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西(安)咸(阳)新区城市地表温度遥感反演及其变化研究

王骏飞  
【摘要】:城市化进程的不断加快是一个全球范围内的普遍现象,这一现象导致了一系列问题的出现,城市热环境的改变以及城市热岛效应是其中最为严重的问题之一。城市热环境的改变以及城市热岛效应在小范围内会加重城市生态环境的恶化,影响人类健康等,而宏观上讲,其也是全球气候变暖的重要因素之一。因此,从19世纪初城市热岛效应被发现以来,便一直受到人们的广泛关注。西咸新区是于2010年开始建设的国家级新区,其城市化的加剧势必会改变区域的热环境情况以及城市热岛的分布情况。因此,本文希望在其建设初期就对其城市地表温度和热岛的分布情况进行监测和分析,以期对其更为科学的城市规划和城市建设起到积极作用。本文通过遥感技术手段,以西咸新区为研究区域,以2000年5月20日Landsat5 TM影像、2010年5月24日Landsat7 ETM影像、2014年5月11日Landsat8 OLI/TIRS影像为主要数据源,对研究区地表温度进行反演,并对地表温度及热岛的空间分布、时空变化及其变化原因进行研究。本文主要研究内容包括:(1)总结现有地表温度遥感影像反演方法,从其反演参数需求、适用范围、反演精度等方面进行归纳和总结,选择适合本文遥感数据的反演方法对研究区地表温度进行反演。(2)利用覃志豪的单窗算法,对研究区三个时相的遥感影像进行地表温度反演,详细讨论反演过程中每一个参数的求解方法和求解过程,得到三景遥感影像的地表温度反演结果,并将其与实测温度值进行对比,检验反演精度。在此过程中同时验证该算法对Landsat8 OLI/TIRS数据地表温度反演的适用性。(3)通过地表温度反演结果的分级,对各年各温度区间的地表温度在研究区的空间分布情况进行讨论。确定各年研究区热岛面积和分布范围,并对三个时相地表温度和热岛的分布变化情况进行分析和讨论。(4)通过分析2000年和2014年研究区NDVI(归一化植被指数)、NDWI(归一化水体指数)、NDBI(归一化建筑指数)和BSI(裸土指数)指数差值与地表温度差值的相关关系,讨论研究区地表温度变化与下垫面性质变化间的关系,总结研究区地表温度和热岛分布变化的原因。以上分析结果表明,地表温度反演方面,利用覃志豪单窗算法可以在保证精度的前提下实现Landsat8 OLI/TIRS数据的地表温度反演。研究区地表温度分布与时空变化方面,研究区在2000年、2010年、2014年地表温度分布情况差异较大,三年均有不同程度的热岛存在。将高温区和次高温区作为热岛区进行统计分析,2000年热岛区面积243km2,占比26.97%;2010年热岛区面积317kmm2,占比35.14%;2014年热岛区面积230km2,占比25.5%。2000年热岛区主要分布于包括渭河、泾河河岸在内的裸土区域;2010年和2014年热岛区主要分布于建成区,其中沣东新城、沣西新城和秦汉新城热岛面积占比最大;热岛分布情况主要为由离散化向集中化发展。2010年热岛区面积相对2000年增长8.17%,而2014年热岛区面积相对2010年减少9.64%,但高温区的面积有所增长。14年间热岛区面积先升后降,热岛区分布主要由裸土表面向城镇表面转变。研究区2000年与2014年NDVI、NDWI差值与地表温度差值成负相关关系,相关系数分别为-0.32和-0.42;NDBI、BSI差值与地表温度差值成正相关关系,相关系数分别为0.42和0.38;四项指数与地表温度变化相关性从高到低依次为NDBI、NDWI、BSI、NDVI。可以认为下垫面性质的变化是研究区地表温度变化的重要因素之一,城市建设用地、裸土区域面积的增加会造成地表温度的升高形成热岛区域,高含水量植被覆盖面积、水体面积的增加会对地表温度降低起到积极作用且能够减少热岛形成。综合分析表明,研究区城市化进程对其地表温度和热岛分布的改变带来很大影响,然而新区开始建设以来短期的快速新城市化进程并未造成研究区热岛面积的急剧增加,说明科学合理的城市规划和城市建设是控制地表温度和热岛分布及其变化的有效途径。


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