基于遥感的三亚市不透水面及热环境效应分析

城市化进程的快慢是权衡一个地区经济增长速度和社会发展水平的重要指标,改变着城市居住热环境。不透水面的分布能够很好地展现城市化的方向及趋势。三亚作为中国亚热带海岛旅游城市,近年来大量人口的涌入导致三亚城市发生了巨大变化。为了更好地了解三亚市城市化及其对城市热环境的影响,以1998、2011、2018年的Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI/TIRS卫星遥感影像作为主要数据源,利用归一化差值不透水面指数(NDISI)对三亚市近21年来的不透水面时空变化及其对地表温度影响进行了研究。结果表明,三亚市的不透水面积在21年间净增长206.5 km~2,扩大了1.58倍左右,特别是2011年以后人口和经济的快速增加,不透水面扩张速率提高了3倍以上。统计表明,不透水面与地表温度显著正相关,不透水面增加显著引起地表温度升高,而植被和水体能够显著缓解地表温度的升高,抵消不透水面对地表温度的正效应。     

厦门城市不透水面及其热环境效应的遥感分析

当前,城市空间的快速扩展使得原来以植被、水体为主的自然景观逐渐消失,取而代之的是以不透水面为主的人工建筑物,这一改变已对区域乃至全球的生态环境造成了显著的影响.本研究以海峡西岸中心城市——厦门市为研究区,以1989年、1996年和2009年的Landsat-5 TM影像为主要数据源,采用归一化差值不透水面指数(NDISI),研究了厦门市在这期间的不透水面分布的时空变化.结果发现,厦门市不透水面面积在这20年间扩展了近7倍,其增长主要占用了大面积的植被和水体.回归分析表明城市不透水面与地表温度呈明显的指数型正相关关系,而与植被、水体面积呈线性负相关关系.     

城市地表水体时空演变及其对热环境的影响

以福州市建成区为例,基于Landsat遥感影像对水体类型进行分类,并提取出1989、1996、2006和2014年的地表水体信息,然后与不透水面、植被和地表温度信息结合,运用回归模型定量分析了1989~2014年间福州城市地表水体的时空变化及其对城市热环境的影响。结果表明：① 1989~2014年间,福州建成区各类地表水体均呈不断减少趋势,25 a间水体总面积减少了1 490.67 hm²,其中有70.0%转变成不透水面;② 1989~2014年减少的1 490.67 hm²水体对福州建成区温度上升的贡献达1.03℃,而在水体减少的具体区域,其升温效应可达3.6℃。     

基于改进线性光谱解混和 SCS-CN 模型的广州主城区降雨产流模拟

城市降雨产流特征的定量研究对于城市雨水资源开发利用、科学规划和管理具有十分重要的意义。以广州市主城区为研究对象,提出一种改进的线性光谱解混方法提取遥感影像的不透水面、植被和土壤盖度,并结合SCS-CN 产流模型进行城区降雨径流模拟。首先利用线性光谱解混方法提取 2015-10-18 Landsat 8 OLI 遥感影像的不透水面、植被和土壤盖度;然后利用归一化建筑物指数和归一化植被指数进一步优化解混结果;最后结合优化的不透水面、植被和土壤盖度计算合成的 CN 值,并应用 SCS-CN 产流模型分析研究区在不同降雨重现期的降雨产流分布特征。结果表明：改进的线性光谱解混方法能较好地提高不透水面、植被和土壤盖度的提取精度;不透水面盖度越高的区域,CN 值越高;CN 值对地表径流深模拟有显著的影响;在不同重现期降雨条件下,研究区地表径流深空间分布格局差异显著;总体上,降雨量越大,不透水面盖度越高,形成的地表径流深越深,内涝发生的可能性越大。     

绿地景观对城市热环境的影响——以长春市建成区为例

绿地景观作为城市生态网络中的自然要素,在缓解城市热岛、调节城市气候中发挥着极其重要的作用。以绿地景观为研究对象,基于SPOT5影像提取长春市建成区绿地景观数据,基于TM影像估算地表温度,分析城市绿地景观与地表温度的相关关系,将"植被—不透水面—土壤"模型与具有明确物理意义的线性光谱混合模型相结合估算城市地表植被覆盖度,进一步剖析绿地景观的植被覆盖对城市热环境的影响。结果表明:绿地面积与该块绿地的最低温度负相关性较大,当绿地的面积达到50 hm2之后,面积的增大会使其地表温度显著降低;生产绿地和农业用地的地表温度最低,居住绿地地表温度最高,公园绿地温度受植被状况的影响与其他类型相比更剧烈,常绿树和落叶树的降温效果更好;增加公园绿地、常绿树和落叶树的植被覆盖,对于减缓城市热岛效应具有更好的调节作用。     

武汉城市扩张对热场时空演变的影响

深入分析城市扩张对城市热场时空分布及演变的影响机制,对探求城市热岛效应缓解对策、改善城市生态环境质量意义重大。基于1987年、1996年、2007年和2013年的Landsat影像反演武汉主城区地表温度、提取不透水面值,定量研究两者的关系,探讨城市建设对城市热场空间分布的影响;采用不透水面和正规化地表温度差值影像动态定量1987-2013年武汉城市扩张对热场时空演变的影响机制。结果表明：① 1987-2013年,武汉不透水面不断增加,城市建设强度加强,城市扩张明显,但是不同时期表现出不同的扩张方向、范围和模式。② 城市热岛效应主要发生在相应时期的建成区和武钢工业区,而城市大型水体则表现出明显的“冷廊效应”和“冷岛效应”;1987-1996年、1996-2007年和2007-2013年热状况恶化面积分别为382.0 km²、305.1 km²和105.7 km²,热状况总体呈现恶化趋势。③ 不透水面指数能较好地解释热场空间的异质性,两者回归方程的系数为0.751~0.923,不透水面值每增加0.1,正规化地表温度值会增加0.01~0.02。④ 城市热状况变化从改良极显著、改良较显著、无变化、恶化较显著到恶化极显著,对应的不透水面差值由小到大,城市扩张和城市建设强度加大对恶化城市热环境和加剧城市热岛扩展作用明显。     

基于植被指数的太原市绿地景观格局及其热环境效应

以中国重要的能源工业城市太原市为研究区,借助RS、GIS等手段,以太原市1986年、1995年、2001年三个时相的TM/ETM数据为基础,应用景观生态学的理论和方法,选择归一化植被指数(NDVI)和地表辐射温度分别作为城市绿地和热环境效应的反映指标,分析城市化过程中绿地景观格局及其与热环境的变化特征;探讨城市绿地景观格局的变化与城市热环境效应的相关关系;以寻求提高城市绿地生态效益的有效途径,为日后的城市园林绿地建设提供一些借鉴.研究表明:1986-2001年间,NDVI值较大的植被覆盖情况较好的绿地逐年减少,取代以NDVI值较小的植被覆盖差的硬质半硬质景观;景观水平上,绿地景观破碎化程度加剧,各景观要素混杂程度提高;景观的多样性增加,但这样的多样性是以大量的人工干扰为前提的;各景观类型的优势度降低,分布趋于均匀.反映城市绿地景观的NDVI与反映热效应的地表辐射温度LST两者之间存在较大的负相关关系,景观格局的热环境效应随着景观破碎化程度的加剧、景观优势度降低和多样性的增加而加强,城市绿地景观的空间分布格局对其热环境效应也有着重要的影响,其中混合格局的降温效果最为明显.     

厦门市热岛强度与相关地表因素的空间关系研究

以厦门市为例,基于遥感影像与建筑普查数据,分析了各局部气候区中相关地表因素与热岛强度之间的空间响应规律,以及厦门市各局部气候区中热岛强度与相关地表因素的空间关系。结果表明：研究区热岛强度有显著的空间自相关性,高值区集中于东南部的建设用地及耕地和裸地,低值区聚集于湖泊、河流等水体、湿地以及北部、西北部的林地;普通回归模型不能有效解释空间中相关地表因素与热岛强度之间的关系;空间误差模型的拟合效果优于空间滞后模型,可以更准确分析地表因素与热岛强度之间的空间关系;各局部气候区中可以作为回归模型自变量的地表因素有所不同。作为回归模型的自变量时,植被指数、水体指数、天空视域因子与热岛强度呈负相关关系,建筑密度、不透水面比例与热岛强度呈正相关关系,而建筑体积密度、建筑平均高度、建筑高度差与热岛强度的相关性在各气候区中并不一致。根据研究结论建议保护“补偿区”、分隔“作用区”,综合考虑规划实施策略的可行性,以有效缓解热岛效应。     

基于地表能量平衡的城市热环境遥感研究——以石家庄市为例

对石家庄市LandsatTM数据进行土地覆被分类,计算各土地覆被类型的能量平衡分量。找出感热、潜热、储热通量在下垫面的分配差异并分析下垫面面积比例与感热/净辐射的关系。发现密集不透水面感热单位面积能量达314.1 W/m2,49.9%的净辐射转换为感热。城市植被、水体净辐射的61.2%,65.9%变成潜热;感热/净辐射与城市植被和水体面积比例负相关,面积比例小于30%,感热/净辐射随之减少而快速增长;大于30%则随之增加缓慢降低。感热/净辐射与不透水面面积比显著正相关,可见,城市近地层温度升高主要由不透水面产生的感热交换引起。     

旧城改造与城市热岛效应关系的遥感研究——以福州市苍霞片区为例

随着城市建设的快速发展,老城区改造已成为城市发展的重点工程之一。福州市近十几年来对原有旧城区中的棚屋区进行了大规模的改造,改善原有的居住条件。利用遥感技术重点研究和评价了福州市苍霞片区棚屋区改造前后的热环境变化,利用系列Landsat TM影像反演了该区1986年、1996年和2006年的地表温度、不透水面和植被等信息,计算了城市热岛比例指数(URI),并对该区改造前后热岛效应的时空变化进行了全面分析,探讨了其产生的主要原因。研究表明,不透水面与地表温度呈指数相关关系,高不透水面比例地区温度上升比低不透水面比例地区更快。总的看来,福州市苍霞片区通过棚屋区改造,热岛效应有了明显的缓解,在这20 a间,城市热岛比例指数从0.648下降到0.245。福州市苍霞棚屋区的重新规划和改造对缓解该片区的城市热岛效应起到了积极的作用。     

归一化水汽指数与地表温度的关系

城市热岛的遥感研究,传统上主要利用归一化植被指数作为指标来评估地表温度-植被之间的关系。本研究探讨了以归一化水汽指数作为评估其与地表温度关系的适应性,比较了归一化水汽指数和归一化植被指数在表达城市热岛效应方面的效力。利用"单窗算法"和3个不同时段的TM/ETM+数据获取了珠江三角洲核心区域的地表温度分布图,分析了两种指数与地表温度之间的关系。对局部区域逐像元和对区域总体分析的结果表明:不同时段的地表温度与归一化水汽指数之间均存在较强的线性关系,而地表温度与归一化植被指数之间的线性关系相对较弱。说明在城市化的环境下,与传统上常用归一化植被指数作为指标来定量分析地表温度相比,归一化水汽指数提供了一种互补的、甚至更加有效的衡量指标。     

城市土地利用类型及格局的热环境效应研究——以上海市中心城区为例

以上海市中心城区为例,首先采用SPOT影象,人工解译出城市土地利用的类型,同时利用Landsat7卫星,ETM+影象的热红外波段反演每个像元内的陆地表面温度,分析陆地表面温度在不同土地利用类型之间的差异,进一步分析不同土地空间分布格局与地面温度之间的关系。研究结果显示:上海市地表温度具有明显中心城区高、郊区低的热岛效应存在;在城市不同土地利用类型上的表面温度具有显著性差异,两两之间的比较揭示,城市地面温度在大多数土地利用类型之间的差异是显著的。城市内部不同土地类型所产生的热环境效应不同;城市土地类型在空间布局上越复杂,其产生的热岛效应越明显。     

近20年京津唐主体城区地表热场空间特征变化分析

基于Landsat遥感影像获取京津唐主体城区1995~2015年地表温度(Land Surface Temperature, LST)和不透水地表盖度(Impervious Surface Percentage, ISP)数据。采用热点聚集和阈值分割法,依据地表的温度和不透水盖度属性将京津唐主体城区划分成9种地表热场类型,分析并探讨地表热场的发展规律、年际变化状况和区域贡献作用。研究发现,京津唐主体城区地表温度与不透水地表盖度间存在显著的正向相关关系,两者分别呈现“阶梯降”和“两端高、中间低”的变化特征。京津唐主体城区地表热场的发展主轴保持在西北-东南方向,且随时间推移沿主轴呈聚集态势。 京津唐主体城区地表热场的影响范围在空间上持续扩张,对于不同的主体城区,其在整体区域的热场贡献中有差异化表现。     

The role of local land-use on the urban heat island effect of Tel Aviv as assessed from satellite remote sensing

Climate change in cities has received much focus in the past few decades. Heat stress in urban areas has an adverse effect on human health and is expected to worsen in the future due to the global warming. Vegetation has been shown to mitigate this effect, but introducing ‘green’ areas into the metropolitan space is a challenging task. We assessed the thermal load in terms of surface temperature in Tel Aviv, the biggest metropolitan area of Israel. The thermal effect of four different urban land uses was estimated. Specifically, we compared the cooling effect of residential areas with high vegetation cover (referred here as ‘green’ residential) to that of small to medium size (2–40 ha) public parks. To this end, we used satellite data of land surface temperature (LST) and the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), as a surrogate for vegetation cover. High-temporal data were combined with high spatial resolutions data to produce 10-year average LST and NDVI maps at high spatial resolution over Tel Aviv. As expected, industrial areas had the highest LST due to lowest ratio of vegetation to free space area (1%), while ‘green’ areas displayed the lowest LST. Green residential and small-medium public parks had comparable thermal loads, with green residential having slightly lower LST (by 0.5 °C). In general, small-medium public parks displayed higher LST than expected. Inefficient use of free spaces for vegetation, i.e., relatively low vegetation cover to free space ratio, was probably the main cause for this. Public parks had a higher local cooling effect, but a less continuous one on the proximate surrounding (30–90 m from the park), probably due to their relative location in the urban fabric. Our results suggest that ‘greening’ areas within the private urban space should be encouraged at the expense of building new small-medium parks in metropolitan areas that lack the sufficient free space for larger parks. The outcome of this study may have key implications for urban planners seeking to mitigate urban heat island effects under the limitation of existing dense urban layout.     

近30年北京市ISP-LST空间特征及其变化

本文聚焦长时序地表的不透水与温度特征,利用Landsat影像数据,获取1991—2015年北京市的不透水地表盖度（Impervious Surface Percentage, ISP）与地表温度（Land Surface Temperature, LST）数据,构建不透水地表盖度-地表温度（ISP-LST）二维空间。结合标准差椭圆法,对ISP-LST空间密度分布的聚集特性进行分析,定量化表述各时期的特征与变化。研究发现：① ISP-LST二维空间特征表现为三种类型：弱相关、非完全正相关和显著正相关。② ISP-LST标准差椭圆的方向性和离散性均值为11.26和2.87,空间聚集性良好。随时间推移,高温现象受不透水地表的影响过程趋于复杂化。③ ISP-LST聚集区是城市热环境的重要表征,其在各功能区年际增长率为：功能扩展区（2.97%）>核心功能区（1.75%）>发展新区（1.63%）>生态涵养区（0.18%）。聚集区在东南方向增长明显,研究时段内累计增长14.77%。④ ISP-LST聚集区的斑块密度及形状复杂度的景观格局变化不大,但斑块连接性随时间推移有所降低。本文研究结果可为缓解城市热岛效应、制定生态环境调控政策提供相应参考。     

基于FSDAF模型的干旱区典型绿洲城市夏季地表热岛效应时空演变研究

全球城市化进程加快引起的干旱区绿洲城市热岛效应变化及其生态环境问题已成为当前国内外城市气候、环境和生态等领域的研究热点之一。基于遥感热红外通道反演的地表温度(Land surface temperature,LST)是开展城市地表热岛(Surface urban heat island,SUHI)效应监测研究的关键参数。然而,受热红外遥感数据“时空矛盾”的制约,目前在单一星载卫星传感器下尚不存在同时具有高时间分辨率和高空间分辨率的热红外遥感数据源,因而制约了在干旱区绿洲城市范围内开展高精度地表热岛效应监测研究。针对上述问题,以干旱区典型绿洲城市--乌鲁木齐市为研究区域,以Landsat系列影像和MODIS地表温度产品为基础数据源,基于FSDAF(Flexible spatiotemporal data fusion method)时空融合模型分析了2001-2018年乌鲁木齐市在城市扩张背景下夏季地表热岛效应的时空变化特征以及夏季LST与城市地表参数之间的关系。研究结果表明:(1)乌鲁木齐市夏季热岛强度(SUHI intensity,SUHII)在不同的郊区范围内均呈现增加的趋势。在较小的郊区范围内,SUHII1从2001年的1.24℃增加到了2018年的2.83℃;在较大的郊区范围内,SUHII2从2001年的1.44℃增加到了2018年的2.88℃;(2)在研究区各土地利用类型中,裸地的夏季LST最高,水体最低;(3)研究区地表反照率和不透水面的增加与城市夏季LST升高呈正相关,而植被指数与植被覆盖度则与LST呈负相关关系;(4)在干旱区绿洲城市,城区内部植被面积的增加有助于缓解城市热岛效应,而仅郊区植被的增加则会导致SUHII的进一步增强。     

非渗透表面对广州主城区地表热特征的影响

运用Landsat 5号和7号获得的遥感数据,评估广州地表热特征。为了量化城市土地利用程度和开发密度,对研究区基于子像元的非渗透表面丰度进行了分类。通过选择一定的非渗透表面丰度域值定义城乡边界和城市开发密度,应用陆地卫星热波段研究城市热格局。分析认为:可以基于量化的城市土地利用程度和开发密度确定地表热特征和格局。广州城区在日间具有热效应(热源),这种热效应与城市开发密度高度相关,即高丰度的非渗透表面通常与高地表温度相关联。基于植被冠层覆盖信息,证明城市非渗透表面丰度的时空分布及与其关联的热特征是量化城市土地利用、开发密度和城市热格局的有效资料。