（地图学与地理信息系统专业论文）基于tmetm数据的厦门市城市热岛动态监测研究.pdf

? l ： ； - 1 箩 j 摘要 a b s t r a c t i ns t u d i e so fu r b a nh e a ti s l a n d s ，h o wt om o n i t o ra n dc a l c u l a t et h es u r f a c e t e m p e r a t u r ei st h em o s ti m p o r t a n tp a r t i nt h i sp a p e r , w i t ht h es u p p o r to fr sa n dg i s ，t h e c o a s t a lo p e nc i t y x i a m e n ，w a st a k e na sac a s es t u d y w es e l e c t e da n dp e r f o r m e df o u r d i f f e r e n ta l g o r i t h m si n v e r s i o nc a l c u l a t i o no nt h ee t m + i m a g e so fo c t o b e r1 4 ，2 0 0 1a n d t h et mi m a g e so fn o v e m b e r5 ，2 0 0 6t od e r i v es u r f a c et e m p e r a t u r e t h er e s u l t so f i n v e r s i o nw a sc o m p a r e dw i t ht h eb r i g h t n e s st e m p e r a t u r et os e l e c tt h em o s ts u i t a b l e a l g o r i t h mf o rt h es t u d ya r e a t h es i n g l e - w i n d o wa l g o r i t h mo fq 1 nz h i - h a ow a sp r o v e d t h eb e s to n e b a s e do nt h ei n v e r s e ds u r f a c et e m p e r a t u r ef r o mt h e s i n g l e w i n d o w a l g o r i t h m ，w eu t i l i z e dm e a n - s t a n d a r dd e v i a t i o nm e t h o dt od i v i d et h es t u d ya r e ai n t of o u r l a n ds u r f a c et e m p e r a t u r e ，r e s p e c t i v e l y , 4 , 5a n d6 ，a n dt h e nc o m p a r e da n da n a l y z e dt h e r e s u l t so ft h ec l a s s i f i c a t i o nt og e tam o s tr e a s o n a b l et e m p e r a t u r ec l a s s i c a t i o na n dt h u s i d e n t i f y t h eb o u n d r yo ft h eu r b a nh e a ti s l a n d f i n a l l y , w ee x a m i n e dt h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o no fu r b a nh e a ti s l a n dc h a r a c t e r i s t i c sa n ds p a t i a la n dt e m p o r a le v o l u t i o nl a w c o r r e s p o n d i n gm i t i g a t i o nm e a s u r e s w e r ea l s op r o p o s e di nt h ee n d k e y w o r d s ：r e m o t es e n s i n g ，l a n ds u r f a c et e m p e r a t u r e ，h e a ti s l a n de f f e c t , s p a t i o - t e m p o r a l d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i i i 皇i ； 中文文摘 中文文摘 城市是现代社会政治经济文化的核心，随着我国社会经济快速发展和城市化进 程的不断加快，近年来，城市人口急剧增长，同时城市规模迅速扩大，城市数量也 在不断增多。城市化趋势在我国还将会继续发展下去，而由城市化带来的一系列问 题则直接或间接地导致了城市化气候效应，其中最著名的也是最为明显的特征便是 城市热岛效应，是城市化对气候影响的最典型的表现。它是在不同区域气候背景下， 在人类活动特别是城市化因素影响下形成的一种特殊小气候，是生态环境失调引起 的一种城市中心气温比其郊区气温高的一种现象。而且传统的热岛效应理论认为这 种现象夜间比白天明显，无风天气比有风天气明显。传统的热岛效应理论指的是空 气温度，但空气温度的站点往往有限。热红外遥感的出现，使得大面积地表温度的 反演成为可能；尽管热红外遥感反演所得的地表温度并不能替代空气温度，但作为 相互作用的热力学温度来说，空气温度必会受到地物表面温度的影响，因此不可置 疑，热红外遥感的出现为热岛效应注入了新的研究活力。 本文研究以厦门市为例，在遥感( r s ) 和地理信息系统( g i s ) 技术的支持下， 通过对2 0 0 1 年1 0 月1 4 日和2 0 0 6 年1 1 月5 日两个时相的l a n d s a tt m e t m + 影 像进行相关温度反演参数的确定和地表温度的定量反演。在此基础上，对研究区不 同地表温度反演算法的结果进行比较；根据定量反演的结果对厦门市的城市热岛进 行界定，分析研究区城市热岛的空间特征及时空演变规律，最后为改善城市热岛效 应提出相应的措施。文章共分为四章，各章内容如下： 绪论 主要指出本文研究的背景与意义，通过查阅国内外相关文献资料，总结了城市 热岛研究的主要内容、方法和国内外城市热岛效应研究领域的进展。在此基础上， 提出本文拟采用的研究方法和技术路线，确定研究的目标和内容。 第一章研究区概况与数据预处理 介绍研究区的地理位置、地形、地貌、气候、陆地水文、植被、土壤等自然概 况和社会经济状况。对数据源进行了说明，包括遥感数据( t 脚m + ) 和其他辅助 数据等，阐述数据预处理的过程，重点介绍通过对l a n d s a tt m e t m + 遥感影像的 辐射校正、几何纠正、影像的裁剪、影像重采样获取研究区的影像数据。 v 福建师范大学硕士学位论文 第二章地表温度的反演 陆地表面温度在地气相互作用过程中扮演着十分重要的角色，是气温变化研究 的关键参数，地球上植被成长与产量、地面上的水分蒸发与循环、全球气候变暖与人 类生存环境的变化等无不与地表温度密切相关，因此定量精确反演地面温度的成果 将推动城市热岛研究的进展。本章通过分析四种地表温度反演方法，对不同算法反 演的地表温度进行比较，选取一种最适合研究区的温度反演算法。经比较，当影像 获取当时的大气参数可得时，使用单窗算法( m w ) 来反演地表温度，可以获得相 对较好的结果。 第三章研究区城市热岛的时空分析及其对策研究 本章在运用单窗算法反演地表温度的基础上，运用均值一标准差法对厦门市城市 热岛进行界定试验，通过试验得出，将研究区地表温度分为五级，实验表明热岛区 范围高、中、低温区分布比较合理，地物温度变异细节表现更显著。经过前面的试 验，利用2 0 0 1 年l a n d s a te t m + 和2 0 0 6 年l a n d s a tt m 的遥感图像反演地表温度数 据，按均值一标准差法分别将其划分为5 个等级，同时设定高温区和次高温区作为热 岛区，进而进行城市热岛的空间格局分析。经分析得出高温区主要分布在人口密集、 工商业发达的城区，次高温区分散在高温区外围的城乡接合部，水体和植被较好的 区域表现为低温和次低温。由于两景遥感数据时相的差异，本文采用城市热岛比例 指数法进行正规化处理，对归一化后的两景地表温度影像进行差值运算，从而得出 从2 0 0 1 年1 0 0 6 年间，温度上升的区域明显大于温度减小的区域；从变化内部来 看，温度升高的区域集中在各区的主城区，而温度降低的区域则集中在水体、内陆 植被覆盖较好的区域以及翔安区的马翔和新店镇。最后对厦门市的城市热岛效应的 改善提出了相应的一些措施。 第四章结论与展望 概括论文的主要结论，并指出今后需进一步讨论的问题。 v i 目录 目录 中文摘要。 a b s t r a c t 中文文摘。v 目录 绪论。 1 研究的背景和意义 2 国内外研究进展2 2 1 地表温度反演的研究进展 2 1 1 单窗算法( m o n o - w i n d o w ) 2 1 2 基于影像的反演算法( i b 算法) 2 1 3 劈窗算法( s p r i t - w i n d o w ) 2 1 4 多角度算法 2 3 - 3 - - 3 - 2 2 国内外城市热岛遥感研究进展4 2 2 1 城市热岛的遥感研究方法 2 2 2 城市热岛的影响因子综合关系研究 2 2 3 城市热岛的时空变化特征研究。 2 3 城市热岛的成因。 2 4 城市热岛研究存在的问题 2 5 城市热岛研究的发展趋势 6 - 7 2 5 1 遥感与气候模型结合 2 5 2 城市热岛机理及缓解对策的研究。- 1 0 - 2 5 3 多平台、多尺度、多角度遥感数据的综合应用1 0 3 研究方法与技术路线 3 1 主要研究方法 3 2 技术路线图二 。- 1 1 - - 1 2 一 第一章研究区概况与数据预处理1 3 1 研究区概况1 3 v i i 福建师范大学硕士学位论文 1 1 自然状况 1 2 社会经济发展状况 2 主要数据源 2 1 遥感数据 1 3 - 1 4 - 2 2 其他辅助数据 3 遥感数据预处理 3 1 辐射校正 3 2 几何校正 3 3 影像数据的提取。 - 1 6 - 一1 8 - 1 9 - - ：! ： 第二章研究区地表温度的反演2 3 1 地表温度反演概述 - 2 3 2 地表温度反演的4 种方法一2 3 2 1 辐射传输方程法( r t e ) 算法 2 2 基于影像( i b ) 算法 2 3 单窗( m w ) 算法2 4 2 4 普适性单通道( s c ) 算法 3 反演所需参数的估算 3 1 地表比辐射率 3 2 星上亮度温度 3 3 大气等效温度和大气透射率 4 不同算法的地表温度反演结果比较 第三章研究区城市热岛的时空分析及其对策研究 1 城市热岛的界定 2 城市热岛的时空格局分析 2 1 城市热岛的空间特征分析。 - 3 3 - 2 2 城市热岛的时序特征分析3 8 3 改善热岛效应的措施。 3 1 合理规划，建设生态城市 - 3 9 - 一3 9 3 2 提高植被覆盖率，加强城市绿化4 0 3 3 节能减排，控制人为热量的排放。 v i i i 目录 3 4 加快科学研究，制定科学对策4 1 3 5 完善法规体制，提高生态环境意识4 1 第四章结论与展望 1 主要结论 4 3 4 3 2 研究不足与展望4 5 参考文献4 7 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果 致谢 个人简历 i x - 5 3 - 5 5 - - 5 7 绪论 研究的背景和意义 绪论 城市是人类社会发展到了一定阶段的产物，是人类走向成熟和文明的标志，随 着我国社会经济快速发展和城市化进程的不断加快，近年来，城市人口呈急剧增长 的态势，同时城市的规模也迅速扩大，城市数量也在不断增多。城市化在我国还将 会继续发展下去，与此同时城市化因素及人类活动导致了城市化气候效应，城市热 岛是城市化气候效应的主要特征之一，是城市化发展对气候影响的最典型的表现。 城市热岛的形成一方面是在现代化大城市中，人们的日常生活所发出的热量； 另一方面，城市中建筑群密集，沥青和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更大 的函授比热容( 可吸收更多的热量) ，而反射率小，使得城市白天吸收储存太 阳能比郊区多，夜晚城市降温缓慢，所以城区气温仍比郊区气温高。城市热岛 可影响近地层温度层结，并达到一定高度。城市全天以不稳定层结为主，而乡 村夜晚多逆温。水平温差的存在使城市暖空气上升，到一定高度向四周辐散， 而附近乡村气流下沉，并沿地面向城市辐合，形成热岛环流，称为“乡村风 ， 这种流场在夜间尤为明显。城市热岛还在一定程度上影响城市空气湿度、云量 和降水。对植物的影响则表现为提早发芽和开花、推迟落叶和休眠。城市热岛 是以市中心为热岛中心，有一股较强的暖气流在此上升，而郊外上空为相对冷 的空气下沉，这样便形成了城郊环流，空气中的各种污染物在这种局地环流的 作用下，聚集在城市上空，如果没有很强的冷空气，城市空气污染将加重，人 类生存的环境被破坏，导致人类发生各种疾病，甚至造成死亡。 “城市热岛- u r b a nh e a ti s l a n d ( u h i ) ”概念最早可以追溯到1 8 世纪初叶， 1 8 0 1 1 8 4 1 年英国人l a k eh o w a r d 【l 】就3 0 多年对伦敦市天气观测结果得出伦敦中心 气温比郊区气温高的现象，从而间接提出“城市热岛”的概念，从此以后城市的热 环境问题一直倍受关注。传统的热岛效应理论指的是空气温度，即城区气温高、郊 区气温低，城市宛如“热岛。此后的1 0 0 多年，各国学者借用气象站或布设气站 站点对不同纬度、不同类型的大大小小的城市陆续做了大量的城、郊气温对比观测 也发现了类似的现象，但空气温度的站点往往有限。近年来热红外遥感的出现，使 福建师范大学硕士学位论文 得大面积地表温度的反演成为可能，尽管热红外遥感反演所得的地表温度并不能替 代空气温度，但作为相互作用的热力学温度来说，空气温度必会受到地物表面温度 的影响，因此不可置疑，热红外遥感为热岛效应的研究注入了新的活力。 城市热岛带来了新的城市公害，危害人们的健康，造成了额外的经济损失。世 界各国就城市热岛问题开展了大量的研究，并取得了丰硕的成果。美国航空航天局 ( n a s a ) 和环保署( e p a ) 19 9 7 年共同发起的“u r b a nh e a ti s l a n dp i l o tp r o j e c t 计划， 选择l o sa n g e l e s 、c h i c a g o 、s a l tl a k ec i t y 、s a c r a m e n t 、b a t o nr o u g e 等城市，利用 地面观测和遥感技术开展了针对夏季城市热岛的研究与治理工作【2 1 。加拿大也启动 了旨在缓解多伦多城市热岛效应的“c o o lt o r o n t op r o j e c t 计划【3 1 。西欧、日本等国 也在积极开展类似的研究工作，可见城市热岛效应已成为当前城市气候与环境研究 中，最为重要的研究内容之一。 城市热岛是一种城市公害，其独特的气候对环境生态系统和人类生产活动产生 重大影响。国内许多大中城市都作过这方面的研究，随着空间信息技术的发展应用 遥感技术研究热岛效应已成为环境科学的一个新的热点。 本论文是以厦门市为研究区进行基于遥感的热岛效应的应用研究。厦门属于我 国沿海开放城市，城市化和经济发展迅速，同时城市化发展带来的热岛范围也越来 越大。本文在多种算法反演地表温度的基础上，从多角度进行厦门市的城市热岛动 态监测研究，不仅是对地表温度反演及城市热岛研究的原有理论和方法的补充和发 展，同时也为相关研究提供新的研究思路，并且还可以为厦门市的城市环境监测评 价、城市规划、产业布局等提供科学依据，也可以为进一步缓解和控制城市热岛、 改善和建设良好可持续的城市环境提供实践和理论依据。 2 国内外研究进展 2 1 地表温度反演的研究进展 陆地表面温度在地气相互作用过程中扮演着十分重要的角色，是气温变化 研究的关键参数。随着遥感科学与技术的发展，各种传感器综合平台被用来研究热 岛效应，如何利用热红外遥感技术高精度的反演地表温度慢慢的变成了热红外遥感 研究的热点，国内外学者利用各种遥感数据做了大量研究，相继提出了多种地表温 绪论 度的反演算法，具体如下： 2 1 1 单窗算法( m o n o - w i n d o w ) 所谓单窗算法就是利用遥感数据的一个热红外波段，借助于大气廓线数据，根 据普朗克定律、辐射传输方程等进行推导，从而实现从热红外数据提取温度的方法， 目前这种算法主要适用于t m 和e t m + 数据。 目前经常使用到得单窗算法主要有三种：辐射传输方程法【4 1 、单窗算法【5 期和普 适性单通道算法【_ 丌。这三种算法的共同点就是在地表比辐射率已知的情况下利用单 一热红外波段反演地表温度，三种方法对大气廓线数据的依赖程度不同，所反演的 温度也主要受大气廓线数据实时性、准确性及地表比辐射率真实性等参数的影响。 2 1 2 基于影像的反演算法( i b 算法) 基于影像的反演算、法【s 】( i m a g 卜b a s e dm e t h o d ，以下简称i b 算法) 首先将t m e t m + 热红外波段的d n 值转换成为辐射值，然后将辐射值反演成地面亮温。遥感卫星在接 收地面热红外辐射过程中会受到了来自大气和地表等诸多因素的干扰，因此在利用 t m 6 e t m + 6 的灰度值进行地面真实温度反演时，理论上还必须进行比辐射率校正和 大气校正。i b 算法认为【8 】，当研究区范围较小时，在没有云的情况下，大气的影响 程度在空间上可以近似认为是一致的，从而对地面温度的空间分布的相对影响也较 小。因此，m 算法只进行比辐射率的校正，并没有进行大气校正。 2 1 3 劈窗算法( s p l i t - w i n d o w ) 劈窗算法【8 】是利用传感器在大气窗口的两个相邻热红外通道对大气水汽的差异 吸收实现大气纠正，进而通过辐射传输方程推得地表温度。目前，该算法主要应用 于a v h r r 、m o d i s 、a s t e r 等含有多个热红外波段的传感器数据，但在陆面温度 反演方面，由于陆面的复杂性导致的大气纠正的不确定性、地表比辐射率未知以及 地表肤温效应显著等因素制约了它在实际中的应用。另外，由于目前获取地面验证 数据的困难，尚不具备对各种劈窗算法的精度作出直接评判的条件。 福建师范大学硕士学位论文 2 1 4 多角度算法 多角度传感器【5 l 】分为单波段多角度和多波段多角度两种，单波段多角度是传感 器只有一个热红外波段，但可以通过传感器的摆动可以从不同角度获取地表的辐射 信息，该方法是利用同一物体在不同角度观测大气对地物辐射吸收作用的不同实现 对大气衰减的补偿；多波段多角度是指，除了具有单波段多角度特性外，传感器还 拥有多个波段或者能够利用不同传感器对同一目标的观测来模拟多波段多角度，该 算法是利用不同波段、不同角度对大气效应的不同反应，来消除大气的影像，反演 地表温度。 无论在理论还是技术上( 包括传感器技术) ，多角度算法仍处于不断探索阶段， 目前为止，利用多角度算法进行陆地表面温度反演的还较少。 2 2 国内外城市热岛遥感研究进展 近年来，由于气候变暖和城市化进程的快速发展，世界上许多的城市，尤其是 中低纬度一些经济发达的大城市出现了高强度的城市热岛效应，城市热岛导致城市 环境日益恶化，引起了社会各界的广泛重视。热红外遥感的出现，使得大面积地表 。温度的反演成为可能；尽管热红外遥感反演所得的地表温度并不能替代空气温度， 但作为相互作用的热力学温度来说，空气温度必会受到地物表面温度的影响，因此 毫无疑问，热红外遥感的出现为热岛效应的研究注入了新的活力。 2 2 1 城市热岛的遥感研究方法 城市热岛的遥感研究主要是通过对城市下垫面的热红外遥感来进行。早期主要 是利用美国气象卫星n o a a a v h r r ( 空间分辨率为1 1k r n ) 的热红外波段( c h 4 和 c h 5 ) 。近几年，为了提高a v h r r 资料的陆面亮温反演精度，也提出了一些反演算 法，如双通道亮温反演方法、单窗算法和劈窗算法等。此外，范天锡【9 】等人还用 a v h r r 资料和无线电探空仪资料经反演技术将亮温换算成地温，其中用到了“临边 变暗”和“大气削弱”订正技术。 由于n o a a a v h r r 数据的地面空间分辨率较低，因此利用n o a a a v h r r 数据只能用来从宏观水平观测城市热岛现象和进行制图，无法对城市内部微观的热 绪论 环境进行有效的观测。美 l a n d s a t 卫星t m 及e t m + 数据的热红外波段具有较高的空 间分辨率( 1 2 0 m 及6 0m ) ，能更好地用于城市热岛研究。c a - m a h a n 和l a r s o n 应用l a n d s a t 卫星的t m 传感器的热红外波段数据对美国城市印第安纳波利斯的区域地表温度特 征作了研究，通过与乡村地表温度的对比发现，在某一时期城市区域表现出更低的 地表辐射温度【l o 】。n i c h o l 已经成功地利用t m 数据的t m 6 波段对新加坡的一些住宅区 进行了地表亮温反演，并在1 9 9 8 年又结合v i s c 软件和g i s 对新加坡的住宅区进行了 三维空间( 包含建筑物的垂直面) 的亮温反演，获得了亮温的三维分布情况【l l 】。城市 热岛效应的研究在我国也已经取得了许多成果。对城市气候研究起步于2 0 世纪8 0 年 代初，主要在上海、北京、武汉等大中城市开展研究，并取得了不少研究成果。如 赵云升【1 2 】等利用l a n d s a t 像，采用t m 6 图像增强和密度分割的方法获得了长春 市地面热场等级图，获得模拟图像；方圣辉和刘俊怡【1 3 】贝l j 结合2 0 0 0 年9 月2 1 目的 l a n d s a t7e t m + 数据和1 9 9 7 年9 月2 1 日的l a n d s a t5 数据，利用l a n d s a t 图像 对武汉市城市进行热岛效应分析，得出武汉市城市热岛效应不断增强的结果；以周 淑贞【1 4 】教授为代表，对上海的城市气候进行了较深入细致的研究，具有较大影响。 但是研究内容多限于对城市内外近地面气象要素的比较分析。还有周红妹【1 5 】等以气 象卫星n o a a 为主要信息源，以t m 数据、土地利用专题图和气象观测资料为辅助信 息，利片g i s 的空间分析技术，对上海市热力分布特征和变化规律进行动态监测和综 合分析，同时还对地面亮温和气温的相关模式进行研究和建模，取得了较好的应用 效果。 2 2 2 城市热岛的影响因子综合关系研究 在国外，可以认为城市热岛效应的研究己有近1 5 0 多年历史，各国学者围绕风速、 云量、天气背景、城市规模等影响城市热岛的因子做了大量的研究，还对城市热岛 的垂直结构进行了观测研究。城市热岛效应是城乡下垫面变化、人为热、大气污染 变化及与地表温度相关的各因子综合影响的反映，研究各影响因子与热岛的关系更 能深入了解热岛的形成机制、演变规律，从而为更好的控制和缓解热岛效应提供理 论依据。 随着遥感理论的发展，许多学者通过遥感数据获取到与热岛可能相关的影响因 子，对城市热岛进行全面的深入研究。例如p e t e r s o n 1 6 】等研究了全球农村气温变化趋 福建师范大学硕士学位论文 势，以区别城市热岛效应对全球增温的影响，h u g h e s 【1 7 】等研究了城市对南非气温变 化趋势的影响，j o n e s 1 8 】等评估了城市化对大陆气温序列的影响，w e i l 9 1 9 】等根据城 郊温度历史性的差异，分析了城市发展对城市热岛效应的影响，认为城市下垫面的 扩张对城市热岛强度和地表温度变化具有巨大的影响。以d u c k w o r t hf s 2 0 l 等的城市 上空出现郊外气温高于城区的“交叉效应”( c r o s s - - - o v e r e f f e c t ) 为代表，也开展了大 量关于“交叉效应”的研究。另外在亚洲，l e e 2 l 】于1 9 9 2 年运用遥测技术在韩国主要 都会区汉城( 现首尔) 及其邻近卫星城市的都市进行了城市热岛研究。日本学者 f u k u o k a 2 2 】于1 9 8 3 年针对日本都市人口与热岛强度进行了相关分析。 2 2 3 城市热岛的时空变化特征研究 ( 1 ) 城市热岛强度随时间变化的特征 城市热岛强度是指城市中心区温度与郊区的温度差值，它用来表征由于城市结 构所造成的城市区域温度高于郊区的程度。热岛强度随时问主要表现出两种周期性 的变化，即日变化和年变化。在晴朗无风的天气下，日变化表现为夜晚强，白昼午 间弱；年变化表现为秋冬季强，夏季弱。城市热岛强度不但有周期性变化，而且还 有明显的非周期性变化。引起热岛强度非周期性变化的原因主要与当时的风速、云 量、天气形势和低空气温直减率有关，主要表现为风速越大，云量越多，天气形势 越不稳定，低空气温直减率越大，热岛强度就越小，甚至不存在热岛，反之热岛强 度就越大。 张兆明【2 3 】等人利用1 9 8 7 年9 月2 6 日，1 9 9 4 年8 月2 8 日和2 0 0 1 年8 月3 1 日3 ；朗t m 图像 对北京市的热岛状况进行了研究，发现从1 9 8 7 年至u 1 9 9 4 年和从1 9 9 4 年到2 0 0 1 年，北 京的热岛比例一直在增加，但第二阶段与第一阶段比，增加速度有所减缓。而徐涵 秋【2 4 】等根据厦门地区1 9 8 9 年和2 0 0 0 年两期不同季节的t m 图像，通过引入“城市热岛 比率指数u r i ，研究了厦门地区1 1 年间的热岛强度变化。结果表明，厦门地区城市 面积虽有所扩大，但热岛强度却有所降低。 ( 2 ) 城市热岛强度随空间变化的特征 城市热岛的水平分布表现在热岛出现在人口密集，建筑物密度大，工商业最集 中的地区，而郊区则有较好的植被覆盖，或者农田密布，热岛强度小。如w c n gq t 2 5 】 运用r s 与g i s 手段对珠江三角洲区域城市群进行城市热岛效应研究时发现，不同规 绪论 模、不同土地利用土地覆盖的城市其热岛效应的差异有所不同，不同的城市，由于 所处的气候条件、地理条件不一，观测的时间不同，方法有别，所得的结果也有差 异。特别是在热岛强度方面，如温差，从1 以下n l o c 都有。杨英宝【2 6 】等人利用高 空间分辨率的l a n d s a tt m 和高时间分辨率的m o d i s 相结合定量地分析了南京市热岛 效应的时空特征，并探讨了遥感尺度对城市热岛效应时空特征的影响。此外，热岛 的空间分布还会因高度的不同而有所差别。表现在白天城郊差别不明显；夜晚城郊 热岛强度差别大，并且这种强度的差别随高度的升高而下降，到一定的高度还会出 现“交叉 现象。 2 3 城市热岛的成因 ( 1 ) 城市下垫面性质改变 城市下垫面( 地面、屋顶面等) 多为水泥、柏油路面、混泥土等硬质铺砌，所占 的面积约在7 0 到8 0 以上，绿地和水面相对较少；而郊区则农田密布：地表植物 相对均一，城乡下垫面性质的差异十分明显。城市下垫面颜色较深，对太阳辐射的 反射率比郊区绿地小( 即吸收率比郊区绿地大) ，加上其热容量和导热率也要比郊区 绿地大，所以在相同的太阳辐射条件下，城市下垫面能吸收更多的热量【2 7 j 。城市下 垫面性质改变导致下垫面物理和生物学特性改变，对城市、地区甚至是全球范围内 的气候有十分显著的影响。 ( 2 ) 人为热和大气污染 城市人为热也就是人类活动产生的废热，主要来自机动车辆、工厂车间、空调 运转、居民烹饪及建筑物向外散发的热量等，对城市热岛的形成起十分重要的作用 【2 8 1 。人为热排放对城市“热岛”的影响具有双重作用：一方面，直接增加了城市的 热量，特别是在夏季和冬季；另一方面，城市人为热排放的同时，也大量排放煤灰、 粉尘及各种污染气体，其中较多的是c 0 2 、n 2 0 、h 2 0 、c i - h 、c f c 等温室气体，形成 覆盖在城市上空的“尘罩”与“气罩”，加重了城市热岛的强度。据报道，1 9 8 4 年 上海城区每平方公里上空所获得的人为热相当于郊区的3 2 倍强，如果再加上空调排 热等其它的人为热，市区与郊区人为热的差异更大【2 9 1 。与人为热排放的同时，还有 大量污染气体排放至空气中，其中c 0 2 废气能强烈吸收地面长波辐射，并能增加大 气对地面的长波逆辐射，加剧城市热岛强度。 福建师范大学硕士学位论文 ( 3 ) 城市规模、形状和所处的地理位置 由于城市建成率( b u i l r a t i o ) 、几何形状与热岛强度存在明显的相关关系， 如果街道走向设计或几何形状不合理，则密不通风，风速小热量不易散发，温室气 体也难于迅速扩散，导致局部气温过高。城市人口越多，规模越大，热岛效应越明 显。 城市地理位置也是引起城市热岛的主要因梨3 0 1 。如广州市地处低纬度，高温、 多雨、湿度大；风向以北和北东及东和东南方向为主，具有通风不良和静风频率高、 近地层的逆温频率高、热岛效应强等特点，而重庆市周围高山环绕，长江与嘉陵江 交汇于市中心，冬季云多，阴雨天多，太阳直接辐射大为减弱，因而热岛强度没有 那么大。 ( 4 ) 其他因素 除了城市本身的内部原因以外，还需要外部的气象条件配合，如气压场必须稳 定，气压梯度小，静风或微风；天气晴朗少云或无云，大气层结构稳定，无自动对 流上升运动等。我国大部分地区夏季受副热带高气压控制，以下沉气流为主，多静 风天气，近地面热量不易散发，进一步加剧了城市热岛效应。 ， 总之，热岛的形成除区域气候条件外，主要与城市化程度、人口密度、下垫面 性质改变以及大气中污染物浓度增加有密切关系，并且这些影响因子以一种极其复 杂的方式相互作用于城市气候。 2 4 城市热岛研究存在的问题 通过遥感数据获取的是地表城市热岛( s u h i ) ，即城市和乡村之间的地表温度差 值，而不是通常意义上的城市热岛h i 卜城乡之间的气温差值。目前，有不少研 究者往往都是直接使用地表亮温或是通过经验性的线性或非线性关系将地表温度转 换为大气温度，从而表示城市热岛【3 1 】。这在晴朗、无风及无局部环流的情况下，误 差较小。然而，城市中由于其特殊的下垫面，具有较大的地表粗糙度，不同下垫面 热性质的迥异，很容易形成局地环流和局地平流，而且城市中由于高大建筑物的存 在，形成了很多阴影，这些都对气温产生着影响。而由于受到传感器分辨率的限制， 使得遥感手段获取城市区域热红外图像基本都是混合像元，这也对地温和气温转换 产生了不利的影响。所有这些都使得气温和地温之间的关系更加复杂，因而要建立 绪论 地气温度合适的关系转换，必须建立完善、地气界面过程模型【3 2 1 。因此， 如何反演城区地表真实温度及其与气温的关系将是一个重要研究方向，也是本文探 讨的一个问题。 传统研究方法多停留在从宏观大尺度范围内分析城区和郊区的热岛关系，而从 微观小尺度上分析城区内地表热场分布和下垫面类型、城区各部分具体分布关系的 研究较少。 城市热岛效应形成机制是城市热岛效应研究的重点和难点，尤其人类活动对城 市热岛效应形成的影响一直备受关注。从事气候学的研究者更多从地表能量平衡、 气候模型、统计学模型( 如人工神经网络、灰色模型、相关分析等) 来解释城市热岛 形成、时空变化与植被覆盖度、土地利用覆被变化、人口密度、容积率等因素的定 量关系【3 3 1 ，取得了一定的研究成果，但统计学模型难以从机理上分析热岛效应形成 与变化的驱动机制，以热力学和动力学为理论基础的气候模型是进行城市热岛效应 时空特征及其地表能量平衡研究的机理模型，该模型中的很多参数依据野外调查、 观测估算，传统的观测基本上是点尺度上的，然后进行插值，得到区域参数，这对 研究大区域城市热岛的平面布局、内部结构特征及其机制存在很大困难【3 4 3 5 1 。遥感 可实时、动态地获得地表参数特征，如土地利用覆被类型、地表反照率、地表湿度， 有利于改善边界层气候模型。但遥感数据和城市气候模型目前还不能很好地结合， 主要难题是遥感观测到的地表和模型中要求的概念性地表不同。 2 5 城市热岛研究的发展趋势 2 5 1 遥感与气候模型结合 热红外遥感和气候学的交叉融合为城市热岛的观测和机制研究提供了一种新的 方法，也是城市热岛研究的发展趋势。如“三角形”法是把遥感数据与城市气候模 型紧密结合的一种方法，通过“三角形 法获得的地表湿度参数可作为城市气候模 型的输入参数，也是研究城市地区可感热流和潜热流比率的重要参考指标，有很好 的应用前景。s v a t ( s o i l v e g e t a t i o n a t m o s p h e r et r a n s f e r ) 模型【3 6 ，3 7 】获得的土壤湿度和 由遥感获得的地表温度、n d v i ( f r a c t a ln d v i ) 相结合，利用地表温度和n d v i 之间的 关系提取表层土壤含水量和瞬时的可感热、潜热。该方法可用于多种空间尺度，预 福建师范大学硕士学位论文 测由于城市化导致的城市l u c c 对局部气候的影响，克服了传统分类方法只是描述 土地利用情况的不足，能为气候模型提供地表和大气互相交换的机理参数，定量分 析由于城市化导致的城市土地覆被变化对局部气候的影响。 2 5 2 城市热岛机理及缓解对策的研究 城市热岛的形成、发展及其空间分布受到多种因素的影响。城市热岛的机制研 究的目的就在于通过分析城市热岛变化背后的各种驱动力，最终揭示城市热岛的形 成、发展变化的驱动机制。目前许多学者对下垫面、土地利用类型( l u c c ) 、植被覆 被( n d v i ) 、绿地景观、不透水面( i s a ) 等影响因子有了一定的研究，也提出了诸如城 市绿化、屋面种植植物、新型城市规划等具体措施【3 8 】。但对于其他的一些因素、因 素间的关系、城市热岛与多因素间的关系，以及相应的措施有待于进一步的研究。 2 5 3 多平台、多尺度、多角度遥感数据的综合应用 高分辨率卫星遥感影像的出现使得在较小的空间尺度上观察地表的细节特征、 进行大比例尺制图以及监测人为活动对环境的影响成为可能，具有广阔的应用前景。 但对于空间分辨率较高的i k o n o s 、q u i c k b i r d 、s p o t 等遥感影像，光谱分辨率低， 没有热红外波段；而对于高光谱的遥感数据，如m o d i s ，其空间分辨率低，无法详 细获得城市地物的热特征。另外，由于城市地物复杂的几何特征以及热特征各向异 性的存在，要得到地物真实的温度，还需要多角度的遥感，才能获得城市地物真实 的三维温度。因此要结合多尺度、多平台遥感综合研究【3 9 , 4 0 , 4 1 4 2 】城市热岛效应。新一 代卫星a s t e r 空间分辨率较高，有多个热红外波段且能从多个角度观测，可以反映 城市下垫面的温度分布细节特征，将在城市热岛效应监测中得到广泛应用。 本研究从时间和空间上对热岛效应进行特征分析和驱动因子分析，其结果将可 为相关部门提供城市发展和规划等参考依据。 绪论 3 研究方法与技术路线 3 1 主要研究方法 ( 1 ) 综合比较国内外地表比辐射率的计算模型，根据研究区的特点确定相关参数， 计算研究区的地表比辐射。 ( 2 ) 比较国内外多种地表温度反演算法，对各种算法的适用条件，各种算法所需要 的参数进行评价，选取适合研究区地表温度的反演算法进行研究区地表温度反演。 ( 3 ) 在确定了反演算法对研究区进行地表温度反演的基础上，选取了2 0 0 1 年和2 0 0 6 年两个时相的l a n d s a tt m e t m + 遥感影像进行地表温度的反演，根据反演结果 利用均值一标准差法将研究区地表温度分别分成5 级，对研究区的城市热岛进行界 定，并结合g i s 的空间分析功能分析研究区的地表温度空间格局特征及时空演变规 律，分析研究区热岛范围和热岛强度的大小及演变规律，最后对研究区的城市热岛 的改善提出相应的措施。 福建师范大学硕士学位论文 3 2 技术路线图 图l 技术路线图 f i g 1f l o wc l l 甜 t 第一章研究区概况与数据处理 第一章研究区概况与数据预处理 1 研究区概况 1 1 自然状况 厦门市位于东经1 1 8 0 0 4 0 4 ”、北纬2 4 0 2 6 4 6 ”，地处我国东南沿海一福建省东 南部、九龙江入海处，背靠漳州、泉州平原，濒临台湾海峡，面对金门诸岛，与台 湾宝岛和澎湖列岛隔海相望。远古时为白鹭栖息之地而称“鹭岛刀厦门由厦门岛、 鼓浪屿、内陆九龙江北岸的沿海部分地区以及同安等组成，陆地面积1 5 6 5 0 9 平方 公里，海域面积3 0 0 多平方公里，是一个国际性海港风景城市。 图1 - 1 ：研究区范围 f i g 1 - 1s t u d ya r e as c o p e 福建师范大学硕士学位论文 厦门的主体厦门岛南北长1 3 7 公里，东西宽1 2 5 公里，面积约1 2 8 1 4 平方 公里，是福建省第四大岛屿。厦门港是一个条件优越的海峡性天然良港，其海岸线 蜿蜒曲折，全长2 3 4 公里，港区外岛屿星罗棋布，港区内群山四周环抱，港阔水深， 终年不冻，是条件优越的海峡性天然良港，历史上就是我国东南沿海对外贸易的重 要口岸。 厦门属亚热带气候，温和多雨，年平均气温在2 1 c 左右，夏无酷暑，冬无严寒。 年平均降雨量在1 2 0 0 毫米左右，每年5 至8 月份雨量最多，风力一般3 至4 级，常 向主导风力为东北风。 厦门属亚热带海洋性季风气候。温暖湿润，光热条件优越，雨量充沛，冬无严 寒，夏无酷暑。四季季相变化颇有规律：春季季风由东北转偏南，由冷转暖，雨水 增多；夏季有海风和雷雨的调剂，给热天带来凉意，时有台风；秋季少雨多晴；冬 季有东北季风，冷而不寒。厦门年平均温度为2 1 2 。年平均最高温度为2 4 5 ， 年平均最低温度为1 8 7 ，年极端最高温度3 8 4 。c ，年极端最低温度2 。最冷月 平均温度在1 3 以上，全年无霜。海水表层年最低温度为1 0 ，最高为3 1 5 ，年 平均温度为2 0 7 _ - 2 1 6 c 。厦门的海陆风极为明显，往往半夜起至中午吹西至西北 风( 一般1 至2 级，最大4 级) ，午后起至半夜前吹南至东南风( 一般3 - 4 级，最 大6 级) 。夏季风一般为东南至西南风，从六月份开始，七月份盛行，八月份次之。 平均只有2 - - 3 级。九月份下旬开始至来年的四月上旬为冬季风。风速以十一月份最 大，一般为东北至东北东风。由于太平洋温差气流的关系，每年平均受4 至5 次台 风的影响，且多集中在7 至9 月份。海雾从十一月份至来年的六月份产生，以三月 份最多，月最多次数8 次，次之为6 次，卜1 0 月份为纯雾期，如有雾，能见度在1 公里以内，3 5 月能见度较差，7 l 1 0 月能见度最好，浓雾一般产生于午夜及早晨， 连续最长3 天，最短l 小时。雷暴5 _ - 8 月份最多，1 2 月至来年2 月为无雷期，雷 暴的产生常造成暴雨。 1 2 社会经济发展状况 厦门市是福建省的一个副省级城市，是全国5 个计划单列市之一，同时是全国 首批实行对外开放的五个经济特区之