（地图制图学与地理信息工程专业论文）城市下垫面热特性与城市热岛关系研究.pdf

摘要 摘要 本文以a s t e r 和t m 数据为主要数据源。基于遥感和g i s 空间分析技术研究北京市 旧城区的城市热岛效应首先采用迭代自一致的分裂窗算法反演a s t e r 数据地表温度，用 普适性单通道算法反演t m 数据地表温度，然后用相对地表温度计算热岛强度，相对地表温 度是该点地表温度减去郊区平均地表温度与郊区平均地表温度之比，叩a t t a ，以它作为描 述该点热岛强度的一个指标在得到热岛强度的基础上，研究了北京市旧城区的时空演变、 城市热岛随季节的变化以及夜间的热岛效应；并通过建立缓冲区，分析了三种主要廊道结构 ( 道路、绿地、水体) 对热岛效应的影响：通过地物的热惯量这一表征下垫面热特性的物理 参数，研究了各种下垫面类型与热岛强度的关系，其中，下垫面类型是以a s t e r 数据可见 光、近红外波段进行图像分类得以提取，然后通过热惯量遥感信息模型获得表观热惯量，进 而对各下垫面类型的热惯量与城市热岛的关系进行了分析，井建立了二者的回归模型。通过 研究本文的主要结论和创新点有以下几个方面： 1 北京市旧城区热岛效应明星，热岛强度有逐年增强的趋势；随着季节的变化，城市热 岛也会发生改变：在夜间，无论是冬季还是秋季，城区的温度都会明显高于郊区，呈现显著 的城市热岛效应 2 三种廊道结构对城市热岛效应的研究表明，廊道结构中水体对城市热场的影响作用非 常明显，其次为绿地系统，再次是道路系统且无论何种类型的廊道结构，对城市热场的影 响都存在一个影响范围，一般不超过3 0 0 m 。 3 采用决策树、监督和非监督分类相结合的方法进行图像分类，得到的各主要下垫面为 水体、林地、草地、道路和建筑物等，对其热惯量进行对比分析，表明水体、植被的热惯量 要大于道路、建筑等的热惯量。下垫面的热惯量与城市热岛强度的相关性是通过其相关系数 来表征的，研究表明各下垫面类型热惯量与热岛强度都存在负相关的关系。不同时问、不同 下垫面的相关程度不同，2 0 0 4 年1 月2 7 日最高的负相关是林地( - - 0 3 9 7 0 ) ，稍高的是道路 ( - - 0 3 5 4 9 ) 和水体( - - 0 3 1 4 0 ) ，然后是建筑物( - - 0 2 9 4 1 ) ，最低的负相关是草地( 一o 2 8 8 3 ) ； 而8 月3 1 日最高的负相关是水体( 一o 5 6 8 3 ) ，稍高的是林地( 一o 4 8 8 2 ) 和草地( - - 0 4 6 9 7 ) ， 然后是建筑物( - - 0 1 8 1 1 ) ，最低的负相关是道路( - - 0 1 4 0 3 ) 通过一元线性回归分析建立 了各种下垫面的热惯量与热岛强度的回归模型，通过对模型进行显著性检验，认为各模型的 线性回归关系显著 关键词：城市热岛；热岛强度；地表温度；下垫面；热惯量；相关系数；线性回归 英文摘要 r e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et h e r m a l c h a r a c t e r i s t i co fu n d e r l a y i n gs u r f a c ea n du r b a nh e a t i s l a n d a b s t r a c t b yu s i n gt h ei 嘲n o t es e n s i n ga n dg i ss p a l i a l 锄a l y s i st e c h n o l o g y , 血hp a p e rf o c 铝0 1 3t h e m o m t o r ma n d 丑l y 五雌o fr e b a nh e a ti s l a n d ( u h l ) e f f e c ti nt h eo l dc i t yo fb e = i j i n g 丘 c o m b i n e da s t e ra n dt md a t a t h el a n dm 蚰_ a c et e m p a a t u r eo fa s t e rd a t aw a sd e t e r m i n e d 岫g i t e r a t i v es e l f - c x m s i s t e n ta p p r o a c hw h i c hi sb a s e d o nt h es p l i t - w i n d o wm e t h o d t h el a n d s u r f a c et m p e r a t o r eo f t md a mw d e t e r m i n e du s i n go m l l m o ns i n g i ec h a n n e la l g o r i t h m t h eh e a t i s l a n d i n t e m i t y w a s c a l c - d l a t e d b y r e l a t i v e s u r f a c e t e m p e r a t u r e t h e u r b a n h e a t i s l a n d i n t o n s i t y w a s a s s e s s e db yt h e 他l 咖l a u ds u r f a c et e m p a m u 托w h i c hi 罩d e f i n e da sa 【m ，训k 砖a tn 珥嚣即岫 t h e 击伍哥岫b e t w e e nt h el a n ds u r f a c et e m p e m t m to fu r b o n 艄a n dt h ea v e r a g es m b t e m p e r a t o o fc o u n t r ys i d e , t ai st h ea v e r a g es u r f a c et e m p e r a t u r eo fc o t r ys i d e b a s e d0 1 1t h e h e a ti s l a n di n t e n s i t y , w ei n v e s t i g a t e dt h es p a t i a la n dt e m p o r a le v o l v e m e n to fu h i 、t h e d 目d o 珥m 毗o f u h la l o n gw i t ht h e 雠0 憾id e v e i o p m m ta n dt h eu h i e f f e c ta tn i g h ti nt h eo l d c i t yo fb 两畸t h e 恤u r b a nc o r r i d o rs m u m m e s - - r o a ds y s t e m 、g r m m b e i ts y s t e ma n dw 衄 s y s t e mw u s e dt od ow r a s e m e h t h ev i s i b l ea n dn 叫i n f r a r e dc h a n i so f a s t e rd a mw u s e dt oc l a s s i f i c a t i o nt oo b t a i nt h eu 蒯a y i n gs u r f a c et y p e s t h ea p p a m m tt h e r m a li n e r t i a c o m p m e df r o mar e a lt h e r m a li n e r t i am o d e l w u s e dt oa n a l y z et h ec o r r e l a t i o nb e h t h e t h e r m a li n e r t i aa n dt h em b t mh e a ti s l a n di n t m s i t y f i n a l l y , 曲br e g r e s s i o nm o d e l sw e s t a b l i s h e d t h ec o n c l u s i o n so f t h i sp 辨m r 唧n 蜘t c da sf o l l o w s ： 1 t h ou h ie f f e c ti | o b “o q l mi nt h eo l dc i l yo f b e i j i n sa n dt h eh e a ti s l a n ds h o w sm r la 山a n d 缸矗i dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f 啦七缸出划溉u h i 砸融i ia l s oc h a n g a dw i t ht h e 靼a 删 d e w l o p m e a t a tn i g h t , w h e t h e ri nw i n t e ro r 锄血m 伍et e m p e r m u r eo f 山cu r b a n 硼i lh i g h e r 血mc m m u ys i d ew h i c hi m t i c a t mas i g n i f i n tu h ie 蠡c l 2 g 劬s p e a k i n g , t h e c o n i d o rs u u c t m mh w d j f f e m te 触o nt h em b a nh e a ti s l a n d a sf o l l o w s t h ec o o l i n ge f f e c to f w a t 日j t h em o s to b v i o u i g r e e n b e l tt a k e ss e c o n dp l a c e , t h el a s t s y s t e mi sr o a ds y s t e mw h o s ed i l 硎o f l 叠c r u c i a lt o 曲ca l l e v i a t i o no ft h ei b 岫h e a ti s l a n d 英文摘要 m o r e o v e rt h ei m p a c t i n gr a n g eo f t h et h r e ec o r r i d o r “n l c h mi sl i m i t e d , a n du s u a l l yn o te x c e e d i n g 3 0 0m e t e r 8 3 t h ev i s i b l ea n di l e a ri n f r a r e dc h a n n e l so f a s t e rd a mw 雠u s e d t oc l a s s i f i c a t i o nu s i n gt h e d e c i s i o n t r e e 、s u p e r v i d a n d 哪巾日v i 捌m d h 0 凼t h e u n d e r l a y i n gs u r f a c e t y p e s o b t a i 吲f r o m t h e c l a s s i f i c a t i o n w c i o w a t a 、f o r e s t 、g r a s s l a n d 、r o a d a n d b u i l d i n g i t i s d i s c o v e r e d t h a t t h e t h e r m a l i n e r t i a so fw a t e r 、v e g e t a t i o n 船h i g h e rt h a nt h et h e r m a li n e r f i mo fr o a d 、b u i l d i n ga f t e rt h e m 群l r i s a n a l y s i s0 1 3 t h ed i n - r e a l 缸劬o fl l 丑d 廿1 a y i n gs u r f a c e * w h i c hc o m cf r o mt h e c l a s s i f i c a t i o ni m a g e 1 1 s hc a l c u l a t e dt i mc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t sb c t w o e n 血ct h e r m a l i m m i aa n d t h e l b h e a t i s l a n d i n t a x s i t y o f f i v e t m d e r l a y i n gs t a f a c m t h e c o n e l a t i o nc o e f l i c i e a t 0 躺n e g a t i v ew h i c h m e a nt h e 妇h e a ti s l a n di n t e n s i t ya n dt h et h e r m a li n e r t i ah a v ear e l a t i o m h i p o fs t r o n gi n v e r s ec o r r e l a t i o n t h ec o r r e l a t i o nd e g r e ei sd i f f e r m ta tt h ed i f f e r e n tt i m e sa n d e a 断l a y i n g s i l d 函i n t h e 2 7 j a n , 2 0 0 4 t h e h i g h e s t n e g a t i v e c o n e l a t i o n f o u n d i n f o r e s t ( 一 0 3 卯o ) f o l l o w e db y m a d ( - - 0 3 5 4 9 ) a n dw a t a ( - - 0 3 1 4 0 ) ，a n dw i t had e c r e a s ef o rb u i l d i n g ( - - 0 2 9 4 1 ) t h el o w e s tc o n t i 撕w a s6 b s a 倒i ng r a s s l a n d ( - - 0 2 8 8 3 ) ：h o w e v e r , t h e s t r o n g e s t , n e g a t i v ec o r r e l a t i o n , i nt h e3 1 “a u g e x i s t e di nw a t t ( - - 0 5 6 8 3 ) t h ec o r r e l a t i o n 嫡d 咖v a l u t ae 娜p e d 蜊y f o rf e f e s t ( - - 0 4 8 8 2 ) a n dg r a s s l a n d ( - - 0 4 6 9 7 ) ，w i t ha 蛳 d e c r e m e f o r b u i l d i n g ( - - 0 1 8 1 1 ) t h e l e a s t c o r r e l a t i o n w a s f o u n d i n r o a d ( - - 0 1 4 0 3 ) t h e l 岫 u e g r e s 日i o dm o d e l sb e t w e e nt h et h e r m a li n e r t i aa n dh e a ti s l a n di n t e n s i t yo fv a r i o u su n d e d a y i n g s u r f a c e sw e r ee s t a b l i s h e db yal i n e a rr e g r e s s i o na n 矗l y m i tw a 8c o n s i d e r e dt h a tt h el i n e a r g e g r e s s i o nr e l a t i o n o f t h e m o d e l s w 讯s i g n i f i c a n t f r o m t h es i g n i f i c a n c e t e s t s k e yw o r d s ：u r b a nh e a ti s l a n d ( u h i ) ：h e a ti s l a n di n t e n s i t y ；, l a n d s u r f a c et e m p t i n g ； u n d e r l a y i n gs u r f a c e ；卫m a li n e r t i a ；c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ；l i n e 口r e g t 枷o l i n l 北京建藏工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：豫置砭 日期：动订年f l 月访e t 授权书 本人同意将所著硕士学位论文城市下垫面热特性与城市热 岛关系研究著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和 汇编权授权j 匕塞建箕王捏堂瞳硒窒生处行使。上述授权的范围包 括：j e 塞建笪至猩堂暄自己使用或委托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作 权问题引起的责任。 j e 塞建箕王捏堂院须依照我国著作权法的有关规定，充分尊 重本人享有的著作权权利( 包括获酬权) 。 本授权有效期蛑。 作者联系方式： 地址： 电话： 手机：帆6 6 6 邮p 7 。 论文作者：诲玉敬 ( 签章) 御年l 。月谚日 邮编： 传真： 电子信箱：习r 6 5 “函f 6 。洳 l 绪论 1 绪论 1 1 城市热环境问题 随着全球气候变暖以及生态环境的恶化，城市热环境问置日益成为人们关注的焦点城 市热环境是城市环境在热力场中的综合表现通过对城市热环境的研究可以揭示城市空间结 构和城市规模的发展变化，有助于引导城市的可持续发展，提高人居环境质量。城市热岛是 地表热环境的一个集中反应，因为城市是人类活动最集中的场所，也是地表下垫面最复杂的 地方。城市热岛效应对区域甚至全球的地表热环境来说。是面上的一点，它们是点与面的关 系1 1 i 图1 1 展示了城市热岛效应示意图，在同一时刻，城市市区的气温比周围郊区和农村 的气温高，城市犹如被包围的热岛，这种现象被称为。城市热岛” 图1 1 城市热岛效应示意图 城市热岛现象是城市气候灾害之一，它不仅加剧了城市高温出现的频率和高温灾害，并 带来巨大的经济损失，而且会引发一系列的城市病和多发性流行病，严重危害人们的健康。 因此研究城市热岛与城市热环境将有助于引起人们对健康的重视，合理指导人们预防疾病的 发生 2 1 。城市热岛不仅引起城市高温还能够增加城市的能源消耗，加剧城市中的大气污染， 另外还可以造成一些其他灾害性的天气。如日本的局部地区水灾，因此，研究城市热岛现象 对城市的生态环境保护以及可持续发展有着重要的现实意义 城市热岛的形成主要受三个方面因素的影响，一是城市下垫面的变化，二是城市大气污 染，三是人工热源的影响遥感技术的发展为我们从这三个方面研究城市热岛问题提供了最 好的技术手段，遥感技术可以提供多时相、多波段的热环境分析数据，是获取环境信息和分 析评估的重要现代化手段，特别是当前高分辨率的卫星热红外遥感技术的发展完善，为全面 分析、研究热量资源和监测城市热场分布变化提供了可靠的手段。热红外图像是用卫星遥感 1 绪论 方法研究城市地表热场分布状况的最有价值的资料，为城市热环境质量评价和热源调查提供 准确、丰富的信息，可作为常规监测方法的补充，具有较好的应用价值和推广前景。利用遥 感资料估算城市热场分布，建立定量化研究城市的科学手段：研究城市地表热场分布变化对 城市生活、环境的影响，评估城市化发展的各种因素对城市热场分布的不同影响，可为规划 管理部门提供科学的决策依据 1 2 国内外研究现状 1 2 1 城市热岛 城市热岛是伴随着城市化的进程而出现的城市环境问题。自从1 8 3 3 年，英国化学家l a k e h o w a r d 在对伦敦城区和郊区的气温进行同时问的对比观测后首次提出。城市热岛”概念 以来，城市热环境问题一直倍受关注脚。此后，国内外相继在城市热环境方面作了大量研究， 并积累了一定的经验1 。- 8 1 目前主要有三个学科从各自领域出发对城市热岛进行了研究： 1 ) 从气象学角度对城市热岛进行的研究 此角度的研究有很多：使用气象模型进行的研究，如i o h t s 等人使用模型对东 京城市热岛进行了模拟唧；s e r g i ut t m a n o v l 等人研究热岛强度对中尺度大气模型及一些大 气参数的影响嘲；v i c t o rl b a r r a d a s 通过墨西哥城郊区选定的生长区进行能量平衡的测 量对热岛进行研究1 1 1 1 ；陈燕等人利用区域边界层模式对杭州市热岛的研究1 1 2 1 ；杨玉华等人 用非静力平衡的中尺度模式1 i l l 5 来模拟北京冬季的热岛【嘲： 研究热岛与大气污染之间的 关系，如r o b e r tb o r n s t e i n 等人通过3 个事例研究城市热岛与夏季对流雷暴之间的关系”4 j ； k s t e i n e c k e 对处于亚北极区中的雷克雅未克进行了城市气候的研究1 目；毛恒青等人认为热 岛效应以及由此引起的对低空温度层结和局地风场影响的小气候效应是形成城市大气污染 分布特征的主要气象原因【1 6 l ；通过观测资料对热岛进行研究，如r u d o l fb r a h z d i l 等人 通过对捷克首都布拉格城内外监测站温度的比较，对热岛强度及热岛效应对布拉格季节、年 温度的测量的影响进行研究【1 7 1 ；v r i s h a l id e o s t h a l i 研究了城市e u i j e 的快速扩展对城市热 岛和湿岛的影响【1 s l ；程炳岩等通过对郑州市城市气候的观测资料进行分析，揭示了郑州市 区环境温度的季节分布、不同性质地面环境对温度分布的影响及郑州市城市热岛强度的时空 变化特点【1 9 】曲绍厚等对北京城区的气象效应进行了分析，得出：不仅城区的气温比郊区 的高，而且城区的日照和相对湿度比郊区的要小嗍研究城市热岛与植被的关系，如周 红妹( 2 0 0 2 ) 设定了一个理想化的圆柱模式对上海延中绿地的减沮效应进行了估算，得出廷中 绿地夏季高温季节对周边地区热岛强度的缓解作用至少应为0 6 b 以上，相当于1 3 8 5 台空调 2 i 绪论 机的制冷功率【2 1 1 2 ) 从建筑学角度的研究 主要从建筑的多个角度研究建筑与城市热岛效应之间的关系，如f r a n c i s c os d n c h e zd e l af 1 0 r 等通过建立城市小气候模型，研究其与周围环境的建筑性能之问的关系 2 2 1 ； g i r i d h a r a n , r 等人研究高密集建筑群对城市热岛日变化的影响口3 j ；j u nt a n i m o t o 等人研 究模拟建筑热效应与城市小气候之间的关系 2 4 1 ；s h a s s i d 等人研究热岛效应对空调负荷的 影响b 月；s h o b h a k a rd h a k a l 等人研究了东京市的建筑热源对城市热岛的影响闲：王惠想等 人阐述了建筑物的空调能耗与城市热岛效应之间的正相关关系网；王菲等通过对建筑群温 度变化模型的应用，研究太阳辐射作用引起的温升情况后，证明改变下垫面情况，加强通风 可改善城市热岛效应嘲；张伟捷等对暖通空调系统的使用与城市热岛形成的关系进行了初 步的探讨 2 s q 3 ) 从遥感角度进行的研究 随着遥感技术的发展，当前高分辨率的卫星热红外遥感技术的发展不断完善，应用遥感 技术研究城市热岛具有其它方法所不可比拟的优点。纵观目前对热红外遥感及地表热环境的 研究，主要集中在以下几个方面： 温度反演方法的研究 地表温度是地气系统研究能量平衡的一个关键因子除了太阳辐照度以外，地一气界 面所用的通量都可以参数化为温度的一个函数( u b e c k e t , 1 9 9 3 ) 删。因此精确测定地表 温度的空间分布和时间演变对气候变化的监测以及许多国民经济领域都具有非常重要的意 义。传统的地表温度获取方法属于实地测量法。对于大面积的范围则采用网络布点法或者利 用观测车迂回观测。这种方法最大的优点是数据准确，然而费时费力，观测的空间分辨率也 十分有限最好的办法是有合理布局，个数足够的气象观测站，利用观测站连续的观测资料 来研究然而对于一个地区来说气象观测站的数量相当有限，大量的建设气象观测站又需要 高昂的建设与维护费用所以说传统的方法虽然准确，但是要想获取一个地区详尽的地表温 度观测资料，实施起来相当困难热红外遥感技术的发展解决了传统方法的不足- 可以获取 详细的大范围地表温度信息 关于利用遥感数据进行地表温度的反演，最早可追溯到t i r o s 2 上搭载的热红外辐射 计，其波段为8 - 1 4 脚大家发现传痘器得到的地表温度和地面实测的沙漠表面温度差异很 大b u d l n e r k 舶( 1 9 6 5 ) 通过测量石英含量比较高的沙子的比辐射率发现。沙子的比辐 绪论 射率明显小于1 ，解释了这个矛盾i 。n i m b u s4 上的i r i s 测量结果也证实了沙地在9 a m 附 近辐射率明显小于1 ( p m b h a r a d a l u , 1 9 7 6 ) 1 3 ”。 随者研究的深入，利用遥感手段反演地表温度的方法越来越多截至目前，地表温度反 演算法主要包括单通道法、多通道法( 分裂窗算法) 、多角度法以及多通道与多角度相结合 等方法 单通道算法就是利用单个红井窗口通道的辐射测量来测定地表温度以纠正大气效应 ( p r i c e1 9 8 3 1 3 3 1 ，s u s s k i n de ta 1 1 9 8 4 0 4 1 ) 单通道算法需要已知地表比辐射率、大气剖面数据， 以及一个精确的反演模型。像覃志豪等推导的单窗算法，j i m e n , e z - m u n o za n ds o b r i n o 的单通 道算法等等都属于此类。因为t m e t m + 遥感数据只有一个热红外波段，所以针对于 t m e t m + 6 波段所做的地表温度数据的反演，都属于单通道算法 多通道方法又称分裂窗算法或者劈窗法，主要是利用在大气窗口1 0 - 1 3 卿里，两个相 邻通道上大气吸收作用的不同将地表比辐射率作为输入变量，通过两个通道测量值的各种组 合来剔除大气的影响( m c m i l l m1 9 7 5 ) 嘲分裂窗算法利用同一个大气窗口内两个不同通 道吸收的差异，将地表温度表达为两个通道亮温的线性函数以达到洧除大气影响的目的如 p r i c e ( 1 9 8 4 ) 利用辐射传输理论，通过简化大气的影响，开发了得到广泛应用的分裂窗算 法嗍；刘志武( 2 0 0 3 ) 等推导的从a s t e r 遥感数据源中反演陆面温度的算法i 明；毛克彪等 ( 2 0 0 5 ) 通过对热辐射强度和沮度之间的关系计算，利用m o d 璐的可见光、近红外和中红 外波段数据，得出了针对m o d i s 数据的地表温度的分裂窗算法嗍；从n o a a ，m o d i s 等 遥感数据源提取地表温度算法许多属于分裂窗算法 多角度方法是假设大气在空问是均匀分布的，揭示了对于一个给定通道，同一个物体在 不同观测视角下，由于大气路径长度的不同造成大气吸收的差异。这种观测可以在同一颗卫 星上实现，也可以通过多颗卫星同时观测以实现多角度观测如p r a t a ( i 鲫3 ) 在假设，当 震测天顶角小于度时，给出了双角度观测的详细讨论例；s o b r i n o 等( t 9 9 6 ) 提出了一个 改进的双角度算法l 伽 多通道和多角度相结合的方法就是充分利用多通道和多角度遥感数据中所包含的大气 信息来消除大气的影响，反演地表温度如x u e 等( 2 0 0 5 ) 利用双通道双角度的a t s r 数据 进行了地表温度的反演，温度反演结果与当时实地测量数据吻合的比较好1 因为单通道方法受限于地物辐射事、大气廓线以及辐射传输模式的精度，而多角度方法 又受限于传感器特性因此分裂窗算法以其简单并易于实现的特点而成为地表温度反演的主 要方法 4 i 绪论 城市热岛空间分布特征的研究 包括城市热场的空间分布形态以及分维分形分析，r a o 4 2 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 l ( i 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( t o 2 - 1 2 s u m ) 数据观测了太平洋中部海岸城市的地表温度类 型；p r i 等l 例利用热红外制图仪数据评估了美国西北部地区城市热岛的范围和强度； c a s e l l e s 等研究了西班牙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：w e n g ，蜘 利用陆地卫星对广州市1 9 8 9 、1 9 9 6 和1 9 9 7 三年的城市热岛特征做了分形分析，通过分维数 说明城市热岛空间范围在不同季节的变化。指出最小的分维数出现在冬季，而夏季的分维教 最大，同时城市的扩张也在一定程度上加剧了城市热岛的分维数；宫阿都m 基于l a n d s a t t m 图像对北京市的地表温度进行了遥感反演研究，绘制出北京城区及密云附近郊区的地表温度 频率分布图；陈云浩等( 4 r j 对上海市的热场结构分别从曲面分形、曲线分形和像元点分析三 方面做了分形计算，以此来说明上海市的地表温度分布状况 城市热岛的时问变化分析 主要是利用不同时刻的遥感图像反演出地表温度，比较两个时刻的地表温度在空间分布 上的差别做这项分析的关键是如何消除因时间不同，天气状况不同等造成的影响，徐涵秋 铡畔i 利用正规化处理方法，然后将地表温度范围划分为若于温度等级，研究了厦门市1 9 8 9 年到2 0 0 0 年的等级亮温面积的变化表；孙飒梅等人对遥感监测城市热岛强度及其作为生 态监测指标进行了探讨，提出以相对亮温来表示热岛强度，并将此无量纲因子应用于比较不 同城市同一季节的不同小区、或同一小区不同时期中的热岛强度的差异；张尚印等【蜘对近 4 0 年北京地区强热岛事件进行了初步分析，观测发现近4 4 年问北京市强热岛日呈明显增多 趋势，年际波动明显；强热岛日强度年际波动明显，但强度的年代际变化趋势并不明显。壬郁等 p 1 通过分析北京市近l o 年的夏季气象资料发现北京市的夏季同样存在较强的城市热岛现 象，并且范围在扩大，呈多中心特征；陈沈斌嗍应用主成分分析法，探讨了3 0 多年来北京 城市化对城市气温的影响。 城市热岛与其影响因素之问的研究 这一方向也是大家研究的焦点，其中地表温度与植被覆盖量的关系研究最多，g a l l o e t b l ( 1 螂) 认为标准化植被指数( 唧i ) 和地面辐射温度存在负相关关系，城镇有较低的- d v i 值和较高的地面辐射温度而乡村尉相反】；| e n ge ta l ( 2 0 舛) 用l a n d s a t 口廿研究了美国 印第安纳波利斯地区( i n d i a n a p o l i s ) 地面亮沮和植被的关系，实验证明植被分数 5 i 绪论 “e g e t a t i o n f r a c t i ) 作为一种新的植物量能更好地研究地面亮温和植被的关系【州：城市 扩张被普遍认为是影响地表温度的重要因素w e n g ( 2 0 0 2 ) 借助g i s 技术较为详细地论述了珠 江三角洲土地利用覆被变化对地表温度的影响，认为1 9 8 9 年至1 9 9 7 年珠三角城镇用地的增 加带来地面平均亮温的增加达1 3 0 i k s s ；丁金才等( 2 0 0 2 ) , i 嬲j1 9 9 8 年上海市区建成面积比 1 9 9 2 年扩大了近一倍，热岛效应面积也相应增加了一倍，两者呈现同步增大的关系，2 年的热 岛面积与市区建成区面积之比平均为1 7 ：l i 蚓：郑艳等i s t j i 开究了影响北京城市增温的主要社 会经济因子，指出城市化进程中的人口增长、社会经济发展、基础设施建设及能源消耗等都 是影响城市增温的主要因素；所有的研究都表明增加城市的绿色空间对于缓解城市的热岛效 应有明显的效果，李延明等i f , 9 1 进一步研究了城市下垫面地物特征与热岛强度的定量关系， 评价了城市发展及城市绿化对热岛效应的影响：程承旗【”j 在热岛景观与植被景观的基础上 做了热岛强度与n d v i 之间的线性拟合关系；下垫面是影响城市热岛的一个重要因素，周椒 贞l e e 应用气象卫星研究了热场与下垫面结构的关系，并建立了相应的回归方程张景哲等1 6 1 1 用多元回归和逐步回归的方法。对北京城市气温与- f 垫m i 结构的关系作了分析：江晓燕等 e 1 分析了城市下垫面反照率变化对北京市热岛过程的影响。另外，张兆明等o 蟾用g i s 空间 分析工具，分析了地表温度与地形特征和地表覆盖类型之间的关系：杜明义等“j 分析了廊 道结构对北京市空间热环境的影响，结果证明，城市廊道系统对城市空间热环境有明显的影 响，但影响范围一般不会超过3 0 岫；徐骏等嘲利用热红外遥摩研究上海市道路系统对城市 热场的影响，研究证实，城市道路系统中某些类型的道路对城市热场高温区具有明显的分隔、 缩小和减弱作用 区域性研究 目前对大范围大区域的研究也很多，h u g h e s 等闭研究了城区对南非温度变化趋势的影 响；j o n e s 等咿懈估了城市化对大陆温度序列的影响；p e t e r s o n 等嘲研究了全球农村温度变 化趋势以区别城市热岛效应对全球增温的影响；q 山等l 硎分析了美国洛杉矶地区昼夜 热场分布情况；p r i c e 等f o j 利用热红外制图仪数据评估了美国西北部地区城市热岛的范围和 强度；王宇分析过全球地表温度的变化，预测未来1 0 0 年内，全球平均地表温度将升高i 4 刭5 8 摄氏度李栋粱等7 1 1 也对青藏高原的地表温度做过相关分析，指出高原地表温度主 要受海拔高度与纬度的影响，海拔越高温度越低，纬度越高温度越低；廷吴等阎利用遥感 和常规资料对比研究中国地面温度变化，结果表明：晴空条件下的中国地表温度与气温和地 沮的宏观变化规律是基本一致的 综上所述，用遥感的方法来研究地表温度以及热环境的状况已经基本上取代了传统的人 6 l 绪论 工测量法，但是人工实地测量和更多的气象观测站的建设将是对热红外遥感的一种有益补 充，只有将两者有机结合才能更有效的研究地表温度的变化状况，从而更好的监测城市热岛 效应热红外遥感技术虽然已经取得了相当的发展，但是更准确的温度反演方法依然是研究 的重点 1 2 2 存在的主要问题 目前，对城市热岛的研究虽然取得了一定的进展，但是仍然存在不足，存在的主要 问题包括： 1 ) 虽然经过众多学者不懈的努力，推导出了许多反演地表温度的模型，但是地表温度 的反演依然存在很多问题：地表比辐射率具有不确定性；能量平衡各辐射分量很难精确测定； 大气下行辐射项很难纠正；缺乏与遥感尺度反演的地表温度相一致的地面验证数据等。 2 ) 对城市热岛的深入研究存在一定的难度。目前对于利用热红外遥感研究城市热岛多 停留在研究单个城市的水平上，其中国内还基本上停留在研究一个城市地表温度的空间分布 状况和多年的历史变化的水早上，甚至一些学者还仅仅用地表的亮度温度当真实温度或是通 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来研究城市的热岛效应。对于多个 城市和整个区域上的地表温度研究还存在一定不足。目前国内基本上还没有利用热红外遥感 来研究地表温度与气候环境的关系以及地表温度在地表生态过程中的应用等方面的研究，而 国外已经开始了这方面的探索，但是在研究过程中依然存在一定的难度当前如何将地表温 度应用到已有的气候模型和地表生态过程模型中还处于探索阶段。 3 ) 地表温度与气温的关系尚不确定。很多人在进行地表温度与气温之间的转换研究 但是因地表温度与气温的关系与卫星观测角度、太阳高度角以及局地气候相关，很难精确建 立二者的转换模型，直到目前，还没有一个公认的模型可以得到广泛应用 4 ) 国内目前对热岛的研究角度一般单一缓解方案缺乏定量化，如很多文章中都提到 增大绿化面积、采用新型的材料等等缓解方案。虽然具有一定的指导性，但缺乏实际的可操 作可执行的量化方案我国城市的发展，不可能只为了缓解热岛进行无限制的绿地建设或大 规模、高成本的城市改建：在今后的研究中，宜加强热岛缓解的定量化分析及操作性强的实 施方案的拟定，特别值得注意的是要从人生理感受的角度对热岛的缓解进行研究u 4 5 ) 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，而从飙 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相对较 少如可进一步研究徽观尺度i - - 睚j 城市热岛，详细分析其内部结构网目前的遥感传感嚣 7 l 绪论 分辨率是远远不够的，因而城市热岛的遥感研究还期待着更高分辨率的传感器的出现 1 3 研究目标、内容、方法和技术路线 1 3 1 研究目标 本文研究的时间跨度大致为2 0 0 1 年到2 0 0 6 年。采用遥感方法研究城市热岛效应具有分 辨率高、覆盖范围广、信息准确、信息获取快的优势。本文以北京市旧城区为主要研究对象， 以遥感为主要技术手段，采用较高分辨率的遥感数据结合g i s 强大的分析、统计、叠加 和制图功能，通过对不同时相遥感数据的处理，研究城市热岛时空演变规律，分析不同的廊 道类型对城市熟岛效应的影响，不同下垫面类型的热惯量对比及其与热岛强度的相关性，为 建立城市热岛的预测预估模型提供基础数据，从而指导旧城区合理规划，改善人们的居住环 境和生态环境 1 3 2 研究内容 1 ) 利用a s t e r 、t m 、m o d i s 数据热红外波段反演研究区地表温度； 2 ) 计算研究区热岛强度，分析研究区热岛效应的时空演变规律、热岛效应随季节的变 化以及夜间的热岛效应：分析三种廊道类型对热岛效应的影响： 3 ) 研究区不同下垫面类型( 道路、植被、水体等) 的信息提取； 4 ) 研究各种下垫面类型的热惯量，并进行热惯量对比分析； 5 ) 研究各种下垫面类型的热惯量与热岛强度的相关性 1 3 3 研究方法 本研究主要以高分辨率遥感数据为数据源，以北京市旧城区为试验研究区，借助于g i s 的空间分析功能，对北京市的城市热岛效应进行监测和分析主要研究方法如下： 1 ) 地表温度反演：选择a s t e r ，m o d i s 遥感数据热红外波段，采用分裂窗算法反演 地表温度；而t m 数据采用普适性单通道算法反演地表温度； 2 ) 下垫面类型提取：综合运用遥感资料，包括航空像片和卫星遥感数据( s p 0 叽a s t e r 、 t m ) ，利用决策树、监督分类和非监督分类相结合的方法对遥感影像进行分类提取下垫面 类型； 3 ) 相关性分析：利用热惯量模型，反演各种下垫面类型的热惯量。并对比各种下垫面 类型热惯量的大小，进一步利用线性回归方法，研究各种下垫面类型的热惯量与热岛强度的 相关性 0 1 绪论 1 3 4 研究的技术路线 图1 2 本研究技术流程总图 1 4 研究区概况 北京市是中华人民共和国首都，为历史悠久的世界著名古城。位于华北平原西北边缘， 东南距渤海约1 5 0 千米。它共有东城、西城、崇文、宣武、海淀、朝阳、丰台、石景山、门 头沟、房山、通州、腰义、昌平，怀柔、大兴、平谷1 6 区和密云、延庆2 县面积1 6 8 0 0 多平方千米全市总人口为1 3 8 1 9 万人，外来人口超过3 0 0 万北有军都山，西有西山 山地占全市面积的6 2 ；东南是永定河、潮白河等河流冲积而成的，缓缓向渤海倾斜的平 原土地面积：北京全市土地面积1 6 8 0 7 8 平方公里。其中平原面积6 3 9 0 3 平方公里，占 3 8 山区面积l 舛1 7 5 平方公里，占6 2 。城区面积8 7 1 平方公里近郊区面积1 2 8 2 8 平方公里，远郊区面积3 1 9 8 平方公里县的面积1 2 2 3 9 9 平方公里市区规划范围：东至 定福庄、西至石景山，南至南苑，北至清河，面积7 5 0 平方公里市中心地区( 即旧城区 东西以二环路中心线为界，南北以护城河中心线为界) 面积6 2 5 平方公里本次研究以旧 9 i 绪论 城区为主，故选择的范围为二环以内的范围。 2 0 世纪8 0 年代以来，北京市城市建设发展迅速，城市范围不断扩大，下垫面的变化以 及人类活动的影响，使得其城市气候特征发生显著变化目前北京市旧城区( 二环以内) ， 热岛效应最为强烈，不仅热岛强度高而且