是不同土
地覆盖比例与地表温度的关系.但是,OLS 模型只是
研究区的全局拟合,而 GWR 模型可以探索变量之
前关系的空间非平稳性并揭示不同土地覆盖类型
“增温”和“降温”能力在空间上的差异.对于林地而
言,在城市区域,OLS 拟合的回归系数(回归系数 =
-0.077,P<0.01)明显高于 GWR 的拟合结果(表 2、
图 4),意味着 OLS 会高估林地在该地区的降温能
力.对于人工表面而言,在林区边缘,OLS 回归分析
的结果(回归系数 = 0.122,P<0.01)远小于 GWR 的
回归系数,表明 OLS会明显低估该地区人工表面的
增温能力(表 2、图 4).
比较模型拟合优度 R2可以发现,普通线性回归
模型的整体拟合优度小于地理加权回归模型(如林
地,ROLS 2 = 0.41,RGWR2 = 0.84).同时,GWR 模型的局
部拟合优度在空间上也存在一定差异.在林地比例
较大的地区,拟合优度较高,局部 R2 >0.13,但在林
地比例相对较小的地区,GWR 的拟合优度较小;人
工表面的 GWR 拟合优度和林地的结果较类似;在
耕地比例较小的太行山地带,耕地的 GWR 拟合优
度更好(局部 R2 >0.21),但在耕地比例较大的东南
平原地区,GWR的拟合优度则相对较小(图 4).
3 讨 论
本研究发现,在城市群区域,不同土地覆盖类型
的地表温度存在显著差异,其中,人工表面和耕地的
温度较高,林地和湿地的温度较低;总体而言,人工
表面和耕地覆盖比例的增加导致地表温度上升,而
林地和湿地覆盖比例的增加导致地表温度下降.这
与已有的大量在城市尺度开展的热环境研究的结果
类似[17, 21] .
研究区土地覆盖比例与地表温度之间的定量关
系存在空间非稳定性.基于 GWR模型揭示的不同土
地覆盖类型的“降温”或者“增温”能力,在空间上存
在较大差异.其中,东南平原地区林地降温能力相对
较弱,弱于太行山林区的林地降温能力(图 4).这与
林地周围环境的不同有很大关系,该研究结果对区
域尺度上热环境调控有一定参考作用.在城市群的
林地规划建设中,当林地建设面积一定时,在不同空
间上的投入,会有不同的热环境调控效果.将林地建
设在城市中,林地的降温效果比较弱,但是能够提高
局地尺度上城市居民的舒适度;将林地建设于林区
(特别是林区边缘),对于区域来说,能够起到更大
的降温作用,并调控区域尺度上的热环境.
对比分析 OLS 和 GWR 两个方法,OLS 回归分
析存在一定的局限性,其是针对研究区总体的拟合;
GWR不仅考虑不同研究点的地理位置,同时考虑研
究点周围的影响,可以得到不同空间位置上土地覆
盖与地表温度的关系.结果表明,OLS 回归分析会高
估林地在城市地区的降温能力,但低估人工表面在
林区的增温能力.所以,在进行土地覆盖与地表温度
的关系分析时,如果研究尺度较大或者研究区景观
异质性较强,GWR模型更能准确反映土地覆盖与地
表温度的关系.
本研究是基于城市群尺度进行的相关分析,后
续研究中,可以深入分析城市群尺度和城市尺度上,
土地覆盖与地表温度的关系存在怎样的异同.本研
究在对地表温度与土地覆盖类型相关性进行探讨过
程中,只考虑了土地覆盖类型组成与地表温度的关
系,后续研究中,可在此基础上对土地覆盖类型的空
间配置问题进行探讨.为了避免多重共线性的影响,
33127期 王 佳等: 基于 GWR模型的土地覆盖与地表温度的关系———以京津唐城市群为例
本研究仅采用单因素进行回归分析,后续研究中,可
在此基础上同时考虑多因素的情况下,探讨景观组
成与地表温度的相关分析.本研究发现了相关关系
的空间差异,并揭示了该差异与景观基底有关,然
而,除景观的基底类型外,地形、高程、微气候差异、
人为活动等因素也可能是导致空间非稳定性的原
因,有必要进一步研究.
4 结 论
本研究以 Landsat TM 土地覆盖分类数据和
MODIS地表温度数据作为基本数据源,分析京津唐
城市群土地覆盖及地表温度的空间分布规律,通过
OLS和 GWR模型探讨土地覆盖与地表温度的关系
并揭示了该定量关系的空间非稳定性特征.主要结
论如下:1)京津唐城市群地表温度空间分布主要呈
现东南、西北高温,东北西南条带状低温的空间分
布.该空间分布特征是自然地理环境(京津唐城市群
被东北至西南的带状太行山隔开)与人类活动(主
要是城市化与农业生产)共同作用的结果.2)不同土
地覆盖类型的地表温度存在差异,人工表面和耕地
的温度较高,林地和湿地的温度较低.3)土地覆盖比
例与地表温度显著相关,且两者之间的定量关系存
在空间非稳定性(如东南平原地区林地降温能力弱
于太行山林区的林地降温能力).地理位置以及周围
环境影响的差异是产生空间非稳定性的主要原因.
4)对比两个模型方法,OLS 回归分析存在一定的局
限性,会高估林地在城市地区的降温能力、低估人工
表面在林区的增温能力.但是 GWR可以较好地刻画
不同空间位置的土地覆盖变化对地表温度的影响,
并且 GWR模型拟合结果优于 OLS模型.
参考文献
[1] Kuang WH, Liu JY, Zhang ZX, et al. Spatiotemporal
dynamics of impervious surface areas across China dur⁃
ing the early 21st century. Chinese Science Bulletin,
2013, 58: 1691-1701
[2] Li XM, Zhou WQ, Ouyang ZY. Forty years of urban ex⁃
pansion in Beijing: What is the relative importance of
physical, socioeconomic, and neighborhood factors? Ap⁃
plied Geography, 2013, 38: 1-10
[3] Weng QH. Land use change analysis in the Zhujiang
Delta of China using satellite remote sensing, GIS and
stochastic modelling. Journal of Environmental Manage⁃
ment, 2002, 64: 273-284
[4] Xiao JY, Shen YJ, Ge JF, et al. Evaluating urban ex⁃
pansion and land use change in Shijiazhuang, China, by
using GIS and remote sensing. Landscape and Urban
Planning, 2006, 75: 69-80
[5] Arnfield AJ. Two decades of urban climate research: A
review of turbulence, exchanges of energy and water,
and the urban heat island. International Journal of Cli⁃
matology, 2003, 23: 1-26
[6] Xiao R⁃B (肖荣波), Ouyang Z⁃Y (欧阳志云), Li W⁃
F (李伟峰), et al.A review of the eco⁃environmental
consequences of urban heat islands. Acta Ecologica Sini⁃
ca (生态学报), 2005, 25(8): 2055-2060 ( in Chi⁃
nese)
[7] Zhou WQ, Huang GL, Cadenasso ML. Does spatial con⁃
figuration matter? Understanding the effects of land co⁃
ver pattern on land surface temperature in urban land⁃
scapes. Landscape and Urban Planning, 2011, 102:
54-63
[8] Voogt JA, Oke TR. Thermal remote sensing of urban cli⁃
mates. Remote Sensing of Environment, 2003, 86: 370-
384
[9] Weng QH, Liu H, Lu DS. Assessing the effects of land
use and land cover patterns on thermal conditions using
landscape metrics in city of Indianapolis, United States.
Urban Ecosystems, 2007, 10: 203-219
[10] Qian L⁃X (钱乐祥), Ding S⁃Y (丁圣彦). Influence of
land cover change on land surface temperaturein Zhu⁃
jiang Delta. Acta Geographica Sinica (地理学报),
2005, 60(5): 761-770 (in Chinese)
[11] Weng Q, Lu D, Schubring J. Estimation of land surface
temperature⁃vegetation abundance relationship for urban
heat island studies. Remote Sensing of Environment,
2004, 89: 467-483
[12] Xia J⁃S (夏俊士), Du P⁃J (杜培军), Zhang H⁃R (张
海荣), et al. The quantitative relationship between land
surface temperature and land cover types based on re⁃
motely sensed data. Remote Sensing Technology and Ap⁃
plication (遥感技术与应用), 2010, 25(1): 15-23
(in Chinese)
[13] Rao S (饶 胜), Zhang H⁃Y (张惠远), Jin T⁃T (金
陶陶), et al. The spatial character of regional heat is⁃
land in Pearl River Delta using MODIS remote sensing
data. Geographical Research (地理研究), 2010, 29
(1): 127-136 (in Chinese)
[14] Li XM, Zhou WQ, Ouyang ZY. Relationship between
land surface temperature and spatial pattern of green⁃
space: What are the effects of spatial resolution? Land⁃
scape and Urban Planning, 2013, 114: 1-8
[15] Li XM, Zhou WQ, Ouyang ZY, et al. Spatial pattern of
greenspace affects land surface temperature: Evidence
from the heavily urbanized Beijing metropolitan area,
China. Landscape Ecology, 2012, 27: 887-898
[16] Zhou WQ, Huang GL, Pickett ST, et al. 90 years of
forest cover change in an urbanizing watershed: Spatial
and temporal dynamics. Landscape Ecology, 2011, 26:
4312 应 用 生 态 学 报 27卷
645-659
[17] Zhou WQ, Qian YG, Li XM, et al. Relationships be⁃
tween land cover and the surface urban heat island: Sea⁃
sonal variability and effects of spatial and thematic reso⁃
lution of land cover data on predicting land surface tem⁃
peratures. Landscape Ecology, 2014, 29: 153-167
[18] Zhang C⁃S (张昌顺), Xie G⁃D (谢高地), Lu C⁃X
(鲁春霞), et al. The mitigating effects of different ur⁃
ban green lands onthe heat island effect in Beijing. Re⁃
sources Science (资源科学), 2015, 37 ( 6): 1156 -
1165 (in Chinese)
[19] Gong Z (龚 珍), Hu Y⁃J (胡友健), Li H (黎
华). Quantitative analysis of the relationship between
the spatial distribution of water and surface temperature.
Bulletin of Survey and Mapping (测绘通报), 2015
(12): 34-36 (in Chinese)
[20] Li L⁃G (李丽光), Liu X⁃M (刘晓梅), Zhao X⁃L (赵
先丽), et al. Characteristics of heat island effect in in⁃
ner and outer suburbs of Shenyang and the relationships
with urbanization. Chinese Journal of Applied Ecology
(应用生态学报), 2010, 21(6): 1609-1613 (in Chi⁃
nese)
[21] Liu K, Su HB, Zhang LF, et al. Analysis of the urban
heat island effect in Shijiazhuang, China using satellite
and airborne data. Remote Sensing, 2015, 7: 4804 -
4833
[22] Yuan F, Bauer ME. Comparison of impervious surface
area and normalized difference vegetation index as indi⁃
cators of surface urban heat island effects in landsat im⁃
agery. Remote Sensing of Environment, 2007, 106:
375-386
[23] Asgarian A, Amiri BJ, Sakieh Y. Assessing the effect of
green cover spatial patterns on urban land surface tem⁃
perature using landscape metrics approach. Urban Eco⁃
systems, 2015, 18: 209-222
[24] Buyantuyev A, Wu J. Urban heat islands and landscape
heterogeneity: Linking spatiotemporal variations in sur⁃
face temperatures to land⁃cover and socioeconomic pat⁃
terns. Landscape Ecology, 2010, 25: 17-33
[25] Li S, Zhao Z, Miaomiao X, et al. Investigating spatial
non⁃stationary and scale⁃dependent relationships be⁃
tween urban surface temperature and environmental fac⁃
tors using geographically weighted regression. Environ⁃
mental Modelling & Software, 2010, 25: 1789-1800
[26] Fotheringham AS, Brunsdon C, Charlton M. Geographi⁃
cally Weighted Regression: The Analysis of Spatially
Varying Relationships. New York: John Wiley & Sons,
Ltd, 2003
[27] Qin W⁃Z (覃文忠). The Basic Theoretics and Applica⁃
tion Research on Geographically Weighted Regression.
PhD Thesis. Shanghai: Tongji University, 2007 ( in
Chinese)
[28] Huang JL, Huang YL, Pontius RG, et al. Geographical⁃
ly weighted regression to measure spatial variations in
correlations between water pollution versus land use in a
coastal watershed. Ocean & Coastal Management, 2015,
103: 14-24
[29] Cohen JP, Cromley RG, Banach KT. Are homes near
water bodies and wetlands worth more or less? An analy⁃
sis of housing prices in one connecticut town. Growth
and Change, 2015, 46: 114-132
[30] Yao Y⁃H (姚永慧), Zhang B⁃P (张百平). MODIS⁃
based estimation of air temperature and heating⁃up effect
of the Tibetan Plateau. Acta Geographica Sinica (地理
学报), 2013, 68(1): 95-107 (in Chinese)
[31] Li JX, Song CH, Cao L, et al. Impacts of landscape
structure on surface urban heat islands: A case study of
Shanghai, China. Remote Sensing of Environment,
2011, 115: 3249-3263
[32] Dong L⁃P (董良鹏), Jiang Z⁃H (江志红), Shen S⁃H
(沈素红). Urban heat island change and its relationship
with urbanization of urban agglomerations in Yang⁃
tze River Delta in past decade. Transactions of Atmos⁃
pheric Sciences (大气科学学报), 2014, 37(2): 146-
154 (in Chinese)
[33] The Center People’ s Government of People’ s Republic
of China (中华人民共和国中央人民政府). New⁃type
Urbanization [EB / OL]. (2014⁃03⁃16) [2015⁃12⁃25].
http: / / www.gov.cn / zhuanti / xxczh / ( in Chinese)
[34] Yao S⁃M (姚士谋), Chen Z⁃G (陈振光), Zhu Y⁃M
(朱英明). The Urban Agglomerations of China. Hefei:
University of Science and Technology of China Press,
2006 (in Chinese)
[35] Wang W (王 文), Zhang W (张 薇), Cai X⁃J (蔡
晓军). Variation of temperature and precipitation in
Beijing during latest 50 years. Journal of Arid Meteorolo⁃
gy (干旱气象),2009, 27(4): 350-353 (in Chinese)
[36] Wan ZM, Zhang YL, Zhang QC, et al. Validation of the
land⁃surface temperature products retrieved from terra
moderate resolution imaging spectroradiometer data. Re⁃
mote Sensing of Environment, 2002, 83: 163-180
[37] Wan ZM. New refinements and validation of the modis
land⁃surface temperature / emissivity products. Remote
Sensing of Environment, 2008, 112: 59-74
[38] Wan ZM. Modis Land Surface Temperature Products
Users’ Guide. Santa Barbara, CA: Institute for Compu⁃
tational Earth System Science, University of California,
2006
[39] Peng J, Xie P, Liu Y, et al. Urban thermal environment
dynamics and associated landscape pattern factors: A
case study in the Beijing metropolitan region. Remote
Sensing of Environment, 2016, 173: 145-155
[40] Fotheringham AS, Charlton ME, Brunsdon C. Geo⁃
graphically weighted regression: A natural evolution of
the expansion method for spatial data analysis. Environ⁃
ment and Planning A, 1998, 30: 1905-1927
53127期 王 佳等: 基于 GWR模型的土地覆盖与地表温度的关系———以京津唐城市群为例
[41] Brunsdon C, Fotheringham AS, Charlton ME. Geo⁃
graphically weighted regression: A method for exploring
spatial nonstationarity. Geographical Methodology &
Techniques, 1996, 28: 281-298
[42] Gong CF, Yu SX, Joesting H, et al. Determining socio⁃
economic drivers of urban forest fragmentation with his⁃
torical remote sensing images. Landscape and Urban
Planning, 2013, 117: 57-65
[43] Tian YH, Jim CY, Tao Y, et al. Landscape ecological
assessment of green space fragmentation in Hongkong.
Urban Forestry & Urban Greening, 2011, 10: 79-86
[44] Qian Y, Zhou W, Li W, et al. Understanding the dy⁃
namic of greenspace in the urbanized area of Beijing
based on high resolution satellite images. Urban Forestry
& Urban Greening, 2015, 14: 39-47
[45] Qian Y, Zhou W, Yu W, et al. Quantifying spatiotem⁃
poral pattern of urban greenspace: New insights from
high resolution data. Landscape Ecology, 2015, 30: 1-
9
[46] Philip E, Noor Azlin Y. Measurement of soil compaction
tolerance of Lagestromia speciosa (L.) Pers. using chlo⁃
rophyll fluorescence. Urban Forestry & Urban Greening,
2005, 3: 203-208
[47] Kammerbauer H, Selinger H, Römmelt R, et al. Toxic
components of motor vehicle emissions for the spruce Pi⁃
cea abies. Environmental Pollution, 1987, 48: 235-243
作者简介 王 佳,女,1990 年生,博士研究生.主要从事城
市景观格局及城市热环境研究.E⁃mail: jiawang_st@ rcees.ac.
cn
责任编辑 杨 弘
王佳, 钱雨果, 韩立建, 等. 基于 GWR模型的土地覆盖与地表温度的关系———以京津唐城市群为例. 应用生态学报, 2016,
27(7): 2128-2136
Wang J, Qian Y⁃G, Han L⁃J, et al. Relationship between land surface temperature and land cover types based on GWR model: A case
of Beijing⁃Tianjin⁃Tangshan urban agglomeration, China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(7): 2128-2136 (in Chinese)
6312 应 用 生 态 学 报 27卷