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。     

基于UCI指数的1988—2021年莆田市城区不透水面时空演变分析

基于时序Landsat影像采用城市组分指数(urban composition index, UCI)获取1988—2021年莆田市城区不透水地表分布图,综合分析莆田市城区不透水面的时空变化特征,探究其演化的相关驱动因素。结果表明：1988—2021年莆田市城区不透水面面积呈增长趋势,增加面积为127.42 km²,扩张速度由快变慢;空间分布为分散-聚集格局,主要扩张方向为东南沿海方向,以市中心为内核不断完善周边建设,以交通为轴向进行带状扩展。在政府政策引导和控制城市发展进程下,人口和经济的增长是莆田市城区不透水面扩张的决定性因素,地形和交通也有着一定的驱动作用。     

顾及三维空间信息的城市地表热环境研究——以南京市主城区为例

正城市热岛效应对城市微气候、人居环境和公共健康等产生显著影响,但以往的城市地表热环境时空变化研究中,对局部地区热岛强度和地表覆盖要素三维空间信息重视不足,城市区域不透水面包含的建筑用地、道路等对城市地表温度的个体效应没有表现出来,且极少考虑城市三维空间形态等对地表温度的影响及其尺度依赖性。鉴于此,本文以南京市主     

2000-2015年城市和工矿用地扩张对净初级生产力的影响

中国近15 a来快速的城市化和工业化对陆地净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）的影响是关系到碳循环和全球变化效应的重要问题。首先,本文基于VPM（Vegetation Photosynthesis Model）模型得到NPP数据,基于中国土地利用数据集（National Land Use Datasets of China（NLUD-China））获取2000-2015年城市和工矿用地数据,然后通过邻域替代法模拟2000-2015年间因中国城市和工矿用地扩张损失的陆地NPP。结果表明：2015年城市和工矿用地占中国国土总面积的1.2%,在2000-2015年间面积增加了70×10³ km²。城市和工矿用地扩张导致陆地NPP损失1.24 TgC·a^-1到3.14 TgC·a^-1,在2005-2010年损失NPP最多（3.14 TgC·a^-1）。耕地被建设用地占用是造成中国陆地NPP损失的重要原因,在2010-2015年共有13×10³ km²的耕地被城市和工矿用地占用,因此损失的NPP达1.51 TgC·a^-1,占中国城市和工矿用地扩张损失NPP总量的82%。从时空分布特征来看,21世纪初剧烈的城市扩张造成沿海和中部地区NPP损失严重（2000-2005年沿海地区主要因城市扩张损失NPP高达0.82 TgC·a^-1）,而2010-2015年主要因工矿用地扩张使西部地区NPP损失升高（在2010-2015年因工矿用地扩张损失NPP 0.46 TgC·a^-1,占中国NPP损失总量的30.81%）,NPP损失量呈现出从东高西低逐渐过渡到东西平衡的时空格局。从影响上分析,城市和工矿用地不透水地表比例（0.59±0.19）高于自然植被的不透水地表比例（0.29±0.14）,并且城市内部透水地表的平均标准化NPP（0.9）低于自然植被的平均标准化NPP（1.1）,是造成城市和工矿用地损失NPP的主要原因。     

2006―2016年粤港澳大湾区城市不透水面 时空变化与驱动力分析

以遥感和地理信息系统技术为支撑,从城市地理学视角对粤港澳大湾区城市不透水面的时空变化状况进行分析,并探讨了不透水面变化的驱动力。结果表明：1）湾区内城市不透水面扩张现象明显,面积从2006年的12 127.69 km2增加到2016年的20 188.87 km2,年均增长速度高达6.65%;2）区域内城市不透水面空间分布越来越集中,呈现高密度区域聚集;3）交通道路（省道及以上级别）与城市不透水面扩张的速度和方向关系密切,其中与国道的关系最为紧密;4）国民生产总值（GDP）和常住人口的增长都对城市不透水面的扩张产生深刻的正向影响,相关系数分别为0.840 7和0.834 1;5）近10年来,粤港澳大湾区城市不透水面的空间格局变化显著,湾区各城市的发展阶段存在差异性,在未来城市发展中应该协调好各城市不透水面的扩张范围和速度,避免过高不透水面带来生态环境问题。     

近46年松木希错流域冰川和湖泊变化及原因分析

采用1:5万地形图、Landsat MSS/TM/ETM+/OLI遥感影像及数字高程模型数据,利用遥感和地理信息系统技术,并结合狮泉河、和田和于田3个气象站点1968-2013年的气温、降水量数据对松木希错流域的冰川、湖泊面积变化及其原因进行分析。结果表明：① 1968-2013年流域冰川面积不断退缩,由139.25 km²减少至137.27±0.02 km²,共减少1.98±0.02 km²,减少百分比为1.42%,2001年以后冰川退缩速度加快;② 1968-2013年松木希错面积不断扩张,由25.05 km²增加至32.62±0.02 km²,共扩张7.57±0.02 km²,扩张百分比为30.22%,且2001年之后扩张速率加快,在年代际上与冰川的退缩具有较好的耦合性;③ 1968-2013年湖面潜在蒸散量减少和降水增加分别是导致湖泊扩张的第一和第二影响因素,而升温引起的冰川、冻土融水增加有一定贡献,但影响较小且在年际尺度上不显著。     

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。     

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℃。     

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。     

城市不透水面高光谱遥感监测研究进展

1995年Ridd提出VIS模型以来,城市不透水面便成为遥感应用领域中较为关注的问题。在城市遥感研究中,不透水面不仅仅是城市重要的物质组成,同时也对城市地表环境产生重要的影响。另一方面,随着遥感空间分辨率和光谱分辨率的提高,城市不透水面的提取在理论方法、技术路线等方面都得到了很大的提升。尤其是高光谱数据的发展,基于城市不透水面物质光谱信息的混合像元分解成为当前研究的热点。本文就城市不透水面在遥感应用领域的历史发展状况进行梳理和剖析,清晰化城市不透水面研究的状态,并介绍当前研究方向,为城市不透水面研究提供引玉之砖。主要讨论的内容包括:不透水面的内涵和物质组分研究、不透水面提取的技术方法进展、不透水面数据源/尺度变换等方面的进展以及不透水面研究的未来发展方向,尤其是基于高光谱数据的不透水面研究中的热点和存在的问题。     

基于Google Earth Engine的湖南省近30年不透水面时空变化研究

准确获取城市不透水面信息对洪涝治理、生态保护以及智慧城市建设等具有重要意义。该文基于Google Earth Engine云平台,以Landsat TM/ETM+/OLI影像为数据源,重构目标年份的最佳影像数据集;在此基础上构建光谱和纹理的分类特征集,采用随机森林分类算法提取不透水面信息,并分析湖南省1987-2017年每3年的不透水面时空变化特征。结果表明:1)该文方法能够有效提取不透水面信息,分类总体精度和Kappa系数分别为97.19%和0.92。2)湖南省不透水面扩张显著,面积从1987年的1 107.48 km~2增至2017年的3 929.26 km~2,平均扩展速率为94.06 km~2/a,动态度为8.49%。增长较快区域集中在长沙(19.14 km~2/a)、常德(8.46 km~2/a)、衡阳(8.03 km~2/a)、岳阳(7.10 km~2/a)、株洲(6.50 km~2/a)等地;长株潭城市群的不透水面扩张显著,扩展速率和动态度分别为30.28 km~2/a和14.27%。     

深圳市不透水表面的遥感监测与时空格局

定量监测城市不透水表面扩展过程,是分析城市景观格局动态,深入剖析城市地区空间镶嵌体内部异质性景观相互转化的重要基础。以深圳市为例,通过定量划分城市不透水表面等级体系,计算不透水表面的转移矩阵与景观格局指数,分析不透水表面的时空动态,结果表明:1990～2005年间,高盖度及极高盖度的不透水表面持续增加,中盖度及低盖度不透水表面先增加后减少,而自然地表及极低盖度的不透水表面则为先减少后恢复,反映了城市化进程对城市地表覆被的结构性影响。景观格局变化显示景观多样性程度较高,且经历了低-高-低-高的变化;斑块在1990年以自然地表为主,1995年以后以中盖度等级为主,高盖度等级显著增加。自然地表和中等盖度的不透水表面变化分别主导着前期和中后期的变化过程。城市建设的迅速扩张,将林地、农田、水体及滩涂等自然地表快速地转变为不同功能的建设用地,主导着不透水表面等级分布的梯度性变化。     

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.     

地理单元划分对城市热环境响应规律的影响——以北京为例

尺度效应及空间异质性决定了同一种影响因子在不同地理单元中对生态过程的作用程度存在差异。论文选择城市热环境效应这一典型城市生态过程为研究对象,针对地理单元划分对热环境效应响应规律研究较少的现状,选择土地利用分类、网格、街区、局地气候区4种地理单元,选取常用景观组分指标——归一化差值植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)、不透水面比例(impervious surface area, ISA)和改进的归一化差值水体指数(modified normalized difference water index, MNDWI)为热环境影响因子,探究不同地理单元中城市热环境对景观组分响应规律的差异。以POI数据重新定义的北京市城区为研究区,结果表明：① 单因子与地表温度Pearson相关性分析得出街区和网格作为划分单元,各影响因子与地表温度相关性较高;② 利用多因子回归方法更适合于地表温度空间分异的解释,植被和不透水面比例因子的组合在4 km网格单元,植被、水体组合及植被、水体、不透水面比例的因子组合在局地气候区单元对地表温度空间分异的解释力度最强。论文为北方大城市热岛影响因素选择提供依据,充实了不同尺度热环境效应响应规律的案例研究,并为城市生态环境效应选择适当研究单元提供依据。     

城市热岛斑块遥感识别及空间扩张路径研究——以北京市为例

研究利用MODIS地表温度数据产品,引入概率阈值算法提升城市热岛斑块空间识别精度。在此基础上,构建城市热岛扩张指数将城市热岛斑块时空变化过程分解为飞地型、边缘型、填充型扩张模式和缩减型模式。基于土地利用变化过程,开展城市热岛斑块空间扩张模式的路径分析,准确识别城市热岛斑块空间扩张路径的来源和归趋。研究表明：2020年北京市夏季昼夜城市热岛斑块总面积分别为3932 km²和2 266 km²,占北京市总面积比例23.96%和13.81%。2005―2020年夏季昼夜城市热岛斑块面积比例分别增加43.40%和24.44%。增长型城市热岛斑块面积大于缩减型城市热岛斑块面积。边缘型扩张模式是增长型城市热岛斑块最主要的模式。耕地、城市建设用地、农村居民点是增长型城市热岛斑块主要的空间扩张路径。研究结果为揭示城市热环境形成过程和精细化管理提供理论依据和数据支撑。     

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。     

基于Landsat TM/ETM数据的锡林河流域土地覆盖变化

根据1987年、1991年、1997年和2000年4期Landsat TM/ETM影像的土地利用/土地覆盖分类结果,运用地理信息系统空间分析方法,分析了内蒙古锡林河流域1987~2000年间各土地利用类型及草甸草原、典型草原、荒漠草原的数量变化和空间变化特征。分析结果显示,锡林河流域土地利用/土地覆盖变化的主要特征为草甸草原、典型草原面积的大幅减少和荒漠草原、农田和沙漠化土地面积的大幅增加及城镇的扩张。其中面积增加最大的是荒漠草原,增加了2328 km²;相当于1987年荒漠草原面积的56 %。农田和城镇面积逐年增大,分别从1987年的114.3 km²和25.2 km²增加到2000年的332.1 km²和43.6 km²。面积减少最多的是羊草＋丛生禾草、羊草＋杂类草等优良高产温带典型草原类型,共减少2040 km²。草甸草原面积亦呈逐年减少的趋势,从1987年的1103 km²减少到2000年375 km²,面积减少了65.9 %。农田、沙化地及城镇等非草原土地利用类型面积增加了62.5 %。     

京津唐城市群不透水地表增长格局以及水环境效应

不透水地表(Impervious Surface Area,ISA) 时空格局是城市化与全球环境变化交互影响下的土地利用/覆盖变化-生态系统过程-区域气候变化相互作用机理以及导致的环境效应研究的重要内容。如何快速准确地实现区域尺度不透水地表遥感信息的获取是上述研究面临的重要瓶颈问题。本研究嵌入中国LUCC 信息改进了基于MODIS NDVI 与夜间灯光指数(DMSP-OLS) 提取不透水地表信息的方法,反演了2000 年与2008 年京津唐城市群2 期250 m不透水地表信息,进而分析其变化的时空格局,结合子流域单元与河流污染物监测数据评价其对海河流域地表水环境的影响。结论表明：受环渤海经济区,天津滨海新区开发等政策的影响,京津唐城市群在21 世纪初8 年不透水地表沿着城-乡梯度带、城市交通廊道及海岸带高速增长。城乡建设用地不透水地表增长呈现显著的时空差异特征,由于北京市受人口-资源-环境的压力,产业发展不断向周边地区转移,天津与河北唐山、廊坊、秦皇岛三市具有更快的不透水地表增长速度。京津唐城市群城市高密度的不透水地表分布对于海河流域地表水环境产生严重影响,不透水地表的增长加剧了流域河流水质的污染程度。同时也发现,子流域不透水地表面积比例与COD、NH₃-N浓度均值呈现显著的线性关系。     

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。     

毛乌素沙地中部地表水体1999-2015时空动态变化特征及驱动分析

地表水体对于毛乌素沙地的经济发展和生态保护具有重要作用。利用1999、2006、2013、2015 年Landsat TM/ETM+遥感影像,获取了毛乌素沙地中部近16 a 来地表水体面积的时空变化特征。结果表明：水体面积以2006年为界呈先萎缩后回升的变化特征,1999-2006年地表水体总面积从368.52 km²缩减到了242.81 km²,缩减了129.53 km²（34.1%）。2013 年和2015 年水体面积回升,但2015年仍比1999年减少18.6%。研究区地表水体的变化在北部主要受煤炭开采大幅增加（2 252.2%）的影响,而南部主要受灌溉面积增加（92.4%）和畜牧量大幅增加（24 614.7%）的影响。以伊旗查干淖尔为代表的天然水体尽管受采矿用水增加等的影响,但在严格的水资源保护制度下面积变化不大,而以伊和日淖尔为代表的天然水体面积缩减显著,表明地表水体需要积极调控和适应才能维持稳定。