济南市中心城区地表热环境时空变化分析

针对目前众多学者主要针对夏季热环境进行研究,分析方法相对单一,且融合地理探测器等多种方法针对不同季节相关分析研究相对较少的问题,该文基于2017-2018年Landsat8遥感数据,反演济南市中心城区四季的地表温度,综合运用景观格局指数法和剖面法分析不同季节热环境空间分布变化;利用相关性分析方法和地理探测器模型针对地表遥感指标和热环境进行相关性和影响力研究.结果表明:济南市中心城区除冬季,地表温度分布东高西低,与 自然地表、工业生产、人口活动等区位要素关联密切;气温骤降与骤增导致温度斑块割裂、聚合;水体、水汽与建筑的交互作用对春、夏、秋季的城市热环境影响最大,水体与不透水面(交互因子:0.392 952)对冬季热环境交互影响最大;城市热环境的空间分异特征受多因子影响,其中植被与水体(交互因子:0.379 927)、植被与水汽(交互因子:0.380 707)协同降温效应最优,建筑与植被(交互因子:0.278 922)协同保温效应最优.     

野外测量中地物热红外发射率提取算法研究

热红外遥感利用传感器探测所得的地物热红外辐射来反演地表温度等重要的地表环境参数.地物的发射率是反演地表温度的关键参数,但地物表面结构、温度和观测角等影响因素使得地物发射率的直接测量变得较为复杂.在大量野外实验的基础上发现,光谱平滑迭代法最适合地物光谱发射率的野外测量,其反演的温度和实测温度最接近.     

热红外遥感地表温度与发射率地面验证进展

地表温度与发射率是地表—大气系统长波辐射和潜热通量交换的直接驱动力,是描述区域和全球尺度上地表能量平衡与水平衡的重要参数,其时空变化信息在气象预测、气候变化、水循环、地质勘探、农林监测和城市热环境等诸多领域具有广泛的应用。热红外遥感作为当前获取区域或全球尺度上地表温度和发射率的最有效手段之一,相较于传统的地面点位测量方法,具有空间覆盖范围大和重复观测等优势。对热红外遥感定量反演的地表温度与发射率产品进行地表真实性验证,有利于发现遥感数据自身或其反演算法的缺陷,确定产品的精度与不确定度,便于遥感产品的应用与推广。本文首先回顾了地表温度和发射率的定义,阐述了热红外遥感可反演、地面可测量的地表温度和发射率的科学内涵,并对利用热红外遥感数据反演地表温度和发射率的理论和方法作了概述;对地表温度和发射率地面验证的框架体系、验证指标进行总结,建立了基于精度、精确度、不确定度、完整性和稳定性的验证评价指标体系;总结了地表温度和地表发射率的地面验证方法、地面测量方法、辅助数据的获取方法、地表温度地面测量的采样方法,以及在验证异质非同温地表时从点到像元尺度的地表温度尺度转换方法等,分析了地面验证过程的主要误差来源;归纳了目前地表温度和地表发射率主要验证站点、观测网络及其空间分布特征;最后,本文讨论了地表温度与发射率地面验证存在的若干问题,并对地表温度与发射率验证工作的发展前景和趋势进行了相关展望。     

联合热红外与微波的作物辐射方向性模型研究

热红外遥感提供地表表层辐射信息为主,被动微波遥感可更好地提供植被和土壤背景垂直结构的辐射信息。结合热红外与被动微波遥感的优势协同反演植被和土壤组分温度是提高组分温度反演精度的一种思路。本文在对热红外辐射传输模型和微波辐射模型进行比较的基础上,构建均匀作物的统一场景,将统一场景的参数分为直接参数和间接参数。基于统一场景,修改微波辐射模型的场景结构及叶倾角分布,并增加组分温度参数以计算辐射亮温,最终构建热红外与微波辐射联合模拟模型(UEasmmes模型)。针对均匀玉米作物,利用UEasmmes模型进行联合模拟,分析了组分温度、组分发射率、叶面积指数LAI及叶倾角分布LAD对热红外与微波的方向性亮温DBT的敏感性响应差异。分析结果表明:协同热红外与被动微波遥感反演植被和土壤组分温度是可行的,但对于如何克服组分发射率、LAI及LAD对植被有效发射率的影响而导致的微波辐射亮温变化以及实现热红外表皮温度与微波等效温度之间的转化仍是需要深入研究和探讨的问题。     

北京市热环境时空分异与区划

城市热环境空间区划是采用分区管理的思路来缓解城市社会经济发展与热环境之间矛盾的技术基础。本文构建城市热环境区划模型的思路为:(1)将不同时相的MODIS地表温度数据产品进行正规化、分级,分析2008年北京城市热环境时空分布特征。(2)构建城市热环境影响因素评价体系,并通过空间主成分分析计算得到热环境影响主成分因子。(3)通过自组织映射神经网络,利用热环境影响主因子,进一步对热环境进行空间区划。结果表明,北京夜间较白天城市热岛分布层次感明显,夏季白天较其他季节高温区聚合程度高。区域下垫面组成要素直接影响热环境,北京城市热环境的主成分因子依次为植被覆盖、地形地貌、城市下垫面建设规模和人为热排放,并依此将北京划为7个热环境区域,根据各个分区热环境成因机制差异分别提出热环境改善和调控措施。     

利用Landsat卫星影像进行东莞市地表温度反演与变化分析

随着快速城市化进程,我国东南沿海一些城市新增了大量的城市建设用地,影响到了城市的人居环境,诱发了城市热的环境问题。探索城市热环境时空布局与变化特征,分析变化原因对城市可持续发展和人居环境质量改善具有重要的现实意义。本文以东莞市为例,以1986—2017年间8个时相Landsat系列卫星影像为数据源,利用单通道算法对东莞市地表温度进行定量反演,分析东莞城市热环境的时空分布特征及其变化,并探讨其影响因素。结果表明,东莞市30多年的城市热环境主要表现为热岛的分布格局,由零散的点状分布逐渐发展成沿着主要交通路线的带状分布;东莞市城镇/街道中心的地表温度明显高于郊区、村落,存在较强的热岛效应;1986—2017年东莞市的热岛比例指数总体呈上升趋势,从0.06上升到0.15,在2009年东莞市热岛效应达到最高。研究结果对合理规划东莞城市建设,促进城市建设可持续发展等方面具有重要意义。     

近30年武汉市热环境格局演化机制及扩散模式研究

基于1987—2015年间Landsat TM/TIRS数据反演主城区的地表温度并进行归一化处理,分析武汉市热环境格局的演化机制,并探讨了其扩散模式特征。研究结果表明,武汉市主城区在近30 a间城市热环境格局发生了较大变化,随着城市建设用地的扩张,热环境格局的扩散模式由起初的点状分布向条状、带状和面状分布演变;武汉市热环境格局的形成与演化机制与太阳辐射、大气环流和下垫面性质等自然因素以及城市建设与发展阶段、规划政策等人为因素密切相关。     

Landsat卫星热红外数据地表温度遥感反演研究进展

作为驱动地表与大气之间能量交换的关键物理量,地表温度在众多领域中都发挥着重要作用,包括气候变化、环境监测、蒸散发估算以及地热异常勘探等。Landsat热红外数据因其时间连续性和高空间分辨率等特点被广泛应用于地表温度反演中。本文详细地介绍了Landsat热红外传感器及其可用的数据与产品的现状,梳理了2001年—2020年20年间基于Landsat热红外数据的地表温度遥感反演与应用的相关文献发表及互引情况,系统地综述了基于Landsat热红外数据的地表温度反演算法,包括基于辐射传输方程的算法、单窗算法、普适性单通道算法、实用单通道算法和分裂窗算法等。在此基础上,进一步介绍了每种算法的参数化方案,包括地表比辐射率和大气参数的估算方法。最后针对Landsat热红外数据地表温度遥感反演提出了未来可能的发展趋势与研究方向。     

基于热红外遥感技术的腾冲地区地热异常区温度反演研究

我国云南腾冲地区地热资源丰富,对地热资源进行定量的预测评价势在必行。而以遥感为手段进行地表温度的反演是地热研究的重要方法。本文利用ETM数据的Band6热红外通道,对工作区进行温度反演并通过消除阴影影响对反演温度进行修正使得温度差异较大的情况得到改善,减少了太阳照射造成的温差影响。结果表明,研究区地表温度分布主要有3个区域;通过温度反演结果与已知地热点叠加分析,选取14~21℃为进行地热预测评价的有利区间。     

热红外地表温度遥感反演方法研究进展

地表温度是表征地表过程变化的一个非常重要的特征物理量,是地表—大气能量交换的直接驱动因子,广泛地用于地表能量平衡、气候变化和资源环境监测等研究领域。本文系统地评述了热红外地表温度遥感反演方法,包括单通道算法、多通道算法、多角度算法、多时相算法和高光谱反演算法。回顾了地表温度反演的基础理论和方法;并在此基础上,进一步综述了地表温度遥感反演的验证方法,以及地表温度的时间和角度归一化方法;最后对未来提高地表温度反演精度的研究方向提出了建议。     

长春地区地表温度异常遥感分析

热红外遥感是一项探测地热资源、植被覆盖、农作物估产等生态环境评价研究的重要技术。本次使用Landsat 7/ETM＋热红外波段（band 6）,基于单通道算法,对长春地区地表温度应用反演,从而为研究该区地热资源、土地覆盖、城市热岛效应及环境评价提供可靠的依据。研究表明,热红外遥感能够有效探测到地表温度异常,而引起其异常的原因有待我们就一步验证和深入研究。     

多尺度城市地表温度降尺度方法

针对目前星载热红外传感器的空间分辨率低,无法满足城市尺度的生态环境研究需求的现状,该文选择地表覆盖类型复杂的区域,根据研究区土地覆盖类型,选取归一化植被指数(NDVI)、城市不透水面指数(ISA)、改进的归一化差异水体指数(MNDWI)等因子加入DisTrad模型,采用移动窗口逐步回归统计地表温度和因子的线性关系,利用半方差曲线函数和均方根误差综合确定最优移动窗口的大小,以提高地表温度降尺度精度。研究结果表明:改进的DisTrad模型在地表覆盖类型复杂区域,具有良好的降尺度目视效果,且具有较高的降尺度精度,尤其在低植被覆盖的建筑区、水体区域具有更高的精度。     

遥感和GIS支持下的中国退耕还林还草决策分析

1998年的特大洪水灾害，以及2000年京津地区的沙尘暴，使得中国政府对生态环境的建设更加重视。为了改善中国的生态环境，就需要恢复植被，一些耕地就需要退耕还林还草。哪些耕地需要退耕还林还草，这些耕地在空间上的分布情况如何？为此，探讨了利用地理信息系统技术确定需要退耕还林还草耕地的数量及其空间分布。包括4个步骤。首先，建立土地利用、土壤侵蚀、数字高程、坡度、坡向、植被指数、降雨和温度等数据库，并对生态环境质量进行评价，从而得到生态环境质量数据库；其次，从土地利用数据库中提取旱地的数据，并与坡度数据、土壤侵蚀数据、植被指数数据和生态环境质量数据进行叠加分析；再次，确定退耕还林还草的原则，并在GIS的支持下，确定需要退耕还林还草的面积及其空间分布；最后，利用降雨数据进一步分别确定退耕还林或还草的面积及其空间分布。该研究结果可以为中国的生态环境建设提供科学的决策依据。     

Diurnal and seasonal impacts of urbanization on the urban thermal environment: A case study of Beijing using MODIS data

Beijing has experienced rapid urbanization and associated urban heat island effects and air pollution. In this study, a contribution index was proposed to explore the effect of urbanization on land surface temperature (LST) using Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)-derived data with high temporal resolution. The analysis indicated that different zones and landscapes make diurnally and seasonally different contributions to the regional thermal environment. The differences in contributions by the three main functional zones resulted from differences in their landscape compositions. The roles of landscapes in this process varied diurnally and seasonally. Urban land was the most important contributor to increases in regional LSTs. The contributions of cropland and forest varied distinctly between daytime and nighttime owing to differences in their thermal inertias. Vegetation had a notable cooling effect as the normalized vegetation difference index (NDVI) increased during summer. However, when the NDVI reached a certain value, the nighttime LST shifted markedly in other seasons. The results suggest that urban design based on vegetation partitions would be effective for regulating the thermal environment.     

矿山生态修复监测指标体系构建与应用

目前,国内外对矿山生态修复工程实施后,修复成效监测缺少一套完整的监测指标体系。为推动矿山生态修复监测指标体系的构建,本文从矿山生态修复监测的基本内容、监测指标选取等方面开展研究,从水环境、土壤环境、地表环境、地质环境、生态修复综合效益5个方面,构建了一套科学评价矿山生态修复成效的监测指标体系。将指标体系应用于陕西省神木市某煤矿的生态修复监测,并采用GIS分析和样本监测等手段进行验证,评价矿山生态修复的整体效果。试验结果表明,土壤环境各指标中,反映土壤物理性质的土层厚度指标较好;地表水质污染较少,基本没有微生物和有机物污染,水质偏碱性,与矿区内土壤一致偏碱性;植被覆盖和生境质量指数较好;矿山生态修复区域的沉降区域比例较小;矿山生态修复的综合效益指标表现不佳。     

三江源地区基于MODIS数据地表温度与土地覆盖定量关系研究

以三江源自然保护区为研究区,基于MODIS L1 B数据,采用劈窗算法反演地表温度,分析了地表温度空间分布的特征,与计算得到的归一化植被指数进行回归分析。结果表明地表温度与归一化植被指数存在很好的负相关性。分析讨论了地表温度的空间分布与土地覆盖及其他影响因子之间存在的定量关系,探讨了植被生产力与气候变化之间的相互作用以及发展趋势。研究结果有利于三江源湿地的生态保护,可为土地覆盖的动态监测提供有力的科学参考。     

非匀一冠层热辐射方向性3维模型构建——以玉米冠层为例

建立适用于多类型植被场景的热辐射方向性模型是进行地表热辐射方向性研究的一种手段。利用真实植株几何及生理参数的统计平均值来刻画理念植株,并给定其空间分布特征,进行不同生长期植被冠层的描述。基于冠层双向孔隙率思想构建了冠层热辐射方向性3维模型,模型继承了孔隙率模型在计算冠层热辐射方向性上的简洁优势同时以几何光学的思想考虑了冠层空间异质性对冠层热辐射方向性的影响。以玉米冠层为例,进行了不同生长期玉米冠层热辐射方向亮温的模拟,通过与实地测量数据的比对表明,本文发展的模型能够较准确地模拟不同生长期玉米植被场景的方向亮温变化规律,模拟误差主要来自理念株的刻画误差、玉米叶片形状的近似以及忽略了多次散射贡献等3个方面。模型的构建方法对稀疏植被场景、浓密植被场景、多类型植被的混合场景均可适用,不同观测几何下的植被场景4组份面积比计算结果有望应用于复杂地表条件下地表返照率的研究。     

Coupling urbanization analyses for studying urban thermal environment and its interplay with biophysical parameters based on TM/ETM+ imagery

Studies of urbanization and urban thermal environment are now attracting wide interests among scientists all over the world. This study investigated the influences of urbanization on urban thermal environment as well as the relationships of thermal characteristics to other biophysical variables in Guangzhou, China utilizing three dates of Landsat TM/ETM+ images acquired in 1990, 2000, and 2005, respectively. Vegetation abundances and percent impervious surfaces were derived by means of linear spectral mixture model, and a method for effectively enhancing impervious surface has been developed to accurately examine the urban enlargement. As a key parameter for studying urban thermal characteristics, the land surface temperature (LST) was also retrieved from thermal infrared band of each TM/ETM+ dataset. Based on these parameters, the urban expansion, urban heat island effect and the relationships of LSTs to other biophysical parameters were then analyzed. Results indicated that the area ratio of impervious surface in Guangzhou increased significantly, which grew from 20.56% in 1990, to 34.72% in 2000, and further to 41.12% in 2005, however, the intensity of urban heat island was not always enlarged in observed years. In addition, Geostatistical analyses showed that the mean-centre of the impervious surface was moving towards the northwest during 1990–2005. And correlation analyses revealed that, at the pixel-scale, the association of LSTs to other two variables (vegetation abundance and percent impervious surface) was not straightforward, while LSTs possessed a strong positive correlation with percent impervious surfaces and negative correlation with vegetation abundances at the regional-scale, respectively. This study provided an integrated research scheme and the findings can be very useful for urban ecosystem modeling.