成都市城市热岛效应研究

第 1 页 共 21 页分类号： UDC：密 级：公 开 编 号：成 都 信 息 工 程 学 院学 位 论 文成都市城市热岛效应时空演变分析论文作者姓名：申请学位专业： 地理信息系统申请学位类别： 理学学士指 导 教 师 姓 名 （职 称 ）：论文提交日期： 2013 年 06 月 3 日第 2 页 共 21 页成都市城市热岛效应时空演变分析摘 要近年来,随着城市化进程加快,城市热岛现象日趋明显，直接影响了人们的日常生活,成为人们关注的重要对象，本文在获取 1992 年、2000 年和 2005 年的Landsat TM/ETM+影像基础之上，采用决策树分类方法将研究区土地利用类型分为城区建筑、水体和自然地表三类，分类数据是用于计算比辐射率的重要依据之一，然后进一步采用单通道算法对成都市遥感数据进行地表温度反演，将反演结果进行等温度分级显示，得到不同时段的地表温度分级图，对这些温度分级图进行分析得到成都市的热岛动态变化趋势，结果表明，水体和植被覆被比城区建筑覆被温度低，城区建筑覆被对热岛效应具有绝对贡献，城市面积不断扩大，高温区面积随着城市的扩展也在不断扩大，城市热岛强度随着时间而不断加强，热岛呈现环状分布，热岛核心向城市中心东南方潜移，植被和水体属于低温区，适当增加城市绿地对于缓解城市热岛效应具有积极作用。关键词：城市热岛; 成都市;Landsat TM/ETM+;热岛分布第 3 页 共 21 页spatial and temporal evolution of urban heat island effect in ChengduAbstractIn recent years, along with urbanization the urban heat island phenomenon is increasingly clear , it direct impact on peoples daily lives and has attracte many attention, The article is based on Landsat TM / ETM data of 1992, 2000 and 2005 , land use types are divided into urban, water, and natural surface by using the method of decision tree classification, disaggregated data is one of the important basis of emissivity , And then using remote sensing data inverse surface temperature of chengdu by further single-channel algorithm , obtained the different period surface temperature distribution data to analyze Chengdu urban heat island changing trend .the results show that the temperature of water and vegetation cover is lower than the building cover, urban construction cover have absolute contribution to heat island, the area of heat island ,expand with the urban area, the urban heat island intensity continue to strengthen as the time, and the heat island showing annilar distribution, the heat island areas move to the south-east of the city center. vegetation and water belonging to the low temperature region. we can see that water and vegetation have a positive effect on slowing down the heat island effect.Keywords: urban heat island; Chengdu; Landsat TM / ETM +; heat island distribution第 1 页 共 21 页目录论文总页数：22 页1 引言 .21.1 课题背景 .21.2 国内外研究现状 .21.3 研究内容、方法和技术路线 .31.3.1 研究内容 .31.3.3 技术路线 .42.研究区概况 .42.1 总体概述 .42.2 地理特征 .52.3 气候特征 .53 数据来源及预处理 .53.1 数据来源 .53.1.1 Landsat TM/ETM 介绍 .53.1.2 数据介绍 .63.2 数据预处理 .73.2.1 几何校正 .73.2.2 大气校正 .73.2.3 裁剪 .74 基于 LandSat TM/ETM+的地表温度反演研究 .84.1 基于 LandSat TM/ETM+地表温度反演算法 .84.1.1 辐射传导方程法 .84.1.2 覃志豪单窗算法 .94.1.3 普适性单通道算法 .94.2 基于覃志豪单窗算法的地表温度反演 .104.2.1 TM 的亮温计算 .104.2.2 地表温度反演参数计算 .114.2.3 覃志豪单窗算法地表温度反演 .145 成都热岛分析 .155.1 不同地表覆被温度变化分析 .155.1.1 不同地表覆被多年平均温度状况分析 .155.1.2 不同地表覆被温度差异的时间变化分析 .165.2 热岛强度分析 .16第 2 页 共 21 页5.3 热岛空间变化分析 .176 结论与讨论 .176.1 结论 .176.2 讨论 .18参考文献 .19致 谢 .20声 明 .21第 3 页 共 21 页1 引言1.1 课题背景城市热岛效应是指热量在城市空间范围内聚集，使得城市气温比周边明显偏高的现象。城市热岛是由特殊的城市下垫面、大量人为热源和局地大气环流条件造成的，它反映了城市的热环境状况 1,2。自1833年Lake Howard提出“城市热岛”概念以来，城市热环境问题一直备受关注，1918年，Howard又在伦敦的气候一书中，把伦敦城的市区气温比周围相邻的农村气温高的现象称之为“Urban Heat Island”和“Hotisland Effect ”，即“城市热岛”和“热岛效应”3。 西方发达国家如美国、英国、加拿大以及西欧等国，相继在此领域开展了多项探索和研究 4-6。热岛效应反映的是一个温差的概念，只要城市与郊区有明显的温差，就可以说存在了城市热岛，因此，一年四季都可能出现城市热岛。在全球增暖和高速城市化的背景下，城市热环境及其热效应已成为主导城市气候与环境的要素之一，对人们生存空间质量的提高带来不良影响。近年来，随着城市化进程加快，城市热岛现象日趋明显，直接影响了人们的日常生活，成为人们关注的重要对象，因此，研究城市热岛效应的时空演化规律，对改善城市生态环境和城市居民居住环境有重要的现实意义。成都位于四川省的中部、四川盆地的西部，是四川省省会，近几年来随着经济的飞速发展，大量外来人口涌入，购车人数也越来越多以及温室气体的大量排放，导致成都市市区与郊区的温度差异较大，据中国之声央广新闻13时34分报道，根据卫星遥感监测发现，成都城区内外的温差最高达到8以上。城市比郊区温度偏高，形成了“热岛效应” ，成都的“热岛”呈环状分布，在全国都比较少见。因此，对成都市进行热岛效应变化研究已经非常必要，这也为成都市缓解高温压力提供了依据。1.2 国内外研究现状Rao首次利用热红外遥感数据ITOS-1研究城市热岛现象 7。之后，利用NOAA/AVHRR 数据对城市地表分布、城市热岛变化等情况的研究陆续出现。随着美国陆地卫星的发射成功，人们采用TM 6对城市地表温度分布格局、城市热岛强度扩展、城市热岛与城市土地利用及植被覆盖度的关系等进行研究。国内学者也先后采用常规方法和热红外遥感方法对北京、上海、广州、武汉、杭州、长春等主要城市的热岛现象进行了监测 8-11。关于城市热岛问题，国内外学者做了较多的研究。可以概括为 5 种：(1)气象站法：传统的热岛效应运用气象站历史数据，选取若干个温度指标，分析一个城市或区域在不同发展阶段热岛特征变化情况。(2)定点观测法：根据城市热岛空间分布状况，定点观测可以从水平和垂直方向 2 方面考虑。其中，城市热第 4 页 共 21 页岛水平分布特征一般是选用城郊若干个典型的位置，进行数项温度气候指标的测定比较；或者是利用横穿城市剖线进行观测研究。由于城市热岛不仅影响近地面温度，还会影响城市边界层内能量交换，具有明显的立体空间分布特征。城市气候立体特征研究多是使用探空气球、飞机等进行观测，观测高度在1007000 米之内。也有学者为了获取长期连续不断的城市与郊区气温垂直变化资料，将气温表安放在铁塔的不同高度，观测城郊气温垂直差异。(3)运动样带法：运动样带法通常是在车辆上安装气温测定传感器，并连接着一个便携式的数据采集器。(4)是采用遥感技术，对遥感卫片、航片资料进行分析，进而监测城市的热岛效应。根据地物在不同波段辐射值的差异，利用热红外传感器对城市地表温度进行大面积观测，再通过计算机技术，进行室内解译，就可以分析得到地物的热量空间分布。(5)模拟预测法：模拟预测法是运用计算机技术运用的统计模型、数值模型、解析模型和物理模型四种模型模拟城市热岛效应变化的方法，这四种模型已经广泛地应用于理论和实践研究，其中物理模型是有多种云物理和边界层的物理过程和四维固化功能实验室模拟最有代表性的是Stretke 的高斯模型、 Mihalalako 等人工神经网络模型等，这些模型都可以简单的归纳为数学模型和实验室模拟 2 大类。本文则主要是以 Landsat TM/ETM+遥感影像为基础，通过对不同时期的遥感影像进行对比分析，研究成都市城市热岛效应的时空演变特征。1.3 研究内容、方法和技术路线1.3.1 研究内容本文下载研究区域 1992 年、2000 年、2005 年共 3 期遥感影像的，在对数据进行预处理的基础之上，首先采用决策树的方法将研究区的地表分为城区建筑、水体、自然地表共三类，作为地表温度反演中地表比辐射率确定的重要依据之一，进一步采用单窗算法进行地表温度反演，将得到的温度有图进行等温度间隔分级显示，分析成都市热岛的特征和变化以及热岛强度的变化。1.3.2 研究方法（1）基于 TM 遥感影像的成都市地表覆被域值分类遥感图像分类就是利用计算机通过对图像中各类地物的光谱信息和空间分布进行分析，利用归一化植被指数 NDVI 和归一化城市指数 NDBI，分析不同地物的 NDVI 和 NDBI 特征，设置适宜的域值对数据进行分类，本文主要将TM/ETM+影像分为城区建筑、水体、自然地表三类，本分类为成都市地表温度反演提供土地覆被数据。（2）基于覃志豪单窗算法的成都市地表温度反演覃志豪单窗算法是从TM6 的DN 值中求算实际地表温度。该方法需要两个第 5 页 共 21 页大气参数，即大气透射率和大气平均作用温度，从已得的气象数据中可以获得这两个大气参数的值。地表比辐射率可以通过植被覆盖度进行计算，而植被覆盖度则是利用地表分类的图像求得。（3）成都市热岛时空变化分析通过地表温度反演得到成都城市温度分级图，在 ArcGis 中利用各年地表分类图统计出各年不同地物的面积比例，利用各年温度分级图和地物分类图统计每类地物温度的最大值（Max） 、平均值（Mean ）和最小值（Min） ，对这些数据进行分析。（4）成都是热岛强度分析提取出成都市城区建筑主要区域，计算该区域的平均温度，再对成都市城区建筑主要区域做缓冲区分析，提取出缓冲区域减去城区建筑主要区域的温度平均值，这个平均温度代表的是郊区的平均温度。1.3.3 技术路线论文技术路线如下图。图 1 技术路线图2.研究区概况2.1 总体概述成都位于四川中部，四川盆地西部，介于 10254E10453E 和 30地表比辐射率NDVI NDBI分类图（城区建筑、水体、自然地表）预处理（大气矫正、几何校正、裁剪）成都 TM/ETM+影像成都市城市热岛时空分析城市热岛分布图气象数据（温度、湿度等）大气透射率、大气平均作用温度第 6 页 共 21 页05N3126N 之间，东西最大横距 192km，南北最大纵距 166km，幅员面积12390km2，耕地面积 4320km2。成都东与德阳、资阳毗邻，西与雅安、眉山、阿坝接壤；距离东海 1852km，距离南海 1090km。成都，别称“蓉城” ，四川省省会，西南地区教育、科技、商贸、金融、文化中心，通信、交通枢纽，享有“天府之国”美誉。成都幅员面积 12390k（截至 2013 年 1 月 31 日） ；管辖 9 个区、6 个县，代管 4 个县级市（截至 2013年 1 月 31 日）, “九天开出一成都，万户千门入画图” ，在中国偌大的历史版图上，成都是惟一建城以来城址以及名称从未更改的城市。1982 年 2 月 15 日，成都跻身首批国家历史文化名城。2.2 地理特征成都境内的龙泉山脉海拔 600m 至 1000m，植被破坏较为严重，以东北-西南走向穿过成都市东部的龙泉驿区和金堂县，该山脉为成都平原和盆中丘陵的分界线，龙泉山脉以东，浅丘连绵起伏。成都市域内只有金堂县的部分地区位于该山脉以东的丘陵区。 成都平原海拔 450m 至 720m，是由岷江、沱江及其支流冲积而成的冲积扇平原。成都平原得益于都江堰水利工程，河网密布，同时由于土地肥沃，是中国最重要的粮食产区之一。平原上也零星分布着一些浅丘，比如成都近郊的凤凰山、磨盘山。2.3 气候特征成都属亚热带季风气候，具有春早、夏热、秋凉、冬暖的气候特点，年平均气温 16，年降雨量 1000 毫米左右。成都气候的一个显著特点是多云雾，日照时间短。民间谚语中的“蜀犬吠日”正是这一气候特征的形象描述。成都气候的另一个显著特点是空气潮湿，因此，夏天虽然气温不高(最高温度一般不超过 35) ，却显得闷热；冬天气温平均在 5 摄氏度以上，但由于阴天多，空气潮，却显得很阴冷。成都的雨水集中在 7、8 两个月，冬春两季干旱少雨，极少冰雪。3 数据来源及预处理3.1 数据来源3.1.1 Landsat TM/ETM 介绍第一颗陆地卫星是美国于 1972 年 7 月 23 日发射的，也是世界上第一次发射的真正的地球观测卫星，原名叫做地球资源技术卫星(Earth Resource Technology Saet111teERTS)，1975 年更名为陆地卫星，由于它的出色的观测能力推动了卫星遥感的飞跃发展，迄今 Landsat 己经发射了 7 颗卫星，但第 6颗卫星发射失败，第 7 颗星于 1999 年 4 月 15 日发射，但是在 2003 年 7 月出现第 7 页 共 21 页仪器故障，2003 年 7 月之后可以利用的为是第 5 号星，即 Landsats5。Landsat 主题成像仪是 Landsat4 和 Landsat5 携带的传感器，从 1982 年发射至今，其工作状态良好，几乎实现了连续的获得地球影像。Landsat4 和Landsat5 同样每 16 天扫瞄同一地区，即其 16 天覆盖全球一次。LandsatTM