（环境科学专业论文）地表演变对城市热环境影响的定量研究.pdf

影响的定量研究。1 9 9 1 1 9 9 9 年，最小气温所在旬日平均积温里上升趋势，自然水 体演变为城市住宅区域上升1 5 3 1 ，农用地演变为农居点、工业用地、城市综合 用地区域分别上升1 5 9 0 1 2 、1 5 9 5 、1 6 。1 0 。c ；( 3 ) 实现土地利用覆盖变化对城市 地表温度的影响的定量研究。1 9 9 1 2 0 0 1 年，各区建设用地的地表温度峰值比例明 显增大，城市扩展区域地表平均温度上升7 8 2 c 。 关键词：城市热环境地表演变地表温度遥感定量反演模型r s 、g i s 综合技术 a b s t r a c t u r b a nh e a te n v i r o n m e n tr e s u l t sf r o mm a n y f a c t o r ss u c ha sl a n du s e l a n dc o v e rt y p e ， t h ea r t i f i c i a lh e a ts o u r c e sf r o me n e r g yc o n s u m i n g ，w e a t h e rc o n d i t i o ni n u r b m f i z e da r e a s a n dd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec i t ya n ds oo n m a n yc o a s t a lc i t i e s i nc h i n ah a v e l a u n c h e di n t o 矗ef a s td e v e l o p m e n ts t a g ei nr e c e n ty e a r s ，a n dt h en a t u r a ls u r f a c ei s c o n t i n u o u s l ys u b s t i t u t e db yu r b a na r t i f i c i a l s u r f a c e t h eh e a te f f e c ti nt h eu r b a nr e g i o n b e c o m e sm o r ee v i d e n t l y ，a n du r b a nh e a tw a v ei si n c r e a s i n g l yf r e q u e n t c o n s e q u e n t l y ，i t r e s u l t si nt h ei n c r e a s i n go fb o t ht h ed i s e a s er a t ea n dt h ed e a t hr a t ei nu r b a nd w e l l e r s i n o t h e rw o r d s t h ec o n t i n u o u sd e t e r i o r a t i o no fu r b a nh e a te n v i r o n m e n th a sb e c o m e o r eo f t h e i m p o r t a mf a c t o r s t h a ta f f e c tt h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t o fu r b a ns o c i e t ya n d e c o n o m y t h e r e f o r e ，i tw i l lb es i g n i f i c a n t f o rt h ei m p r o v e m e n to fh u m a nc o m f o r ta n dt h e k e e p i n g o f h u m a nh e a l t ht oa n a l y z eq u a n t i t a t i v e l yu r b a nh e me n v i r o n m e n t t h en o r m a lw a y so f m o n i t o r i n gu r b a n h e a te n v i r o m n e n t ，t h a ti s ，o ns i t em o n i t o r i n g a n ds p a t i a lm o d e l i n gu s i n gm a t h e m a t i cm e t h o d sh a v es o m ed e f i c i e n c yi nm a n ya s p e c t s s u c ha st h em o r ew o r k l o a d ，t h ew o r s ee f f i c i e n c y ，t h eh i g h e rc o s t ，t h ew e a k n e s so f a c c u r a c y a n ds oo n i nt h er e c e n t t w e n t yy e a r s ， r e m o t e s e n s i n g a n d g e o g r a p h y i n f o r m a t i o ns y s t e mt e c h n i q u ed e v e l o p e dr a p i d l ya n dw a sa p tt om e r g em u t u a l l y , s ot h e i r a d v a n t a g e w e r e i n t e g r a t e dt o g e t h e r i n m a n y f i e l d s t h ei n f o r m a t i o na b o u th e a t e n v i r o n m e n tw a so b t a i n e df r o mt h es a t e l l i t ed a t aa c c u r a t e l y , q u i c k l y , a n de c o n o m i c a l l y b yr st e c h n i q u e ，a n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sw a sc a r r i e do u tb y t h eo b t a i n e dd a t ao fh e a t e n v i r o n m e n ta n dg i s t e c h n i q u e t h e r e f o r e ，q u a n t i t a t i v es t u d yo f h e a te n v i r o n m e n tc a n b ec o m et a u eb yt h ei n t e g r a t e dt e c h n i q u eo fr sa n dg i se c o n o m i c a l l y , v i s u a l l ya n d e f f e c t i v e l y , t h ei n f l u e n c eo fl a n d t y p e c o v e rc h a n g e t ou r b a nh e a te n v i r o n m e n ti sr e s e a r c h e di n t h i sp a p e rb a s e do nm u l t i - s o u r c e ss p a t i a ld a t aa n dt h ei n t e g r a t e dt e c h n i q u eo f r sa n dg i s t h em a i nc o n t e n t si nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ：( 1 ) c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no nt h e q u a n t i t a t i v e r e s e a r c ho fh e a tu r b a ne n v i r o n m e n ta n dl a n d t y p e c o v e rc h a n g e a r e s u m m a r i z e da td o m e s t i ca n da b o a r d t h ea d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n dc h a r a c t e r i s t i co f u r b a nh e a te n v i r o n m e n ts t u d ya r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l yu s i n gn o r m a lt e c h n i q u ea n d t h e r m a li n f r a r e dr e m o t es e n s i n g t e c h n i q u e ，a n dt h ed i f f i c u l t i e so fq u a n t i t a t i v er e s e a r c ho f h e a tu r b a na n dt h er e l a t i v eq u e s t i o n sa r ea n a l y z e d ( 2 ) b a s e do nt h ep h y s i c a lt h e o r yo f t h et h e r m a li n f r a r e dr e m o t e s e n s i n g a n dt h em e c h a n i s mo nt h ei n f l u e n c eo ft h e a t m o s p h e r e t ou r b a nt h e r m a lr e m o t es e n s i n g ，as i m p l i f i e dm o d e lo f i n v e r s i n gt h es u r f a c e t e m p e r a t u r ef r o mt h e r m a lb a n d d a t aa r em o d i f i e da n de s t a b l i s h e d ( 3 ) d i f f e r e n tm e t h o d s o f b u i l d i n gs p a t i a ld a t a , t h a ti s ，a i rt e m p e r a t u r ea n d s u r f a c et e m p e r a t u r ed a t a ，a r eu s e di n t h ep a p e r l a n d t y p e c o v e rd a t aa r eo b t a i n e df r o m a e r i a lp i c t u r ea n dl a n d s a ts a t e l l i t ed a t a b yv e c t o r i z i n g a n d i m a g ei n t e r p r e t a t i o n ，a n d a i r t e m p e r a t u r e d a t ac o m ef r o mt h e r a s t e r i z i n gm o d e la n d o ns i t em e t e o r o l o g i c a ld a t a l a n ds u r f a c et e m p e r a t u r ed a t aa r eb u i l t u pu s i n g t h ei n v e r s i o nm o d e lo fr e m o t es e n s i n ga n dt h e r m a lb a n dd a t a ( 4 ) t h ei n f l u e n c e o fl a n du s e l a n dc o v e rc h a n g et oa i rt e m p e r a t u r ei ss t u d i e dq u a n t i t a t i v e l yu s i n gt h es p a t i a l a n a l y s i st e c h n i q u eo fg i sa n d1 k m 2e a c hp i x e lr a s t e r i z e dd a t ao b t a i n e df r o mr a s t e r m o d e la n do ns i t et e m p e r a t u r ed a t a ( 5 ) t h ev a r i a t i o no fs u r f a c et e m p e r a t u r ea n di t sm a i n m e c h a n i s mc a u s e db yl a n du s e l a n dc o v e rc h a n g ea r er e s e a r c h e dq u a n t i t a t i v e l y t h e i n c r e a s i n go fs u r f a c et e m p e r a t u r ei s r e l a t e dw i t hb o t hl a n du s e c o v e rt y p ea n dt h e d e c r e a s i n go f b i o m a s sc l o s e l y s o m ei n n o v a t i o n si nt h i sf i e l da r ea st h ef e l l o wa s p e c t si nt h ep a p e r ：( 1 ) a c c o r d i n g t ot h ei n f r a r e db a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h el a n d s a tt m e t m + a n dt h e a t m o s p h e r e i n f l u e n c et h e o r yo ft h e r m a li n f r a r e dr e m o t es e n s i n g ，t h ei n v e r s i o nm o d e li sm o d i f i e da n d e s t a b l i s h e d u s i n gt h ep a r a m e t e r st h e d nv a l u e ，a t m o s p h e r i ct r a n s m i s s i v i t y , s u r f a c e e m i s s i v i t y , a t m o s p h e r ea v e r a g et e m p e r a t u r e t h ef e a s i b i l i t yo f t h em o d e li st e s t e da n d v e r i f i e db yo ns i t ed a t a t h ee x a m i n e dr e s u l ts h o w st h a tt h ee r r o r so ft h em o d e li sb e l l o w 0 9 a te a c hm e a s u r e1 0 c a t i o na n dt h ea v e r a g ev a l u eo fe r r o r si sb e l l o w0 7 f 2 1t h e r e s u l to f q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so n t h ei n f l u e n c ed e g r e eo fl a n ds u r f a c ec h a n g et ou r b a na i r t e m p e r a t u r es h o w st h a t ，f r o m1 9 9 1t o1 9 9 9 ，t h et o t a lt e m p e r a t u r eo f t e nd a y si nw h i c h t h e r ei st h em i n i m u m a v e r a g et e m p e r a t u r eo f ay e a rr e s p e c t i v e l yi n c r e a s e sa b o u t1 5 3i 1 5 9 0 0 ，1 5 9 5 ca n d1 6 1 0 ( 2i nt h er e g i o n so f c h a n g i n gf r o mw a t e r b o d y t or e s i d e n t i a l l a n d ，f r o ma g r i c u l t u r el a n dt ot h ev i l l a g el a n d ，i n d u s t r i a ll a n da n dt h ei n t e g r a t e dl a n d ， f r o m ( 3 ) t h ei n f l u e n c ed e g r e eo fl a n ds u r f a c ec h a n g et ou r b a ns u r f a c et e m p e r a t u r ei s q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h eu r b a ne x p a n s i o nm a k e st h e p r o p o r t i o no ft h em a x i m u mv a l u eo fs u r f a c et e m p e r a t u r ei n t h es u b u r b a ni n c r e a s e o b v i o u s l yf r o m1 9 9 1 t o2 0 0 1 ，a tt h es a m et i m e ，t h e a v e r a g es u r f a c et e m p e r a t u r ei n o u t s p r e a dr e g i o n r i s e sa b o u t7 8 2 k e yw o r d s ：u r b a nh e a te n v i r o n m e n t ；l a n ds u r f a c ec h a n g e ；q u a n t i t a t i v ei n v e r s i o nm o d e l o f s u r f a c e t e m p e r a t u r e ；t h ei n t e g r a t e dt e c h n i q u eo f r sa n dg i s 第一章引言 近年来，由于全球气候变暖和快速发展的城市化进程，使得世界范围内的热浪 日益频繁，加剧了城市热效应。随着社会经济高速发展，我国许多城市，特别位于 东部沿海经济发达地区和中纬度地区的城市，出现了高强度的城市热岛效应，城市 热环境质量日趋恶化。 城市热环境日趋恶化对城市社会经济产生一系列的直接和间接负效应。直接负 效应主要表现为对城市人群的身心健康产生影响：容易引发中暑、肠胃疾病、高 血压、冠心病，甚至死- t 2 1 1 1 。长期居住在城市热岛中心的居民中，使妇女妊娠异常、 早产、流产，过期妊娠机会增加，使后代患先天性疾病的机率增加，对疾病的发生、 复发及老年人的死亡起着促进作用l z l 。影响人的思维活动和生活质量，降低了工 作、生产效率。据国外统计，如气温1 5 时工效为1 0 0 ，则2 5 时为9 2 5 ，3 5 时 为8 4 3 【2 】。间接负效应则表现在以下三方面：能耗增加。采取降温措施而耗费的 能量( 如空调、电扇等费用) ，导致能源短缺。城市酷热常常导致干旱、供水困难、 易发生火灾、雷暴天气增多，降水过于集中而汛期洪水泛滥。例如，1 9 8 8 年7 月上 海由于持续高温，半月之内发生2 4 起火灾，9 8 起火警【2 】。由于空气中的c 0 2 能 吸收和放射长波辐射，对大气有保暖作用，能加剧市区空气污染加重，容易产生光 化学烟雾，能见度下降，不利于车辆的安全行驶和居民健康 3 1 。可见，城市热环境 恶化给人们的身心健康和经济发展带来的损失不容低估。城市热效应已成为当前威 胁城市居民生活质量与生命健康的主要城市灾害之一【l 】：城市热环境的日益退化已 成为当前影响城市社会经济可持续的主要因素之一。 城市热环境恶化主要是城市下垫面结构特征、城市人为热、气候条件等三方面 因素综合作用的结果。城市下垫面结构特征的改变意昧着自然植被通常被不透气和 不透水的表面如沥青和水泥、金属所替代，最终使城市区域水体与植被的分布状况 发生改变，乡村区域透水、低温、高湿的自然地表( 非建设用地) 转变为不透水、 高温、低湿的城市地表( 建设用地) ，同时这种改变将不可避免导致城市太阳辐射 的改变，形成城乡之间表面辐射和气温之间的差异。城市化过程还促使许多城市以 平面发展为主向同时以平面扩展和立体发展存在的城市化方式转变，从而引发城市 更高的建筑容积率，使城市采集的热量不易扩散，更加加剧了城市热岛的强度；城 市化的另一结果是人口和产业从乡村区域的高度集聚，人为生产、生活的能量释放 不断增加，人为热在城市空间产生机理的主要表现在三方面：城市工矿企业的高耗 能、热泄露；城市人i ；3 越多，人体散发出来的热量也多；社会生活水平提高导致的 城市机动车数量的高速增长和城市居民家用电器如空调、冰箱等的普遍使用，大大 增加了生活性能耗，加速了城市空间人为生活能源的释放。 但是，长期以来，相对发达国家，我国城市规划、管理、环保技术和意识水平 的相对较低，城市热环境的日益恶化在各个层面并没有得到普遍的重视，而且由于 热环境影响因素复杂性以及技术要求较高等原因，导致定量研究城市热环境这一领 域也较为落后。因此，对于正处于社会经济高速发展，城市化水平不断提升的中国 城市来说，进行城市热环境的空间定量研究是一项非常紧迫的工作，也是中国城市 步入小康社会，促进城市社会经济可持续的客观要求。 1 城市热环境研究 温度是热科学的主要表征因子。热环境科学是研究自然地表热行为与人类生存 环境关系及相互作用的科学。城市地表温度和城市气温作为地表与大气相互作用过 程中的两个重要的物理学参量，它综合了城市地气相互作用过程中物质和能量交换 的结果。根据能量守恒定律，在任何时刻地表温度与空气温度之间都存在特定的数 量关系。城市地表温度和城市气温的时间变动性和空间变异性决定了城市热环境定 量方法的多样性。 到目前为止，测定这两个城市热环境表征参数的研究方法主要有地面观测、数 字空间模拟 4 1 和热红外遥感技术1 5 1 = - 种。地面观测是指多年以来气象工作者通常以 散布在城区和郊区有限的地方气象台、站和地面站点或者地面流动( 迂回) 观测资料 进行城市气温和城市地表温度的观测研究。数字空间模拟是在城市空间上应用大量 的地面实测数据或空间分辨率较低的气象卫星( 如n o a a a v h r r 等) 遥感数据作 为原始数据，采用合适的数学建模方法在一定的区域面积和空间高度范围内进行空 间数字模拟。热红外遥感技术是指在航空、航天遥感中利用热红外传感器对城市地 表温度进行大面积观测。 1 1 常规技术 本文将地面观测、数字空间模拟称为常规方法。地面观测方法是指以散布在城 区和郊区有限的地方气象台、站和地面站点、地面流动( 迂回) 观测温度数据，数字 空间模拟是指利用实测数据或其他空间数据为基础，应用数学空间模拟来进行城市 热环境因子的定量研究。国内外利用常规技术定量研究城市热环境，主要关注于城 市气温的时空变化规律的研究，即主要是进行了城市热岛的时空分布及变化规律方 面的研究。城市热岛现象是1 8 1 8 年霍华德在研究伦敦气候时最先提出，是指在城 市热环境表现出来一种特有的人工气候现象，即城乡之间存在温度差，在城市中心 区形成商温核心的现象。国外许多研究者认为几乎所有改变了的城市气候都表现为 更热的城市热气候，城市热环境是由于城市地表的人为改造引起的城市小气候变动 的整体反映【6 删。o k e 9 1 论述了城市热岛的不同类型，明确了城市热岛在地表和空气 中分布的差异和在城市天际层和城市边界层之间的差异。城市热岛的程度主要以城 市及其乡村之间的气象站温差来表示。城市热岛的空间分布虽然在天穹层表现出较 大的热变化，但从插值获得的等温图分析城市热岛的空间分布表明与土地利用和温 度分布存在高度相关性。例如公园地区相对较冷而城市中心温度最大川a 一些研究 提出了被称为“负相城市热岛”( n e g a t i v e u l q ) 或“城市热岛沉降”( u h i s i n k ) 的 现象，这种现象发生在城市之中，特别出现在白天的城市中心。w a n n e r 等【1 1 ”j 还发 现，在地表温度和空气温度两个层面都存在“负相城市热岛”。有些研究者u 4 1 ”还 对城市的天际轮廓形态特征、城市几何形态对地表和空气温度的影响进行了研究。 p e a s e 等嗍从地表和空气两个层面描述了城市地区复杂的热现象。o k e 等【1 9 l 研究表 明地表和和空气两个层面城市热岛的产生和时间动态存在不一致性，但是两者存在 较大的相关性。s t o t l 和b r a z a l t m 证实美国p h o e n i x ，a r i z o n a 地表辐射温度( 热辐射 计3 m 距离监测) 和空气温度( 地面1 5 m ) 存在较好的相关性。 自9 0 年代末开始，开始出现城市温度变化与城市能源消耗的关系研究【2 1 。”。 城市绿化与城市热岛之间的关系研究也开始重视【2 ”。 国内学者的常规研究，主要利用实测气象数据关注城市热环境的研究主要是集 中于城市热岛时间变化方面的研究较多，更关注于不同类型城市的研究。 周淑贞等【2 4 】研究表明，上海市热岛效应很明显，与远郊气温相比，高的可达5 。在日变化中，以日落后2 - 3 h 到夜间为强。白昼午间热岛最弱，以季节而论，秋 季最大，夏季最小，且以晟低温度表示的热岛强度要比平均温度表示的热岛强度明 显。研究认为上海城市发展，便当地气温增高的效应，使得上海城市与郊区间的气 温差值愈来愈大，特别是对年平均最低温度，城市增温作用更为明显。对天津市城 市热岛的研究表明阱】，历年市区比郊区平均高3 5 ，多次实验观测为3 5 ，最高 可达6 9 。热岛强度冬、秋季最强，夏季较弱，夜晚强，中午弱，低空各层高度 上热岛平均值为o 5 ，最强达2 3 c ，热岛顶高一般在5 0 0 m 以下，夏季最高可达 9 0 0 m ，白天城市上空的强度有时比地面还强，热岛存在的临界风速为5 m s 。 焦敦基等【2 6 】研究了上海区1 0 个城市气象站和城市边缘气象站1 9 8 3 1 9 8 7 年的 气温资料，表明上海市区的年平均温度和月平均温度有一个热岛中心。中心位于市 中心，且市区温度梯度较小，城市边缘的梯度较大。冬季时市区中心的温度梯度加 大，即冬季的热岛强度比夏季大。同一时段，热岛强度在各月中出现的频率也是不 同的。李子华研l 认为重庆城市热岛与湿岛相伴随，其垂直结构表现为城市上空为一 弯状暖湿空气所笼罩，所及高度约离江面2 0 0 3 0 0 m ，日变化规律是，日落形成，午 夜最强，日出减弱，午后消散。热岛强度一般以晴天大，阴天次之，雨日最小，低 空最大，平均最大值2 2 ，地面小，最强时平均1 左右。 上述这些研究表明，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，所碍的结果也有所差别。特别是热岛强度大小差异比较大， 从1 以下到i o 。c 都有。从时间上说，认为晚上的热岛强度大于白天，冬季大于夏 季的居多，这些都是可以从具体条件上加以分析的。 另外，也出现了城市绿化与城市气候关系的研究。如周红妹等口8 1 进行了上海市 城市热岛效应与绿地分布的关系监测和评估，肖胜等口朝研究厦门市热岛效应与植 被覆盖的关系，鲍淳松m 1 对杭州夏季城市热岛特点与绿化覆盖率的关系进行了研 究。 1 2 遥感技术 遥感( r e m o t es e n s i n g ，简称r s ) 技术，其过程包括遥感信息的接收、记录、传 输、处理和分析判释等。自6 0 年代以来，遥感技术已在国防建设、生产建设和自 然科学研究领域得到广泛应用。遥感技术正在以其特有的优势，力求融合其它高新 技术的优势来促使其应用研究的不断发展。在与g i s 技术叫、g p s 技术1 3 2 - 3 5 1 、专家 系统( e x p e r ts y s t e m ，简称e s ) 【3 扪、数据技术 3 9 1 、虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称 v r ) 技术【4 ”、因特n ( i n t e m e t ) 技术1 、空间分析( s p a t i a la n a l y s i s ，简称s a ) 技术1 4 2 1 、 与制图技术【4 3 1 的结合以及与其他学科的相互促进、相互融合过程中，遥感技术将渐 渐发展形成一门完整的学科即遥感信息学，遥感将会不断完善，从定性走向定量， 从一种技术发展成为包括遥感成像机理、遥感反演理论、遥感信息、大气传输理论、 遥感信息处理等多个领域的学科系统。 遥感技术已在作物估产评价h 4 4 5 】、灾害监测与灾情评估试验4 6 。”1 、城市空间要 素调查与规划瞄1 5 2 1 、土地评价瞪3 。绷、环境监测i s $ - 6 1 1 、海洋与农业生产力研究吲、地 质学等郾坷5 】、决策支持系统 6 6 - 6 刀等领域得到广泛的应用。 在城市热环境的遥感定量研究方面，近二十年来，国外学者主要利用卫星遥感 数据和技术对城市地表温度进行定量研究。r a o 6 8 1 首先提出应用卫星遥感的热波段 数据反演地表温度来辨别城市地域，并应用t i r o s 一1 fi m p r o v e dt i r o so p e r a t i o n a l s a t e l l i t e ) 卫星提取的热红外线( 1 0 2 1 2 5g m ) 数据观测了太平洋中部海岸城市的 地表温度类型。c a r l s o n l 6 9 1 应用v h r r ( v e r yh i g h r e s o l u t i o nr a d i o m e t e r ) 获取的目 间和夜间卫星遥感数据研究了硌杉机地区地表热波段( 1 0 5 一1 2 5u m ) 特征。结果表 明，与植被覆盖率较大的区域相比，城市的工业区和中心区在曰间和夜间之间地表 辐射温度变动较大。m a t s o n1 7 0 等也应用v h r r 夜间热数据( 1 0 5 1 2 5g m ) 研究 了美国中西和东北部城市及其乡村间地表辐射温度之间的差异。 k i d d e r 和w u 7 1 1 研究了s t 1 0 u i s 地区在冰雪覆盖及无雪条件下 a v h r r ( a d v a n c e dv e r yh i g hr e s o l u t i o nr a d i o m e t e r ) 可见波段( 0 5 8 0 6 8g m ) 、近 红外( o 7 2 1 1 r t m ) 和热波段( 3 6 3 9 及l o 3 1 1 3 儿m ) 数据特征。b r e s t 7 2 1 研究了可 见光( 0 5 - 0 6r t m ) 和近红p b ( o 8 一l t 0 肛m ) 的l a n d s a t t m1 ，2 ，3 数据特征，并且估算 - 4 了1 4 种城乡土地覆盖类型的反射率。b a i l i n g 和b r a z a i 口习应用a v h r r 热波段数 据( 1 0 3 1 1 f 3 衄1 ) 研究了美国p h o e n i x 城a z 区的地表辐射温度，研究发现地表温 度特征与城市土壤覆盖类型直接相关，地表温度在高度工业化区域比开矿区域高达 5 之多。c a r n a h a n 和l a r s o n 0 3 1 应用l a n d s a t t m 热波段数据( 1 0 4 1 2 5 肛m ) 研究 了i n d i a n a p o l i s ，i n d 城市区域地表温度特征，结果表明，与乡村地表温度相比，在 某一日期城市地域表现出更低的地表辐射温度。 c a s e l l e s 等【7 4 l 研究了西班牙v a l e n c i a 城的地表温度状况，发现通过卫星观测的 夜间地表温度空间分布模式与应用自动监测车观测获取的空气温度空间分布模式 具有相似性。将a v h r r 两个热波段数据( 1 0 3 一1 1 3 及1 1 5 - 1 2 5 “m ) 融合可以减 少数据的大气影响。并且，对数据根据主要不同地表特征发射率的差异进行了修正。 g a l l o 等f 5 l 应用卫星遥感数据评价了1 9 9 1 年6 月2 8 7 月4 日美国s e a t t l e 城w a 区 的植被指数、地表辐射温度和最小空气温度之间的关系。研究表明，该区域归一化 植被指数( n d v i ) 与地表辐射温度呈反比关系。城市区域主要表现为n d v i 的底 值和相对高的地表温度值，而乡村区域恰好相反。 相对于国外城市热红外遥感研究，国内城市热环境遥感监测研究更偏重于实际 的应用研究，主要是在一些大城市应用航空遥感和航天遥感技术进行了城市热场分 布的调查研究 7 7 - 7 9 1 。以下以上海、北京的研究加以说明。 ( 1 ) 上海地区：1 9 8 8 - - 1 9 9 1 年在上海开展的上海市航空遥感综合调查研究 项目，同时使用气象卫星、航空、航天等遥感资料，对全市进行城市热环境调查研 究。研究表明，尽管每一种手段对城市热环境的详细程度不同，但从城市热环境的 宏观布局来看，却有很大的相似性。在上海城区航卫片地表的热力景观分析研究 报告的结论指出：l a n d s a t - t m 资料能将一个城市的热场轮廓线反映的很清楚，将气 象卫星资料反映的局部热场给予放大，又可将航片的细小热力变化缩至不失本底的 几何外形特征显示上。气象卫星资料虽然几何精度低，但时间上周期短，每天可以 日夜接收，可作宏观动态监测。而且报告得出结论：上海城市热场的总体廓线用不 同年份和不同遥感资料的对比验证说明，所发现的宏观廓线是稳定可信，并确认上 海市热环境有三个高温区这个结论。 ( 2 ) 北京地区：北京于1 9 8 3 1 9 8 5 年首先用航空热红外扫描成像进行城市热 环境调查。在获取1 9 8 3 年冬季两个夜间、一个白天时相资料的基础上，进行系统 的方法和应用研究，编制了有关图件2 8 幅，该项成果对后续城市开展的城市热环 境研究有示范作用。而后，不少学者应用气象卫星资料从1 9 8 5 1 9 9 1 年使用不同季 节( 春、夏、秋、冬) 不同成像时间( 凌晨、中午、黄昏、夜间) 不同风力条件下( 无风、 微风、大于3 级风) 的遥感资料，结合地面调查，研究了城市热岛现象的三维空间分 布特征。城市热岛的测量和制图方法等方面有较多的研究成果。无论使用航空或航 天遥感资科，尽管研究方法和应用效果的广度上不同，但在城市热环境宏观分布格 局上仍有相同的效果。可见，航空航天遥感资料在城市热环境调查中已越来越受到 气象、环境保护部门的重视。 t 3 两种技术比较 通过以上对常规技术和热红外技术定量研究城市热环境的回顾，显而易见，两 种方法有各自的特点、优势与不足，同时也决定了城市热环境研究的具体内容。 地面观测方法具有耗时、费力、投入大等特点，并且由于观测站点的限制，利 用这种方法得到的研究结果在城市热环境空间特征表达上往往较为粗略，即大都只 能中宏观角度反映城市热环境的空间分布。由于城市空间的复杂性，一定程度上限 制了微观层面上对城市热环境的空间变异性研究。然而，另一方面，气象观测在时 域的变动研究上却占有绝对的优势，特别是随着信息技术、计算机技术等技术的发 展，气象数据在观测上已经实现连续性和可控性。因此，利用气象观测数据，结合 相应的数据统计和分析技术，研究城市固定空间热环境的年相、季相、目相的变化 特征已经十分普遍m 删。 数字空间模拟在大区域研究中可取得良好的效果隅5 墙6 】，但是由于数据源空间分 辨率和数学模型的空间适宜性决定了在中小尺度城市热环境定量研究上仍显得无 能为力，很难实现高分辨率的空间模拟。由于数值模拟技术在应用中时间优势比气 象观测更强，不仅可以利用历史数据和实时数据实现热环境变化规律的研究，还可 以实现预测、预报甚至预警的功能，并且便于利用气象因素预测模拟市城市地表温 度、城市气温与各种气候因素的相互关系【9 0 1 。城市气温比起城市地表温度，更具 有空间的渐变性，因此，这种方法比较适合城市气温的研究。 热红外遥感技术利用航空、航天热红外传感器对城市地表温度进行快速定量反 演，充分发挥了遥感技术大面积的同步观测( 空间连续性) 、快速、实时、经济、 数据综合性和可比性等技术优势，可以短时间内获取瞬时大面积的热红外信息，从 而扩大了人们的视域，为热环境的研究快速准确地提供了可靠、详尽、形象、直观 的依据，是城市热环境研究数据采集技术的一次飞跃。但是，遥感技术发展的局限 性也体现在热红外遥感技术之中。一方面，能应用的遥感数据空间分辨率受到传感 器技术的限制，目前空间分辨率最大为1 2 0m ，只能反映城市热环境的较宏观空间 特征。另一方面，目前遥感技术所利用的电磁波还很有限，仅是其中的几个波段范 围。在电磁波谱中，尚有许多谱段的资源有待进一步开发。此外，已经被利用的电 磁波谱段对许多地物的某些特征还不能准确反映，还需要发展高光谱分辨率遥感以 及遥感以外的其他手段相配合，特别是地面调查和验证尚不可缺少。另外，航空遥 感消耗的费用较高，而航天遥感资料相对费用较低，购一个时相的t m 资料或气象 卫星资料，仅是航空遥感费用的1 8 或u 1 0 0 。所以进行城市热环境评价时，应用航 天遥感进行城市地表温度状况调查，具有时相多，资料容易获取，综合利用高，耗 资较少，资料的瞬时同步性好，十分适合城市热环境研究的需要。 总体来说，地面观测方法可以实现气象站点或固定空间的城市地表温度和城市 气温的测定，并能实现连续观测，适合研究城市热环境的时间变化特征；而数字空 间模拟方法的时间优势更为明显，在有足够的原始数据的前提下，可以实现城市热 环境的历史规律和变化趋势的预测和预警的定量研究，但对城市地表温度的定量研 究并不适用；热红外遥感技术方法则克服了前两种方法耗时、费力、投入大的缺点， 实现城市大面积地表温度的空间，有利于直观定量研究城市热环境变化，揭示城市 热环境演变的规律和机理，而且可以较大程度地排除人为干扰，并且为解决陆面系 统中热量平衡及其影响因子的分析提供了定量研究的思路与方法。但是对城市气温 的直接反演却较为困难。 因此，利用热红外遥感技术进行城市热环境研究是一种未来发展主流趋势，在 空间定量研究上具有明显的优势。只有以遥感技术为主，实测数据分析或数字空间 模拟为辅助的方法才能使城市热环境空间定量研究更为有效和完善。 2 土地利用，覆盖变化研究 近半个世纪来，由于全球人口不断增加，土地资源超量开发，人类生存环境受 到严重威胁，人类对地表演变定量研究也开始关注和重视。概括来讲，地表演变的 研究主要包括土地利用覆盖的变化机制建模和土地利用覆盖的遥感监测两方面。 1 9 9 3 年“全球地圈与生物圈计划”( i g b p ) 和“全球环境变化人文计划”( h d p ) 共同发起的“土地利用与全球土地覆盖变化”( l u c c ) 的研究，并提出三个研究重 点m 】：土地利用的变化机制，主要拟建立包括自然和社会经济方面主要驱动因 子的土地利用覆盖变化经验模型；土地覆盖的变化机制，主要通过遥感影像分 析，建立起解释土地覆盖时空变化和推断未来1 0 到2 0 年的土地利用覆盖变化的经 验性诊断模型；区域和全球模型，建立宏观尺度的，包括与土地利用有关的各 经济部门在内的土地利用覆盖变化动态模型，根据驱动因子的变化来推断土地覆盖 未来( 5 0 至1 0 0 年) 的变化趋势。而后许多国际研究组织和政府也进行了类似研究， 譬如国际应用系统研究室( i i a s a ) 1 9 9 5 年启动的“欧洲和北亚土地利用覆盖变化 模拟”；美国国家航空航天局( n a s a ) 的对地观测计划( e o s ) 等。土地利用覆盖 变化机制是这些研究的焦点。我国也开始出现类似研究嗍。 常规的基于地形图或航空图片的方法对城市土地利用覆盖变化进行地面测 量，不仅进度慢，而且周期长，完全不能适应经济快速发展的需要。随着遥感信息 获取技术和计算机技术的发展，遥感分析方法得到改进，遥感监测精度不断提高， 国内外在土地利用覆盖遥感定量监测方面的研究也不断发展。主要表现在以下几方 耐9 3 州】：全球对地观测体系的建立，主要表现在对地信息获取技术已从可见光 发展到红外、微波；从单波段发展到多波段；从空间维扩展到时空维。以初步建立 高、中、低轨道结合：大、小、微型卫星协同；