城市用地扩展的热岛效应遥感定量估算及其气候特征研究

摘要

目前，世界上约54％的人口居住在城市地区，预计到2050年城市化率将增加到66％。城市化最直接的表现是土地利用/覆被的变化，下垫面的变化改变了城市地表接收的太阳福射量和热量交换效率，导致城市与郊区气温差增加，从而形成城市热岛效应。上海作为中国的经济中心，改革开放以来，城市扩展速度加快，人口密度升高，研究上海市城市扩展对热岛效应的影响，揭示城市热岛效应时空格局演变规律，对改善城市生态环境和推动城市可持续发展有重要的理论意义和实用价值。
　　本文以上海市为研究区，采用1974-2015年Landsat、SPOT-5、HJ-lB CCD和2000-2013年MODIS等遥感数据以及11个国家级地面气象观测站和120个区域自动气象站数据，运用卫星遥感技术、地理信息技术、统计回归模型方法和气候学分析方法，以建设用地空间信息提取，分析城市建设用地时空格局演变，城市扩展对城市热岛效应的影响和城市热岛效应气候学分析为主轴线，开展上海市城市建设用地扩展的热岛效应定量遥感估算及其气候特征研究。主要研究结果如下:
　　(1)利用2005年Landsat ETM+卫星数据，利用线性光谱混合分解得到高反照率、低反照率、植被和蓝色屋顶四个端元的丰度图;在此基础上，利用迭代自组织数据分析方法提取高反照率丰度图中的高亮土壤及低反照率丰度图中的阴影和水体，最终获得不透水面丰度图。以2005年高空间分辨率的Google Earth、SPOT5影像和2003年土地利用现状图对2005年不透水面丰度图进行精度验证，RMSE值为0.121，随后结合阈值的设定提取2005年建设用地;根据以上的方法利用173景1974-2015年Landsat MSS/TM/ETM+/OLI和HJ-lB CCD等卫星数据，获取1974-2015年历年上海市建设用地空间分布图。通过采用圈层同心圆缓冲分析法和扇形分区法结合城市扩展强度指标分析上海市建设用地时空格局变化特征，发现区域建设用地扩展强度受距离市中心的距离影响，不同时期、不同方向建设用地扩展强度存在显著差异。1978-2015年上海市城市建设用地面积呈现逐渐上升趋势，特别是2000年城市化进程加速增长。
　　(2)利用上海市徐家汇等11个气象站点的1961-2013年逐月平均气温、最低气温和最高气温数据，以徐家汇站为城市站点，其他站点为郊区站点计算1961-2013年上海城市热岛强度。结果表明:1961-2013年基于不同郊区站的上海市城市热岛强度总体上呈先增加后减少趋势。1961-1990年基于徐家汇与周边站点的年平均气温、最低气温和最高气温热岛强度分别增加了0.34、0.48和0.25℃。1991-2003年基于不同郊区站的年平均气温、最低气温和最高气温热岛强度分别增加了0.41、0.78和0.34℃。在2004年左右基于大部分郊区站的年平均气温、最低气温和最高气温热岛强度达到最大值，而后热岛强度开始下降。结合遥感影像提取的城市建设用地空间分布图，发现这是由于作为参考站的郊区站点受到城市化的影响，建设用地比例增加，导致这些站点的气温上升，进而使得徐家汇站点与郊区气象站点的温差下降。
　　(3)上海中心城区气象站徐家汇与郊区气象站之间的城市热岛强度在2004年前后的转折是什么原因引起的？值得进一步探讨。因此，本研究选取受城市化影响比较小的海岛气象站嵊泗站作为参照站，以便客观反映城市化过程城市热岛强度变化。上海市11个气象站点与嵊泗气象站的年平均气温、最低气温和最高气温热岛强度总体上呈上升趋势，其中最低气温热岛强度的增加速率显著大于平均气温和最高气温热岛强度增加速率，也就是说上海市各个气象站的城市热岛强度还处于上升过程中。
　　(4)为了分析城市热岛强度与城市建设用地的定量关系，以城市热岛强度为因变量，徐家汇站不同半径缓冲区内城市建设用地比例为自变量，建立城市用地扩展的热岛效应遥感估算模型。基于不同参考站的最低、最高气温和平均气温热岛效应的线性回归模型决定系数范围分别为0.31-0.86、0.39-0.81和0.50-0.87,均通过0.05显著检验。为量化郊区城市化对热岛强度的影响，以参考站闵行为例，利用热岛强度拐点之后的数据，建立城市热岛强度与闵行站5km半径缓冲区内建设用地比例的定量模型，发现两者呈现负相关关系，即城市热岛强度随闵行为中心的缓冲区内建设用地比例增加而降低。这“逆变化过程”并非是徐家汇为中心的建设用地增加导致的，而是随着郊区城市化的推进，郊区气象站点周围建设用地增加而温度上升，增温效果超过徐家汇站引起。这意味着在城市化对气温的影响研究和城市热岛效应研究时，合理选取“参考站”或郊区站点的，才能精确地估算城市用地扩展对热岛强度的影响。
　　(5)针对目前利用遥感数据进行城市热岛强度分析主要集中在短时间尺度研究问题，本文从气候学视角，利用2000-2013年Terra/Aqua-MODIS数据，揭示上海市城市热岛强度的气候学特征。首先以MODIS反演的陆地表面温度(LST)、增强型植被指数(EVI)、归一化差异水体指数(NDWI)、太阳天顶角(SZA)、距海岸距离(DTC)为自变量，采用逐步多元线性回归方法，建立研究区气温遥感估算模型，模型验证精度在2.6°以内;在此基础上，利用估算模型，构建长时间系列、覆盖研究区的1km分辨率的气温数据集;以气候学的角度从不同的时间尺度来分析2000-2013年上海市城市热岛时空特征及其演变规律，结果表明2000-2013年Terra和Aqua星过境时间的白天城市热岛强度分别为1.0和2.2℃，晚上不同卫星过境时间的热岛强度为1.0℃。上海城市热岛效应的昼夜、季节特征差异较为明显，白天城市热岛效应大于夜间城市热岛效应。白天城市热岛效应夏季最强，冬季最弱，相反晚上城市热岛效应夏季最弱，冬天最强。不同季节植被状况与热岛强度的关系也存在差异，春、夏和秋季NDVI与城市热岛呈现负相关关系，冬季白天热岛强度与NDVI相关性不显著，晚上热岛强度与NDVI呈显著负相关。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外相关研究进展综述

1．2．1 城市热岛的概念与内涵

1．2．2 城市热岛定量化指标

1．2．3 城市热岛效应的主要研究方法与进展

1．2．4 城市建设用地空间扩展的遥感监测研究进展

1．2．5 城市扩展的热岛效应研究进展评述与本研究的切入点

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 技术路线

2 研究区概况与数据资料

2．1 研究区概况

2．1．1 自然地理概况

2．2．2 社会经济概况

2．2 研究数据

2．2．1 Landsat系列影像数据

2．2．2 HJ-1B卫星影像数据

2．2．3 Terra／Aqua卫星影像数据

2．2．4 ASTER GDEM

2．2．5 地面气象数据

2．2．6 其它数据

3 基于线性光谱混合分解和ISODATA相结合的上海市建设用地遥感提取

3．1 遥感影像数据的预处理

3．1．1 辐射校正

3．1．2 图像镶嵌裁剪及投影转换

3．2 基于多源遥感数据的上海市建设用地提取与精度验证

3．2．1 光谱混合分解模型的原理

3．2．2 最小噪声分离变换

3．2．3 端元的选择及确定

3．2．4 上海市建设用地空间信息提取结果与精度验证

3．3 不同时期上海市建设用地扩展的时空演变分析

3．3．1 上海市城市用地扩展与形态分异

3．3．2 基于扩展强度指数的上海市建设用地时空格局演化分析

3．4 本章小结

4 上海城市用地扩展的热岛效应遥感定量估算研究

4．1 基于不同郊区站的上海市城市热岛强度变化趋势分析

4．2 基于嵊泗气象站的上海市各站点城市热岛强度变化趋势分析

4．3 城市用地扩展的热岛效应遥感定量估算

4．3．1 以徐家汇气象站为中心的不同半径缓冲区内建设用地分布

4．3．2 UHII随建设用地比例变化趋势分析

4．3．3 UHII与不同半径缓冲区建设用地比例定量模型

4．4．4 郊区站点城市化对城市热岛强度的影响

4．5 本章小结

5 基于遥感数据的2000-2013年上海市城市热岛效应气候学分析

5．1 基于星地多源数据的高时空分辨率的气温遥感估算

5．1．1 数据及其预处理

5．1．2 高时空分辨率的气温遥感估算模型构建

5．1．3 高时空分辨率的气温遥感估算模型精度评价

5．2 基于MODIS数据的上海市城市热岛效应气候学分析

5．2．1 基于MODIS数据的上海市城市热岛效应时间变化特征研究

5．2．2 基于MODIS数据的上海市城市热岛效应空间格局研究

5．3 上海市城市热岛强度与植被指数NDVI相关性分析

5．4 本章小结

6 研究结论与展望

6．1 主要结论

6．2 可能的创新点

6．3 研究展望

参考文献

攻读博士期间的科研成果