北京城市建筑密度分布对热岛效应的影响研究

“热岛效应”是现代城市气候的主要特征之一,本文基于高分辨率遥感影像,通过人工目视解译获取了北京市五环内的不同建筑密度区,进而结合遥感反演获得的地表温度数据,分析了城市建筑密度分布与城市热岛效应及其变化之间的关系。结果表明,北京市五环内的建筑以中密度区为主,高密度区次之,各建筑密度区在不同环线之间的分布也有较大差异。高密度区主要分布在二环以内,中密度和低密度建筑区主要分布在二、三环之间,高层建筑区总体分布较少,主要分布在二、三环和三、四环之间。城市建筑区的地表温度与建筑密度呈现显著正相关关系,城市建筑密度越大,其地表平均温度就越高,北京市高密度区的平均温度达到30.5 ℃,而高层建筑对热岛强度具有一定的缓解作用,北京高层建筑区的平均温度为28.32 ℃,比高密度区低2.18 ℃。从热岛强度变化来看,总体上高密度区、中密度区和低密度区的热岛强度均为增强的趋势,其中高密度区热岛强度增加的幅度最大,热岛强度增加了0.56 ℃,只有高层建筑区的热岛强度表现为减弱趋势,热岛强度降低了0.07 ℃。     

北京城区不透水地表盖度变化及对地表温度的影响

基于QuickBird高分辨率影像、LandsatTM影像及夜间灯光数据,设计了集成CART（Classification and Regression Tree,）算法和多源遥感数据估算亚像元级不透水地表盖度的技术方案,采取适用于典型温带半干旱地区的ISP（Impervious Surface Percentage ）提取方法,提取2001年和2011年北京城区不透水地表盖度,并将不透水地表盖度分为3类,ISP为10%~60%的区域为低密度区,60%~80%的区域为中密度区,大于80%的区域为高密度区。同时采用单窗算法反演2001年和2011年地表温度,对2001-2011年北京六环以内城区不同环路区域ISP发展趋势,以及其与地表温度的相关性进行分析。结果表明：（1）北京城区的不透水地表盖度变化主要集中在低密度区域,与之相比,中密度区域和高密度区域不透水地表盖度变化不大。2001-2011年来北京五环以内区域由于城建区较多,整体不透水地表变化并不明显,主要变化区域集中在五环至六环以内区域,其中低密度区增长明显,中密度区和高密度区主要增长集中在东部,可以看出,近年来五环至六环以内区域发展迅速,城建区范围不断扩大。（2）相较于2001年,2011年北京市中心地表温度明显上升,高温区聚集程度更为明显。其中四环以内地表温度与周边区域地表温度相比,温差明显增大。（3）通过对比2001年和2011年各密度区平均地表温度发现,相较于2001年,2011年北京市六环以内城区各密度区之间的地表温度差异更大,城市热岛效应更为明显。（4）2001年和2011年北京城区各环路区域内不透水地表盖度与地表温度均呈正相关。四环至六环区域,地表温度随不透水地表盖度变化的趋势相近。ISP在10%~20%的区域,地表温度随不透水地表盖度增高而上升的速率明显高于其他区域,ISP大于20%的区域地表温度上升速率下降,且趋于一致。     

2010年中国西南旱情的时空特征分析——基于MODIS数据归一化干旱指数

 近年来,干旱灾害频繁发生,对区域内农业生产和生态环境造成了极大的破坏。为了快速准确地获取大面积地表土壤水分信息用以评估地表受旱程度,本文以2010年年初中国西南大旱为例,运用MODIS可见光-红外波段数据以及像元可信度综合生成了归一化干旱指数(NDDI)。同时,结合研究区内地面气象站点实测的土壤湿度数据验证了NDDI对地表土壤湿度的敏感度。结果表明:相比于植被状态指数(VCI)干旱监测模型,NDDI能更加灵敏地对浅层地表干湿变化做出迅速响应。最后,本文利用NDDI分析了2010年年初中国西南大旱旱情发展的时空演变过程,宏观上重现了此次旱情的发展历程,并使用该指数统计了不同时间节点、不同干旱等级下的贵州省土地受旱面积。结果显示:2010年1月-2010年4月为贵州省旱情最为严重的4个月,平均受旱面积达103 352km²,最大受旱面积达132 257km²,占贵州省总面积的75%以上。同时,旱情等级为重旱的土地面积最大达到88 246 km²,占贵州全境土地面积的50%以上。     

成都市城市热岛效应分析

城市热岛效应是城市气候最显著的特征之一.基于地理信息系统和不同时次的遥感影像,探讨成都市地表温度、热岛强度、热岛等级的分布特征及其演变.结果表明:成都市热岛效应明显且夜间夏强冬弱,地表温度呈条状分布;日间城市多数区域属于弱热岛以上等级,中心城区偏向强热岛和极强热岛,夜间强热岛面积扩张,冬季热岛等级增加明显;2002～2012年,城市热岛等级增加,强热岛面积扩张,但存在昼夜和季节性差异.     

成都市城市热岛效应分析

城市热岛效应是城市气候最显著的特征之一。基于地理信息系统和不同时次的遥感影像,探讨成都市地表温度、热岛强度、热岛等级的分布特征及其演变。结果表明:成都市热岛效应明显且夜间夏强冬弱,地表温度呈条状分布;日间城市多数区域属于弱热岛以上等级,中心城区偏向强热岛和极强热岛,夜间强热岛面积扩张,冬季热岛等级增加明显;2002~2012年,城市热岛等级增加,强热岛面积扩张,但存在昼夜和季节性差异。     

我国长江中下游农业区冬闲田的遥感监测分析

 近20年以来,随着我国经济结构的调整和农村劳动力的转移,部分地区冬闲田的面积呈明显增长态势。为了科学、合理及高效地利用冬闲田资源,本研究以长江中下游农业区为实验区,利用长时间序列NDVI数据,结合研究区耕地空间分布和农作物在出苗期和成熟期NDVI变化特征,构建了NDVI动态阈值法的冬闲田遥感监测方法,进而对研究区2007至2008年冬闲田的空间分布和闲置时间进行了提取分析。研究发现,2007至2008年,我国长江中下游农业区冬闲田总面积为20.55万km²,占耕地总面积的45.49%。冬闲田集中分布于研究区北部和西北部的江苏、安徽、河南、湖北、湖南和江西的西北部地区,其中,湖北、湖南和江苏是冬闲田分布面积最多的省份,3省冬闲田面积占了研究区冬闲田总面积的53.41%。     

大连市城区绿地时空特征的热环境效应研究

本文选择大连市沙河口和西岗区为研究区,以Landsat ETM、SPOT等数据为基础,通过遥感解译和反演得到1999年和2013年研究区内绿地及地表温度空间分布及演变特征,结合温度-植被指数（TVX）空间分析法测度城区发展过程中绿色空间减退所引起的热环境效应,以提出更有针对性的城市气候变化适应性规划。研究结果表明：（1）1999-2013年,研究区绿地面积减少43.8%,绿地斑块增加42.9%,城市绿地呈现面积减少、空间分布碎化的演变特征。其中,森林绿地、公园绿地和街区绿地转化为建设用地的贡献率分别为43.8%、42.9%和13.3%,街区绿地因原始面积小且转化率高,被建设用地侵占最为严重。（2）1999-2013年,研究区地表温度最高值上升5.2 K,地表温差增加1.7 K,地温聚集区间由301.6 ~304.7 K上升至306.5~310.9 K,热环境效应加剧。（3）TVX模型追踪结果显示,快速城市化过程中研究区内城市绿地转化为建设用地引起植被覆盖度下降和地表温度上升,其中街区绿地被侵占造成的地表热环境效应大于公园绿地和森林绿地。     

城乡不透水面增长格局及地表温度的响应特征研究

为探究中国北方中温带,特别是东北寒区快速城市化地区城乡不透水增长格局及地表温度的响应特征,本文以哈尔滨市为例,基于国家资源环境遥感时空信息平台土地利用/覆盖变化（LUCC）数据集解译的2001年与2015年城乡建设用地和Landsat 7/8数字遥感影像,结合植被-不透水面-土壤（V-I-S）端元选取和完全约束最小二乘混合像元线性分解模型进行了不透水面提取（分辨率15 m×15 m）,并运用单窗算法进行了夏季地表温度遥感反演。结果表明：2001-2015年建设用地扩张259.05 km²,不透水面上升163.96 km²,城市与乡村不透水面占各自建设用地的比例由2001年的43.92%、21.35%变化为2015年的49.14%、34.27%,城乡比例差由22.57%缩减至14.87%,单位建设用地内乡村不透水面增量较高;2001-2015年城区以低温区、中温区、高温区为主,对不透水面扩张的响应剧烈,而乡村以低温区和中温区为主,低温区和高温区响应剧烈;地表温度与不透水面具有显著正相关,在低、中、高不透水密度区分别升温1.16o、1.45和1.79 ℃,相同不透水面盖度下城市升温高于乡村。总体而言,研究区不透水面大幅扩张,温度分区变化剧烈,地表温度随不透水面增加升温效果明显。     

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Landsat TM影像不同地表温度反演算法的比较

地表温度是反映地表环境的一个重要参数,精确获取地表温度的方法对研究城市热岛效应、进行生态环境监测评价是必不可少的。利用遥感手段进行地表温度的反演是一种较新颖的方法,相对成熟的反演算法主要有单通道算法、辐射传输方程法及单窗算法。本文以山东省威海市Landsat TM数据为例,分别利用辐射传输方程法和单窗算法进行地表温度反演,通过遥感目视解译的方法提取研究区各类典型地物对应的地表温度,进行统计分析,结果表明,两者反演得到的地表温度具有一致的变化趋势,其中单窗算法中不同典型地物的地表温度整体标准差较小,如建设用地为0.530,起伏波动小,算法精度略优于辐射传输方程法。     

结合HASM和GWR方法的省级尺度近地表气温估算

卫星遥感反演得到的地表温度可用于近地表气温的估算,但现有方法的估算精度仍有进一步提升的空间。为了获取空间上连续且精度较高的近地表气温,本研究以四川省为例,首次将高精度曲面建模（HASM）用于遥感和气温实测数据的融合,并将综合了气温、地表温度、海拔、坡度、坡向的地理加权回归（GWR）拟合结果作为HASM模型的初始温度场,进而采用此种结合HASM和GWR的求解算法（HASM-GWR）,融合MOD11C3地表温度产品与190个气象台站的气温实测数据,开展省级尺度近地表气温估算,并通过比较HASM-GWR、GWR以及普通线性回归（OLS）3种方法的估算精度,评估各模型对近地表气温的估算效果。结果表明,相比于传统估算模型,采用HASM-GWR数据融合方法能有效提高近地表气温的估算精度。采用该方法的近地表气温估算残差,72%介于-1~1 ℃,90%介于-2~2 ℃;且与GWR和OLS模型相比,估算结果的均方根误差（RMSE）分别降低了25.42%和39.83%。     

地物非线性重叠函数的可视化解法及其在地表通量遥感反演中的应用

本文从全球变化研究的需求分析入手 ,分析了地表通量遥感估算的重要科学意义 ,讨论了地表通量遥感过程中面临的几个关键问题 ,构建了地表通量遥感估算系统。对二层蒸发模型中的植被和土壤表面温度分解提出了可视化解算的思路。对遥感真实温度中的等效比辐射率 ,尝试利用蒙特卡罗方法进行计算 ,并对几种特定空间分布 ,特定类型树冠森林的四分量的方向性特性进行了详尽的分析。遥感反演地表真实温度 ,土壤和植被表面温度的分解是地表通量遥感中的关键步骤。     

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。     

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。     

基于地表通量特征的城市不透水表面定量热红外遥感反演

城市不透水地表格局通过改变城市下垫面结构,引起地表反照率、比辐射率、地表粗糙度的变化,从而对地表辐射和能量平衡产生直接影响。不透水地表能增强地表显热通量,导致地表波文比升高,因此地表波文比的空间差异可推算城市人工不透水表面的分布。本研究选择北京市为实验区,应用Landsat TM卫星热红外遥感数据,采用PCACA模型及理论定位算法,对城市地表波文比进行反演,进而计算遥感地表波文比空间分布数据与城市不透水表面比例数据之间的相关关系,构建回归方程,实现北京市城区与近郊区人工不透水表面百分比分布的定量估算,最后以高分辨率遥感数据获取的城市人工不透水表面比例数据进行结果验证。结果表明,采用PCACA模型定量反演城市地表波文比数据,利用地表波文比数据与不透水表面比例数据之间的相关关系可实现城市人工不透水表面百分比数据的定量估算;波文比值不仅可在遥感像元水平定性判定不透水像元,还可对混合像元中的不透水比例进行较高精度的定量反演,其相关系数R²值为0.731。此方法有效地揭示了城市不透水下垫面对地表热通量影响的机制以及空间定量关系。     

基于几何光学模型的人工林叶面积指数遥感反演

 MODIS等全球叶面积指数(LAI)产品空间分辨率偏低(250m~7km),不能满足高空间分辨率遥感应用的需求。为获取大区域高空间分辨率LAI,有必要对物理模型用于高空间分辨率遥感影像LAI反演的可行性进行探讨。本文基于4-scale模型LAI反演算法,以甘肃省张掖为研究区,利用TM 影像实现研究区人工林LAI反演。反演算法考虑了反射率入射-观测角度对LAI与植被指数关系的影响和植被冠层尺度的集聚程度。利用地面实测LAI数据对反演结果进行验证与分析,并与NDVI经验模型进行对比,同时分析LAI反演结果对波段反射率敏感性。结果表明: 4-scale模型LAI反演结果与实测LAI一致性良好(R²=0.67,RMSE=0.50),且优于NDVI经验模型(R²=0.59,RMSE=0.67);当LAI大于2时,4-scale模型LAI反演算法误差小于NDVI经验模型,能有效避免植被指数的饱和现象;红光波段反射率减小时,引起4-scale模型LAI反演结果的变化幅度比其增大时更高,且影响程度大于近红外波段反射率。研究表明,4-scale 模型LAI反演算法可用于TM数据反演人工林LAI,模型应用普适性较强。     

基于RS与GIS的北京市热岛研究

基于普适性单通道算法,利用2005年5月6日的TM数据反演北京市区的实际地表温度。在此基础上,分析了北京市区的热环境特征、热岛分布的位置。运用GIS空间分析工具,分析了地表温度与地形特征和地表覆盖类型之间的关系。结果表明,北京市热岛分布具有环状和带状分布特征,高程较低处和坡度较小处更容易形成热岛中心,不同地表覆盖类型的热特征具有显著的差异。     

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。     

地表温度的多源遥感数据反演算法对比分析

 多源遥感数据的综合应用是提高地表温度反演精度的有效途径.MODIS数据和Landsat TM数据在我国同一地区获取的时间相差不大,可以获取近似同步的MODIS数据和TM数据.本文将基于MODIS数据反演的大气参数应用于TM影像的地表温度反演,分别对单窗口算法和普适性单通道算法进行了实验研究,应用气象站实测的地表温度数据对反演结果进行了检验,并对比分析了不同土地覆盖条件下两种算法的精度差异.结果表明:两种算法反演精度均较高,单窗口算法反演精度为0.76K,普适性单通道算法反演精度为1.23K;在不同的土地覆盖条件下,两种算法表现出明显的差异性,水体区反演结果差异最小,均值差异仅为0.02K,植被区差异最大,均值差异为0.62K.     

河谷型城市热岛空间分布格局演变及对策——以西宁市区为例

城市热岛效应直接反映着城市的气候特征,这对于研究由城市化发展与环境改变引起的城市气温的变化及保护城市的生态环境具有重要的现实意义。本文利用LandsatTM影像、气象台站资料,基于GIS的空间分析技术及单窗算法,对河谷型城市西宁市的地表温度进行反演,分析了地表温度与NDVI、NDBI的空间对应关系。结果表明:西宁市存在明显的城市热岛效应,热场分布及延伸与西宁市空间扩展布局相一致,热岛范围呈逐年增长的趋势;低、中温区的热岛面积大幅度减少,高温区的热岛范围显著增加;热岛效应冬季最强,夏季次之,秋季有明显减弱的趋势。在河谷型城市的空间格局上,地表温度与NDVI呈负相关关系、与NDBI呈正相关关系。最后,依据热岛时空演化、成因分析和策略研究的思路,从不同角度提出了缓解城市热岛效应的措施和对策,为未来西宁市热环境的改善提供科学参考和决策支持。