城市天空可视因子对地表热环境的影响分析

针对城市热岛效应的各类影响因素,该文主要关注城市三维形态与城市热环境的关系,并研究这种关系因建筑高度、密度、季节而变化的原因.作为重要的城市结构参数,天空可视因子能够较好地描述建筑物的三维形态,并可以表征有效太阳辐射吸收强度.因此,该文结合建筑物高度数据集和半球模型计算天空可视因子,并利用Landsat-8热红外波段和辐射传输模型反演地表温度,然后分析了天空可视因子与地表温度在不同季节的相关性.选择地表异质性较高的北京核心建成区作为研究区,并按照不同建筑高度和密度选择4个实验区.实验结果表明,天空可视因子与地表温度的关系存在季节差异,冬季两者的相关性更强.通过对4个实验区的定量分析可知,实验区a中天空可视因子与地表温度夏季是正相关,冬季是非线性关系;实验区b和c中是两者的关系正相关;而实验区d中无明显相关趋势.所以,建筑物的高度与密度对天空可视因子与地表温度的关系有显著影响,并且这种关系随季节变化而不同.     

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.     

热红外遥感浙江地表热环境分布研究

全球气候变暖与人类戚戚相关,研究发现不仅是城市的热岛效应引起了局部区域的地表热环境分布差异,很多地质构造、岩性、土壤、植被等地质及自然地理因素也有影响。本研究选取浙江省作为研究区,利用Landsat 8 OLI/TIRS遥感影像反演地表温度,分析冬季地表热环境分布及其影响因子。结果表明,断裂带附近地表热环境受到断裂带分布影响;岩石和土壤通过不同的地表覆被类型影响地表温度。地表热环境分布与断裂带等自然因素存在一定相关性。     

小区地表温度与下垫面结构关系研究

以北京市为例,选取了商业区、学校、生活区和公园4种典型小区24个,基于遥感及GIS的方法反演地表温度,获取下垫面覆盖信息;研究了不同类型小区地表温度热场与下垫面结构的关系.结果表明:水体、绿地具有明显的降温功能,建筑地面则增温效果明显,这3种地表所占的面积比例与小区平均地表温度关系密切;在所选取的绿地结构指数中,对温度影响从大到小依次为绿地覆盖率、分离度、缀块平均面积、连通指数、形状指数和分维数,其中,分离度与温度呈现正相关,其它指数与温度呈负相关;在所有类型小区中,温度从高到低依次为商业区、学校、生活区和公园;公园的温度分布在所有类型小区中最分散,商业区最集中.     

城市不透水面及地表温度的遥感估算

基于植被-不透水面-土壤模型和全约束最小二乘法混合像元分解模型,从探索城市热岛效应和城市不透水面关系出发,利用TM数据对北京市海淀区的城市不透水面丰度和地表温度进行估算,并在此基础上对二者之间的相关性进行定性分析和定量评价。研究表明:城市不透水面的空间分布和变化趋势与地表温度之间存在明显的一致性,二者相关系数达到0.752 5,这说明城市不透水面信息可以很好地反映城市热环境的空间分布状况。     

不透水面与地表径流时空相关性研究——以杭州市主城区为例

城市化进程中不透水面的扩展对城市地表水文循环产生了显著影响。研究不透水面与地表径流时空相关性能缓解城市内涝灾害,可为"海绵城市"提供建设意见。本文以杭州市主城区为例,提出结合BCI指数(Biophysical Composition Index)的线性光谱分解方法提取不透水面、植被和土壤盖度,提高了传统的线性光谱分解方法的精度。进一步结合SCS-CN模型(Soil Conservation Service Curve Number Method)模拟1990年—2017年杭州市主城区地表径流,在此基础上计算景观格局指数,研究杭州市主城区不透水面与模拟地表径流的时空特征,探究不透水面与模拟地表径流的关系。结果表明:(1)研究区近30年不透水面聚集度较高且呈增长趋势,增长速率趋于平稳,上城区和下城区不透水面面积占比最高,江干区、西湖区和拱墅区增长速率和增长强度相对较大。(2)研究区近30年模拟地表径流不断增长,220—240 mm的径流由中心城区向四周辐射,上城区和下城区模拟地表径流最高,与不透水面的演变趋势总体一致。(3)不透水面的空间格局与模拟地表径流高度相关,不透水面的斑块数量和破碎度与地表径流呈负相关,斑块所占景观比例、斑块密度、斑块聚集等与模拟地表径流正相关,可通过合理控制相关景观指标、优化不透水面空间格局控制地表径流。在此基础上提出了防止城市内涝的建议:增加绿地、花园等用地类型;减少大面积不透水面斑块,划分成更多的小斑块等。     

土地覆盖类型对城市热岛效应的响应分析

利用夏季MODIS地表温度和土地覆盖产品,结合Landsat等辅助遥感数据,分别提取济南、武汉、重庆3个城市2003年、2008年、2013年的土地覆盖与地表温度信息,确定3个城市不同年份的热岛效应等级分布。在此基础上,对济南、武汉、重庆这3个城市的地表温度分布特征、热岛效应等级分布特征与土地覆盖类型各因子之间的关系展开分析。结果表明：城市用地是城市热岛的主要贡献因素,相关系数达到0.42;最能缓解城市热岛效应的是林地,平均相关系数为-0.41;3个城市中最能缓解城市热岛效应的土地覆盖类型并不完全相同：济南市为林地和耕地,武汉市为水体,重庆市为林地。     

基于MODIS地表温度产品的北京城市热岛（冷岛）强度分析

城市热岛是影响城市及其周边地区天气气候和空气质量的重要因素。利用2000-2005年MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨率成像光谱仪）分裂窗算法反演得到的1km分辨率地表温度产品分析了北京的城市热岛效应,发现白天城市热岛强度具有明显的季节变化,夏季最大值可以达到10℃以上,冬季变为冷岛,即城市地表温度低于乡村,最低值可以达到-5℃;模拟结果表明冬季城市冷岛的存在主要是城市和乡村地表热特性（热惯量）的差异引起的。夜间热岛强度的季节变化较小,全年稳定在5℃左右。选择北京周边地区比较典型的乡村耕地、山区森林以及永定河流域来研究乡村的选择对热岛强度的影响。发现选择不同的邻近区域作为乡村时,不仅城市热岛（冷岛）强度有较大变化,而且热岛强度的季节变化情况也有较大差异。冬季白天北京城市冷岛增加了近地层的大气稳定度,可能会降低城市空气污染物的扩散能力,加剧了北京冬季的空气污染。     

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。     

乌鲁木齐市主城区热环境与下垫面关系研究

随着"西部大开发"推进和"丝绸之路经济带"的加快建设,西部地区城市化快速发展带来一系列环境问题,为探究乌鲁木齐市主城区地表热环境演变规律及影响因子,该文利用2000、2005、2010、2015和2018年Landsat数据,借助GIS和遥感技术支持,提取土地利用/覆被信息(LUCC)和新型建筑用地指数(IBI),利用大气校正法获得响应的地表温度(LST),处理后形成表征地表热环境的变量,进一步对LUCC和IBI与地表热环境强度变量进行分析.结果表明:①2000-2018年,土地利用/土地覆被变化明显,近19年来,耕地、草地、林地、未利用地分别减少了183.27、30.14、16.01、28.04 km2.其中,耕地面积降幅最大;城市建设用地增加了257.33 km2,变化率达20.02％.②随着建成区不断扩展,城市高温区域快速扩张,次高温区和极高温区域逐渐向沙依巴克区、头屯河区推进.③2000-2018年,乌鲁木齐主城区热岛比例指数分别为0.14、0.18、0.30、0.27和0.32,总体呈逐年上升趋势,热环境演变明显.④LST与1BI呈显著正相关,线性拟合良好,5年相关系数分别为0.580、0.487、0.778、0.556和0.611.     

基于城市地表温度与归一化植被指数对北京市建成区热环境分析

针对研究城市热环境的过程中,利用归一化植被指数(NDVI)进行地表温度(LST)反演,再将LST和NDVI结合说明地物变迁与城市热环境的影响的现状,利用Landsat-8多时相遥感影像、高分辨率影像、公开GIS等多源数据,通过人工交互判读和量化统计分析,实现了2013—2017年北京建成区NDVI变化及其对地表热环境影响分析,再对分析结果进行差值拟合评价。对NDVI阈值分割按照大小为LC1、LC2、LC3、LC4,对LST分为高温区(TH)、常温区(TR)和低温区(TL)。结果表明,2013年至2017年:1)建成区的平均NDVI增加0.03,其中LC1增加1.0%,LC2减少11.6%,LC3区域减少1.7%,LC4区域增加12.3%。2)建成区平均LST增加2.55 K,TH百分比增加0.6%;TR百分比减少1.1%,TL百分比增加0.5%。3)NDVI相对增加,地表温度相对下降以及NDVI相对减少,地表温度相对上升占60%,NDVI相对下降,地表温度相对下降以及NDVI相对增加,地表温度相对上升的占40%。     

长三角地区地表覆盖与城市热岛时空演变分析

为研究长三角城市群城市热环境与地表覆盖响应,基于长时间序列(2003-2018年)MODIS地表温度和土地利用数据,利用均值标准差法和城郊温差法揭示了研究区地表覆盖与城市热岛时空演变规律.结果表明,长三角城市群城市扩张明显,建成区范围逐年增大;长三角城市群城市热岛在空间上表现为由西向东的M形扩张以及由北向南的Z形扩张;城市热岛强度均在3℃以上,城市热岛增长主要体现在2003-2011年;研究区各地表覆盖类型变化趋势相同,均为水体温度最低,其次是林地和湿地,建成区地表温度最高.     

基于MODIS数据的上海市热岛效应分析

采用上海市2006年的MODIS LST影像,通过地表温度生成四季的热场强度指数图,对上海市的热岛空间分布的季节变化进行研究.研究表明,上海市热岛强度和热岛范围在季节分布上以夏季最为强烈,春季次之,秋季和冬季热岛范围和强度明显弱于夏季和春季.再结合植被覆盖度(FCOVER),分析两者的空间关系,表明两者存在一定的负相关性.其结果对城市的绿地规划和缓解城市热岛效应具有一定的指导意义.     

长三角地区地表覆盖与城市热岛时空演变分析

为研究长三角城市群城市热环境与地表覆盖响应,基于长时间序列(2003-2018年)MODIS地表温度和土地利用数据,利用均值标准差法和城郊温差法揭示了研究区地表覆盖与城市热岛时空演变规律.结果表明,长三角城市群城市扩张明显,建成区范围逐年增大;长三角城市群城市热岛在空间上表现为由西向东的M形扩张以及由北向南的Z形扩张;城市热岛强度均在3℃以上,城市热岛增长主要体现在2003-2011年;研究区各地表覆盖类型变化趋势相同,均为水体温度最低,其次是林地和湿地,建成区地表温度最高.     

长江三角洲地区地表温度年内变化规律与气候因子的关系分析

以长江三角洲地区为研究区,利用2005年全年的MODIS地表温度产品和气象观测资料,定量分析了地表温度年内变化规律与气候因子之间的时滞响应关系。首先,通过谐波分析方法(Harmonic Analysis of Time Series,HANTS)消除地表温度数据中云的影响,提取地表温度时间序列谐波(即周期变化规律),重建地表温度无云时间序列;然后,利用DEM和纬度数据计算了研究区太阳辐射的空间分布,并将其与地表温度的年内变化进行时滞相关分析。0.991 6的相关系数表明:太阳辐射是地表温度年周期变化的主要控制因素,地表温度峰值出现的时间相对于太阳辐射时间而言滞后20 d左右;时滞相关分析表明,地表温度和气温之间的年内变化规律呈极显著相关,气温的变化相对于地表温度存在约5 d左右的滞后响应。     

温度变化对中国大陆三维周年位移的影响

除了地表质量重新分布外,地表温度变化是影响地表周年变化的另一重要成因。本文利用全球温度变化数据,基于三维全空间热弹性形变模型,计算温度变化在中国大陆引起的地表热弹性形变,并讨论它对中国大陆三维周年位移的影响。结果表明,温度变化引起的地表周年变化振幅在毫米量级。中国大陆构造环境监测网络(简称:陆态网络)GPS台站受地表温度变化影响最大的台站是HLAR(海拉尔),东向、北向以及垂向的周年振幅矢量和为~2.293mm;影响最小的台站是HIYS(永暑礁),东向、北向以及垂向的周年振幅矢量和为~0.177mm。为了说明温度变化对地表周年形变的影响,本文联合GRACE以及物质负荷模型(MODEL)研究中国大陆地表三维周年位移。考虑温度变化后的MODEL、GRACE获取的地表周年形变在东向、北向、垂向的周年信号分别改进了6%、6%、2%;16%、5%、15%。结果表明,温度变化是物质负荷以外引起大陆地表形变的重要因素。     

伊犁河谷流域积雪分布及其变化分析

针对积雪分布变化的检测对区域冰雪资源的合理利用及灾害防治至关重要的问题,该文基于MODIS10A2积雪数据对研究区进行分带提取,采取趋势分析法、相关性分析法,分析不同海拔高度积雪年内年际变化特征以及分布变化原因。结果表明:积雪覆盖的垂直分布呈不同的季节性模式,其中高程C(2 200～3 200 m)是对积雪垂直分布影响最显著的区域;从各月积雪垂直分布和地表温度之间的回归分析来看,5和9月的相关性最为显著;12—2月(冬季)的相关性较差;积雪覆盖年际变化和地表温度的负相关性在高程A～D区比较显著;积雪日数长期变化在不同海拔有明显的差异,海拔≥2 000 m和≤1 000 m区域多年平均积雪日数呈减少趋势,海拔为1 200～1 800 m区域呈增加趋势。     

城市热岛效应与植被覆盖度定量关系特征研究

以吉林省长春市为研究区域,以Landsat TM影像为基础数据,定量反演亮度温度代替城市气温表示城市热力场分布状况,提取了归一化植被指数,计算植被覆盖度,并利用RS和GIS技术在长春市东西和南北方向建立多个特征剖面,探讨了亮度温度与植被覆盖度的关联关系及其在空间上的分布规律。通过实测气温对亮度温度数据验证表明,亮度温度可以代表一个城市的热力场分布状况;通过一元线性回归得出,亮度温度与植被覆盖程度之间存在明显的负相关关系,且可用定量公式y=-4.743 3 x+299.95表示,相关系数为0.71。     

城市地表温度空间降尺度研究—以北京市为例

地表温度LST（Land Surface Temperature）是城市热环境研究的重要参数之一,城市下垫面极为复杂,LST空间差异性较高。高空间分辨率LST对精细化城市热环境监测和缓解具有重要意义。目前大部分城市遥感LST降尺度研究仍以二维角度为主,缺乏建筑三维结构的考虑。本研究同时考虑地表二维和三维指标,构建基于随机森林方法的降尺度模型,开展MODIS 1 km LST降尺度研究（100 m）,并探讨二维和三维建筑形态对LST影响的空间尺度效应。另外,为了弥补随机森林模型缺乏物理基础的不足,参考热辐射传输方程,将方程中传感器接收的辐亮度和与大气透过率相关的大气可降水量,加入降尺度模型构建中。为了更好利用真实观测的MODIS 1 km LST验证降尺度结果,故将MODIS LST和所有指标因子升尺度至5 km,开展5 km LST降尺度至1 km研究,进一步研究探讨大气顶层辐亮度和大气可降水量对LST降尺度的影响。研究结果表明：（1）随机森林模型中增加辐亮度和大气可降水量前后,通过将5 km LST降尺度后1 km LST与原始MODIS 1 km LST相比,RMSE和R²分别由3.1 K和0.5提高至0.38 K和0.94。（2）当随机森林模型中增加建筑形态指标后,模型的袋外分数OOB_score由0.46提高至0.49,模拟的100 m LST与ASTER LST产品比较,R²有所降低,可能的原因是ASTER 和MODIS LST的反演方法和传感器不同,造成两者在100 m尺度下的对比性差一些。但是当驱动因子中增加MOD02和MOD05后,RMSE和R²由2.4 K和0.29提高至1.2 K和0.68,进一步说明MOD02和MOD05在1 km LST降至100 m过程中,起到至关重要作用。（3）在1 km和100 m尺度下,增加建筑形态后,模型OOB_score均有提高,并且建筑形态指标的重要性有所不同,在100 m尺度下独立建筑形态的影响程度有所增加。综上,MODIS LST在城市地区降尺度研究中需要考虑大气顶层辐亮度、大气可降水量和建筑形态的影响,并且不同的建筑形态对LST的重要性存在空间尺度效应。     

基于MODIS数据的长株潭地区城市热岛时空分析

基于MODIS影像,采用分裂窗算法反演的地表温度对长株潭地区城市热岛空间分布与季相变化特征、影响因子进行定量研究。结果表明,长株潭地区春季和夏季存在明显的城市热岛效应,而冬季和秋季城市热岛并不明显;地表覆盖类型对城市热岛的影响十分明显,长株潭地区春、夏、秋季植被绿地状况与城市热岛呈现明显负相关分布,其中以夏季最为明显,夏季地表温度与NDVI相关系数的平方R2达到0.8193,即植被覆盖对城市地表温度的影响显著。因此,城市植被的分布与季节变化影响着城市热岛的强度与时空分布,揭示出植被绿地对降低城市热岛效应具有重要的作用,大范围的绿地建设能有效降低城市热岛效应。