基于遥感和GIS的上海市土地利用/覆盖和热环境变化监测与研究

摘要

城市化是社会发展的必然趋势,随着城市化进程不断加速,上海市土地利用／覆盖正发生着剧烈变化,原来以植被为主的自然景观逐渐被人工建筑物所取代,这一变化最明显的负面效应之一是城市热环境的改变,引起城市热岛现象,城市热浪日益频繁,从而导致城市人群发病率和死亡率增加,城市热环境的日益恶化已成为当前影响社会经济可持续发展的重要因素之一。
　　 本文选取上海市为研究区域,基于1987年和2007年两期遥感影像,利用支持向量机分类方法提取各土地利用／覆盖类型和利用TM6波段反演出亮温信息,然后在此基础上从土地利用／覆盖变化幅度、变化速度、空间转化三个方面对土地利用／覆盖变化进行监测,从热场空间格局、时空演变、各区热岛比率指数三个方面对热环境变化进行监测,接着对土地利用／覆盖和热环境之间的关系进行研究,最后提出缓解热岛效应的主要措施。
　　 通过本文的研究得出以下主要结论:
　　 (1)1987-2007年上海市林地、草地和城镇建设用地呈现出增加的趋势,耕地、水域和未利用地呈现减少的趋势。单一土地利用／覆盖类型动态度最大的是城镇建设用地,达到6.10％,其次是草地和林地,分别为5.78％和5.22％,耕地和未利用地的动态度较小仅为-1.79％和-1.7％,水域动态度中等大小为-2.81％。
　　 (2)各土地利用／覆盖类型相互转化,主要以耕地转出为主,主要转向林地、草地和城镇建设用地。城镇建设用地不断扩展,在空间形态上已逐步摆脱了单一核心的“摊大饼式”的中心城区高密度发展状况,正逐步进入“多中心、多层次、网络化”的新的城镇体系发展格局。
　　 (3)1987年浦西中心城区以及吴淞工业区、宝钢工业区为高温区,各郊区人口比较聚集的城镇中心也是温度较高的区域。2007温度较高的区域迅速向外扩展,方向与城镇扩展方向和交通运输干道相一致,且分布比较分散,使的比较集中的片状趋于发射状以及局部片状扩展。1987-2007年低温区、次中温区、中温区面积减少,次高温区和高温区的面积增加。在空间不同方位热场变化分析中表明各象限的各等级温度区面积发生明显变化。热岛比率指数除市区降低外其余各区都呈现上升趋势。
　　 (4)城镇建设用地亮温均值最高,其次是未利用地,水体的亮温均值最低。耕地、林地和水域对“城市热岛”的贡献较小,城镇建设用地对“城市热岛”的贡献较大,耕地与水域面积的减少和城镇建设用地的增多是低温区、次中温区、中温区面积减少,次高温区、高温区面积增多的主要因为。
　　 (5)在类型水平格局下通过灰色关联度的方法得出表征景观异质性变化的散布与并列指数(IJI)、最大斑块所占的面积比例(LPI)、斑块密度(PD)、斑块数量(NP)及同类斑块相邻的百分数(PLADJ)与亮温有较大的相关性,而平均形状指数(SHAPE-MEAN)、相似邻近比例类型指数(PLANJ)、斑块多样性指数(DIVISION)、平均分维数(FARC-MEAN)与亮温的相关性较小。
　　 在景观水平上研究表明:PD、LSI、DIVISION、SHDI、SHEI随尺度的增大与亮温负相关性不断增大；LPI、CONTAG、AI随尺度的增大与亮温正相关性不断增大；SHAPE-MN、FRAC-MN与亮温相关性较小；AREA-MN随尺度的增大与亮温正相关性总体上是增加的,在8km×8km尺度下比6km×6km尺度下略小一些；SHAPE-AM在2km×2km尺度上与亮温负相关性最大,其次是在6km×6km尺度上,在8km×8km尺度下负相关性最小。考虑R2和RMSE这两个指标选取出不同尺度下的最佳线性回归模型:2km×2km尺度下最佳线性回归模型是y=-0.3423x+33.9401(x为LSI),R2=0.5455,RMSE=0.6687；在4km×4km尺度下最佳线性回归模型是y=-3.250x+34.539(x为SHDI),R2=0.6682,RMSE=0.4851；在6km×6km尺度下最佳线性回归模型是y=-0.0436x+33.3898(x为PD),R2=0.7130,RMSE=0.4809；在8km×8km尺度下最佳线性回归模型是y=-0.0428x十33.4011(x为PD),R2=0.7557,RMSE=0.3996。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 土地利用/覆盖遥感监测研究进展

1.2.2 城市热环境遥感监测研究进展

1.2.3 土地利用/覆盖与热环境关系研究进展

1.2.4 GIS技术的应用

1.3 研究内容、研究方法与技术路线

1.4 研究区概况

第二章 遥感影像预处理

2.1 数据源

2.1.1 遥感影像数据

2.1.2 其它辅助数据资料

2.2 相关软件

2.2.1 ENVI和ARCGIS

2.2.2 SPSS和FRAGSTATS

2.3 遥感影像预处理

2.3.1 影像配准

2.3.2 遥感影像裁剪

2.3.3 影像增强

第三章 遥感影像分类及亮温反演

3.1 遥感影像分类

3.1.1 遥感分类体系的建立

3.1.2 训练样区的选取及可分性分析

3.1.3 支持向量机分类

3.1.4 遥感影像分类精度评价及分类后处理

3.2 亮温反演

3.2.1 图像的DN值转化成绝对辐射亮度值

3.2.2 辐射亮度值转化成地表亮温的近似式

第四章 土地利用/覆盖变化监测

4.1 土地利用/覆盖变化幅度分析

4.2 土地利用/覆盖变化速度分析

4.3 土地利用/覆盖转换分析

4.3.1 土地利用/覆盖转换矩阵分析

4.3.2 土地利用/覆盖空间变化特征

第五章 热环境变化监测

5.1 热场空间格局分析

5.2 热场时空演变特征

5.2.1 热场总体变化分析

5.2.2 空间不同方位热场变化分析

5.3 城市热岛比率指数分析

第六章 土地利用/覆盖与热环境关系研究

6.1 不同土地利用/覆盖类型的亮温特征

6.2 亮温等级变化与土地利用/覆盖的关系研究

6.3 土地利用/覆盖格局与热环境关系研究

6.3.1 景观类型水平格局与热环境的关系研究

6.3.2 景观水平格局与热环境的关系研究

6.4 城市热环境的改善措施

第七章 结论和展望

7.1 主要结论

7.1.1 土地利用/覆盖变化监测

7.1.2 热环境变化监测

7.1.3 土地利用/覆盖与热环境关系研究

7.2 研究展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文

附录

答辩委员会审查意见