深圳市蛇口半岛人工填海及其城市热岛效应分析

深圳市蛇口半岛人工填海及其城市热岛效应分析
陈婉;李林军;李宏永;邱国玉
【摘要】In order to meet the growing demand of land, artificial reclamation has become one of the main ways to expand space in coastal areas worldwide. As China's first special economic zone and reform pioneer, Shenzhen City has experienced 30 years' rapid economic and urban development. At the same time, a large number of artificial reclamation projects have been carried out to cover the land deficit. Urban Heat Island (UHI), indicating urban thermal environment, has been enhanced along with artificial reclamation processes, which may change urban thermal environment and micro-climate, aggravate air pollution, and affect residential living environment. However, the research about the impact of artificial reclamation on UHI has not been seen too much. This study is aimed to examine the expansion of artificial reclamation and its effect on UHI in Shekou peninsula of Shenzhen, China. TM and
ETM+images were analyzed, and the relationship between Land Surface Temperature (LST) and Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) was explored. Results showed as follows:①from 1999 to 2009, the reclamation area in this region increased by 16 km2, almost equivalent to 1/3 of the entire Shekou peninsula in 1999;②the heat island area inc reased significantly, i.e., the strong heat island area in 2009 increased by more than 5.5 times compared with that in 1999, and the medium heat island area in 2009 was more than 4 times of the latter; ③the expansion of the
heat island coincided with the increased artificial reclamation area, demonstrating that artificial reclamation significantly enhanced the Urban Heat Island;④the LST significantly negatively correlated with the NDVI (P<0.01).% 为满足日益增长的土地需求,人工填海已成为目前世界范围内沿海地区城市空间扩张的主要方式.深圳作为中国首批经济特区和改革开放先锋,在经历30多年经济高速发展和城市快速变迁后,已由过去的小渔村发展为现代化国际大都市,与此同时,也开展了大量人工填海工程.城市热岛效应,作为城市热环境评价的重要指标,随着人工填海的快速推进会愈发明显,从而会导致城市热环境和微气候改变,加剧大气污染,严重影响着城市人居生态环境.然而,针对人工填海对城市热岛效应影响的具体研究并不多见.基于TM及ETM+遥感数据,对深圳市蛇口半岛人工填海区域的城市扩张及其热岛效应进行了分析,并对该区域地表温度的变化与归一化植被指数(NDVI)的关系进行了探讨,以期为沿海地区城市热环境的研究和空间地理的合理规划提供参考.结果表明,①该区域1999年至2009年间人工填海面积增加近16 km2,相当于1999年整个蛇口半岛面积的1/3.②利用城市热岛效应表达模型对1999年、2009年蛇口半岛的热岛分布等级进行了分析.研究表明,2009年热岛区域较1999年显著扩张,绿岛面积显著减少,弱热岛、中等热岛、强热岛面积均有不同程度地增长.强热岛正向变化最显著,2009年的强热岛面积相较于1999年增加了5.5倍,中等热岛的扩张面积也超过了1999年的4倍.③热岛扩张区域与人工填海增加区域高度吻合,可见人工填海工程显著增强了城市的热岛效应.④蛇口半岛区域地表温度与植被指数NDVI呈现显著负相关(P<0.01).地表温度在蛇口半岛两侧的人工填海区形成高值区,在南山和赤湾山植被覆盖指数较高的区域形成低值区,而城市建筑群居中.
【期刊名称】《生态环境学报》
【年(卷),期】2013(000)001
【总页数】7页(P157-163)
【关键词】人工填海;城市热岛效应;地表温度;NDVI
【作者】陈婉;李林军;李宏永;邱国玉
【作者单位】北京大学深圳研究生院环境与能源学院，广东深圳 518055;北京大学深圳研究生院环境与能源学院，广东深圳 518055;北京大学深圳研究生院环境与能源学院，广东深圳 518055;北京大学深圳研究生院环境与能源学院，广东深圳 518055
【正文语种】中文
【中图分类】X16
为满足日益增长的土地需求，人工填海已成为目前世界范围内沿海地区所采取的城市空间扩张的主要方式[1-3]。

深圳作为中国首批经济特区和改革开放先锋，在经历 30多年经济高速发展和城市快速变迁后，已由过去的小渔村发展为现代国际化大都市，与此同时，为了满足快速城市化进程的土地需求，大量人工填海工程被开展。

深圳人工填海进程可分为1980年特区成立至20世纪80年代中期的起始阶段、20世纪80年代中期至90年代中期的稳速增长阶段、20世纪90年代中期至90年代末的高速增长阶段，以及 21世纪以来的理性增长四个阶段[4]。

人工填海这般大规模的土地改造项目会对近海生态环境、海岸线区域和城市环境产生巨大的影响[5-8]。

作为城市环境中不容忽视的一部分，城市热环境是城市空间环境在热力场中的综合表现，不同热环境格局对城市微气候、城市生态环境、人居环境等都
有着深远的影响[9]。

城市热岛（Urban Heat Island, UHI）作为城市热环境的评价指标之一，最早的描述来自于英国气象学家Luke Howard[10]19世纪10年代对伦敦气候的研究。

城
市热岛效应作为正式概念是由 Manley于1958年提出[11]。

所谓城市热岛[12]是指在气温上，城区气温高、郊区低，在温度空间分布上，城市犹如一个温暖的岛屿。

随着城市化进程的加快，中国的城市热岛现象亦日益明显[13-18]。

城市建设区域
的扩大会导致城市热岛范围的增加，城市扩张与热岛扩展的趋势具有空间上的一致性[19-20]。

作为城市扩张的特殊方式，人工填海工程也在一定程度上加剧了城市
热岛现象。

李禺等[21]通过对厦门港湾地区填海造地活动热岛效应的研究发现，2006年厦门市填海区域热岛强度较 1993年明显升高，人工填海工程对城市热岛
的形成起到了明显的促进作用。

近些年深圳蛇口地区开展了广泛的人工填海活动[1,6,22]，加之自身相对独立的半岛条件，蛇口半岛可作为研究人工填海对城市热
岛效应影响的理想区域。

综上所述，本研究拟从城市热环境的角度出发，在分析深圳市蛇口半岛人工填海区域扩张趋势的基础上，探讨该区域人工填海所带来的城市热岛效应的变化特征，并讨论其与归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)之
间的关系，以期为沿海地区城市热环境的研究和空间地理的合理规划提供参考。

1 研究区概况
深圳市位于广东省中南部沿海，下辖罗湖、福田、南山、盐田等6个区，呈狭长形。

区域内地形复杂，地势东南高、西北低，地貌类型多样，其中丘陵面积最大，平原次之。

属南亚热带海洋性季风气候，终年温和暖湿、雨量充沛[23]。

蛇口半岛位于深圳市南山区最南端，与香港隔海相望，近几十年来，由于大规模的人工填海，该区域原有的地形地貌已经发生了极大的改变[1]。

图1黑色方框内所示区域为研
究区。

图1 研究区示意图Fig.1 Studied area
2 研究方法
2.1 数据来源
遥感数据来自于美国地质勘探局发布的TM及ETM+影像，区域为深圳市西南方位，轨道号为122/44。

Landsat-5卫星是美国于1984年3月1日发射的第二代试验型地球资源卫星；Landsat-7卫星于1999年4月15日发射，是Landsat计划中的最后一颗。

Landsat-5是TM数据来源，包括7个波段，空间分辨率为30 m，其中第6波段（热红外波段）空间分辨率为120 m；Landsat-7为ETM+数
据来源，包含8个波段，第6波段（热红外波段）空间分辨率为60 m。

从所能下载到的TM以及ETM+图像中，选取云层覆盖度较低、图像质量较高的遥感数据，又考虑季节前后的可比性因素，研究最终选定1999年11月15日、2009年11
月2日跨度为10年的两幅遥感影像为研究对象，通过对第6波段的反演处理得到研究区域的地表温度值，并通过对遥感影像的第3、第4波段的处理提取研究区域的归一化植被指数NDVI。

2.2 数据处理
2.2.1 地表温度反演
（1）地表亮温反演
从遥感影像计算地表亮温的过程主要是将影像的灰度值DN（Digital Number）
值转化为相应的辐射亮度，然后根据辐射亮度推求地表亮温。

对于TM 数据，将
图像灰度值转化为辐射亮度值采用式（1）：
式中，Lλ是某个波段光谱辐射亮度（单位：W·m-2·μm-1·sr-1）； ainG 和
iasB 是偏差参数（单位:W·m-2·μm-1·sr-1）。

对于Landsat-7的ETM+数据，因其产品元数据中无偏差参数，所以采用公式
（2）：
式中，Lλ：辐射亮度值；QCAL：某一像元的DN值；Q C AL m ax ：像元可取的最大值255；Q C AL m in：像元可取的最小值 1；L m axλ和L m inλ依据Landsat7手册中ETM+不同波段光谱辐射范围查找可得。

最终，将热辐射强度转换为像元亮度温度的公式为：
式中，K1和 K2为传感器发射前预设的常量：对于 Landsat-5的 TM 数据，
K1=607.76 W·m-2·μm-1·sr-1，K2=1260.56 K；对于 Landsat-7 的TM 数据，K1=666.09 W·m-2·μm-1·sr-1，K2=1282.71 K。

（2）地表温度反演
地表温度采用Artis算法[24]进行反演：
式中，T0为地表温度（单位：K）；λ为热红外波段的中心波长（值为
11.457μm）；A为Planck常数与光速之积，再除以 Boltzmann常数（约为1.439×104 μm·K）；0ε为基于植被覆盖度计算所得的地表比辐射率； sensorT 为亮度温度。

2.2.2 城市热岛效应表达模型
热岛强度是一个相对概念，它是指城区温度与郊区平均温度之间的差值。

采用地表温度直接对城市热岛效应进行描述，无法剔除多期遥感影像季节差异、卫星拍摄时刻差异等造成的温度影像差异，因此许多研究[13,21,25-26]采用综合平均地温与相对地温指标来对城市热岛进行描述。

在城市热岛效应表达模型中，为避免平均温度标准不同可能导致原有规律削弱、可比性不强的缺点，本研究将 1999年蛇口半岛区域地表的平均温度作为基准值，并通过式（5）计算1999年与2009年深圳
市蛇口半岛的城市热岛强度。

式中：()TΠ为各地区城市热岛强度；Ti为城市第i点的地表温度；Ta为研究区域1999年的平均地表温度。

2.2.3 归一化植被指数NDVI的提取
利用 6s大气校正模型对辐射定标后的 TM、ETM+反射率影像进行校正，得到第3、4波段的地表反射率，然后利用公式（6）求得NDVI。

式中，ρ3、ρ4分别为TM或ETM+影像的第3波段（可见光红色波段）、第4波段（近红外波段）由 DN值换算的反射率或经过大气校正得到的反射率。

3 结果与分析
3.1 蛇口半岛人工填海区域扩张
相对自然地质变化，人工填海工程往往能够在极短时间内完成对自然地形地貌的剧烈改造。

图 2来源于Google Earth全球卫星影像浏览软件关于深圳市蛇口半岛1979年、2000年、2004年及2009年的4年卫星影像。

图中能够直观反应出深圳蛇口半岛区域剧烈的地表变化过程，30年来的人工改造带给蛇口半岛惊人的变化，海岸线从陆地向海洋急速扩张，并大幅改变了蛇口半岛区域的原有形状。

图2 1979-2009年蛇口半岛人工填海区域变化Fig.2 Sea reclamation change of Shekou Peninsula from 1979 to 2009
通过在Google Earth软件中对1979年与2009年两幅卫星图像的分析可得，东西方向上，如图 2中红色截线所示横截线，蛇口半岛该处 1979年横截线长度约为2.6 km，而2009年的横截线长度已经达到8 km，其东西方向延伸已超过5 km。

南北方向上，2009年较之于1979年，最南端海岸向南延伸了超过2 km的距离。

30年间的人工填海工程近乎增加了原来蛇口半岛主体的两倍面积，且将最
初细长的蛇口半岛在东西南北各方向上都充分地进行扩展，极大地增加了该区域的土地面积。

通过反演自美国地质勘探局下载的1999年11月的ETM+数据以及2009年11月的TM数据，得到这两年边界情况如图3所示，图中白色区域边界为 1999年深圳蛇口半岛的边界，阴影部分为1999-2009年间人工填海增加的区域。

10年之间人工填海面积增加近16 km2，约占1999年整个蛇口半岛面积的1/3。

图3 基于遥感影像的蛇口半岛1999年、2009年边界变化Fig.3 Boundary change of Shekou Peninsula in 1999 and 2009 based on remote sensing images
3.2 蛇口半岛热岛等级分布特征
大规模的人工填海工程势必会给城市环境带来巨大的影响，本研究从热环境方面入手，探讨人工填海工程对整个蛇口半岛区域城市热岛效应的影响。

综合前人研究经验[21,25-26]以及深圳市实际情况，将深圳市城市热岛强度等级划分如表1中4类。

表1 城市热岛强度等级划分Table 1 Grades of the Urban Heat Island Intensity (UHII)热岛强度值热岛等级П(T)＜0 绿岛0≤П(T)＜0.1 弱热岛
0.1≤П(T)＜0.2 中等热岛0.2≤П(T)＜0.4 强热岛
图4 1999年深圳蛇口半岛热岛强度空间分布Fig.4 Spatial distribution of UHII in Shekou in 1999
图5 2009年深圳蛇口半岛热岛强度空间分布Fig.5 Spatial distribution of UHII in Shekou in 2009
本研究通过空间建模实现地表温度的反演计算。

图4、图5分别为1999年与2009年深圳市蛇口半岛热岛效应强度空间分布格局，其中黄色、橙色以及红色区域分别对应为弱热岛、中等热岛及强热岛的区域。

可以明显得出，2009年热岛区
域在1999年基础上有显著扩张，其中橙色的中等热岛区明显增加，红色的强热岛区也在 1999年原有基础上继续扩张，并伴有新的大面积强热岛区域形成。

同时，热岛强度的显著区域均分布在人工填海的对应区域，而且随着填海的进程逐渐加剧。

对非填海区而言，1999年与2009年均主要以大南山、小南山为绿岛中心，伴随
城市化程度加深，各等级热岛区域亦有不同程度扩张，但变化程度远不如填海区域剧烈。

不同下垫面能在不同程度上加剧或者缓解城市热岛效应。

填海之前蛇口半岛周围的海水可以通过水体蒸发，对城市热岛有一定程度上的缓解，图4中1999年半岛周边填海工程初期围起的区域甚至可以成为绿岛。

填海后人工构筑的陆地下垫面被工业材料充斥，完全不具备自然地貌土壤的调节功能，加之大量人为热源排放将绿岛变为热岛。

可见，作为沿海城市重要的土地扩张手段，人工填海对城市热岛效应的加剧起着促进作用。

图6 1999年、2009年蛇口半岛区域城市热岛强度分布比较Fig.6 Comparison
of UHII distribution between 1999 and 2009
对图4和图5中各热岛强度等级对应区域面积统计后比较，如图6所示，1999年到2009年间，蛇口半岛的绿岛面积显著减少，从 22.6 km2降到15.9 km2，与
此现象相对应的是各类热岛面积的迅速扩张。

弱热岛面积从1999年的19.0 km2
增加到2009年的26.0 km2。

中等强度热岛面积增加显著，从1999年的3.3
km2扩张到2009年的16.9 km2。

上升幅度最快的为强热岛，从1999年的0.3 km2，增长到2009年的2.1 km2。

绿岛的逐渐消失以及由弱到强热岛面积的逐级扩张也反映出热岛强度稳步上升的趋势。

10年来各类热岛强度变化幅度统计见表2。

可知，强热岛正向变化幅度最显著，
增加的强热岛面积为1999年的近5.6倍，中等热岛的扩张面积也达到1999年的近4.2倍。

结合图中对应中等热岛以及强热岛的显示区域，人工填海的区域与中等热岛以及强热岛集中分布的区域高度吻合，说明人工填海工程对城市热岛效应的加
剧起着明显的促进作用。

表2 1999-2009年间各类热岛等级变化幅度Table 2 Change of the UHII from 1999 to 2009热岛等级面积增加幅度绿岛 -29.7%弱热岛 37.2%中等热岛416.1%强热岛 558.5%
3.3 蛇口半岛NDVI与地表温度关系研究
通过空间建模实现归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)的反演。

1999年与2009年深圳市蛇口半岛区域NDVI的空间分布情况见图7、图8。

1999年深圳蛇口半岛的NDVI最高值为0.91，高于2009年的最高值0.82，高植被覆盖度逐渐缩小。

图中可明显看出代表植被覆盖的绿色区域在明显减少，代表低植被覆盖的橙色和红色区域明显的扩张。

结合图4、5和图7、8可知，NDVI与地表温度在空间变化上总体呈现反向的趋势。

植被覆盖指数较高的大、小南山为低温绿岛区，植被覆盖指数低的城市建筑群以及人工填海区往往出现不同等级的热岛。

另外，研究对2009年11月TM数据的NDVI与LST的空间分布图进行剖面提取分析，如图8上两条黑色直线标记所示，自上至下分别为剖面1、2。

从图9、10可以看出，两个剖面的NDVI与LST 有明显相反变化的趋势。

图9中地表温度在蛇口半岛两侧的人工填海区形成高值区，在植被覆盖指数较高的南山区形成低值区，与NDVI的变化趋势正好相反。

图10中NDVI在小南山以及赤湾山两处形成双峰高值区，在人工填海处形成低值区，地表温度变化趋势与之相反。

城市建筑群作为一个过渡地带，温度均高于山体植被覆盖区域，但总低于人工填海区域。

图7 1999年深圳蛇口半岛NDVI空间分布Fig.7 Spatial distribution of NDVI in Shekou in 1999
图8 2009年深圳蛇口半岛NDVI空间分布Fig.8 Spatial distribution of NDVI in Shekou in 2009
图9 NDVI与地表温度剖面对照1Fig.9 Comparison between NDVI and land surface temperature (LST) (Section 1)
利用 SPSS软件将两剖面的地表温度值与NDVI进行线性回归拟合，如图11、12所示，它们均呈现极显著的线性负相关规律（P<0.01），可见植被覆盖程度会显著影响城市的地表温度，植被指数越高，城市的地表温度越低，反之，城市的地表温度越高。

4 结论
本研究基于TM以及ETM+遥感数据，对深圳市蛇口半岛人工填海区域扩张及其城市热岛效应进行了分析，并对该区域的归一化植被指数与地表温度变化关系进行了探讨，结果表明：
1）人工填海改造工程带给蛇口半岛惊人的变化，2009年蛇口半岛的海岸线较1999年向外海扩展超过2 km，人工填海工程将最初细长的蛇口半岛在东西南北各方向上充分扩展。

1999-2009年的10年间人工填海面积增加近16 km2，约占1999年整个蛇口半岛面积的1/3。

2）利用城市热岛效应表达模型对 1999年、2009年蛇口半岛的热岛分布等级进行了分析。

研究表明，2009年热岛区域较1999年显著扩张，绿岛面积显著减少，弱热岛、中等热岛、强热岛面积均有不同程度增长。

强热岛正向变化幅度最显著，2009年增加的强热岛面积超过 1999年的 5.5倍，中等热岛的扩张面积也超过1999年的4倍。

3）扩张的显著区域与人工填海的对应区域高度吻合，可见人工填海对城市热岛效应的加剧起着明显的促进作用。

图10 NDVI与地表温度剖面对照2Fig.10 Comparison between NDVI and land surface temperature (Section 2)
图11 NDVI与地表温度线性拟合图（剖面1）Fig.11 The relationship between
NDVI and land surface temperature (Section1)
图12 NDVI与地表温度线性拟合图（剖面2）Fig.12 The relationship between NDVI and land surface temperature (Section2)
4）蛇口半岛区域地表温度与植被指数 NDVI呈现显著负相关（P<0.01）。

地表温度在蛇口半岛两侧的人工填海区形成高值区，在南山和赤湾山植被覆盖指数较高的区域形成低值区，而城市建筑群居中。

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