（地图学与地理信息系统专业论文）福州市热岛效应时空特征及演变规律研究.pdf

福建师范大学肖和善硕士学位论文 图目录 图1 1 技术路线。8 图2 一l 研究区范围9 图3 - i 水体信息1 8 图3 - 2 植被信息1 9 图3 3 试验区主要地物光谱曲线2 0 图3 - 4 初步提取的研究区裸地2 0 图3 5 聚类图2 1 图3 - 6 最终确定的研究区裸地2 1 圈3 - 7 研究区城镇建筑用地2 2 图3 8 研究区城镇建筑用地提取技术流程图2 3 图3 - 9 研究区城镇建筑用地叠加图2 4 幽3 1 0 祸州市城市化水平、城区人口和总人口关系图2 6 图3 1 l 福州市g d p 、第一产业、第二产业和第三产业产值增长柱状图( 1 9 8 9 - 2 0 0 1 ) 2 7 图3 1 2 祸州市第一产业、第二产业和第三产业比重柱状图2 8 图4 1 研究区地表比辐射率4 3 图4 2 研究区亮温4 9 罔4 3 研究区地丧温度分相同5 l 图5 1 研究区温度分级图5 6 幽5 2 研究区样区分布5 7 幽5 3 研究区剖面分析剖面线位置图6 l 图5 - 4 研究区东西方向地表温度剖面图6 2 图5 5 研究区南北方向地表温度剖面图6 3 幽5 - 6 研究区不同下垫面地表温度均值6 5 图5 - 7 研究区不同下垫面地表温度方差6 5 v l 福建师范大学肖和善硕士学位论文 表目录 表2 1l a n d s a tt m 主要技术参数1 2 表2 2 n d s a te t m + 主要技术参数1 3 表2 3 遥感影像的图幅景号及获取时间1 3 表2 4 非遥感数据1 4 表3 1 试验区各主要土地利川类型的波段均值1 9 表3 - 2 研究区城镇建筑用地面积2 5 表3 3 福州市社会经济统计资料( 1 9 8 9 2 0 0 1 ) 2 5 表3 _ 4 福州市第一产业、第二产业和第三产业比重2 8 表4 1 研究区n d v i ，、n d v i 。和n d v i 值4 l 表4 2 典型地物比辐射率4 1 表4 3t m 6 的大气透射率估计方程4 5 表4 - 44 个标准大气剖面各层水分含量占其总水分含量的比率4 6 表4 - 5l a n o s a tt m 嗍+ 传感器相关参数4 7 表5 1 研究区温度平均值与标准差。5 4 表5 2 研究区地表温度等级划分。5 4 表5 3 研究区1 9 8 9 一0 6 1 5 、1 9 9 6 0 9 - 0 6 、2 0 0 1 - 0 3 一0 4 地表温度极值5 8 表5 - 4 研究区1 9 8 9 0 6 1 5 、1 9 9 6 一0 9 0 6 、2 0 0 1 一0 3 一0 4 地表温度极值( 置信区间内) 5 9 表5 5 研究区城郊温度正规化均值。5 9 表5 - 6 研究区热岛区、冷岛和过渡区而积6 0 表5 7 研究区不同下垫面类型地表温度均值与方差。“ v i l 福建师范大学肖和善硕士学位论文 建师范大学学位论文使用授权声明 本人( 姓名) 凿塑羞学号至q q 量墨鳋专业丝图堂皇地理筐星丕统 所呈交的论文( 论文题目：福州市热岛效应时空特征及演变规律研究) 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果。本人了解福建师范大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留送交的学位论文并允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容；学校可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名缯盘差 指导教师签名 签名日期之：之墨月 舯i 建师范人学肖和善硕士学位论文 摘要 城市热岛研究中的一个主要因子是地表温度。随着城市热环境的深入研究，如 何监测和计算地表温度已经成为城市热环境研究的一个重要内容之一。本文在r s 与g i s 的支持下，以改革开放以来正经历快速城市化过程的沿海开放城市福州 市为例，选取了1 9 8 9 年、1 9 9 6 年和2 0 0 1 年三个时相的l a n d s a tt m e t m + 热红 外波段影像进行地表温度的反演。根据反演结果分析研究区地表温度的空间分布特 征及时空演变规律。 利用适合研究区信息提取的相关模型提取研究区水体、植被覆盖区、裸地和城 镇建筑用地信息，分析研究区城镇建筑用地的扩展规律和驱动力因子。利用基于影 像的算法反演研究区地表温度。在此基础上，对研究区地表温度图像进行密度分割， 划分不同等级分析研究区城市热岛的空间格局及热岛范围的演变规律。通过选取典 型样区分析研究区热岛强度的时空演变规律，选择有代表性的剖面线分析热场的总 体变化趋势和平面特征。最后统计分析研究区地表温度与地物类型的关系。研究表 明：研究区特高温主要分布在城区建筑物比较密集区域和裸地区域。热岛区的范围 逐年扩大，且扩大速度有加快趋势，热岛强度也逐年增大，但增长速度有减缓趋势。 不同下絷面地表温度均值从小到大依次是：水体，植被覆盖区，裸地，城镇建筑用 地，方差从小到大依次是：水体，植被覆盖区，城镇建筑用地，裸地。 关键词：遥感：地表温度；热岛效应；时空分布特征 福建师范大学肖和善硕士学位论文 a b s t r a c t l a n ds u r f a c et e m p e r a t u r e ( l s t ) i sam a j o rf a c t o ro ft h eu r b a nh e a ti s l a n d ( u h i ) r e s e a r c h 、m t ht h ei n d e p t hs t u d yo fu r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n t ，h o wt om o n i t o ra n d c a l c u l a t el s tc o m e ss i g n i f i c a n t l yi nt h ec u r r e n tu r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n tr e s e a r c h s u p p o r t i n gb yr sa n dg i s ，f u z h o uw h i c hw a sa no p e nc o a s t a lc i t ya n du r b a n i z a t i n g r a p i d l ys i n c et h ep e r i o do fr e f o r ma n do p e n i n gw a ss t u d i e d l s tw a sr e t r i e v e df r o mb a n d 6b yt h r e el a n d s a tt m e t m | + i m a g e sd u r i n gt h ey e a ro f1 9 8 9 ，1 9 9 6a n d2 0 0 1 b a s e do n r e t r i e v e dl s tm a p so ft h es t u d y i n ga r e a ，t h ea u t h o ra n a l y s e dt h el s t s p a t i a ld i s t r i b u t i o n f e a t u r ea n di t ss p a c e t i m ec h a n g el a w t h ew a t e r , v e g e t a t i o n b a r e n e s sa n du r b a nb u i l t - u pl a n do fs t u d ya r e aw e r ee x t r a c t e d w i t ht h er e l e v a n tm o d e l ，i n c l u d i n gt h ee x p a n s i o nl a wa n dd r i v i n gf o r c eo f u r b a nb u i l t - u p l a n d l s to fs t u d ya r e aw a sr e t r i e v e du s i n gi m a g e - b a s e dm e t h o d a c c o r d i n gt ot h e d e n s i t ys e g m e n t a t i o ni m a g e ，r e t r i e v e dl s tm a p so fs t u d ya r e aw e r ed i v i d e di n t od i f f e r e n t l e v e l st oa n a l y s es p a t i a ld i s t r i b u t i o nf e a t u r ea n di t ss p a c e - t i m ec h a n g el a w s p a c e t i m e c h a n g eo f u h ii n t e n s i t yw a ss t u d i e dt h r o u g ht y p i c a ls a m p l e t h et r e n da n df e a t u r e so f u h lw a sa n a l y z e dt h r o u g har e p r e s e n t a t i v ep r o f i l el i n e f i n a l l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n u h ia n dl a n dc o v e rt y p e sw a ss u m m a r i z e dt h r o u g ht h em e t h o do fs t a t i s t i c a la n a l y s i s t h e r e s u l t ss h o wt h a t ：t h ea r e ao f h i g h t e m p e r a t u r em a i n l yd i s t r i b u t e sr e g i o n so fi n t e n s i v e b u i l d i n g sa n d b a r e n e s s t h es c o p eo f h e a ti s l a n de n l a r g e sy e a rb yy e a r a n dt h es p e e dw a s a c c e l e r a t i n g ，u h ii n t e n s i t yi n c r e a s e sg r a d u a l l y ，b u tt h es p e e ds l o w su p 1 l 鸲m e a no f l s t f r o ms m a l lt ol a r g ei nt u r ni s ：w a t e r , v e g e t a t i o n ，b a r e n e s s ，b u i l t - u pl a n d ，a n dt h ev a r i a n c e i s ：w a t e r ，v e g e t a t i o n ，b u i l t - u pl a n d ，b a r e n e s s 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 ；t i m e s p a c e 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 l l 福建师范大学肖和善硕士学位论文 中文文摘 随着全球气候变暖和城市化进程的加快，由城市热环境问题所带来的影响倍受 人们的关注。特别是大城市，随着城市规模急剧扩展和城市人口的快速增长，加剧 了城市热岛的强度和范围。因此，分析研究城市热场在时间上和空间格局上的变化 及其演变规律，对于优化城市规划建设布局、改善城市人居环境都具有重要的理论 和现实意义。 本文以发展迅速的省会城市福州市为例，在r s 和g i s 技术的支持下，通过对 1 9 8 9 年6 月1 5 日、1 9 9 6 年9 月6 日和2 0 0 1 年3 月4 日三个时相的l a n d s a t t m e t m + 影 像进行相关地物信息的提取和地表温度定量反演。在此基础上，分析研究区城镇建 筑用地信息的扩展规律和驱动因子；根据定量反演的结果分析研究区地表温度的空 间特征及时空演变规律。本文共分六章，各章内容如下： 第1 章绪论 指出本文研究的背景与意义，通过阅读国内外相关文献资料，重点讨论了热岛研 究的研究内容、各种方法和缓解热岛效应措施在城市热环境研究领域的进展。在此 基础上，提出本文拟采用的研究方法，确定研究的目标和内容，而后构建本文的技 术路线。 筇2 章研究区概况及数据预处理 介绍研究区的地理位罱、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。阐述数据预处理的过程，重点介绍l a n d s a tt m e t m + 遥感影 像的几何纠正、影像的裁剪、影像重采样。 第3 章研究区典型覆被类型提取及城镇扩展研究 综合对比、评价多种典型地物类型的提取方法，选择改进归一化差异水体指数 ( m r 囝w 0 提取研究区的水体信息；根据土壤调节植被指数( s a v i ) 提取研究区植被 覆盖区信息：通过比较和分析裸地与其他地物的波谱特征差异，选择第5 波段，利用 闽值分割初步提取研究区裸地信息，然后通过聚类统计和去除分析，最终得到研究 区的裸地信息；利用所提取的研究区植被信息、水体信息和裸地信息，对植被、水 体和裸地进行二值逻辑运算，得到研究区城镇建筑用地信息：根据提取的研究区城 镇建筑用地信息，利用g i s 叠加分析方法，对提取研究区3 个时相的城镇建筑用地信 i l l 福建师范大学肖和善硕士学位论文 息分析其扩展规律和总体变化趋势；统计相关的社会经济数据，从入口增长，经济 快速发展和基础设施建设等方而分析研究区城镇建筑用地扩展驱动力。 第4 章研究区地表温度反演 介绍遥感反演地表温度的物理基础，如基尔霍夫定律、普朗克定律、斯蒂芬 波尔兹曼定律、维恩位移定律等；提出以遥感作为主要数据源，结合相关的大气参 数数据，利用参数计算模型、地表温度反演模型进行地表温度反演的总体思路：对 国内外常用的几种地表温度反演模型( 辐射传导方程法、单窗算法、单通道算法、 基于影像的反演算法) 和地表比辐射率模型( n d 经验公式估算法、典型地物及 混合模型计算法、改进典型地物及混合模型计算法) 进行介绍和评价，同时介绍了 地表温度反演模型中所需的参数( 大气平均作用温度和大气透射率) 估算方法；利 用地表亮温计算公式计算研究区的地表亮温：对比评价遥感反演地表温度的反演模 型和地表比辐射率计算模型，并根据本文研究的需要，综合改进地表比辐射率模型， 利用改进后的地表比辐射率模型计算研究区的地表比辐射率，选择基于影像的反演 算法反演研究区地表温度。 第5 章研究区城市热岛时空演变规律 采用基于稳健统计方法对三个时相的地表温度图像进行分级统计，分析研究区地 表温度的分布格局及演变特征，统计分析研究区热岛范围及变化趋势，分析得到： 研究区特高温主要分稚在城区建筑物比较密集的区域和裸地区域，1 9 8 9 年至1 j 1 9 9 6 年 特高温区域明显增加，1 9 9 6 年n 2 0 0 1 年增加得非常缓慢，同时特高温区域比较破碎： 特低温主要分布在水体、山体阴影和植被覆盖度极高的区域；根据本文定义的高于 地表温度平均值+ 1 倍方差的地表像元属于高温地表( 称之为城市地表热岛区) 和低 于地表温度平均值1 倍方莠的地表像元属于低温地表( 称之为城市地表冷岛区) 确 定城, l i , 4 l i 岛区刺冷岛区，1 9 8 9 q ! 垒2 0 0 1 年研究区的热岛面积逐年增加，年均增加率 为0 3 9 ，其中1 9 8 9 年全1 9 9 6 ；p - ；f 均增长率为0 0 9 ，而1 9 9 6 年至2 0 0 1 年年均增加率 为0 8 1 ，热岛区的范围增加有明显的加快趋势：研究区冷岛范围从1 9 8 9 年至1 9 9 6 年年均增加率为5 7 6 ，而从1 9 9 6 年至2 0 0 1 年冷岛范围年均减少率为1 5 1 ：过渡区 的范围由1 9 8 9 年至1 9 9 6 年年均减少率为1 2 7 ，而从1 9 9 6 年至2 0 0 1 年过渡区的范围年 均增加率为0 2 3 。 在地表温度分布图上选择典型的城、郊样区，对样区的地表温度进行归一化处理， 分析研究区热岛强度的大小和变化规律，分析得到g1 9 8 9 年至2 0 0 1 年研究区热岛强 i v 福建师范大学肖和善硕士学位论文 度由0 3 6 9 增至0 3 9 8 ，年均增长率为0 6 3 ，其中1 9 8 9 年至1 9 9 6 年热岛强度年均增长 率为0 7 1 ，而1 9 9 6 年至2 0 0 1 年热岛强度年均增长率为0 5 3 ，表明研究区1 9 8 9 年至 2 0 0 1 年热岛强度逐年增大，但是增长速度有减缓趋势。 在研究区的南北向和东西向选择典型剖面线，获取地表温度变化的断面信息， 描述热岛演变的空间变化过程，剖面线整体上呈现中间高，两边低的形态，无论是 凸起部分还是凹陷部分，剖面线呈现明显参差不齐的锯齿形态特征，无论东西向还 是南北向，2 0 0 1 年剖面线较1 9 8 9 年和1 9 9 6 年的剖面线更加密集，锯齿形成的陡崖坡 度更大，而且陡崖的高度也越来越高。 通过研究区地表温度图与地表覆盖类型图叠加分析，研究城市热岛与地物类型 的关系，研究区不同下垫面类型地表温度均值三个时相都是：水体 植被覆盖区 裸地 城镇建筑用地；研究区不同下垫面类型地表温度方差三个时相都是：水体 植被覆盖区 城镇建筑用地 裸地。 第6 章结论与讨论 概括论文的主要结论，并指出今后需进一步讨论的问题。 v 第l 章绪论 1 1 选题背景与意义 第1 章绪论 自从1 8 3 3 年l a k eh o w a r d 就伦敦市中心气温比郊区气温高的现象提出“城市热 岛”概念以来，城市的热环境问题一直倍受关注。所谓城市热岛就是指城区气温高、 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、郊气温对比观测亦发现类似现象【2 1 。 城市化是人类进步的标志，是社会发展的必然结果。随着城市化水平的提高， 城市热岛强度也随之增加，其直接影响人们的生产和生活。原本炎热的夏季，加之 城市热岛的影响，使得城市更是酷暑难熬，极易形成高温灾害，增加市民中暑和心 血管等疾病的发病率，严重影响居民的身体健康。在城市中，人们为了改善其生活 和工作环境，在夏季，越来越普遍地使用降温设备，热岛直接增加降温设备的能耗。 经过多年的观测研究，在高纬度地区的冬季污染相当严重，一个重要的原因就是城 市热岛效应的存在。当出现城市热岛时，在其热岛区的低空存在有悬浮逆温层，不 利于大气污染物的扩散。城市中的烟尘、雾等比郊区多，在阳光的作用下，极有可 能发生化学反应产生对人体危害更大的光化学污染。随着城区面积的扩大，以前建 在郊区的有污染的工厂，也会处于城市热岛的范围内，通过热岛环流把工厂有害气 体带进市区，加重城市的大气污染。城市热岛现象也被人们称为“人造火山”，大气 在夜间得不到冷却，改变了大气能量平衡，恶化了大气热环境。城市地面散发的热 气形成暖气团，将城市烟尘笼罩在大气底层，难于流通，形成对人体有害的“烟尘穹 窿”。除此之外，城市热岛还会引起气象灾害，导致气候、物候失常等。 城市热岛已经成为城市公害，危害人们的健康，造成经济的巨大损失。世界各 国就城市热岛开展了大量的研究，并取得丰硕成果。美国航空航天局( n a s a ) 和环保 署( e p a ) 1 9 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 o 、b a t o nr o u g e 等城市，利用地面观测和遥感技 术丌展了针对夏季城市热岛的研究与治理工作【3 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f 4 1 。日本、西欧也在积极开展类似的研究 福建师范大学肖和善硕士学位论文 工作，可见城市热环境及其热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。 根据卢瑟姆曲线，我国现在和今后一段时间处于城市化高速发展时期，城区面 积和城市人口将极剧增加，城市化过程带来的环境问题也将日趋严重。城市化加速 在一定程度上会使城市热岛强度得到增强。城市热岛的研究，对城市的合理规划与 城市的改建、扩建、工业的布局、环境保护、城市环境质量评价等都具有重要参考 价值。 福j , i i 属于我国沿海开放城市，城市化和经济发展迅速，城市化带来的城市热岛 范围不断扩大，热岛强度也在不断增强。研究福州城市热岛的时空分布特征和演变 规律，不仅可以为福州市的城市规划、产业和局等提供科学依据，而且对其他城市 的热环境研究也有所借鉴。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 研究内容 1 2 1 1 城市热岛的时空特征及演变规律研究 国内外学者在研究城市热岛效应时，研究得比较多的是热岛的范围，热岛强度 的周期变化规律，空间分稚特征，以及热岛强度、范围随时间的变化特征等。m a t s o n 等利用n o a a 数据研究了美国西海岸几个城市的夜问城乡辐射温度差异1 5 】；p r i c e 等 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r o t h 等研 究了美国西海岸地区的城市热岛强度及结构【7 】；s t r e u t k c r 根据休斯敦地区1 9 8 5 1 9 8 7 年问和1 9 9 9 2 0 0 1 年n 1 j 获取的数百撩夜问n o a a 影像地表温度图，系统地分析了这两 个时期的城市热岛特征1 7 , g ，结果表明1 2 年间休斯敦地区城市地表热岛强度平均增加 t o 8 k 或3 5 ，且城市热岛的范围也扩大了1 7 0 k m 2 【9 1 。谢庄【10 1 、郑祚芳】、张兆明【1 2 】、 刘熙明【i3 1 、焦敦基 1 4 垮对北京和上海的热岛的时空特征做了深入的研究。 1 2 1 2 城市热岛的影响因子研究 城市热岛的形成、发展及其空间分布受到多种因素的影响。科学家试图通过对 影响城市热岛的各因子分析，最终揭示城市热岛的形成、发展变化的驱动机制。 2 第1 章绪论 m i t c h e l l 通过美国7 7 个城市的资料证明城市最大热岛效应强度与城市人口密度的平 方根呈正相关【i 习：o k e 根据欧洲和北美2 0 多个城市资料统计得出热岛效应强度与城 市人口对数l o 啦呈线性关系，而f u k u o k a 研究得出日本城市最大热岛强度与人口对数 l o 啦呈非线性关系【1 6 1 ；s t r e u t k e r t t 7 1 分析了休斯敦市的地表温度和人1 2 1 密度的分布特 征，每虹2 人口增加1 0 0 0 人，则温度升高0 7 1 k ；l a n d b e r g 、d u c k w o r t h 和m i t c h e l l 等【1 8 - 2 1 研究了城市人口密度、人口数与城市热岛强度的关系，发现三者存在一定关 系，但并非城市规模越大，热岛效应越强：黄嘉佑【2 2 j 利用华南地区不同类型人1 2 1 城 市气温1 9 5 1 2 0 0 1 年资料，研究了人口与城市热岛的关系；曲学实【2 3 】利用经验正交函 数分解的方法，对上海和南京两城市的同时期观测资料做了分析，发现影响这两个 城市热岛强度的物理机制有实质性差异，并从数量上确定各种因子对热岛强度的贡 献大小；吴宜进【2 4 】在分析了航空、航天热红外遥感资料的基础上。通过对不同地物 和不同地区的实地观测以及不同物体温度周期变化规律的研究模拟，分析了武汉城 市热岛的形成机制：周淑贞【2 5 】研究二氧化碳和水气对上海市城市热岛的影响：程炳 岩f 2 6 】研究了郑州城市热岛形成的最基本原因是城市下垫面的热力学特性与郊区不 同：李立华【27 】从能量平衡的角度分析了城市地貌储热方式和城市地表反射率偏低、 蒸发微弱的地貌原因，认为城市地貌物质组成的双层结构、城市垂直墙面以及由垂 直墙面和街面组成的城市“峡谷”等城市人工地貌的形成是引起城市热岛效应的主要 因素：郦桂芬【2 8 1 根据遥感资料分析了酒泉市城市热岛的成因，指出建筑空间、污染 物、水体都是影响城市热岛的主要原因；王文杰1 2 9 】分析下垫面改变、大量人为热排 放及城市区域本身的温室气体排放是导致城市热岛产生的主要原因，城市规模则决 定了城市区域热岛效应的影响规模与强度，进而影响区域空气中污染物的扩散l 江 樟焰【3 0 】利用l a n d s a tt m 热红外波段数据，根据辐射传输方程反演得到北京地区地 表温度，讨论了北京城市热岛现象及其与土地覆盖类型和植被指数的关系；徐涵秋 f 3 1 l 研究了厦门市1 9 8 9 2 0 0 0 年的城市热岛与城市空间扩展的关系。 1 2 1 3 城市热岛的措施研究 随着人们生活水平的提高，人们对其居住的环境要求也越来越高，然而城市热 岛给城市环境带来不利的影响，人们正积极采取措施来降低、控制城市热岛的危害。 刘文杰【3 2 1 利用景洪市城郊1 9 6 4 1 9 9 4 年长期对比观测气象资料，分析了景洪城市热 岛效应及其对城市高温的影响，并提出了防御对策：张科平【3 习从城市热岛概念入手， 祸建师范大学肖和善硕士学位论文 探讨城市热岛效应的成因，研究上海城市热岛的表现特征以及对上海气候和居民生 活带来的影响，从生态角度详细分析了绿地在改善热岛中的作用，并分析各种形态 的绿地在改善小气候中的不同功效，最终提出通过绿化来改善上海城市热岛效应的 对策、建议；赵可新【3 4 j 以杭州为例研究热岛的成因、危害，探讨了改善城市生态环 境，降低热岛强度的对策；王艳霞【3 5 】对城市化过程中城市热岛的变化及城市绿地对 城市热岛效应的影响进行了分析，并对缓解城市热岛效应的途径和措施进行了讨论。 1 2 2 研究方法 1 2 2 1 气象站法 传统的热岛效应的研究主要是运用气象站点的历史数据，选取若干个气象指标， 分析一个城市或区域在不同发展阶段热岛特征及变化情况。气象站点数据可以描述 城市热岛的历史演变过程，如p r a g u e1 7 7 5 年1 月就开始有气温测量的连续记录， k l e m e n t i n u m 城市热岛从上世纪初到大约1 9 4 0 年增加量为0 0 7 0 0 8 * c 1 0 a ，到后来提 到到0 1 1 0 a t 3 6 】。早期国内外学者主要是通过气象站点的气象数据来研究城市热岛。 于淑秋【3 7 】、宋艳玲【3 8 1 、李兴荣f 3 9 】、王郁【4 0 】、季崇萍川等利用北京市不同时段气象站 点的气象资料对北京市热岛城市进行了研究；任启福通过1 9 6 1 1 9 9 0 年4 0 年的气象数 掘对重庆市的城市热岛进行研究【4 2 】；田武文选取1 9 6 1 2 0 0 3 年西安站和周围4 站月平 均气温资料，利用西安站与周围4 站气温距平滑动平均变化趋势的差异，发现该站平 均气温有两个明显的上升期，热岛效应使西安站平均升温1 0 7 ，并建立了西安市 城市热岛效应模型【4 3 1 ；白虎志利用1 9 5 8 2 0 0 3 年兰州及临近两个乡村气象站气温资 料，研究了兰州城市热岛效应特征和导致热岛效应季节差异及其年际变化趋势的主 要气象因子【4 4 】；曾侠利用广东省沿海地带气象站、海洋站观测的1 9 6 0 2 0 0 3 年气温资 料，以5 个无热岛效应影响的海岛站气温为参照，分析了近4 4 年沿海1 8 个气象站受城 市热岛影响的程度【4 5 1 。气缘站法可以研究城市热岛的历史演变特征，但是因气象站 点有限，空间分辨率低，不能详细分析城市热岛效应的空间结构特征：选取不同的 气象站点，城市热岛强度研究结果差异比较大；准确定量研究城市热岛强度的变化 具有不确定性。 4 第1 章绪论 1 2 2 2 遥感监测法 自1 9 7 2 年r a o 4 6 首次报道利用卫星遥感研究城市热岛现象以来，遥感以其时相 多、范围广、能长期连续监测，并根据热红外图像得出的地面辐射温度图直观形象， 解释方便，对微观和宏观温度都可进行定性、定量分析的优势，成为城市热岛研究 的一个发展趋势。b a l l i n g 4 7 等利用a r r 图像分析阿塞拜疆地区辐射温度的分布， 发现地表辐射温度分布与土地类型特征直接相关；r o t h 等【7 】评价了北美西部沿岸几 个城市热岛效应强度；白天工业区温度比农业用地、绿地等温度高，但夜晚的温差 减小；p a r k 等【4 8 】分析1 9 8 2 年6 8 月韩国汉城的观测资料得出，工厂和商店对汉城的热 岛效应强度贡献最大，其次是住宅，温度最低的是水体；1 9 9 3 年g a l l o 等【4 9 】首次运用 由a v h r r 数据获得的n d v i 估测城市热岛效应；w e n g 等【5 0 】研究发现，除水体外， n d v i 与各种土地覆被类型的地表辐射温度呈负相关，两者关系大小与研究尺度有 关：s t r e u t k “1 7 l 利用2 0 7 景a v h r r 数据分析美国休斯敦市1 9 8 5 2 0 0 1 年城市热岛效应 强度和范围的变化，表明热岛强度增加了0 8 k ，范围由3 8 扩展到8 8 ；o w e n 等【乳i 把n o a a 卫星提取的土地利用数据与s v a t 模型相结合，运用植被指数和地表湿度两 个土地覆被指数定量分析土地利用变化对城市热岛效应影响机理及其大小。国内许 多学者也利用遥感对城市热岛进行研究。范心圻1 5 2 提出利用n o a a 气象卫星的 a v h r r 资料和美国陆地卫星t m 热红外资料对城市热岛做动态监测研究十分有利； 李旭文 5 3 1 利用陆地卫星t m 热红外波段的数据对苏南大运河沿线城市苏州、常州、镇 江的热环境作了分析，了解城市热岛效应的强度、分布和成因，分析了热岛内部的 耥细结构，硼f 究发叫t m 热红外图像能较好地揭示城市下垫面的梢细热现苏的撩观结 构，反映温度场的分布，可为城市热环境质量评价和热源调查提供丰富的信息：喻 坚 5 4 1 通过n o a a 和l a n d s a t 卫星影像研究辽宁城市热岛的时空分布特征；赵大庆阁 应用美国n o a a 气象卫星资料，诊断沈阳地区的下垫面温度场，诊断结果表明晴空 条件下城市的地表温度均高于郊区，存在着明显的城市热岛现象，热岛的强度与城 市内部土地使用状况有关，河流水域在夏、秋季对城市热岛有较强的缓解作用。热 岛的强度和范围随季节变化：方圣辉f 5 6 】应用中国遥感卫星地面接收站获取的武汉市 区2 0 0 0 年9 月2 1 日l a n d s a te t m + 数据和1 9 9 7 年9 月2 1 日的l a n d s a tt m 数据，对 武汉市热岛效应进行了动态研究，结果表明城市热岛效应呈现不断增强趋势；张红 p 川选择1 9 9 2 年1 月2 0 日、1 9 9 7 年1 1 月1 日和1 9 9 9 年1 2 月9 日三个时间的t m 图像分析了 福建师范大学肖和善硕士学位论文 广州市城市热岛时空分布；孙飒梅 5 8 】利用t m 卫星遥感数据的分析结果，根据地理相 似准则，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，以此探讨利用遥 感技术监测城市热岛强度的可能性。并提出将城市热岛强度作为城市生态环境状况 的监测指标之一。此外，张穗【5 9 】、徐军昶【6 0 】、延吴6 1 】、吴学伟【6 2 】、时柯【6 3 】、李俊杰 【矾l 、宫阿都1 6 5 】、田振坤【6 6 j 、赵丽丽【6 7 】、江学顶【6 8 】、何全军6 9 1 、张新刚【7 0 】、林志垒【7 、 郑朝洪【7 2 】、黄荣峰【7 3 】等通过遥感分别对武汉、咸阳、上海、哈尔滨、南京、北京、 广州、杭州、福州等城市的城市热岛进行了研究。 1 2 2 3 模型模拟法 城市热岛效应常用的研究模型有统计模型、能量平衡模型、数值模型、解析模 型和物理模型7 4 】，可以简单归纳为数学模型和实验室模拟两类。前者有代表性的如 m m 5 、r b l m 等非静力平衡的区域边界模型。其中m m 5 是一个由p s u 和n c a r 发展 起来的有限区域中尺度模拟系统，具有非静力的动力框架和多重嵌套功能，有多种 云物理和边界层等物理过程及四维同化功能，已广泛地应用于理论和实践研究【，列。 后者比较有代表性的是s u m m e r s 以城市大小、人为能量释放比率、周围平均风速、 温度梯度等为考虑因素，构建一个简单的理论城市热岛模型，用于预测夜间热岛混 合高度以及热岛强度【7 6 1 。另外，s t r e u t k e r 的高斯模型8 1 、m i h a l a k a k o u 等人工神经网 络模型【7 7 1 等都为热岛的预测分析作了较好的尝试。李剑掣7 8 1 考察了城市热岛效应对 安全生产的负面影响，提出了利用焓变值对热岛效应进行评价的思路，通过引入遥 感技术中的地温反演算法，提出了一套计算焓变值的方法，进一步确立了评价的标 准，给出计算焓变指数的数学模型。模型模拟减少大量的现场观测，从理论上揭示 城市热岛产生及其发展的机理，但是城市热岛复杂多变，模型通用性差，需要一定 数量的观察数据为资源，但现场观察实验测试条件不易控制，重复性较差，实验室 模拟不能代表实际复杂的城市环境，统计模型和能量平衡模型只能从宏观上考虑其 影响因素，难以从时空上体现多种要素的作用过程。 1 3 研究内容 ( 1 ) 根据研究区的l a n d s a tt m e t m + 遥感影像，提取研究区主要的地物类 型，分析研究区主要地物类型的变化趋势，重点分析研究区城镇建筑用地的动态扩 6 第1 章绪论 展变化。 ( 2 ) 综合分析目前应用较广泛的几种地表比辐射率计算模型，针对研究区的特 点，对前人提出的地表比辐射率进行综合和改进，计算研究区的地表辐射率。 ( 3 ) 根据地表亮温反演模型，反演研究区地表亮温。 ( 4 ) 在全面总结国内外多种遥感反演地表温度的方法基础上，对各种方法进行 了评价，并根据本文的研究区与所获取的数据源的特点，选择基于影像的反演算法 ( i m a g e b a s e dm e t h o d ，简称瑕算法) 作为热红外波段的温度反演算法，反演研究 区的地表温度。 ( 5 ) 根据反演得到的研究区地表温度，采用基于稳健统计方法对三个时相地表 温度影像进行分级统计，分析研究区地表温度的分布格局及演变特征，统计分析研 究区热岛范围及变化趋势；在地表温度分布图上选择典型的城、郊样区，对样区的 地表温度进行归一化处理，分析研究区热岛强度的大小和变化规律；在研究区的南 北向和东西向选择典型剖面线，获取地表温度变化的断面信息，描述热岛演变的空 间变化过程：通过研究区地表温度图与地表覆盖类型图叠加分析，研究城市热岛与 地物类型的关系。 1 4 研究方法与技术路线 1 4 1 研究方法 ( 1 ) 根据研究区3 个时相的l a n d s a tt m e t m + 遥感影像的光谱特征，采用各 种指数，选择合适的分割阈值，借助聚类统计和去除分析方法，提取研究区主要地 物类型；对提取的研究区三个时相城镇建筑用地信息，通过叠加分析方法，分析研 究区城镇建筑用地的扩展变化趋势。 ( 2 ) 比较国内外多种地表温度的反演模型，对各模型的适用条件，参数获取等 进行评价，选择适合研究区地表温度的反演算法反演研究区地表温度。 ( 3 ) 综合国内外主要地表比辐射率计算模型，根据研究区的特点对其改进，计 算研究区地表比辐射率。 ( 4 ) 运用剖面分析方法，在研究区南北向和东西向获取地表温度的断面信息， 描述热岛演变的空间过程。 ( 5 ) 根据提取的研究区地物类型和反演得到研究区地表温度，运用g i s 空间分 7 福建师范大学肖和善硕士学位论文 析方法及统计方法，分析研究区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；分析地物类型与热岛的关系。 1 4 2 技术路线 图1 - 1 技术路线 f i g 1 1f l o wc h a r t 8 第2 章研究区概况及数据顶处理 第2 章研究区概况及数据预处理 2 1 研究区概况 2 1 1 研究区范围的确定 城市热岛研究都是以城市及其城市周边郊区为研究对象，因此，为研究和数据 处理的方便，本文选择研究区的范围为福州市主城区及其周边郊区( 见图2 - 1 ) ，图 中红色矩形区域即为研究区的位置和范围。 图2 - 1 研究区范围 f i g 2 - 1s t u d y a r e as c o p e 9 福建师范大学肖和善硕士学位论文 2 1 2 研究区自然概况 2 1 2 1 研究区地理位置 福州市位于我国东南沿海、福建省东部、闽江下游，北纬2 5 0 1 5 ，, - 一2 6 。3 9 ，东经 1 1 8 0 0 8 1 2 0 0 3 l 之间。东濒东海，与台湾省隔海相望，北、西、南三面分别与宁德 市、南平市、三明市、泉州市、莆田市接壤。福州市区地处闽江下游，位于河口盆 地中心。 2 1 2 2 地形、地貌 福州市地貌属于典型的河口毓地，城区位于笳地中央。四周群山环抱，其海拔 多在6 0 0 1 0 0 0 m 之问，东有鼓山、西有旗山、南有五虎山、北有莲花峰，境内地势自 西北向东南倾斜，闽江自西北向东南流入盆地后受到南台岛之阻，分为南北两支， 将盆地分割为江北平原、南台岛和乌龙江南岸平原三大部分，平原上散布着许多低 山孤丘。城区的于山、乌山、屏山三山鼎立，城外有仓前山、金鸡山、黄山、高盖 山等。 2 1 2 3 气候 福州市地处中亚热带向南亚热带的过渡地带，属海洋性季风气候，常年气候温 和，冬无严寒，夏少酷暑，雨量充沛。年平均气温1 6 2 0 。最冷月1 2 月份平均气温 1 0 5 - 1 0 7 c ，最热月7 - 8 月平均气温为2 7 8 2 8 2 。市区罕见下雪，年平均无霜期为 3 2 5 d ，平均日照数1 7 0 0 1 9 8 0 h 。气温年较差不大，日较差很小。年均降水量9 0 0 2 1 0 0 l l l m 。相剥湿度7 7 。降水分行规律大致为北部大于南部。由于受季j x l 气候影响，降 水集r f i 在饵卸：的3 9 月，这7 个月的降水量占全年的8 2 7 ，其中3 4 月为春雨季，降 水量约占全年的1 7 2 0 ；5 - 6 月为梅雨季，是福州最重要的降水季节，降水量约占 全年的2 9 3 6 ；7 - 9 月为台风雨季，降水量约占全年的2 7 3 6 ；1 0 月次年2 月为干季， 降水量大致在2 0 0 3 5 0 r a m 之