基于局地气候分区的济南市热环境空间分异及其 影响因素

城市地表覆被及空间结构不同,导致热岛效应不同,城市热环境存在空间差异。局地气候分区（LCZ）在城市热岛研究方面得到了广泛应用。合理划分LCZ、科学制定LCZ分类标准,是基于LCZ研究城市热岛的关键技术问题。本文基于济南市城市路网、DEM和建筑大数据划分LCZ,利用Landsat 8遥感影像反演地表温度,采用克里金法进行气温空间插值,以地表温度和气温综合表达城市热环境。在此基础上,采用方差分析方法研究了城市热环境的空间分异特征和LCZ类内热环境差异,采用相关分析方法研究了城市热环境的影响因素。结果表明：① 济南市地表温度和4:00、8:00、14:00的气温空间分布格局差异明显,存在较高温度异常值的LCZ数量分别占全市LCZ总数的0.25%、1.60%、4.05%和3.96%。建筑密集区域地表温度较高,同时包含分散的较高气温区,呈现热岛效应;② 不同类型LCZ的地表温度和不同时刻气温平均值存在明显差异。高层低密度、高层中密度、中层低密度等类型存在较高气温异常值的数量分别占较高异常值总数的47.37%和33.33%、9.65%,类内热岛效应明显;③ LCZ类型不同,类内热岛效应存在差异。低层低密度、中层低密度、高层低密度和高层中密度等类型所处位置高程不同,其方差分析的P值均小于0.05,热岛效应存在显著差异;④ LCZ所处位置高程不同,建筑空间分布指标对城市热环境的影响各异。总体而言,地表温度与建筑平均高度呈负相关,且达到了0.05以上的显著性水平,而气温与之呈正相关,且达到了0.001的显著性水平;城市热环境与建筑基底面积及建筑体积的平均值和标准差、建筑密度、容积率等指标的正相关性达到了0.001的显著性水平,这些指标对城市热环境的正向影响作用明显。     

武汉市夏季城市热岛与不透水面增温强度时空分布

城市化的不断发展使自然地表不断被不透水面所取代,城市地表温度高于乡村,形成了显著的热岛效应。城市热岛给城市生态发展与人类健康带来了严重的负面影响,对其空间模式与背后形成机制的研究意义重大。本文以武汉市为例,基于2001、2007和2016年夏季Landsat系列影像使用辐射传导方程法反演了城市地表温度,并采用MOD11A1数据进行了验证;同时,计算了不同时期的城市温度等级和热岛比例指数,分析了城市热岛的时空变化。此外,为了探究热岛效应形成的主要原因,即不透水面与热环境的关系,全局角度使用多元线性回归分析对比了其增温效果与植被水体降温效果的强弱,空间局部角度采用地理加权回归结合地形数据得到了其增温强度的时空变化。结果表明：① 辐射传导方程法适用于实验中研究区的反演;武汉市城市热岛比例指数先增后减,但温度等级高的地区仍在不断扩张;② 多元线性回归可以准确地反映不同地表覆盖对地表温度的影响,R^2值为0.910,总体上武汉市不透水面的增温效果强于植被的降温效果,并弱于水体的降温效果; ③ 2001-2016年不透水面增温强度较高区域的分布呈现“单中心”到“多中心”的变化趋势,由单一集中于中心城区变为了分散集中于三环线附近的汉阳沌口工业区、青山工业区、阳逻开发区和东西湖区等地区。综上所述,武汉市夏季热环境问题仍然较为严重,城市外部地区的不透水面增温强度正在逐渐增大,规划治理应当给予这些地区更多的关注。     

基于Landsat 8的成都市城市热岛时空格局变化研究

现有基于Landsat 8的城市热岛研究课题对城市热岛格局变化研究较少,且驱动因素分析匮乏。本文针对上述问题以成都市为例开展研究。基于2013年和2018年两期Landsat 8影像采用RTE算法、JM_SC10算法和TIRS10_SC算法进行热场分布的空间特征分析,并结合植被、建筑及人口等数据探讨驱动城市热岛时空格局变化的因素。研究表明:①3种反演算法获取的城市热岛效应结果具有一致性;②2018年较2013年热场分布呈现扩大化、多极化、空心化的趋势,尤其在双流区、龙泉驿区等近年重点发展区域出现新的热岛极值区;③植被和水体指数与地表温度成负相关,建筑、人口指数与地表温度成正相关;④除自然地理因素外,城市热岛时空格局变化受人口分布、政策和政府行为因素及社会经济因素驱动性明显。     

无锡市城市扩张与热岛响应的遥感分析

以无锡市2001和2008年的Landsat TM/ETM+影像为数据源,采用DBI-SAVI指数相结合的方法,提取无锡市城镇信息,得到2001-2008年间无锡市城市扩张图。同时利用热红外波段反演城市地表温度,分别得到2001年和2008年无锡市城市地表温度分布图。最后,结合城市热场变异指数和无锡市2001-2008年社会经济和人文数据,分析城市扩张与热岛响应。结果表明:2001-2008年无锡城市化呈现出不断增加的态势,同时城市空间扩张呈现出不均匀性,主要表现为集中发展和条带状发展两个特点,扩张方向主要集中在常州-无锡-苏州城市中心线沿线和环太湖方向,其中,以东南部扩张最为迅速。在城市扩张的同时,无锡市地表温度逐渐上升,城市热岛面积不断扩大,由条带状分布变为哑铃状分布,城市扩张与热岛分布在空间上呈现出一致性,因此,城市热岛是城市扩张的直接反映。     

株洲市城市热岛与土地利用/覆盖时空演变研究

以株洲市为研究区,选取两期Landsat TM/ETM＋影像,利用IDL分别反演出地表亮度温度;选择训练区域,利用ENVI的最大似然算法对两期株洲市影像进行土地利用/覆盖分类,以此作为基础分析了株洲市城市热岛范围、强度变化,以及土地利用类型/覆盖（LUCC）变化。结果显示,1999-2006年间,随着株洲市城市不断的扩展,城市热岛范围和热岛强度都有加强趋势;城市土地利用/覆盖的变化,引起了地表亮温的时空演变。研究表明,水体和植被具有良好的降温作用,而城镇建设用地和裸地则是城市热岛效应的主导因素。     

基于遥感指数的南京市城市热岛时空演变分析

以南京市为研究区域,基于Landsat系列影像,采用单窗算法反演南京市2000—2017年的地表温度.通过地表温度均值标准差法划分城市热岛等级,分析南京市城市热岛时空演变特征,并基于归一化植被指数(NDVI)和归一化建筑指数(NDBI),分析南京市城市热岛和植被覆盖及不透水面的关系.研究结果表明,南京市2000—2017年城市热岛现象明显且有逐渐增长趋势;南京市城市热岛与植被覆盖、城市不透水面表现出较强的空间一致性;南京市城市热岛与植被覆盖和不透水面分别呈现负相关和正相关关系.研究为南京市城市环境管理与城市合理规划提供了一定的理论依据与参考.     

城市地表覆盖组分及植被多样性与热环境关联性分析——以贵阳市为例

本文以贵阳市为研究对象,研究了地表覆盖组分及植被多样性对地表温度的影响。首先基于Landsat8 OLI多时相影像数据在GEE平台上实现了研究区域地表覆盖精细分类;然后结合不同季节8天合成的MODIS温度产品数据,利用时空统计分析、相关分析等方法分析了研究区不同地表覆盖类型地表温度时空分布特征,地表温度与不同地表覆盖组分、地表覆盖多样性和植被覆盖多样性的相关性。结果表明：贵阳市建成区主要分布有常绿阔叶林、常绿针叶林等植被,常绿阔叶林在不同季节对地表温度的降温效应明显,而不透水面对地表温度具有明显的增温效应,尤其以夏季最为显著;地表覆盖多样性与地表温度之间具有较强相关性,其中植被覆盖多样性较植被覆盖率对地表温度的影响更为显著,而不透水面的增加会明显降低植被多样性的影响。因此,要发挥城市绿地对城市温度和热岛效应的调节作用,建议可以适当增加常绿阔叶林的绿化面积,同时在空间上要提升植被多样性水平,能够较大程度改善城市热环境。     

2005-2016年北京中心城区热岛时空格局及影响因子多元建模

城市热岛效应作为城市范围的一种典型气候特征,在近年来受到了广泛的关注。了解城市热岛时空演变及形成原因对缓解城市热环境和提高人居舒适性有着重要意义。以北京市中心城区为例,首先,基于Landsat卫星2005、2010、2016年的热红外影像数据反演得到地表温度,采用均值标准差方法对地表温度进行划分得到多等级的热岛强度,分析城市热岛的空间格局和随时间的演变规律;其次,提取不透水层、植被、裸土和水体4种典型地物类型,统计不同年份下各热岛强度之间的转移信息并计算相关的热力景观格局指数;接着,依据离市中心的距离将中心城区分为30级缓冲区,统计分析每一级缓冲区内各地物类型的面积比例与热岛强度信息。最后,以各地物类型的统计数据,结合离市中心的距离,建立各影响因子与热岛强度之间的多元关系模型,综合分析地物类型和市中心的距离变化对城市热岛的影响。结果表明：北京中心城区整体热岛强度呈逐年增长的趋势,高等级热岛强度的热力斑块面积逐步扩张,热力景观类型的多样性随时间推移呈下降态势。不透水层对热岛强度的影响较大,具体表现为不透水层盖度越高,热岛强度越大;热岛强度随离市中心距离的增大逐渐降低。     

基于长时序MODIS数据的中国城市昼夜热岛强度时空特征

随着我国城市化进程的加快,城市热岛难显缓解之势,有关土地利用/覆盖类型、城市规模、城市形态对城市热岛的影响已有较多研究,尚缺少气候背景对我国城市昼夜地表热岛强度的影响研究。本文通过长时序的MODIS地表温度数据,从年均、季节和昼夜3个时间尺度,从全国、气候带、城市3个空间尺度探讨了我国347个城市昼夜地表热岛强度的空间分布特征以及时间变化规律。结果表明：① 昼夜差异：我国城市年均地表热岛强度白天（1.25±0.81 ℃）高于夜晚（0.79±0.43 ℃）;② 季节差异：昼夜地表热岛强度在不同季节表现不同,白天表现为夏季高,冬季弱,夜晚四个季节差异不大;③ 气候带差异：昼夜地表热岛强度分布呈现明显的空间分异。白天地表热岛强度表现为热带及亚热带地区高于温带及高原地区,其中南亚热带表现为最强,高原气候区最弱;夜晚则表现为温带高于亚热带、热带及高原地区,其中中温带最强,北亚热带最弱;④ 时空变化：白天地表热岛强度年际呈非显著下降趋势（|Z|<1.96）,而夜晚呈显著上升趋势（|Z|>1.96）;昼夜地表热岛强度年际变化存在季节差异,白天地表热岛强度夏季上升趋势显著高于其他季节,夜晚四个季节都呈显著上升趋势,其中冬季地表热岛强度上升趋势最大;白天呈显著上升趋势的城市主要分布在热带及南亚热带地区,夜晚呈显著上升趋势的城市广泛分布在中温带和暖温带。     

基于LCZ的城市热岛强度研究

城市热岛强度是城市热岛研究和应用中的一个重要度量指标,但其科学计算一直是该研究的难点。目前常用的基于气象站的城乡温差计算法,由于在代表城区与郊区温度的选择上存在困难,较难准确客观地计算热岛强度。为此,本文在LCZ分类体系的基础上,结合卫星遥感影像数据,将其应用于福州市的城市热岛研究中,以科学地计算城市热岛强度。研究表明,采用分层分类和人工目视解译相结合的方法能较好地实现LCZ的遥感分类,并确定出分别代表城市和郊区的地表温度,据此计算得到2015年9月27日福州的城市热岛强度为6.73 ℃,热岛效应十分显著。进一步将分类结果与遥感地表温度影像叠加,可有效地区分各地类的热特性,全面反映城市热岛的分布状况。     

长沙市热岛效应时空特征变化研究

本文基于1991-2015年长沙市9景Landsat TM/ETM影像,采用单窗算法反演了长沙市建成区的地表温度,提取了土地利用/覆盖类型,并结合相关资料对长沙市热岛效应时空变化特征以及城市热环境与城市土地利用/覆盖变化之间的关系进行了分析。结果表明长沙市热岛范围随着建成区范围的扩大不断增大,并且热岛的时空演变与建成区扩大的趋势一致：1991-1996年,长沙市热岛向东发展迅速,截至1996年东部热岛面积增加达53.54 km² ;1996-2003年,受城市建成区扩展影响,热岛向西部延伸,增加面积达39.88 km²;2003-2007年,建成区热岛向西部、南部加速发展,热岛增加总面积达33.55 km²;2007年后,长沙市建成区与热岛范围开始向东、西、南、北4个方向全面扩展。此外,建成区土地利用/覆盖情况发生了很大的变化,大量绿地转变为建设用地和耕地,极大地影响了地表温度的空间分布,各土地类型之间的温度差异显著缩小,水体良好的吸热性能明显地体现出来,建筑用地和裸地则对地表温度的贡献显著增大。     

2005-2014年北京市主要城建区热岛强度时空格局分析

本文利用LANDSAT-8数据计算距离加权不透水面聚集密度,以城市聚类算法提取北京市主要城建区范围。并用2005-2014年MODIS 8天合成地表温度产品,以主要城建区面积150%的周边区域作为边缘区,计算城建区与边缘区平均温度差值为热岛强度;分析北京市主要城建区热岛强度年内时序变化;依据地表温度与当月平均热岛强度对热岛强度进行等级划分,统计不同热岛强度等级出现频率,分析其空间分布特征及与不透水面聚集密度的相关性。结果表明：（1）年内1-12月热岛强度随边缘区平均温度变化显示较好的规律性,白天为逆时针分布,夜间为顺时针分布;（2）白天热岛强度等级以2、3级为主,春、夏季中南部为三级热岛强度高发区;夜间呈现由外围向中心的“环状递增”特征,高等级热岛强度出现的频率由外围向中心不断递增;（3）不透水面聚集密度对白天不同等级热岛强度出现频率影响显著,1-4级热岛强度出现频率,随不透水面聚集密度增加而增加,不透水面聚集密度达到50%后的影响趋于减弱。     

成都市热岛效应与城市空间发展关系分析

利用Landsat卫星影像反演成都市中心城区1992、2001和2009年的地表温度,建筑用地和植被等信息,计算其城市热岛比例指数(URI),对成都市中心城区热岛效应与城市空间发展关系进行了分析。结果表明,在1992-2009年期间成都市主城区范围从91.24km2扩展到403.8km2。成都市建成区的大面积扩展导致了城市热岛空间分布发生迁移,从单中心聚集分布转变为多中心环状分布。回归分析说明,建筑用地和植被都是影响地表温度的重要因素,其中建筑用地与地表温度呈指数型正相关关系,而植被与地表温度呈负相关关系。总的看来,成都市中心城区在这17年间的热岛效应有了明显的缓解,城市热岛比例指数从0.72下降到0.33。城市植被覆盖率的增加和合理的规划对缓解城市热岛效应起到了积极的作用。     

粤港澳大湾区建设用地扩张与城市热岛扩张耦合态势研究

深入研究粤港澳大湾区建设用地扩张与城市热岛扩张的耦合态势,对改善大湾区生态环境、实现城市化的健康发展,具有重要的意义和科学价值。本文以粤港澳大湾区为研究区域,选取2000、2008和2016年的遥感影像数据和地表温度数据,提取大湾区的建设用地、划分城市热岛强度等级、识别城市热岛区域;在此基础上,使用总体耦合态势和空间耦合特征两种模型揭示大湾区在不同时期建设用地扩张和城市热岛扩张的耦合关系。结果表明：① 2000-2016年,粤港澳大湾区的建设用地扩张和城市热岛扩张趋势具有同步性;② 城市热岛区域面积不断增加,在珠江口两岸逐步形成了连接中山-佛山-广州-东莞-深圳-香港,大范围分布的倒“U”形城市热岛条带;③ 大湾区建设用地与城市热岛的总体耦合态势处于不断加强的过程,至2016年,两类指标的重心距离达到研究期内的最小距离,此时的总体耦合态势最强;④ 研究期内,大湾区未出现建设用地扩张和城市热岛扩张严重失调情况,建设用地扩张和城市热岛扩张耦合类型以耦合型、基本耦合型以及轻度不耦合型为主,空间耦合程度高。     

北京市热岛效应时空变化的HJ-1B监测分析

 本文利用2008-2011年HJ-1B/CCD可见光-近红外数据,以及HJ-1B/IRS热红外数据,采用遥感算法反演北京市地表温度,并用MODIS地表温度产品对反演结果进行了初步验证。同时分析了北京市热岛效应的年际、年内变化趋势。另利用热场变异指数分析其空间分布特征,以及NDVI、NDBI与城市下垫面对热岛效应的影响。结果表明:(1)2008-2010年北京市热岛强度总体呈上升趋势,2011年有所缓解,4年热岛强度分别为:5.2℃、5.2℃、9.2℃、8.2℃;(2)北京市2010年四季存在明显热岛现象,夏季最强,春、秋次之,冬季最弱,四季热岛强度分别为8.2℃、9.4℃、9.2℃、4.3℃;(3)2008-2011年北京市热岛空间分布特征表明,房山区和大兴区的南部热岛效应逐年缓解,2011年昌平区热岛效应比前3年明显,植被和水体形成城市冷岛;(4)地表温度与NDVI呈明显负相关,与NDBI呈正相关,城市热岛效应与下垫面类型存在明显相关性。     

基于DBI和稀疏轨迹数据的交通状态精细划分与识别

浮动车轨迹数据已逐渐成为城市交通状态识别的主要数据源之一,但是现有基于浮动车轨迹数据的交通状态识别中多数是应用高精度或是多源轨迹数据。针对稀疏轨迹数据在城市交通状态识别中存在识别精度不高的问题,本文提出一种结合戴维森堡丁指数（DBI）和轨迹相似性度量的动态交通状态划分方法。首先,对轨迹数据和路网数据进行预处理并且建立不同时间片的路段轨迹集合;接着,依据轨迹速度-空间相似性,利用戴维森堡丁指数动态地扩展轨迹的空间维度,并根据轨迹相似性度量方法构建最佳车辆队列;然后,将前后不同的车辆队列进行二次处理,连接组成交通流簇;最后,基于模糊C均值聚类方法将交通流进行划分,实现路段交通状态的识别。采用厦门市厦禾路、湖滨西路和湖滨南路交叉路段上的真实出租车轨迹数据进行测试,结果表明,本文所提方法保证了车辆队列速度分布与原始轨迹速度分布基本一致,相比对比方法Kmeans++和ST-DBSCAN,本文方法均方根误差平均下降了18.77%和21.22%,并且在不同的实验路段表现更加稳定,可有效、可靠地运用稀疏轨迹数据识别城市交通状态,进而实现城市交通状态的精细分析。     

Examining the Relationship Between Spatial Configurations of Urban Impervious Surfaces and Land Surface Temperature

The urban heat island(UHI) effect has significant effects on the quality of life and public health. Numerous studies have addressed the relationship between UHI and the increase in urban impervious surface area(ISA), but few of them have considered the impact of the spatial configuration of ISA on UHI. Land surface temperature(LST) may be affected not only by urban land cover, but also by neighboring land cover. The aim of this research was to investigate the effects of the abundance and spatial association of ISAs on LST. Taking Harbin City, China as an example, the impact of ISA spatial association on LST measurements was examined. The abundance of ISAs and the LST measurements were derived from Landsat Thematic Mapper(TM) imagery of 2000 and 2010, and the spatial association patterns of ISAs were calculated using the local Moran's I index. The impacts of ISA abundance and spatial association on LST were examined using correlation analysis. The results suggested that LST has significant positive associations with both ISA abundance and the Moran's I index of ISAs, indicating that both the abundance and spatial clustering of ISAs contribute to elevated values of LST. It was also found that LST is positively associated with clustering of high-ISA-percentage areas(i.e.,50%) and negatively associated with clustering of low-ISA-percentage areas(i.e.,25%). The results suggest that, in addition to the abundance of ISAs,their spatial association has a significant effect on UHIs.     

Spatio-temporal variation of landscape heterogeneity under influence of human activities in Xiamen City of China in recent decade

Xiamen is an economically competitive and highly urbanized city along the coastal area of Fujian Province, China. The research on spatio-temporal variation of landscape heterogeneity under the influence of human activities is of great importance to the further study on the relationship of landscape pattern and ecological process. It is also crucial to the discovery of spatial variation and intensity distribution of human activities. The research analyzed the intensity of human impacts and the spatial variation features and dynamics of landscape patterns by introducing statistical theories and approaches. We analyzed spatio-temporal variation of landscape heterogeneity using the geostatistical techniques, such as semivariogram and Kriging interpolation.Results show that there is a higher correlation between landscape heterogeneity indexes and human impact index. Both the indexes show a moderate spatial autocorrelation as well as an obvious characteristic of anisotropy. From 1998 to 2008, the spatial differentiation of the changes in the intensity of human activities and the changes in landscape heterogeneity shows that the landscape patterns in Xiamen are closely related with the urban land utilization methods, the condition of traffic and geographical location and the physical geographical condition such as the terrain and the ecological environment. The process of urbanization has a significant impact on the urban landscape pattern.     

城市气溶胶光学厚度空间格局特征多指标综合分析

本文以厦门市为例,基于MODIS影像反演的大气气溶胶光学厚度（AOD）,利用空间自相关和景观格局指数从数量、形态和结构方面综合分析了2014年各月份（5月和9月除外）AOD时空格局变化。结果表明,研究区AOD具有明显的时空分布差异,林地上空的AOD处于较低等级,建设用地上空AOD大部分处于中高等级;AOD在春夏季较大,在秋冬季较小。AOD分布存在显著正空间自相关性,而且主要存在高高（HH）、低低（LL）、高低（HL）3种聚集模式。低低聚集模式主要分布在厦门市的北部山区;高高（HH）和高低（HL）模式主要分布在本岛东北部新城和本岛外各新城的城区。在景观格局指数方面,从秋冬季节到春夏季节期间,研究区气溶胶光学厚度高等级斑块增加,景观结构趋于复杂,景观异质性增加。对AOD时空格局变化进行多指标综合分析可以更加深入、细致、全面地刻画气溶胶的变化规律,有助于精确评估气溶胶对环境、气候等的影响,为城市可持续发展提供决策支持。