（环境科学专业论文）基于遥感和GIS的上海土地利用覆盖变化及其热环境效应研究.pdf

l 于l - g i s 的 冉土* 彤月覆- 生化a 其矗环镰基直研究 入探讨。 论文第四章利用多时相的遥感影像，借助g i s 强大的空间分析功能首先研究 了近年来上海城镇建设用地的时空扩展过程、特征和规律同时结合社会经济统 计数据对城镇建设用地扩展驱动力进行了分析和综合评估。然后结合上海近5 0 年来耕地统计数据和土地利用调查数据，对上海近5 0 年来的耕地数量时空变化特 征做了详细的分析，应用主成分分析法定量分析了耕地动态变化的驱动力并对经 济发展和耕地变化的相关关系做了详细的探讨。本章最后利用卫星遥感数据计算 归一化植被指数，并剔除植被伪变化信息，详细研究了近年来上海城市植被覆盖 的动态演变特征。 论文第五章利用1 9 9 r 7 年、2 0 0 3 年l a n d s a t 删2 0 0 0 年伽d s a te i m + 这3 景不 同时相的遥感影像研究了上海城市地蔼温度场的分布格局和演变特征，研究表 明：和1 9 9 7 年相比，2 0 0 3 年城市热场的分布更为分散，出现明显的“遍区开花” 的特点；从东西方向剖面线上地面温度的变化看，市中心呈现明显的“隆起”态 势，且从1 9 9 7 至2 0 0 3 年这两头低中间高的形状越来越不明显：从南北方向剖面线 上地面温度的变化看，总体表现为西端“凸起”，东端“凹陷”韵态势，且从1 9 9 r 7 年至2 0 0 0 3 年这种差异表现地更为明显；上海郊区热场演变有其鲜明的特征，各 郊区地面温度变化差异显著。本章最后探讨了上海城市热效应的影响因素和改善 措施。 论文第六章主要研究了上海城市热场分布特征与土地利用覆盖的关系：土 地利用覆盖类型的空间格局总体上决定了城市热场的空间分布；城镇建设用地 中热贡献最大的是独立工矿用地，其次是城镇用地，再次为农村居民点；城市中 心区地面温度明显高于城市边缘区，而归一化植被指数( n d ) 则相反，城市 边缘区明显高于城市中心区，两者具有相反的空间格局；不同绿地类型有不同的 降温效果；水域对改普城市热环境作用明显，尤其是较大面积的水体对城市下垫 面温度具有“边缘效应”；不同河流宽度的热效应差异较明显，不同特征的河流 其降温效应也有较大不同，中心城区河流的降温效应不如郊区河流明显。 最后，在第七章中对论文主要研究成果进行概括和总结，提出了当前研究的 不足和未来主要的研究方向。 关键词：土地利用覆盖变化；地面温度；遥感；g i s ；上海 i l l 于l 和g i s 的上敝m 科用，t l l 他a 羔热# 境蕞应* 竞 胁du s c ，o v 廿c h 卸g c ( l u c 0i s 洫c r e a s i n g l ya t 仃a c t i n gw o r l dw i d ea t l 蛆t i o ni n d e c c n yy e 媚，雒d h 觞b e m eo o f 麟c t i a lr c s e a 地p a r to f 班山a le n v i r o 蝴t a l c h 姐g c w i 也t h ci l i c r e 弱eo fu r b 柚e c 0 咀o m ya n dp o p l a t i o n ，鹤p e c i a l l y 稍t hm e a c c c l e r a t i o fu r b 弛妣p n ) c e 稻，al o to fs 商su r b 柚妇如tp r o b l 咖s s u c h 器u i b 趾h e a t 泌a n d ( u h d 缸e 盟嘲萄n g 琢) w e v t e 辩a 础皓o n 证b a n 妇a t o l o g yh a v eb e f c w c r a w i n gt ot h ec o m p l 强i t yo fi n o e 船c t i o n so ft l l e 咖m i n 曲r c d 锄dm i a m 哪ef a d i 砒i o n 、j l r i t ht h ea 恤p h c 柚du r b 蛆s u r f a t h eu s eo f r e m o t e l ys e 璐酣d a l ao 疰e 玛a no 巧e d i v ea n d n v e n i e n tm e t h o df o rt h er 锚e a r c h 璐 s u c h 丘e l d h1 9 9 0 s ，s h 卸g h a ie n j o y c dar a p i dd e v e l o p m e n t 稍t ht h ec a c l lp a 豁i n gd a y a n d n 妃u r b 锄i z a t i 证t h c 锄b u 而o f s h 扯g b _ a i h 鹞擎e a t l y 驴匠c k e d n m s 蛐g t o 越i n c 比a 血ga t l 钮t i t ot h e 呻b l e m so ft h 锄a l 锄诎i o n m t r 髂r 曲l h e t l i b 姐l 卸du s 甜v e r 血a g ca n di t st h 锄a l 锄v i 】c o n m 明t a l 雒e dp l a ) r sas i 驴墒n t m i e m o n i t o d n gl l i b 锄t h c r m a lp o l l u t i o n i m ，鹳啦脚t h et h c 咖a l 岷r c ca n d i m p r o v i n g t h e t h 蹦n a l 钮j 咖岫锄t o f s h 柚g h a ic j t yo r w m e w h o k w o r l d k c h a p t 盱e t h er 鹳c a r c hb 昌d 唱咖吐锄巧e c ts i 掣i i f i c 观c e ，i e 州c a l 咖t e 孤d m a i nc o n t c x ta b r i e n yg i v e n t h e 掣m 训s i m a 咖o ff e s 船r c ha 糟ai si n 臼0 l u 也 m a i n l y 觚s i n g 蚰t b l cl a n dn 械哪c cs i m 砒i 吼 h lc h a p t c r 咖，跏ep 一p ”d s 潞玳g v 蛆t ot h em u l t i - t e m p o r a ll a n d s a t 四蝴m + 咖o t es 髓由gi m 鼍g c t m d i 曲舱u y ，l a n dc l a s s i 丘c a t i m e u l o di sb a s c d d nf i e l d w o r k ，w h i c hi sc o s n y ，t i m e 。s 啪i n g 粕dd i 越c l l ht o o 珞a l i i z e 1 k d w e l o p m e n to f 也c 咖1 0 t e 湖s 吨锄dg c 唧h y 础啪1 砒i o ns y s t 锄( g i s ) p r o 、，i d e 8a b e n e rw a yf b rt h ca o q u i s 磁佃o fu l b 姐l a 】础u i n 细a t i o n mt h i sc h a 呻巴r m u l t i s t 咿c ：i a s s i 丘咖衄m e 也o df b rl 柚du 靶c i 躐i 丘鼯t i i sd i s s s e d ，w m c hi s p m v e dt ob em o r ea d v 趾t a g co v 盯t h c 咖v e n t i o n a ls u p c r v i dc 1 舔s i 6 c a t i o n 皿d o b j e c t - 耐e n t e dm e t h o d i i ic h a p t c rt b | 咕e ，t h eo v e r a l ll 锄du s 鲋v ec h 如g es i t u a t i o na n dc h a 聊：t e r i s 如i n s h a n g h a i 如m1 9 9 4t 02 ( ) 0 3i s 锄a l y z e d 弧ed r i v 抽gm e c h 蛆i s mf o rl a n du 咖e r c h 锄g e ，蛐c h 勰p h y s e n v i r 啪t ，e n o n l i c 掣。础，p o l i c y g l l l a t i 卸d 1 】1 l 子l 和g i s 的上黻| i 荆曩- l 代a 其热g 境蕞应n 竞 p o p u l a 廿i 饿髂e ，i sf l l 】曲盯d i s c l l s s c d hc h 印t e rf o u r ，b a s e d t h e 删l l t i p l e i t c 狃p o r a lf 锄o t cs e i n gd 8 t a 锄dg i s 柚a l y s i s ，t h i sc h a p t e rm a k e sf l l n h e rd i s c i l s s i t h ec h 卸g ep r o c e s s 卸ds p a t i a l 强p 缸s i c h 躅皿e r i s t i c so f 删f b 觚n s 咖c t i 衄l 粕d ms h 柚g h a i t h ed r i v i n gf o r o f u i b 蛆铲d w 也a 媳虹c o m 】璎电e n s i v e 时出u 娟骶eg 沁姐i nt b i sc h a p l e rh y1 1 s i n g d a le o o n 蛐i c a ld a t aa n dc 。忱d a t i o n 姐a l y s i s a c c 淌gt ot h es 叫s t i c a l 锄dl 姐d 璐es u e y 讹i nt h el a t e5 0y e a 培o fs h 如曲a i ，q u 柚d t a l i v ec h 龃g ec h a 删蹴r i s t i 锚 姐ds p a t i a lc h 蛆g et n n da md i s c l l s 辩d w i t l lt h ef e l a t c ds o c i a l 强dc c o o m i c a l i n f o 】 m a n 雅d 弘 n d p a l m p c n t 鞠a 1 ) r s i s ，t h ed r i v i n gf b l 优o f c i l l t i v a e dd y 曲m i c c h a n g ei sf h r t h c r 柚a l y z c d ，嚣p e c i a l l y ( h c 枷s h i pb c 柳e s h 姐g h a ie 。0 m i c g 柚a n dc i l m v a t e dl a n dc ：h a 】a g 酷b a d t l 比m u h i p l e - t e m 眇a lk 如砒 1 1 蝴既m + d a t a ，n o 珊a l i z e dd i 日缸蜘学t 嘶恤b d 强( 踟) i s 洲a t c d 缸d h i s ei n f o 姗a t i o fv c g e t a t i i o nd b 习m g ei se ：l i m i n a t e d t h c nt h cd y n a m i cc h 矩g 选g c i 埔r a d c i i s d 岱o f v e g c 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o 璐a 托 醇v e nt oi m p r o v et h el h e 瑚a l 曲啊m m 呦tj ns h 姐g h a i 玷c h a p t e rs i x ，埘t h t h e h e l p o f s p 鲥a l 如a l y s i s0 f g i s ，t l 凼p a p 盯f l l r t l l e r 锄a l y z e s t h e 托l a t i o 璐l l i pb 嘶c e nl 柚d 跚如t c l n p c m t u r c 锄dl 翘du s 白协v e r s e v e r a l 嘲u l t s a r es u m m a r i z e d 鹤f o d w ：l a r g ch d d yo fw a t c r h 鹤a “丘i n g ce 自f c c t ”o nl 柚ds u r f a c e t e m p c 趣t u r e ；d i 侬籼tt y p c so fg r c e n b e l th a v cd i 腩n te 甑c t s0 n0 e m p e r a 缸玳 r 酣u c t i ；u r b a l lr 髂i d 曲t i a la r 阳h 嚣t h el a r g e s t 删b u t i t ou r b 姐t h e 皿a l i v e n 、，i r 0 衄c n t ，f o u o w e db yi n d u s t r i a lz 髓锄dt h e np u b i cf a c 蛐y 趾e 够r e s e a r c ho n t l l i sa r c a 伽b 血g 璐ab 甜舡岫d t a n d i n go fs p a t i a lc h 啪c t e r i s t i c s 卸dd y n a m i c c h 曲g e so fu i b 蛆t h c 衄a lc n v i 啪m 姐t 锄di so fv i t a li m p 叫彻c et o t h eh 幽g r e d u c t i 衄，u f b 锄c 0 璐m 删帆豳w e u 鹊托鼬n a b l cl 柚dp l 粕n i n g 姐d 璐e bc h a p l 盯s e v e n ，坞疵h 眦ka l u d e d 强do t h 盯p r o b l e m sn d i n g f i l | 曲盯s t u d i e sa r ep r p e 蛾c d k e y w o r d s ：跏du 蚓哪曲g eq l u 0 回；h n ds u r f a 衄叩啪t i l r c ；孙釉咖n 嘲i g ；g l s ； s h 锄g h a i v l ，鼍感年_ g i s 曲上海土* 利用覆苴毫化a 其热环境l 应* 兜 1 1 国内外研究进展 第一章绪论 土地利用，覆盖变化( l u c c ) 是全球变化的重要组成部分和主要原因，因而全球 变化研究领域逐渐加强了对土地利用覆盖变化的研究。进入九十年代，土地利用， 覆盖变化受到国际组织和世界各国的普遍关注，被“地圈和生物圈计划( i g b p ) ” 和“全球环境变化人文计划皿m p ) ”共同设为核心项目，已成为当前全球环境变化 研究领域的核心内容之一。区域土地利用土地覆盖变化及其环境效应目前已成为研 究热点问题之一，有关研究主要集中于区域土地利用覆盖变化的气候效应、水文效 应以及对土壤养分和生物多样性的影响等方面( r e i de ta 1 ，2 0 0 0 ) 。近年来，随着“城 市气候和环境”问题引起广泛关注，城市热环境问题逐渐成为当前城市气候、环境 研究的热点问题。城市下垫面温度又称地面温度或地表温度( l s t ) ，它是区域和全 球表面物理过程的一个关键参量，它综合了地气相互作用和能量交换的结果，在地 气相互作用过程中扮演着十分重要的角色，在农业和国民经济的许多领域都具有重 要意义。卫星遥感技术( r s ) 一方面能有效地监测土地利用，覆盖变化情况，另一方 面陆地卫星的热红外波段能有效地探测地温变化，而地理信息系统( g i s ) 作为一 种处理、分析和应用空间数据的强有力工具，为遥感信息的有效利用提供了一个新 的技术手段。国内外利用g i s 和遥感技术进行此领域的研究主要有如下几方面： 1 1 1 土地利用，覆盖研究进展 1 1 1 1 遥感技术方法应用于土地利用覆盖研究 利用遥感技术对土地利用，覆盖进行研究至少可以追溯至2 0 世纪2 0 年代，而卫星 遥感技术在大范围土地资源调查中的应用则始于2 0 世纪7 0 年代。进入8 0 年代以后， 人们已经在洲际范围内利用气象卫星数据进行土地利用，覆盖研究并取得了有效的 成果。进入9 0 年代，卫星遥感在全球和区域尺度土地覆盖研究与应用方面取得了突 破性进展，土地利用遥感研究的新方法也不断出现、发展。综观目前遥感技术在土 地利用，覆盖研究中的应用，主流是将航空像片或卫星像片等遥感资料作为主要信息 源，辅以地面调查和训练增加对影像与地面标志之间对应关系的把握，利用人工解 译方法分类，结合数据统计理论，最后通过对分类结果的比较得出土地利用覆盖的 定量信息和变化中用地类型的转化信息，因此被称为分类结果比较法，尤其是在大 l f 鼍焉_ g i s 的 * 土* w 用喧竞* a 其期r 4 * 嚏目：，i 面积区域进行研究更是常见。目前发展的其它土地利用覆盖变化监测方法主要有： 影像相减法、植被指数相减法、主成份分析法、光谱特征变异法等。 近年来，土地遥感分类的新方法主要包括人工智能神经元网络分类方法、分类 树方法、变化分析方法、多重主成分分析方法、多元数据的专家系统和计算机识别 法。如m a s ( 2 0 0 4 ) 认为由于以往的基于光谱分析的分类方法容易产生同物异谱现 象，提出把光谱分析的方法和以往的绘图数据以及其它相关的辅助数据，利用人工 神经网络的方法形成模糊地图。和光谱分类法相比，这种分类方法的精度从6 7 提 高到7 9 ：( 2 0 0 利用主成分分析法加上传统的监督分类法来监测珠江三角洲的 土地利用变化情况，此种方法可以降低出现其它不可靠的土地利用类别的可能性。 该方法先被运用于广东的东莞，然后扩展到整个珠江三角洲的土地分类研究中；查 勇等( 2 0 0 3 ) 运用提出的归一化建筑指数，从喇影像中自动提取了无锡市城镇信息。 研究结果表明，与传统的计算机分类与手工屏幕数字化相比，归一化建筑指数是一 种有效的方法；m 蚺l a l a y 蛆z 和b i g i n g ( 1 9 9 7 ) 在西班牙的c e n t r a ls i 锄地区利用i m 和s p o t 卫星影像数据对单步骤分类法和多步骤分类法进行了分类比较，结果表明不 管是i m 还是s p o 哪致据，多步骤分类法的精度要高于单步骤分类法，而且1 m 数据的 多步骤分类精度要比s p o t 数据高：杨存建、周成虎( 2 0 0 0 ) 利用谱间关系法提取 城镇、水体等土地利用信息并构建了简单的提取模型；黎夏等( 2 0 0 3 ) 提出将不同 时相的图像先叠合后分类的方法，取得了较好的效果。虽然多重主成分分析、分类 树及神经元网络方法目前已经取得了一些经验，但专家系统与计算机识别方法由于 代价太大，在大区域的土地用覆盖遥感应用中都还很不成熟。 1 1 1 2g i s 技术方法应用于土地利用覆盖研究 空间信息分析功能是地理信息系统的主要特性之一，来自图像或遥感的土地利 用空间信息都需要地理信息系统进行处理分析，所以它被广泛应用于土地利用，覆盖 变化的研究中。i v e r n ( 1 9 8 8 ) 利用g i s 对美国伊里诺斯州土地利用现状和此前1 6 0 年的土地利用状况进行比较，分析该区土地利用的变化类型；b o e m e r 等( 1 9 9 6 ) 利 用g i s 技术对俄亥俄州中部地区4 6 年问的土地利用变化进行了研究；u ( 2 0 0 4 ) 在对 珠江三角洲土地利用变化的研究中运用g i s 进行土地利用，覆盖变化和空闻变量的回 归分析，验证了土地利用，覆盖变化和距离建成区的距离、距离主干道的距离和距离 香港的距离这三个空间变量的关系，同时利用g i s 揭示了农田的流失强度和距离市 中心距离的关系。 g i s 技术在土地利用覆盖变化研究中的运用不仅涉及到图像分析功能、空间叠 2 墓f 埋矗- g i s 曲上膏土，t 利月覆l 毫化a 其黼l 应研 制功能、空间统计与制图功能，也较多地涉及到土地利用覆盖变化模型( 简称u j c c 模型) 的建立。u j c c 模型是深入了解土地利用，土地覆盖变化复杂性的重要手段。长 期以来，在许多研究领域中，人们从不同的目的出发，构造了大量的l u c c 模型， 其中主要是引入社会驱动力的l u c o 暌型。2 0 世纪9 0 年代以来，u j c o 陵型的发展有 三种重要趋势：其一是自然要素和社会、经济、人文要素的综合；其二是遥感信息 的广泛使用；其三是时间动态模拟和空间格局分析与地理信息系统的结合。随着空 间信息及其分析技术的改进，系统过程模拟与空间格局分析的结合成为必然，而g i s 在此结合中发挥着关键作用。目前已经出现u j c c 模型与g i s 集成的发展趋势，用于 土地利用变化分析的软件系统也开始出现，如m i c h a e l 等编写的土地利用变化分析系 统( u j c 嬲) 。随着土地利用，覆盖变化研究的展开，国内许多学者也提出了自己的模 型方法，包括土地资源数量变化模型、土地利用程度变化模型、土地资源生态背景 质量模型、土地利用变化区域差异模型、人口分布的重心模型、驱动力诊断模型以 及土地利用结构预测模型( 包括灰色预测模型、m a r k o v 模型、系统动力学预测模型 以及规划预测模型等) 。如w g ( 2 0 0 2 ) 在对1 9 8 9 年至1 9 9 7 年珠江三角洲土地利用 变化的研究中，结合遥感和g i s 使得土地利用的研究从格局的研究转为过程的研究， 同时利用m a r k o 、r 模型从1 9 8 9 至1 9 9 4 的变化矩阵预测1 9 9 9 至2 0 0 4 年的土地利用情况， 从1 9 9 4 至1 9 9 7 的变化矩阵预测2 0 0 0 年至2 0 0 3 年的土地利用情况；c h 髓g ( 2 0 0 3 ) 在 研究武汉城市扩展中试图寻找空间数据，用空间逻辑回归的方法建立城镇扩展模型， 主要的交量为城市道路设施和已开发区域，同时用模型验证在特定时期城市规划对 城市扩展则失去意义。 1 1 2 城市热场遥感监测研究进展 1 1 2 1 城市热岛的形态和结构研究 1 9 7 2 年r 的( 1 9 7 2 ) 首先证实了城市区域可以通过分析卫星热红外数据而区分 出来，并使用卫星数据制作了美国大西洋中部沿海城市的地面热场分布图。此后国 内外许多学者利用热红外遥感数据进行城市热岛的研究，取得了一系列成果( p r i c e ， 1 9 7 9 ；c 缸1 s o n ，1 9 9 0 ) 。国内也有不少学者利用n o f 艄，h r r 数据研究了北京、 上海、苏州、沈阳等多个城市的热岛现象( 李旭文，1 9 9 3 ；纪瑞鹏等，2 0 0 0 ) 。虽然 研究区域各不相同，但却发现一些共同的特征：在无风或微风条件下，城市热岛的 形状、走向和位置都与建成区基本一致；在城市内部，城市热场的分布结构同土地 覆盖特征密切相关。 然而n o a a 、，i l 眠r 气象卫星数据1 1 l 锄的地面分辨率只能用于宏观分析城市 3 墓f 重 - g i s 的上海土* 利用t l 塞化a 其 * 犍l * 兜 热岛的形态和结构。为了能详细地分析城市内部热场结构，国内外学者纷纷将目光 投向使用更高分辨率的山d s a tr i m 、a s l e r 等热红外图像( s p r o n k c n s m i t h ，1 9 9 8 ； w e n 2 ，2 0 0 1 ) 。研究表明分辨率的提高对于研究热场的内部结构特征更为有效，也 进一步验证了城市热场的分布存在共同的特征：在热场状况分布图中，各温度区一 般呈不同形状的带状分布，并呈现出温度由高到低或由低到高的规律变化，而这种 变化规律表现出与下垫面介质分布的高度致性。 总体来说，卫星遥感在监测城市热岛的平面结构，解释城市下垫面热场的分布 和结构特征还是十分有效的。但6 0 m 的影像分辨率对于进行城市热岛内部结构研究 略显不足，同时目前的卫星遥感对于城市热岛的垂直结构研究则显得十分薄弱。 1 1 2 2 城市热岛的过程与变化研究 此方面研究主要集中在对城市热岛强度的变化规律和过程的研究，包括对年际 间城市熟岛的变化格局特征和城市热岛季节与昼夜变化规律的研究。利用卫星遥感 技术能够对年际间城市热岛的变化格局特征进行比较客观、有效地监测，但由于影 像分辨率的限制且卫星过境时间的限制，卫星遥感观测到的往往处于城市热岛效应 较弱的时候，同时研究者常直接使用亮温或经过简单处理的温度数据等非真实地表 温度，卫星遥感所获取的城市地表热岛强度变化员| j 往往有所不同。 城市热岛强度的季节变化十分复杂，主要视区域气候条件和城市人为因素而异， 没有一定的模式( 周淑贞等，1 9 9 4 ) 。赵大庆等( 1 9 9 1 ) 通过对比分析4 个不同季相的 沈阳城市热岛分布图得出，夏季和秋季熟岛较强，春季较弱；杨星卫等( 1 9 9 4 ) 通 过对比分析1 9 9 2 年4 月、6 月和7 月3 个时相的n o a a ，a r 图像，发现上海地区春( 4 月) 、夏( 7 月) 两季的热岛效应较强，而春夏交替之际的6 月则较弱。然而，由于这些 研究基本上都是使用一景特定时期的影像代表一个季节，其所得结论有时会由于所 选取影像获取时间不同而存在差异，如范心圻( 1 9 9 1 ) 、范天锡( 1 9 8 7 ) 先后利用 n d a a 数据研究了北京城市热岛的季节变化，结果却由于所选择数据的月份差异而 导致截然不同的结论。所以在研究年际变化或季节变化时，如单纯利用遥感数据， 应尽可能多选取几幅影像来代表同一个年份或季节，以防止由于所选遥感数据本身 的差异而导致迥异的结论。 1 2 2 _ 3 城市热岛的变化机制研究 城市热岛的形成、发展及其空间分布受到多种因素的影响，城市热岛变化机制 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 d l 于鼍感和g i s 曲上海- 土垃利用曩l 量化县其热环嗣口l 盘畸兜 形成、发展变化的驱动机制。近年来随着遥感技术的发展，许多学者通过卫星数据 反演与城市热岛相关的影响因子，结合g i s 技术及其它数学方法，尝试建立城市热 岛和各种可能的影响因素的定量关系( g a l l o ，1 9 9 3 ：w 缸g ，2 0 0 3 ；u ，1 9 9 8 ) 。结果 证明，在天气晴朗、无风或微风的情况下，城市热岛的形成、发展及空间分布主要 取决于下垫面介质和城市格局变化，城市人口和城市热岛的强度和范围呈现正相关 关系，城市热源则对区域热岛强度有一定的影响( 夏季除外) 。如果出现大风的天气， 热岛中心的变化和风速、风向密切相关，风速足够大时，则不存在热岛现象( 周红 妹等，2 0 0 1 ) 。 仅依靠遥感资料所获取的时间断面信息，试图从机理上分析城市热岛的形成、 变化过程是十分困难的。国外一些学者已开始尝试结合遥感数据和边界层模式来模 拟城市热岛的形成过程和发展变化。h a 血c rc ta 1 ( 1 9 9 9 ) 利用筒，h r r 数据反演了反 照率、土壤熟通量和水汽有效度等地表参数，并将其带入一中尺度流体静力学三维 模型中，进行城市热岛的模拟研究。g 等( 2 0 0 0 ) 通过n 0 从和l a n d 阳t 卫星获取的 地表参数和c a r l s o n 一维模型来模拟地表面空间的能量交换，并得到了同真实情况相 近的表温度空间分布、净辐射分布以及湍流热通量。而s p m k s m i t l le ta 1 ( 1 9 9 8 ) 则用s 圈m 模型揭示了地表几何结构和热属性在城市地表温度热岛形成过程中的重 要性，以及对城乡环境的这些参数进行评估的必要性。 1 1 3 地面温度与土地利用覆盖关系的研究进展 1 1 3 1 遥感数据的获取 7 0 年代地面温度数据的获取主要来自甚高分辨率辐射计( 珏l r ) 。进入8 0 年代， 利用改进型甚高分辨率辐射计数据( 筒，m 浪) 进行区域及全球的土地覆盖研究得到 了迅速的发展。进入9 0 年代后，陆地卫星i 加d s a t 的n 棚弧m + 遥感数据得到了广泛 应用，其第6 波段数据天顶视角下的像元地面分辨率为1 2 0 m 1 2 0 m ，对于要求精确 的区域分析来说，能更为有效地探测地表的热辐射和温度区域差异。随着遥感技术 的进一步发展，遥感数据的获取也更为注重多传感器、多时相遥感数据源的接收、 应用以及多卫星数据的融合，如1 m 删+ ) 与s p o tb 气n 、1 m 删+ ) 与m se a n 的融合等。如d o t l s s e t ( 1 9 9 1 ) 利用舳r 和s p o t 影像对城市用地进行了较为精确 的分类，并在此基础上探讨了城市用地与地表温度的关系：d o u s s e t ( 2 0 0 3 ) 对n o a a 门 珏汛和s p a r h r v 数据进行分析，认为洛杉基和巴黎地区的中心商业区及工业区 比周围温度大7 。c ，验证了城市公园能带来“冷岛效应”。 5 暮f 鼍感- 6 i s 的上海土堆利用曩 吏化a 其热g 撬 血_ 兜 1 1 3 2 地面温度的反演 历年来地面温度的获取方法主要有三种：一是通过城市和乡村的历年气候资料， 二是通过布点观溺，三是通过航片、卫片资料。利用热红外遥感影像数据( 主要是 伽d s a tn 班m + 的第6 j 皮段和n 蛆a r 的4 、5 通道) 进行地面温度的演算， 无论是在遥感起始阶段，还是在遥感发展至今的2 1 世纪，均是十分重要的课题，并 有着极为广阔的应用前景。由于k d s a t l m 删+ 6 所测到的热辐射强度受到大气和 辐射面的多重影响，已不再是单纯的地表辐射强度，从而使直接使用删】玎m + 6 的 原数值( 灰度值或亮度温度) 来进行区域分析所得到的结论存在较大程度上的偏差， 因此对于要求精度较高的地面热量空间分析，有必要进行更为精确的地表温度的演 算。由于传统上使用的大气校正法计算过程相当复杂，误差也较大，寻求一种简单 可行的能够从聊i m + 6 中精确反演地面温度的方法一直是近年来此领域的研究重 点。如h 1 l n a d oe ta 1 ( 1 9 9 6 ) 根据地表能量平衡方程和标准气候参数，提出了一种 新的大气校正法；覃志豪等( 2 0 0 1 、2 0 0 3 ) 根据地表热辐射传导方程，通过一系列 合理假设，推导出一种从l a n d s a t t m 6 中演算地表温度的单窗算法，并提出了一些简 单易行的方法来估算单窗算法中所需的两个基本参数，即大气平均温度和大气透射 率。近年来也有研究利用e 0 m o d i s 的3 1 和3 2 通道，g m s5 i s s r 的两个红外通道 反演地表温度的劈窗算法。近期有研究乖j 用越疆e r 遥感数据反演地面温度，由于其 具有较高的空间分辨率和光谱分辨率，能够提供比n q a a v h r r 和l a n d s a t 等数 据更丰富的路面信息，在反演地面温度时可以取得较理想的结果，具有良好的应用 前景。 1 1 3 _ 3g i s 技术的运用 计算机技术的日新月异带动了g i s 技术的快速发展，从而有利于更好地管理和 使用地理时空信息。空间分析是g i s 的主要特征，乖j 用g i s 的空间叠加功能( o v 盯1 a v ) ， 对矢最化后的不同时期土地利用覆盖类型图进行空间叠加分析，可以有效地监测土 地利用，覆盖的动态变化。同时，通过不同时期地面温度分布图和相应时期土地利用 ，覆盖变化圈的叠加分析，能够深入研究土地利用，覆盖变化下城市热环境的空间特 征和动态规律，从而有助于更为科学地、准确地分析地面温度和土地利用覆盖的关 系。l 0 ( 1 9 9 7 ) 以遥感资料为信息源，利用g i s 技术评价了热场空间结构及其对周 围环境的影响，指出下垫面介质类型会影响熟场的形成和强弱程度。随着g i s 技术 的快速发展，地理模型分析方法得到越来越广泛的运用，它是研究地球系统的重要 途径。近年来，借助g i s 进行地理模型分析也逐渐被运用到城市热环境演变、土地 6 | 叮嚏感和g i s 曲上蔫土地j 日用覆j l 寰代扁漠热环瑚u 鼻应肼究 利用，覆盖变化、地表温度和下垫面介质的关系等研究中。如o w e ta 1 ( 1 9 9 8 ) 运 用归一化植被指数( n d ) 和表面一植被大气转换模型( s 叮) 研究了城市化影 响下气温的变迁。地理模型在研究对象的本质特征以及动态变化方面具有无法可比 的优越性，把它运用于此领域的研究具有巨大的发展潜力。 1 1 3 4 定性到定量的研究 早期的研究较为集中于城市和乡村这两种不同地面介质与地表温度的关系。随 后，不同土地利用，覆盖类型和地面温度关系的研究进一步展开，国内外许多学者在 此领域做出了突出贡献( 周淑贞，1 9 8 2 ，1 9 8 3 ；q 嶙l o n ，1 9 9 9 ：p a r k ，1 9 8 6 ) 。不少 学者对地面温度和土地乖j 用，覆盖两者关系的探讨由定性逐渐进入参数化、定量化的 研究。综观国内外研究，对地面温度和土地利用覆盖类型关系的定量研究更多的集 中在植被与地面温度的关系上，较多学者应用多种植被指数探讨两者关系( 田庆久 等，1 9 9 8 ；d cb e n i s ，2 0 0 4 ；w b n g 2 0 0 4 ) 。由于经济发展和城市化进程的加快， 城镇用地的扩展对城市热环境的影响引起广泛关注，国内外不少学者对此进行了深 入研究( w b n g ，2 0 0 2 ；丁金才等，2 0 0 2 ；钱乐祥等，2 0 0 5 ) 。 不少学者从不同角度出发，运用其它较为独特的方法进行两者定量关系的研究， 如陈云浩( 2 0 0 2 ) 借鉴景观生态学的研究方法，定义了热力景观的基本概念，将分 形几何引入城市热环境结构分析中，使传统的对热环境空间格局的定性研究开始向 定量阶段发展；苏伟忠等( 2 0 0 5 ) 采用妇d s a te n t + 热红外波段反演地面温度，分 析了南京市热场分布规律：黄荣峰、徐涵秋( 2 0 0 5 ) 利用踟d s a te 1 m + 的热红外波 段研究了不同土地利用类型的可见光、近红外、中红外与热红外波段的关系，以揭 示土地利用，覆盖与城市热环境的关系。也有学者对地面温度和其它土地覆盖类型 ( 如水域、裸地等) 的定量关系做了初步的研究( s 0 u t l ，w o n h 。2 0 0 4 ) 。 l - 2 研究目的和意义 尽管国内外学者在探讨土地利用，覆盖变化的一般规律、建立土地利用变化，覆 盖变化的全球和区域模型等方面做出了重要的贡献，但目前国际上进行的土地利用 覆盖变化研究主要是在较大的空间和时间尺度上进行的。少量的一些区域性的土地 利用覆盖变化研究其研究区也是选择在比较落后的地区。所研究的土地类型大多属 于土地覆盖的范畴，如森林、湿地等，而对经济发达、人类活动影响强烈的地区则 较少提及。近年来国内也开展了一些区域性土地利用变化的研究，研究内容主要集 中在土地利用覆盖动态变化过程及驱动力机制、土地利用变化对生态环境的影响等 7 方面，研究的区域多侧重于土地利用覆盖变化剧烈的所谓“热点地区”和生态环境脆 弱地区，如城市和大城市边缘区、黄土高原和喀斯特山区等，而对中国东南沿海发 达地区经济高速发展所导致的土地利用格局迅速变化方面的细致研究相对欠缺，特 别是对乡村工业化和城镇化快速发展地区的研究还不多见。 综观国内外研究，在土地利用，覆盖变化的环境效应方面，对城市热环境影响的 研究相对较少，而国内深入研究土地利用覆盏变化及其城市热环境效应更不多见。 较为集中的主要是w e n g 等( 2 0 0 4 ) 对广州、东莞及整个珠江三角洲以及陈本清、徐 函秋、黄荣峰等( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ，2 0 0 5 ) 对厦门和福州的土地利用变化及其热环境效 应的研究，但对整个长江三角洲或三角洲主要城市进行此方面的研究则很少。虽然 陈云浩、史培军等( 2 0 0 2 ) 利用遥感数据对上海空闻热环境做了详细的研究，但其 研究大多注重如何应用遥感和g i s 技术、人工神经网络、景观生态学理论、熟力景 观理论等对上海的城市空间热环境的格局和演变进行深入剖析，并未涉及快速城市 化的上海土地利用覆盖变化对城市热环境的影响。 上海是我国最大的经济中心城市。这里单位面积土地上创造的物质财富最高， 土地利用变化的规律不同于世界上的任何其它地区，具有自身特殊的规律。首先， 它承袭了中国土地利用变化的悠久历史，具有中国固有的人多地少、土地后备资源 不足的特点；其次，中国东南沿海地区正处于发展阶段，经济的持续高速发展给土 地利用带来的矛盾空前巨大。城市的扩张，耕地的流失，土质的退化直接影响着上 海的生态环境和社会经济的可持续发展，由此带来的热环境问题更是不容忽视。因 此对上海土地利用，覆盖变化的热效应进行研究不仅能够深入理解土地利用，覆盖变 化下城市热环境变化的空间特征和动态规律，而且对于大气污染防治、防暑降温、 市政建设及土地合理规划和利用都具有重要意义。 当前，传统的人工监测方法已跟不上日新月异的土地利用变化速度，而卫星遥 感技术能有效地、周期地、动态地监测土地利用覆盖变化情况和城市热环境的宏观 变化趋势，而g i s 作为一种处理、分析和应用空问数据的强有力工具，为遥感信息 的有效利用提供了一个新的技术手段。故本文以长江三角洲的典型城市上海为 研究对象，基于遥感和g i s 技术对上海近年来土地利用覆盖变化情况进行深入的分 析，并详细探讨不同用地类型的热环境效应，以期在理论上、技术上为此领域的研 究提供依据，同时也对上海规划城市发展、保护城市环境、建设生态型城市具有重 要意义。 1 3 研究内容和技术路线 | i 于遥感和g i s 的上冀- 土用l t 毫化a 其热环期u 墟研兜 本研究以遥感为主要技术手段，结合野外实地考察，并辅以g i s 技术对上海近 l o 年来城市土地利用覆盖变化过程及其热环境效应进行综合研究。主要研究内容包 括：( 1 ) 寻求l a n d s a tn 删b 1 m + 遥感影像分类方法并获得较为精确的土地利用类型 分类结果。( 2 ) 1 9 9 4 年至2 0 0 3 年上海土地利用覆盖变化的幅度、速度和土地利用程 度。( 3 ) 上海城镇建设用地扩展、植被覆盖变化和耕地流失情况。( 4 ) 上海近年来 城市热场的空间格局和演变特征。( 5 ) 上海城市土地利用覆盖变化的热环境效应。 技术路线见图1 1 。 | i 于鼍 和6 i s 的上曾土蜊用l l 生制“毫蒜蕾库捌l ，t 丑带究 圈1 1 技术路线图 f i 参l ln 斟心o f 抛船a l - c hm e t h o d 1 0 苎璺苎! 唑竺兰垡竺竺! 垡苎坐苎苎竺竺竺一 1 4 研究区概况 1 4 1 自然地理特征 上海市位于3 0 。4 0 n 3 1 。5 3 n ，1 2 0 。5 1 e 1 2 2 。1 2 e