【W市热环境变化特征分析案例3700字】

W市热环境变化特征分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u25414W市热环境变化特征分析案例 1243601.1地表温度产品选择与处理 1126601.1.1地表温度产品选择 1265361.1.2地表温度数据提取 22451.2地表热环境数量及分布分析 3306561.3地表热环境强度特征分析 4102411.4热环境空间分布特征分析 71.1地表温度产品选择与处理1.1.1地表温度产品选择MODIS是指一种中分辨率成像光谱仪，它一共搭载了两颗卫星，分别为Terra和Aqua，是美国地球观测系统中较为重要的仪器，主要是用于观测全球生物和物理过程，共计有36个光谱波段[80]，其传感器可以在一至两天内对地球表面观测一次。MODIS数据提供了较多数据产品，例如：植被覆盖数据、地表温度数据、海洋温度等等。采用MODIS有以下好处：数据可以免费获取、下载较为便捷、数据的时间分辨率较高、飞行时间与太阳同步，同一个区域每一天可以获得白天和夜晚两景影像[81]，具体获得数据时间是10:50AM和22:10PM，因此MODIS数据的时间分辨率为每日，但空间分辨率不高实际为1km。地表温度/发射率(LST/E)产品主要是基于Terra卫星，通过swath和grid这两种方式提供了每个像素地表温度和发射率值，具有数据范围包括全球的数据产品。本研究采用的数据产品为MOD11A2，级别为L3产品，它是Terra卫星1km地表温度/发射率产品(MOD11A1）合成的，合成周期为8天，数据产品中具体存储的是8天内天气状况较好下的地表温度/发射率的平均值。MOD11A2数据产品的投影为正弦曲线投影，包含的数据信息包括：白天和夜间数据、质量评估数据、观测时间、观测角度、白天和夜间天气状况较好的天数以及不同地表覆盖类型在波段31-32的地表发射估计。本研究共收集乌鲁木齐市2000、2005、2010、2015和2019年7月、8月份地表温度/发射率8天合成L3产品，包含白天温度数据集和夜间温度数据集。乌鲁木齐市夏季7月、8月MODIS温度数据相对完整、质量较高，此时地表温度较高，城市热环境空间异质性显著，研究更具代表性、典型性。1.1.2地表温度数据提取投影变换：MODIS产品数据的投影一般是Sinusoidal，为了方便与地形数据、DEM数据等进行空间分析，需要进行投影变换[82]。由于本研究使用的数据时序多、年限长，所以利用MODISReprojectionTool(MRT）批处理程序对近20年的五期MODIS数据产品进行批量重新投影。在NASA的网站下载MRT软件，下载后按照说明进行安装。整理MODISHAF文件，准备MRT批处理程序，然后将五期MOD11A2数据进行批量转换投影。裁剪：本研究区影像图幅为h24v04，单幅影像，不需要进行镶嵌，可直接利用边界文件裁剪，注意研究区域的行政区划矢量文件的投影需要与MODIS数据投影一致。数据计算：MODIS数据产品是对真实值进行了线性变换（采用比例系数、偏移量和8bit或16bit的无符号整型数字）来记录信息，以压缩数据文件的大小。因此，预处理后的MODIS数据需要整理和计算处理后才能使用，首先对影像数据进行计算，得到数据的真实值，然后将其转换为摄氏温度来统计地表温度分布情况，其数学表达式为：(公式4-1)式中，为原始影像像元值，为比例系数，为偏移量，对于MOD11A2产品数据，，。缺失值填充：受云层、传感器自身、天气状况以及天顶角等客观因素的影响，虽然经过大气辐射校正、气溶胶校正和多个版本的产品改进，但实际下载的产品数据在研究区内仍存在异常像元值[83]。对存在问题的数据进行分析，包括质量缺陷、空白和缺测数据等，浏览影像数据，根据实际情况对产品中缺失的数据进行修补或替换。如对于某个影像有缺失值存在，用相邻的8天替补或用上一年的影像数据进行修补。1.2地表热环境数量及分布分析2000年(b)2005年(c)2010年(d)2015年(e)2019年图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s112000-2019年乌鲁木齐市地表温度反演结果如图4-1所示，根据2000-2019年乌鲁木齐市地表温度反演分布的情况可以看出，地表温度的实际值在不同时间的空间分布呈现出较为明显的差异性，这种差异随时间的变化呈现出一定规律性。整体地表温度分布呈现南北高、东西低的趋势，研究区内地表温度较高的区域，主要集中分布在新市区、沙依巴克区、天山区和水磨沟区城区，空间分布主要在西北-东南和东北-西南两个纵向上成“T字形”展开，且东北-西南纵向上范围在持续扩张。地表温度较低的区域主要集中在达坂城区和乌鲁木齐县，此区域内山脉众多，山顶处有终年累积的雪山，因此温度较低。最高温度集中分布在米东区内，米东区边缘与准噶尔盆地接壤，有大量的沙漠，再加上研究区间在8月，所以沙漠区域的地表温度一直处于较高的状态。表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s112000-2019年乌鲁木齐市地表温度统计（℃）年份最大值最小值极差平均值2000年48.75-6.2251.9719.232005年46.67-1.5648.2319.962010年48.61-1.395021.052015年46.85-1.0847.9320.782019年51.040.6650.3823.15如表4-1所示，统计了各个年份地表温度相关指数，从中得到2000年、2005年、2010年、2015年和2019年，研究区的极差分别为：51.97℃、48.23℃、50℃、47.93℃和50.38℃。极值为其\t"/item/%E6%9E%81%E5%B7%AE/_blank"最大值与最小值之间的差值，选取的五期8月平均地表温度数据中最高温度和最低温度之间的差值，均在50左右，说明乌鲁木齐市的地表温度的离散程度较大，且每个年份之间的极差均未出现异常值，其波动范围较小，可以排除所选时间点有极端天气的自然因素影响，所选用的数据可以用于本文的具体研究。1.3地表热环境强度特征分析由于遥感影像成像时间会对最终的地表温度带来影响，因此在不同的时间、季节和气候条件下反演的近地表温度也不同。为了消除这一影响，使近地表温度在不同时期的分布具有可比性，本文对其进行了归一化处理，将温度范围统一在0~1之间，将其等间距划分为五个区间，采用归一化处理一方面便于定量分析研究区间的地表热环境分布，另一方面便于和土地利用数据进行叠加分析，其数学表达式为：(公式4-2)式中:表示第个像元经过归一化后的地表温度，表示第像元的地表温度，和分别表示地表温度的最大和最小值表中表示地表温度；和分别表示归一化后像元的平均值和标准差表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s12地表温度等级划分标准温度等级划分范围低温次低温中温次高温高温2000年(b)2005年(c)2010年(d)2015年(e)2019年图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s122000-2019年乌鲁木齐市地表温度区间划分表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s132000-2005年乌鲁木齐市地表温度不同区间像元个数温度区间2000年2005年2010年2015年2019年低温10869314543次低温12491077751799308中温44224425335833673289次高温73228505729365416529高温59745001764383228906根据划分标准将乌鲁木齐市的地表温度划分为五个区间，具体如图4-2所示，乌鲁木齐市近20年中，位于中心城区的高温区呈现出集中分布的特点，其面积在不断扩张，主要分布在米东区、新市区、沙依巴克区和天山区，结合表4-3可以看到，高温区的像元个数在2000年时是5974个，2019年则达到8906个，增长趋势十分显著。次高温分布在头屯河区、达坂城区和乌鲁木齐县，具体位置在天山区红雁池水库、乌拉泊水库，水磨沟区天山牧场、小东沟一带，头屯河区以及乌鲁木齐县的农业种植区域，结果表明，水和植被可以改善地表热环境特征。在研究区间内其次高温像元个数有所下降，减少的像元个数主要都转为高温区。中温区的分布范围较为固定，主要分布在达坂城区和乌鲁木齐县山脉的山脚下，2000年、2005年、2010年、2015年和2019年其像元个数分别为：4422个、4425个、3358个、3367个和3289个，变化幅度较小，山脚下的用地类型中草地和林地较多，土地资源的利用开发利用面积较少，未有大量的建设用地在其范围内出现，因此分布的范围未发生较大的变化。次低温区主要分布在达坂城区和乌鲁木齐县，聚集范围主要在山顶。天山海拔超过3000米，山头上就会有终年不化的积雪，受到全球变暖的影响，冰川和雪山逐渐消融，低温区的像元个数也在不断缩减，低温区2000年像元个数为1249个，2019年减少为308个，减少了近70%。由于研究区间是在夏季的8月份，低温的分布极少，并且其变化较为平稳，2000年其像元个数为108，此后其个数均在100以内。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s132000-2019年乌鲁木齐市地表温度不同区间占比条形图2000-2019年乌鲁木齐市地表温度不同区间占比如图4-3所示，从图中可以直观的看出各个温度区间的变化情况，高温区占比在研究区间内呈现出先减少后持续增长的趋势，次高温所占比呈现出先增加后持续减少的趋势，中温区所占比波动幅度较为平缓，减少或增加的占比较小。次低温区所占比呈现先持续减少后有轻微增加，然后又较少。低温区所占比不足5%，其变化波动幅度在2000-2005年间减少0.21%，此后的占比基本保持平稳。地表温度的不同时间区间段的结构也略有不同，在2000年和2005年其所占比排序均为次高温区占比>高温区占比>中温区占比>次低温区占比>低温区占比，2010年、2015年和2019年其所占比排序均为高温区占比>次高温区占比>中温区占比>次低温区占比>低温区占比，由此可以看出温度区间发生变化重要集中在次高温和高温之间，次高温区随着土地资源的开发和利用逐渐转为高温区。1.4热环境空间分布特征分析图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s14乌鲁木齐市剖面线示意图2000年(b)2019年图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s15乌鲁木齐市东西剖面线地表温度示意图（c）2000年(d)2019年图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s16乌鲁木齐市南北剖面线地表温度示意图如图4-5和4-6所示，2000年乌鲁木齐市地表温度的东西剖面线示意图中，可以看出其变化趋势呈现出两头低，中间高，由西至东呈先直线上升，后波动减小的趋势，对比2000年和2019年的东西剖面图，可以看出2019年剖面上中心处的温度有明显的上升，2000年维持在36-38℃，2019年维持在42-46℃，其中心处对应的区域为乌鲁木齐市的建城区，根据剖面温度可以得出，城市地表温度在不断上升。再看南北地表温度的