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地表演变对城市热环境影响的定量研究

王伟武  
【摘要】: 城市热环境是下垫面结构特征、城市人为热、气候条件等多因素综合作用的结果。近年来,随着全球气候变暖和城市化进程的加快,大量自然地表不断被城市地表所替代,产生了更为显著的热效应,城市热浪日益频繁,从而导致城市人群发病率和死亡率增加,城市热环境的日益恶化已成为当前影响社会经济可持续发展的重要因素之一。定量研究城市热环境,对改善人体舒适度和保障人身健康具有重要的理论和现实意义。 利用地面观测或数字空间模拟等常规方法研究城市热环境,存在工作量大、时效性差、成本高、精度不够等缺点。近年20来,遥感技术(RS)和地理信息系统技术(GIS)快速发展并表现出相互融合的发展趋势,利用RS技术可以从环境遥感影像数据中快速、准确、实时、经济地提取热环境信息;利用GIS技术强大的空间分析功能对提取的热环境数据进行定量分析和处理。因此,RS、GIS综合技术可以经济、直观、高效实现城市热环境的空间定量研究。 本文在多源遥感和非遥感空间数据支持下,以杭州市为例,综合运用RS、GIS空间分析技术,定量研究了地表演变对城市热环境变化的影响。主要研究内容为:(1)评述了国内外城市热环境和土地利用/覆盖变化定量研究现状以及城市热环境定量研究中常规技术与热红外遥感技术的特点、优势与不足,明确了目前城市热环境影响空间定量研究的主要难点和存在问题;(2)在归纳热红外遥感和大气对城市热红外遥感影响的物理机理基础上,修正并建立了一种基于Landsat TM/ETM+遥感数据地表温度反演简化模型,并且应用实测气象数据对模型进行了实例验证;(3)利用不同方法建立了定量研究的基础数据,包括城市地表类型、城市气温和城市地表温度三种空间数据,即利用地理空间矢量化方法和遥感数据分类解译方法建立了城市地表类型矢量数据和栅格数据;利用实测气温数据和气温栅格化模型建立了城市气温栅格数据;利用地表温度遥感简化反演模型建立城市地表温度栅格数据;(4)通过利用GIS技术对城市气温栅格化模型获取的1km~2栅格化空间数据和土地利用/覆盖类型矢量数据的空间运算,定量研究了土地利用/覆盖类型变动对城市气温的影响;(5)运用RS和GIS综合技术定量研究了土地利用/覆盖类型变动以及对城市地表温度的影响,揭示了通过NDVI的变动来实现这种影响的机理。 论文取得一些创新性成果:(1)针对Landsat热波段遥感数据的波段特征,修正并建立一种利用热红外波段DN值、大气透射率、大气平均作用温度、地表比辐射率ε直接快速反演城市地表温度的简化模型。实例验证结果表明,各观测点的反演误差均小于0.9℃,平均误差小于0.7℃;(2)实现土地利用/覆盖变化对城市气温 影响的定量研究。1991一1999年,最小气温所在旬日平均积温呈上升趋势,自然水 体演变为城市住宅区域上升巧.31℃,农用地演变为农居点、工业用地、城市综合 用地区域分别上升巧.90℃、巧.95℃、16.10℃;(3)实现土地利用/覆盖变化对城市 地表温度的影响的定量研究。1991一2001年,各区建设用地的地表温度峰值比例明 显增大,城市扩展区域地表平均温度上升7.82℃。


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