快速城市化背景下城市热岛对土地覆盖及其变化的响应关系研究

摘要

快速的城市化进程，不仅仅是城镇人口的增长和建设用地规模的扩大，也是对城市容纳能力的巨大考验，势必对城市环境包括气候、水文、生态等带来一系列影响。近年来，在全球变暖和快速城市化进程的背景下，城市热环境在地表物理性质和人类社会经济活动的双重作用下，是城市生态环境的综合概括。城市热岛效应是城市热环境的集中体现，不仅影响城市居民的居住舒适感和身体健康，同时也可能导致各种热浪灾害的发生。我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中明确要求，为提升城市功能和节约利用空间，要把城市热岛效应的形成机制与人工调控技术作为重点研究内容。 人类对土地的利用和管理方式的变化引起地球表面土地覆盖的变化，城市化导致在城市区域形成了有别于自然地表的土地覆盖状况。土地覆盖的变化导致近地层大气动力和热力学结构发生改变，对区域大气环境、边界层结构、气候状况等都产生了广泛而深刻的影响。因此，开展城市热岛对土地覆盖及其变化的响应关系的研究可为土地利用管理和城市规划提供理论依据;基于中等空间分辨率的遥感影像开展这一研究，能够为集成遥感和地理信息系统手段对区域城市热岛进行监测和分析奠定一定的基础，从而为应对未来人类活动可能引发的全球气候变化提供更多所需的技术知识。 本研究利用HJ-1B卫星数据反演土地覆盖和地表温度信息，结合气象站点观测气温数据，分析土地覆盖与不同时刻的气温(Tair)和基于遥感反演的地表温度(LST)、与不同时刻的Tair和LST的相关性以及与城市气温热岛和城市地表温度热岛的空间分布的相关关系;利用Landsat系列遥感影像监测杭州市区上世纪90年代以来的土地覆盖变化状况，并且从土地覆盖的年际变化和季节性变化两个时间尺度，定性和定量研究土地覆盖变化与城市热岛的强度和空间分布的相关关系。通过研究，取得的主要成果如下: (1)利用HJ-1B遥感影像反演大气气溶胶浓度(AOD)和大气校正、提取土地覆盖信息以及反演地表温度。针对HJ-1B缺少暗目标法反演AOD的重要波段—2.1μm，提出了一种综合利用HJ-1B同台搭载的多光谱CCD和IRS2（1.6μm）反演AOD的方法:利用CCD第4波段（近红外）和AFRI植被指数提取暗目标像元、采用6S大气辐射传输模型模拟构建查找表、基于暗目标像元的红波段和蓝波段的地表反射率具有较好的线性关系这一原理反演AOD，精度分析结果表明:该方法较为稳定和可靠，能够满足实际应用的需求;针对HJ-1B多光谱CCD30米空间分辨率导致城市区域存在严重的混合像元问题，提出了一种提取城市土地覆盖信息的方法:首先基于线性光谱混合分析，利用高反射率、低反射率、植被和蓝色建材四个端元对研究区像元进行光谱分解，其次在光谱分解结果的基础上，利用重复自组织数据分类技术(IterativeISODATA)提取城市土地覆盖信息，最终得到每个像元的土地覆盖构成-不透水面覆盖比例、植被覆盖比例、土壤覆盖比例和水体覆盖比例，精度分析结果表明:基于该方法提取城市土地覆盖信息的结果在合理的误差范围之内，可用于进一步的应用研究;针对HJ-1B热红外波段反演地表温度所需地表比辐射率估算方法的研究空白，利用ASTER光谱库数据和HJ-1B热红外波段光谱响应函数进行计算，给出了HJ-1B热红外通道的典型地物的地表比辐射率，并针对HJ-1B热红外波段数据300米空间分辨率导致的混合像元的问题，利用与其同台搭载的30米空间分辨率的CCD数据计算混合像元地表比辐射率，采用普适性算法反演地表温度，反演结果与地表实际情况较为吻合。 (2)不透水面与植被对LST和夜间的Tair变化十分敏感，不透水面覆盖比例和植被覆盖比例可作为表征LST和夜间的Tair的有效指标。LST（10∶30am）与不同时刻的Tair呈显著性相关，尤其是与上午10点和晚上0点高度相关，时间相近是导致LST与上午10点的Tair高度相关的主要原因，土地覆盖是导致LST与夜间Tair高度相关的重要因子并且不透水面覆盖比例是表达这一相关性的有效指标。建设密度越大、建筑物越高的区域越容易发生城市地表温度热岛效应，白天没有明显的城市气温热岛现象，夜间城市气温热岛易发生在建设密度较大的区域。 (3)定量化城市气温热岛的空间分布，辅助人们的居住选址，结果表明杭州最优的居住区域为在“冷岛”区域附近或者具有较大的温度变化速度区域，主要为杭州市区南方向(S)至东北方向(NE)（顺时针）。定量化城市气温热岛包括三个步骤:1、根据气象站点的空间分布简化城市气温热岛的空间格局;2、利用城市中心与其他站点的温差定量化城市气温热岛强度;3、利用温度变化速度指标定量化城市气温热岛空间分布。本研究首次提出了温度变化速度这一指标，用于衡量在城市生活中人们牺牲生活便利度换取相对优质的生活环境的效率。 (4)利用Landsat系列数据监测上世纪90年代以来杭州市区土地覆盖的时空变化特征，结果表明:城市扩张、人们生活水平的提高、政府相关保护政策以及农业结构调整导致不透水面、城市绿地和水产池塘面积增加，占用了大量农田（水田和旱地）和少量林地，西溪湿地在后期由于得到了政府的大力保护而未继续被占用;从空间分布上来看，城东、城西、下沙和之江区块的不透水面逐步向行政边界方向扩张，主城和滨江区块的不透水面逐步向钱塘江方向扩张，城市湿地由城市内部逐步向城市郊区方向萎缩。 (5)城市化导致城市热岛效应加强，并且热岛区域的空间分布更为连续和集中，在扩张过程中建设用地占用湿地资源对城市热岛效应的促进作用大于占用植被资源。杭州市区的城市热岛效应夏季最强，春、秋次之，冬季没有明显的热岛效应，在不同的季节，不同的土地覆盖类型缓解城市热岛效应的作用有所不同，不受季节和气候变化影响的城市不透水面覆盖比例可作为表征城市热岛强度季节性交化的良好指标。

目录

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致谢

摘要

图目录

表目录

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 基于遥感技术的土地覆盖研究进展

1．2．2 城市热岛效应研究进展

1．2．3 土地覆盖与城市热岛关系研究进展

1．3 热红外遥感理论基础

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 研究区概况与数据资料

2．1 研究区概况

2．2 数据介绍

2．2．1 环境星影像

2．2．2 Landsat系列遥感影像

2．2．3 气象资料

2．2．4 ICESat／GLAS

2．2．5 其他资料

2．3 数据预处理

2．3．1 几何校正

2．3．2 辐射定标

第三章 基于遥感数据的信息提取方法研究

3．1 基于HJ-1B影像的信息提取方法研究

3．1．1 基于HJ-1B CCD影像和IRS2反演气溶胶浓度与大气校正

3．1．2 基于HJ1B CCD影像提取城市土地覆盖

3．1．3 基于HJ-1B热红外影像反演地表温度

3．2 基于Landsat影像信息的提取方法研究

3．2．1 基于Landsat影像提取城市湿地信息

3．2．2 基于Landsat影像提取城市不透水面

3．2．3 亮温反演

3．2．4 缨帽变换

第四章 城市热岛对土地覆盖的响应关系研究

4．1 引言

4．2 地表热量平衡

4．3 数据处理

4．4 气温和地表温度对土地覆盖的响应关系研究

4．5 气温与地表温度的相关关系对土地覆盖的响应关系研究

4．6 城市热岛的空间分布对土地覆盖的响应关系研究

4．6．1 城市地表温度热岛空间分布对土地覆盖的响应关系研究

4．6．2 城市气温热岛的空间分布对土地覆盖的响应关系研究

4．7 本章小结

第五章 城市热岛对土地覆盖变化的响应关系研究

5．1 引言

5．2 90年代以来杭州市区的土地覆盖变化

5．2．1 城市湿地变化

5．2．2 城市不透水面变化

5．2．3 城市植被变化

5．3 城市热岛对土地覆盖年际变化的响应关系研究

5．4 城市热岛对土地覆盖季节性变化的响应关系研究

5．5 本章小结

第六章 结论、创新点和展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

教育背景

攻读博士期间完成的论文