1 绪 论
1.1研究背景与意义
景观生态学是把景观格局及其随时间的变化与景观的功能和过程相接，并对这种空间关系如何作用于生态和环境系统功能，及其如何受人类活动影响进行研究。作为近年来国际上发展迅速的一门新兴交叉学科，景观生态学是当前资源、环境、生态方面研究的一个热点，国际上对景观生态学在农业发展中的应用研究也越来越重视，景观生态学与农村和农业发展的结合已经成为当今景观生态学研究的一个大的趋势。景观格局是指大小和形状不一的景观镶嵌体在景观空间上的排列，其变化会对人类生存的自然环境、社会制度、经济体制甚至文化思想构成影响。
景观格局对调节区域气候有着重要的作用，在一定尺度的气候背景下，景观格局和水热条件的相互作用十分明显。在微观层面人类活动对景观格局演变的主导性较为明显，所以可以通过调控景观空间格局演变的方向、幅度和程度来实现景观的定向演变和区域的可持续发展。因此，本文选取景观格局动态及其生态效应进行研究有重要的意义。近年来国内外学者对景观格局动态的起因、过程与效应的研究已有较多重视,但农业景观格局的热环境效应的案例研究一直鲜见报道。农业生态系统是对自然条件依赖程度很强的生态系统，其中热力景观格局与过程在很大程度上影响着当地的自然景观、耕作制度、粮食产量以及生物多样性等。陆地表面温度(1and surface temperature，LST)是地球资源环境动态分析的重要指标，是地表物理过程中的重要参数，它包含了丰富的地学信息，在许多领域有着重要的应用，特别在农业气象、气候和环境研究中，LST 是一个不可缺少的研究因子。
温度在农业生产中是一个重要的条件，是土地盐化、沙化与侵蚀及气候变化的指示器。借助地表温度研究农业景观格局的热环境效应对农业用地的规划和管理，农业景观格局的优化，区域景观异质性的调控，可持续发展能力的增强等都具有重要的学术和实践意义。黄河中下游地区主体在河南，即现代意义上的中原地区，人类开发历史悠久、流域特征典型，是正统中华文明的发源地。该区南北方向上由亚热带向暖温带过渡，东西方向上从山地经丘陵向平原延伸。在黄河的摆动、决堤以及人类活动等干扰因素的综合作用下形成的农业景观是该地区的主体景观类型。黄河中下游地区农业景观格局在人为活动的强烈干扰有重大的变化，近年来黄河中下游典型地区农业景观的格局和过程已得到较充分的关注和研究，但是其景观格局环境效应的定量化研究还较为薄弱。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 农业景观生态系统研究进展
国外对农业生态系统的研究工作开始于 20 世纪 20 年代，但是早期的研究比较关注作物与气候和土壤的关系研究，而对于农业生态系统的结构和功能特征研究甚少。60年代末期的全球性生态危机，促使生态工作者把农业资源、农业环境和社会作为一个整体进行研究，这也进一步开拓了农业生态系统的新研究领域。在我国，生态系统水平的研究开始于八十年代，但在农业生态系统的结构与功能、能流与能效以及合理调节农业生态系统的发展中生态与生产关系等方面已积累了较为丰富的研究资料与成果。当前农业面对的两大需求一个是生产的增加，一个是生态的改善，即在农业生态系统资源有限的条件下，生产出满足基本需要的农产品，且避免农业资源和环境进一步恶化、保障农业系统的稳定与维护支持系统良好状态等。这就对农业生态系统研究提出了更深入的要求，必须加深对农业生态系统的理解，加强对农业系统的规划与管理，处理好农业发展与资源环境的关系，寻求实现生态系统功能的最佳途径。
2 研究区概况及数据预处理
2.1 研究区概况
中牟县地处河南省中部偏北，省会郑州和古都开封之间，位于东经 113°46'～114°12'，北纬 34°26'～34°56'之间。本区处在豫西山区向豫东平原过渡地带，是黄河下游冲积扇南翼之首，县域中北部受黄河、贾鲁河冲积影响，南部受伏牛山余脉影响，地势西高东低，南北高中部低。中牟属于暖温带大陆性季风气候，春季干燥多风，夏季炎热多雨；秋季凉爽，冬季干寒。据中牟县气象记录统计，本区年平均气温为 14.2° C，降水量为616mm，无霜期 212 天，全年日照为 2366 小时，基本特点是光、热、水资源比较丰富，雨热同期，有利于多种植物生长。由于历代受黄河洪水泛滥切割以及常年西北风和东北风影响境内多风力堆积的沙丘，土壤类型以潮土、风沙土、褐土为主。
本区河湖众多，北临黄河引黄灌渠密布，中部有贾鲁河穿。中牟滩涂资源丰富，且为典型的黄河自然湿地，生物多样性特征突出，生态功能和环境气候优良。巩义市地处东经 112°49'～113°17' ，北纬 34°3l'～34°52'，位于河南省中西部地区，河南省会郑州和十三朝古都洛阳之间，南依嵩山，北临黄河。巩义南部和东部为山地，中部和北部为丘陵，伊洛河、黄河沿岸为冲积平原，总体地势南高北低。该市属典型的暖温带大陆性气候，四季分明，多年平均气温为 14.3° C，7 月最热，平均 27.3°C；1 月最冷，平均 0.2°C ；多年平均降雨量为 640.9mm，无霜期 220 天，全年的日照时间约2400 个小时。流经巩义的河流主要有黄河、伊洛河和米汜河。本区自然资源比较丰富，主要的矿产资源有黑色金属、燃料、有色金属和非金属等，此外的森林资源与能源也相当丰富。
3 研究区景观格局动态 ...............................25-33
3.1 景观分类系统的确立............................... 25-26
3.2 遥感图像分类方法 ...............................26-27
3.3 景观类型分类过程............................... 27-30
3.3.1 分类过程............................... 27-28
3.3.2 分类结果 ...............................28-30
3.4 水域景观格局指数的计算............................... 30-33
4 地表温度反演 ...............................33-45
4.1 地表温度反演的理论基础............................... 33-36
4.1.1 地表温度 ...............................33
4.1.2 Landsat 简介............................... 33-34
4.1.3 温度反演算法的选择 ...............................34-36
4.2 地表温度反演过程 ...............................36-43
4.3 地表温度反演的结果检验............................... 43-45
5 景观格局的热环境效应分析............................... 45-57
5.1 景观格局动态............................... 45-47
5.2 地表温度的响应分析 ...............................47-50
5.2.1 总体分析............................... 47-48
5.2.2 不同景观的地表温度分析............................... 48-50
5.3 地表温度与植被覆盖关系分析............................... 50-53
结论
本研究的创新之处在于：
（1）前人在地表温度方面的研究多集中在城市地区，而本文以黄河中下游典型地区的农业景观生态系统为研究对象，从景观类型、植被覆盖、景观格局指数方面分析农业地区景观格局与地表温度的关系，在研究领域和角度方面较以往的相关研究具有新颖满足精度要求又较简便。
（2）目前国内外农业景观生态系统的研究多数集中于区域农业景观格局及其组分的变化分析上，对农业景观格局动态和地表温度关系的研究所见不多。本文分析了研究区各景观类型与地表温度的关系，重点探讨水域景观格局的热环境效应，发现水域景观连接度与其降温效应明显相关，这一发现并未在前人的工作中见过，尤其是新发现以后可能会对开封宋都水系等类似的水域修复工程产生实践意义。但因本人水平和时间有限，研究中还存在一些不足之处，需要在以后的研究中进一步完善：
（1）由于资料的限制性，本研究仅选用了 Landsat TM/ETM 3 个年份的遥感数据。由于本人遥感分类实践经验不足，解译的精度可能会影响到最终的分析结果。今后，需要进一步探讨提高影像分类精度的有效方法，搜集更多影像资料或者分辨率更高的遥感数据。
（2）黄河流域河南段包括山地，丘陵，平原三阶梯的地形，但由于精力和资料的限制，本研究只选取了丘陵和平原两种代表区域。对下垫面更复杂的山地未开展地表温度与景观格局关系的探索研究，这一部分的内容应在以后研究工作中进一步作补充研究。
（3）研究区域实际包括城镇、自然、水体等，下垫面复杂。研究过程中只是对水体、和自然表面分别进行了比辐射率的估计，而没有再进一步细致考虑地表组分问题。这个有出于研究区实际情况和工作量的考虑，牺牲了少许的反演精度。