基于Landsat8遥感影像的兰州市城市热岛特征研究

摘要

随着我国经济实力的不断增强，加快了城市化进程，快速的城市化进程使得人们的生活水平不断提高，同时也带了一系列的城市生态问题，城市热岛是其中最为严重的城市生态问题。如何缓解城市热岛所带来的严重的城市生态问题已经成为学术界和各国政府亟待解决的一大难题，城市热岛效应的研究也已成一个热点话题，其作为城市小气候的一个重要的影响因素，认知其形成过程、空间特征和时空变化等不仅有助于人们进一步了解局部城市小气候，有助于探究出缓解城市热岛效应的措施，为未来的城市规划提供不可或缺的参考价值。
　　兰州市作为典型的河谷型城市，其特殊的河谷型陷落盆地特征使得兰州市边界层结构及地表热辐射能量平衡较其他平原城市有很大的不同，其又是一个重工业污染的城市，特殊的产业发展历程，导致了不合理的产业结构布局，产业空间和城市规划还未能实现良性的互动，从而使得兰州市城市生态问题较为严重，故对于兰州市城市热岛效应的研究，有助于提出有效的城市生态问题治理措施，改善市民日常的生活环境具有不可估量的价值，对兰州市科学合理的产业布局和城市规划具有重要的参考价值。鉴于此，本文以兰州市主城区为研究对象，借助遥感、地理信息空间分析和景观生态学等方法，研究了兰州市1994-2015年的城市热岛演变特征，定量分析了地表温度与城市下点面层部分地表指数之间的关系，并在Landsat8遥感数据的基础上研究了兰州市城市热岛的季节性空间分布特征，取得了以下研究结论:
　　(1)兰州市热岛面积主要以次级热岛为主，而扩展速率最快的为强热岛，热岛的扩展方向与城镇用地延伸方向一致;热岛演变过程为强热岛→热岛→正常区→绿岛→冷岛，其逆过程则是向相反方向逐级演变，越级转变的可能性相对较小，强热岛对于城市下垫面的变化最为敏感。城市热岛效应与土壤湿度指数(NDMI)、增强型水体指数(EWI)、土壤亮度指数(NDSI)呈正相关，与修改后的土壤调节植被指数(MSAVI)呈负相关。
　　(2)兰州市城市热岛效应强弱按季节变化的顺序是春季＞夏季＞冬季＞秋季，其中夏季城市下垫面层热场分布最为复杂;除冬季以外，其他三个季节的城市热岛分布状况都呈现出以黄河为低温带着的特征，说明在这三个季节黄河的低温带是影响河谷内热环境分布的一个重要因子。借鉴景观生态学中转移概率矩阵法对河谷内四季各个热力景观的转移特征近行分析，发现各季节最为稳定的热力斑块为正常区，但一旦发生改变，其转变为热岛的可能性要大于向冷岛和绿岛的转变，次热岛和强热岛到在四季变换中呈现出春季到夏季减弱，夏季到秋季减弱，秋季到冬季增强。
　　(3)地表温度的空间分布特征与下垫面层的结构密切相关，下垫面层覆盖类型越复杂，地表温度剖面线跌岩起伏的程度越大，地表温度越不均匀，城市热岛强度也越大。小西湖、植物园等植被覆盖度较高的地方均出现不同程度的低温区，提高城市植被的绿化率可以有效减缓城市热岛效应，另外，在金港城这样的住宅区也出现了低温区，说明合理的规划布局也能从一定程度上缓解城市热岛效应。
　　(4)兰州市城市扩张较为显著，其主要的扩张方向是由城关区逐步向西固区、安宁区延伸，呈现出自西向东的扩张趋势，1994年到2004年，城镇用地城关区向雁滩扩展，其主延伸范围主要是以城关区为主，呈零星分布式扩张，而从2004年到2015年，其主要向七里河区、安宁区高新开发区和西固区方向扩展，扩展方式呈大面积连片扩张。不同年份的不同热岛的空间分布特征都与其相应的城镇用地分布特征基本一致，城市热岛分布特征的扩展与城镇用地的延伸方向相同，这主要是由于城镇用地的改变，使得原有的自然表面被大量的人工表面所替代，导致城市热岛效应增强，说明城市下垫面结构的特性对城市热岛起决定性作用。兰州市热岛的增强主要以强热岛为主，兰州市热岛效应日益严重。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 国内外研究进展

1．3．1 国外研究进展

1．3．2 国内研究进展

1．4 研究内容与技术路线

2 城市热岛的研究方法及数据源

2．1 理论基础

2．2 遥感影像反演地表温度法

2．2．1 地表温度反演方法

2．2．2 各方法所需参数计算

2．3 研究区数据的选取与预处理

2．3．1 研究区地理位置

2．3．2 研究区自然概况

2．3．3 研究区社会发展状况

2．3．4 数据的选取

2．3．5 数据的预处理

3 1994—2015年兰州市热岛动态变化及城市下垫面参数定量分析研究

3．1 地表温度反演结果与热岛等级界定

3．1．1 地表温度反演结果

3．1．2 热岛等级界定

3．2 城镇用地变化及城市热岛空间分布特征

3．2．1 城镇用地信息的提取

3．2．2 城市热岛的时空变化特征

3．3 兰州市热力景观动态变化

3．3．1 研究期内兰州市热力景观转移概率矩阵

3．3．2 研究期内兰州市各热力景观的来源

3．4 地表指数与地表温度回归分析

3．4．1 地表指数的提取

3．4．2 地表温度与各指数间关系的分析

本章小结

4 兰州市城市热岛季节性特征

4．2．1 研究区各季节地表温度统计分析

4．2．2 城市热岛的界定和空间分布特征分析

4．3 四季热力景观动态变化分析

4．4 不同季节城市热场剖面特征分析

4．4．1 SN方向剖面分析

4．4．1 EW方向剖面分析

本章小结

5 结论与展望

5．1 主要研究结论

5．2 不足与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果