基于ASTER遥感的杭州城市热/冷岛的景观特征分析

以杭州市中心城区为研究对象,基于ASTER热红外遥感数据反演杭州市中心城区地表温度、提取热环境边界,结合Landsat8OLI数据进行土地利用分类来提取不透水面和植被信息。在此基础上主要进行以下两方面研究:通过均值—标准差法提取杭州市热岛和冷岛边界,对比分析热岛和冷岛区内的景观模式差异,识别对杭州市中心城区地表温度影响最大的地物;使用空间梯度分析法来定量揭示杭州市地表温度与植被、不透水面的关系,并分析杭州市地表温度的空间分布特征。结果表明:(1)热岛和冷岛区域内存在较大的景观模式差异,热岛区域内不透水面对温度变化影响最大,而冷岛区域内植被对杭州市中心城区地表温度影响最为明显,且降温效果大于水体;(2)随着与市中心距离的增加,地表温度平均值与不透水面密度趋势线走向基本一致(正相关),与植被密度趋势线走向大致相反(负相关),且不透水面对地表温度的增温效应大于植被的冷却效应。     

中小城市地表温度变化与下垫面关系

针对中小城市地表温度变化与下垫面的关系问题,以合肥市城区和六安市金安区为例,基于Landsat-8热红外卫星影像数据,采用大气校正法反演研究区地表温度。对其进行归一化处理后,利用密度分割技术分析研究区城市热场空间格局,以城市热岛比例指数评价了研究区热岛效应,得到热岛效应强度分布情况,并结合地理国情数据,采用数理统计和空间统计相结合的方法,在水体、植被、不透水面3种不同下垫地表覆盖面积比例与地表温度之间建立关联,进而得出城市下垫面布局对热环境的贡献。结果发现,对于中小城市而言,在城市发展的进程中,若能保持区域内植被覆盖面积高占比,即使不透水面的面积占比有所增加,人类活动区域加大,也不一定会导致城市热岛现象的加剧。     

一种Landsat-8影像提取不透水面的新方法

针对V-H-L-S模型在提取不透水面中端元选取不足的问题,提出了一种基于Landsat-8OLI影像提取不透水面的新方法。该方法首先集成了归一化水体指数(NDWI)、归一化植被指数(NDVI)和调整型土壤调节植被指数(MSAVI);其次,通过制作水体、植被及土壤掩膜,将三者信息进行叠加;然后,运用MNF变换将原始影像信息集中至前三波段;最后,将掩膜文件与MNF变换后影像合成,选取阈值提取不透水面信息。实验结果验证了该方法可以快速有效地提取不透水面,总体精度达90.94%,Kappa系数为0.81。     

基于混合光谱分解的兰州城市热岛与下垫面空间关系分析

利用Landsat ETM+数据,采用混合像元线性光谱分解方法提取的城市植被覆盖度与不透水面表征城市下垫面,通过单窗算法反演地表真实温度,对兰州市中心城区的夏季城市热岛强度与城市下垫面的空间分布关系进行相关分析。结果显示,利用中等分辨率ETM+影像对兰州中心城区不透水面和植被盖度分布提取,其成本较低,精度令人满意;兰州城区植被覆盖、不透水面与热岛强度的分布呈空间正自相关,地表温度的空间依赖性极强,与植被盖度和不透水面在空间方向上的相关性差异较大。     

基于高分辨率遥感影像的不透水面信息提取方法研究

不透水面是城市地区的典型特征,它与城市总用地面积的比值--不透水率作为一个重要的城市生态指数常出现于城市水文、水质、面源污染以及城市植被制图等研究中。利用高分辨率遥感影像提取不透水面不仅可获得较高精度的不透水面信息,而且可为中低分辨率遥感影像的不透水面提取提供样本训练区并检验其提取精度。本文利用南京IKONOS影像,采用面向对象分类方法提取不透水面信息,初步解决了阴影归类和遮盖不透水面的植被剔除等问题,提高了不透水面信息提取精度。     

广州市地表温度反演与土地利用覆盖变化关系研究

利用环境星1A/1B遥感影像,运用Jiménez-Munoz & Sobrino's普适性单通道算法定量反演广州市的地表温度(Land Surface Temperature,LST) ,结合MNF主成分分析和支持向量机获取的不透水面分布格局,利用面向对象分类方法获得了土地利用覆盖情况,重点研究广州市不透水面、土地覆盖和植被指数与城市热环境的定量关系。研究结果显示:基于大气水汽含量实测数据的JM&S普适性单通道算法反演结果更精确;广州市2009~2011年的不透水面面积和土地覆盖与平均地表温度相关性分析表明:广州市连续3 a呈现城市扩张的现象,城市热效应显著加剧;城市平均地表温度与不透水面面积呈现正相关,与城市的植被指数和裸土指数呈现负相关。     

城市不透水面及其与城市热岛的关系研究-以泉州市区为例

利用Landsat TM卫星影像提取了泉州市1989到1996年的城市建成区不透水面,并研究了其与城市热岛之间的关系。根据Ridd(1995)提出的城市建成区不透水面与植被覆盖度有很强的负相关关系的思想,先利用归一化植被指数求出泉州市建成区的植被覆盖度,进而提取了泉州市建成区的不透水面。通过比较所提取的两个时相不透水面信息,可以看出泉州市区不透水面的面积在7年里有了明显的增加,并主要沿研究区东南部扩展。通过将所提取的不透水面信息与利用TM6波段反演的地表温度进行相关分析,可发现二者之间存在着明显的正相关关系。     

多源参数在晋江城市热岛分析中的差异性

城市热岛遥感监测分析中,不同参数与指标得到的热岛时空分布结果不同。针对过去研究仅利用遥感反演地表温度或亮度温度监测城市热岛现象,以福建省晋江市为研究区,选择2010年与2014年夏季Landsat数据,结合数字高程数据和气象站点实测数据,反演晋江市域内地表温度与近地表气温。在此基础上,利用多源参数计算多种城市热岛监测指标,并对比分析这些指标用于晋江城市热岛研究的差异性。结果表明:1)2014年较2010年的城市热岛范围扩大,区域内热岛比例显著上升,热岛斑块面积增多且热岛等级增强;2)相对于地表温度,近地表气温用于评价城市热岛空间分布更为合理;3)不同热岛监测指标作用不同,热岛强度、归一化热场强度可以在空间上直接表明热岛空间分布及强弱,热岛比例指数则在数值上反映了不同区域热岛现象的发生概率,热岛源汇指数结合地表热参数和土地覆盖类型,反映了土地利用变化对区域内热岛效应加剧或减缓的贡献程度。     

利用Landsat遥感影像进行福州市地表热通量估算的研究试验

利用福州市1989年和2001年Landsat TM/ETM+遥感影像数据估算地表温度、地表反照率和植被覆盖度等地表参数,再结合气象站观测资料,估算与城市热岛密切相关的气候因子即显热通量和潜热通量.然后根据植被覆盖度对由人工建筑物和水泥道路等构成的不透水面覆盖区的潜热通量进行修正,改进了不透水面潜热通量的计算,并且探讨了地表热通量随土地覆盖变化的时空分布特征.最后对地表热通量精度进行分析和检验,论证了本研究的地表热通量估算结果是合理的.     

多时相影像福州市不透水面对城市地表温度的空间分布研究

随着城市化进程的加快,城市热力场也随之发生变化,从而影响着城市区域环境、社会经济以及社会环境。由于NDVI具有季相变化的不稳定性,本研究采用两个时相TM/ETM+影像分析福州市及其周边地区不透水面对热力场的时空分布变化状况。为了获取精确的城市不透水面信息,本实验采用NDVI二元法结合2000年同区域的IKONOS影像提取不透水面信息。通过定量分析不透水面百分比、NDVI与地表温度的关系,得出不透水面百分比与城市地表温度呈线性相关,其相关系数在0.7左右;尤其30%以上的不透水面对地表热环境的空间分布影响最为突出,因此,相对于不稳定的NDVI而言,不透水面信息能更好地反映城市热环境的空间分布状况。     

1992~2013我国干旱区城市不透水遥感制图与扩张过程分析

城市不透水地表作为城市建成区的重要环境指标和物理参数,在城市管理规划、环境评估、灾害预测、城市热岛以及气候变化等领域具有重要价值。及时准确地获取区域尺度城市不透水地表信息,对于城市发展综合规划、科学研究等具有重要意义。以DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）和MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）为主要数据,通过构建植被调节型不透水指数（Vegetation-Adjusted Impervious Surface Index, VAISI）和非线性机器学习模型支持向量回归（Support Vector Regression, SVR）,完成了1992~2013年我国干旱区主要城市不透水面的22期遥感制图与变化过程聚类分析。研究结果表明：近20 a来我国干旱区城市不透水面总体上扩张幅度较大;时间变化过程上呈现显著扩张的趋势,且这一扩张在过程在2000年前后出现了提速;空间上,干旱区城市扩展的区域异质性显著,各城市不透水面扩张速度不均衡,不同等级规模城市扩张的速度差异明显。结合城市扩张动态度和城市面积聚类分析,我国干旱区主要城市的扩张过程可分为：高速扩张型、快速扩张型、中速扩张型和低速扩张型。     

Spatiotemporal Pattern of Urban-rural Aradient Land Cover Changes and Their Impact on Urban Heat Island in Xi′an City Since the 21st Century

Rapid urban expansion had a significant impact in land use/cover change along urban-rural gradient, and the increase of impervious construction land and the reduction of vegetation cover had induced and aggravated the urban heat island effect. Studying the impact of urban-rural gradient land cover change on urban heat island effect was significant for urban planning and construction, improving the comfort of human settlements and enhancing the function of urban ecological services. The surface temperature of Xi'an city was retrieved by mono-window algorithm based on Landsat images, and the thermal field intensity map was obtained by calculating the thermal field variation index, and the gradient land cover changes in urban and rural areas were analyzed with land use data. The results showed that: ①The urban heat island effect in Xi'an showed a trend of first increasing and then decreasing from 2000 to 2015. In 2000, the extremely strong heat island effect area accounted for 10.58% of the research area, and gradually increased to 16.14% in 2011, and then decreased to 9.00% in 2015. ②From 2000 to 2015, the area of construction land increased 412.76 km² and the intensity of extremely strong heat island expanded year by year with the expansion of urban built-up areas. ③About 70% of the non-heat island effect areas were located on farmland and forest land, and the proportion of water area in the non-heat island effect was increasing year by year from 31% to 47%, which showed that the increase of vegetation and water area could effectively alleviate the urban heat island effect.     

21世纪以来西安城乡梯度土地覆盖变化及对城市热岛影响时空特征

城市快速扩张导致城乡梯度土地覆盖发生显著的变化,引发不透水地表的增加,植被覆盖的减少,从而加剧了城市热岛强度。研究城乡梯度土地覆盖变化引起的城市热岛效应,并揭示城市热岛的时空特征及强度的变化,对城市规划建设、人居环境改善及提升城市生态系统服务功能具有重要的意义。基于Landsat系列4期影像,利用单窗算法反演西安市地表温度,计算热场变异指数得到热力场强度图并对其进行等级划分,结合土地利用/覆盖类型数据分析城乡梯度土地覆盖变化对城市热岛强度的影响。结果表明：①2000年西安市极强热岛效应区占研究区面积的10.58%,逐渐增加到2011年极强热岛效应区域的面积占比达到16.14%,而后到2015年降低为9.00%,整体上西安市城市热岛效应呈现出了先增长后降低的趋势;②2000年到2015年城乡建设用地面积增加了412.76 km2,极强热岛强度的范围随城市建成区的扩张逐年向外扩展;③无热岛效应区约70%位于耕地和林地,水域在无热岛效应中的占比也在逐年增多,从31%增加到了47%。不透水地表面积占比与地表温度有显著相关性,城乡梯度植被和水体面积的增加可以有效地缓解城市热岛强度。     

杭州市城市空间扩展及其热环境变化

通过Landsat卫星影像分别获取了杭州市1989、2000和2010年的城市空间扩张、地表温度及作为主要地表参数的建筑用地和植被的信息,用以研究杭州市城市扩展及其城市热环境变化。结果表明:在21 a间,杭州市建成区范围有了大幅扩展,且城市热岛区域的空间变化与建成区的空间扩展变化基本一致。研究还发现杭州市区的特高温区面积比例在逐渐减小,城市热岛比例指数(URI)从0.78降至0.71,表明城市热岛效应有一定缓解。建筑用地比例的减小与建筑用地密度的下降是城市热岛得以缓解的主要原因。定量分析表明建筑用地的升温效应要强于植被的降温效应。总的看来,杭州市的城市热岛效应现象在整个研究时段内虽有一定的改善,但仍一直处于较强烈的状态。     

Impacts of Urban land surface temperature on tract landscape pattern,physical and social variables

ABSTRACT

This paper first focuses on the study of the relationship between the urban heat island (UHI) and the selected physical variables (percentage of urban surface covers, Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)) and social variables (population density (PDEN)), and then concentrates on the study of the relationship between UHI and the landscape spatial geometric patterns. The researched results discover that urban Land Surface Temperature (LST) is not only impacted by land cover composition, i.e. land use/cover, which is expressed in this paper as the PURB (commerce/industry/transportation), but also its spatial geometric configuration, i.e. various landscape geometric pattern metrics, which in this paper are expressed by compositional percentage of landscape area (PLAND), configurational edge density (ED), patch density (PD), landscape shape index (LSI), clumpiness index (CI), and Shannon’s diversity index (SHDI). The results show that the proportion of vegetation coverage out of a tract impacts its contribution to an entire UHI in Washington District of Columbia (DC), in particular, interspersing vegetation within a tract is capable of making a stronger mitigation effect to UHI than its concentrated form. Thus, a scatter spatial arrangement and distribution of vegetation is proposed to mitigate UHI effect.     

使用单窗算法研究北京城区热岛效应

随着全球变暖和城市化进程的加快,大城市城区的热岛效应日益严重。城市下垫面对地表能量交换的影响巨大,引起地表温度分布的不均一性。遥感技术的发展为地表温度的反演提供了可能。近年来人们使用劈窗算法对均一的海面温度的反演很成功,但是受空间分辨率的限制以及陆面的不均一性,陆面温度的反演一直是一个没有解决好的问题。覃志豪提出了一种TM热红外波段单窗算法,可以利用辅助气象资料快速计算出地表温度。本文以北京市城区为研究区,采用LandsetETM第6波段的单窗算法,反演了亮度温度和地表实际温度,分析了城市下垫面情况下NDVI与地表温度的相关关系,并解释了北京城区热岛在空间上的分布及其可能的原因。结果表明:北京市城区热岛效应显著;地表温度与NDVI相关性显著;城区绿地和水体在区域的温度分布中起到重要作用。     

成都市地表温度对不透水面的响应研究

根据成都三环路内的Landsat 7/ETM+影像,利用单窗算法和不透水面与植被覆盖度在城市建成区呈负相关关系两种反演方法,通过空间建模建立反演模型,获取地表温度与不透水面信息。通过随机样点分析、相关性分析以及等温线与等透水面线叠加分析等方法,研究了城市地表温度对不透水面的响应效果。结果表明:地表温度随距市中心区距离增大而降低,同时不透水能力也降低;成都市地表温度与不透水面之间存在着正相关关系,相关度为0.7253;等透水面线的空间分布对等温线具有显著的响应规律。研究成果对于改善城市生态环境、提升土地利用水平和加强科学规划等都具有参考价值。     

ASTER‐based study of the night‐time urban heat island effect in Metro Manila

The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) was used to derive land surface temperatures to quantify the night‐time urban heat island (UHI) effect in Metro Manila. Temperature differences between Metro Manila and its adjacent rural towns were compared to determine heat island intensity and analyse spatial variation of surface temperature. Transects were drawn across from the rural to the urban region to characterize the UHI profile and the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) was used to examine the relationship between amount of vegetation and temperature. The thermal images revealed the highest UHI intensity to be 2.96°C with the presence of a heat island existing in the central part of the city. The transects described the cross‐sectional heat island profile characterized by gradients of ‘cliffs’, ‘plateaus’ and a ‘peak’ occurring in the city centre. The study also showed an inverse relationship between NDVI and temperature, which suggests that increasing the amount of plants in cities can reduce the UHI effect.