基于遥感的杭州市城市热岛研究

论文总字数：13545字

目 录

0 引言 1

1 研究区域 1

2 研究方法 2

2.1影像数据来源 2

2.2影像数据处理 3

2.2.1植被覆盖度计算 3

2.2.2地表比辐射率计算 3

2.2.3辐射亮度计算 3

2.2.4地表温度反演 4

2.3城市热岛强度的计算 4

3 结果与分析 5

3.1城市热岛强度的季节变化特征 5

3.2不同季节城市热岛的空间分布特征 6

3.3不同地表类型的地表温度差异 8

3.4不同季节城市热岛与地表类型的关系 9

4 结论 10

参考文献 11

致谢 13

基于遥感的杭州市城市热岛研究

宗晨

, China

Abstract: The Land Surface Temperatures(LST), retrieved by the Split-window algorithm, was acquired from the eighteen Landsat remote sensing image between 2000 and 2014 . Then, the NDVI and the UHI intensity(surface temperature difference between urban and forest,farmland or wetland)was calculated. After that, the corresponding relationship between the seasonal variation characteristics of Hangzhou urban heat island and NDVI was also revealed. Meanwhile, the spatial distribution characteristics of UHI was analyzed through the thermal field analysis and profile analysis method. Finally, the relationship between the land use types and UHI in different profiles was investigated. The results showed that the Seasonal variation and spatial distribution of UHI in Hangzhou was obvious, the UHI intensity reaches its maximum value in summer which was 12.39℃ and appeared in the July 22, 2014. However, the UHI intensity has obvious characteristics of Urban Cool Island(UCI)in winter which was-2.02℃ and appeared in the February 3, 2002. The UHI intensity falls into its minimum value in both spring and autumn seasons. The UHI shows a contiguous and scattered spatial distribution pattern with outward divergence and gradually weakened. The UHI intensity has obvious difference in different profiles, this is caused by the spatial distribution of the different land cover types in different profiles.

Key words: urban heat island; land use and land cover type; remote sensing; land surface temperature

0 引言

城市热岛是指城区气温明显高于郊区，在温度上城区为一个高温区，被温度较低的郊区所包围，犹如突出海平面的岛屿，所以就被形象地称为城市热岛^[1]。热岛效应最早是在1818年由Howard^[2]提出，1958年Manley^[3]第一次定义城市热岛（UHI）的概念。城市热岛伴随着城市化、工业化进程而产生，已成为全球气候变化背景下最突出的城市气候问题。近年来，随着城市规模不断扩张，城市热岛日益加剧，严重影响了城市人居环境和城市生态环境。城市热岛的热动力作用导致城区温度高于郊区温度，夏季城区高温炎热，严重影响了城市居民的正常生活，降低了城市居民的生活质量，危害了城市的可持续发展。因此，深入研究城市热岛的时空分布特征及变化规律，对于了解城市热岛对城市气候的不利影响，缓解城市热岛，改善城市人居环境，实现城市扩展与城市生态环境和谐发展等都具有重要的意义。

城市热岛的研究方法主要有三种：第一是应用统计方法研究城市热岛，即利用城市和郊区气象台站多年的气温资料进行对比分析，如徐兆生等^[4]和白虎平等^[5]对北京市和兰州市的城郊气温进行对比分析，研究城市热岛的发展过程。第二是应用数值模拟研究城市热岛，即利用中尺度气象模式进行数值模拟，如蒙伟光等^[6]利用WRF数值模式模拟研究了广州市一次高温天气过程。第三是应用遥感方法研究城市热岛，即利用卫星遥感资料提取并反演地表覆盖类型和地表温度，如杨沈斌等^[7]利用Landsat TM/ETM 的热红外波段数据对北京市地表温度进行反演，并探究了北京市城市热岛与地表类型的关系。

应用统计方法研究城市热岛可从气象台站得到不同时间尺度的气温观测数据，且气温观测数据具有连续性，便于掌握观测点处城市热岛的时间变化规律^[8,9]。但通过对空间上离散的点信息的统计难以全面分析城市热岛的空间分布特征。然而，应用遥感方法研究城市热岛可通过卫星遥感反演地表温度，可获得空间上连续的地表温度变化信息，能够对研究区的城市热岛进行大面积同步分析^[10,11]。但利用卫星遥感数据反演地表温度时需要考虑大气的影响，卫星过境时刻实时数据难以获取，且由于城市下垫面的异常复杂性，难以对地表温度进行精确反演，不利于分析城市热岛的季节变化特征和年际变化特征^[12]。

因此，本文选择杭州市中心城区为研究区域，通过获取的2000-2014年18景Landsat EM 和Landsat 8卫星影像数据，分析了杭州市城市热岛的季节变化特征及其与地表植被覆盖的对应关系。同时以四个典型日代表春、夏、秋、冬4个季节，通过热场分级分析和剖线分析的方法来研究杭州市不同季节城市热岛的空间分布特征以及不同剖线方向上的城市热岛分布与地表类型的关系。

1 研究区域

杭州地处中国东南沿海，位于118°21′-120°30′E，29°11′-30°33′N之间，是浙江省的政治、经济、文化和金融中心。杭州市属于典型的亚热带季风气候，四季分明，年平均气温17.4℃，年平均降雨量1364mm，年平均日照时数1590h^[13]。杭州市夏季炎热、湿润，曾多次出现异常高温天气，城市热岛现象明显，是新四大火炉之一。本次研究范围主要为杭州市中心城区，包括市辖区、余杭区东南部分和萧山区西北部分，如图1a所示。研究区主要气象站点分布如图1b所示。

a 研究范围

b 研究区主要气象站点

图1研究区图

2 研究方法

2.1影像数据来源

　　本文获取了卫星遥感数据和地表样方数据。获取的卫星影像数据为18景Landsat遥感资料，涵盖了整个研究区，每个月份至少有1景影像。在获取的Landsat数据中，8景为Landsat 7数据，另外10景来自Landsat 8，如表1所示。影像数据均经过精确地理校正，并具有相同的投影坐标系统，Landsat 7影像包含7个多光谱波段，1-5和7波段空间分辨率是30 m，第6波段的空间分辨率是60 m。Landsat 8影像包含11个多光谱波段，其中可见光和近红外波段的空间分辨率为30 m，第10和11波段为热红外波段，空间分辨率为100 m。

表1　获取的Landsat影像数据

2.2影像数据处理

由于太阳高度、地形、大气状况以及传感器本身的光电系统特征等会导致光谱辐射亮度和光谱反射率的失真，为了能对不同传感器获取的不同时相的遥感影像中提取的植被覆盖度（F_V）和地表温度（T_e）进行对比分析，所以对获取的影像进行预处理，包括辐射定标和影像裁切，对可见光和近红外波段数据还进行了大气效应校正。大气效应校正使用ENVI 5.1的FLAASH程序完成。另外，采用劈窗算法对热红外波段进行地表温度反演。地表温度反演的具体步骤如下所述。

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