基于GIS平台的城市尺度下城市热岛缓减关键技术与系统

论文摘要

城市热岛效应作为一种城市灾害成为城市热环境恶化的突出表征,给城市大气环境、社会经济发展、人们身心健康所带来的危害不容低估,同时由于城市热岛引起的能源消耗也相当可观。因此,对城市热岛效应进行定性、定量分析研究,有助于改善城市热环境、降低能源消耗、实现城市人居环境的可持续发展。本论文应用遥感和GIS以及数值模拟技术,选取杭州为研究实例,着重分析城市尺度下城市热岛产生与影响机制,以探索城市热岛缓减技术与系统开发作为主要研究内容。选择从城市规划角度去研究城市热岛,将城市规划与城市环境问题结合起来,作为最基本的创新点,为协调城市内部人地系统的均衡发展、最大限度地减少人类活动对城市热环境的影响与破坏提供基本思路,具有理论和实践的双重意义。第一章主要对研究背景和意义进行阐述,分别对对国内外城市热岛相关研究进展综述。发现以往研究城市热岛缓减研究缺乏系统性和综合性,没有明确识别出城市热岛在不同空间尺度下的影响因素,更没有系统提出不同空间尺度下城市热岛的研究方法与缓减策略,研究大都是基于一定的现实基础,就某一方面或领域的深入展开,往往忽视了城市热岛研究的综合性。最后针对本文的研究目的,建立本文研究的技术路线,为后面的研究提供立论基础和思路框架。第二章重点分析多源遥感影像数据Landsat TM/ ETM+、EOS /MODIS、ASTER、NOAA/AVHRR等数据特征,系统归纳每种遥感影像不同波段的光谱特征与分辨率,并阐述了其优缺点,并根据不同遥感数据特点,分别建立一套地表温度、植被指数、土地覆盖分类以及地表反照率等遥感计算方法,为后期数据的选用、遥感影像因子的计算和城市热岛缓减模拟系统因子提取模块提供依据和模型库。第三章应用遥感和GIS技术,揭示了杭州城市热岛的时空变化以及空间分布规律与差异,结果显示：①自1991年以来杭州市区与郊区的年均温呈现上升趋势,城市热岛强度呈显著增大趋势。②建设用地的扩张速率与热岛高温区的增加速率成明显的正相关关系。③城市热岛中心主要分布在工业用地、商业用地以及居住用地密集区域。在前面定量分析研究基础上,深入探讨了城市尺度下城市热岛产生与影响机制,归纳为：①城郊用地向城市建设用地的快速转变是产生城市热岛的本源。②人为热的排放以及空气污染是产生热岛的重要影响因素。③城市空间格局的改变以及自然生态格局的破坏加剧了城市热岛效应。④城市用地性质的差异对城市热岛也有不同程度的影响。针对城市尺度下热岛产生机制,从城市规划角度提出了合理控制城市用地扩展规模与速度、构建开敞的城市生态空间、优化用地功能布局和交通体系、适当降低城市建筑密度等一系列城市热岛效应缓减策略。第四章重点分析中尺度MM5数值模拟模式和城市冠层模式,并以杭州为研究案例,运用数值模式模拟技术,通过改变杭州城市下垫面地面特征参数对气温变化做了模拟研究,结果显示：①水体被替换成城市下垫面后,模拟区域内整体平均气温升高了1.75℃。②植被替换成城市下垫面后,模拟区域内整体平均气温升高了4.26℃。③水体与植被共同被替换成城市下垫面后,模拟区域内整体平均气温升高了6.32℃。④部分城市下垫面被替换成植被后,模拟区域内整体平均温度降低了2.36℃。第五章第一节重点对不同规划地块的地表反照率、NDVI、建筑密度、容积率以及平均高度与地表温度之间的关系进行了深入分析,揭示了：①地表温度与NDVI、地表反照率、平均高度呈负相关关系,而建筑密度、容积率则对地表温度的作用是呈正比。②地表反照率、NDVI和建筑密度对规划地块地表温度的影响与容积率和平均高度两个因子相比更剧烈。③地表温度与NDVI和地表反照率的相关关系最为密切,相关系数分别为0.843和0.829,其次为建筑密度,相关系数分别为0.662,再次为容积率和平均高度,相关系数分别为0.429和0.416。第二节利用移动观测数据,建立一种气温精细化插值方法。利用三角网线性插值、薄条样板插值、最小曲率插值三种方法对移动观测气温数据进行插值研究,插值出精度较高的气温栅格数据,为研究城市热岛分布状况提供了最有价值的气温资料,对提高气温空间化精度更具有现实意义。第六章基于前五章的理论与实例研究,应用IDL语言并借助ENVI二次开发函数库的开发平台,开发出“城区热岛缓减分析与优化系统”,系统主要有四个功能模块组成：数据管理模块,遥感因子提取模块,数据统计与查询模块、分析模拟优化模块。其功能特点包括：①支持多种数据文件格式。②栅格矢量数据叠加功能。③从NOAA、MODIS、Landsat TM/ETM+、ASTER等多源遥感影像数据提取地表温度、NDVI、地表反照率等影响因子信息功能。④实现不同建设用地类型地温查询,包括规划地块地温的最值标定、平均值计算、不同时段地块地温曲线生成、不同地块地温剖面曲线生成。⑤够进行单因子线性拟合分析和多元同归分析等,用户可采用在同一地块同一地段随机采集点数据,采用曲线拟合方式获取地表温度与影响因子关系数据库。⑥气温观测数据精细化插值功能。

论文目录

• 致谢
• 前言
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 城市热岛缓减技术相关研究动态
• 1.3.1 城市热岛产生与影响机制综述
• 1.3.2 城市热岛效应研究方法综述
• 1.3.3 城市热岛缓减策略
• 1.3.4 研究不足与借鉴
• 1.4 研究目的
• 1.5 技术路线
• 1.6 本章小结
• 第二章 研究数据与研究方法
• 2.1 多源遥感影像数据特征
• 2.1.1 Landsat TM/ETM+数据
• 2.1.2 EOS/MODIS数据
• 2.1.3 ASTER数据
• 2.1.4 NOAA/AVHRR数据
• 2.2 遥感因子计算
• 2.2.1 地表温度反演方法对比分析
• 2.2.2 土地利用/覆盖分类
• 2.2.3 植被覆盖指数提取
• 2.2.4 地表反照率提取方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 城市热岛遥感与GIS技术应用研究
• 3.1 研究选区
• 3.2 杭州城市热岛的时空变化
• 3.2.1 城市热岛时间变化
• 3.2.2 杭州城市热岛空间变化
• 3.2.3 结果分析
• 3.3 杭州城市热岛的空间分布
• 3.3.1 数据处理
• 3.3.2 城市热场空间分布规律
• 3.3.3 城市热场空间分布差异
• 3.4 城市尺度下热岛产生与影响机制分析
• 3.5 城市尺度下城市热岛缓减策略
• 3.6 本章小结
• 第四章 城市热岛数值模式模拟技术研究
• 4.1 MM5模式
• 4.1.1 MM5控制方程
• 4.1.2 模式的水平及垂直格点
• 4.1.3 边界层参数化
• 4.2 城市冠层模式
• 4.2.1 城市冠层模式控制方程
• 4.2.2 城市冠层模式参数化方案
• 4.3 城市热岛气温变化模拟实例研究
• 4.3.1 模拟范围选取及初始条件
• 4.3.2 模拟范围地面特征参数确定
• 4.3.3 模拟验证
• 4.3.4 模拟区域下垫面替换模拟
• 4.3.5 结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 城市热岛地温模拟与气温精细化插值
• 5.1 规划地块地温模拟研究
• 5.1.1 地表温度主要影响因子及指标
• 5.1.2 地表温度与各影响因子定量关系
• 5.1.3 空间多元分析
• 5.1.4 结果讨论
• 5.2 气温精细化插值
• 5.2.1 气温数据采集
• 5.2.2 空间插值方法
• 5.2.3 插值结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 城区热岛缓减分析与优化系统开发
• 6.1 IDL简介
• 6.2 系统设计总体思路
• 6.3 系统主要功能
• 6.4 系统数据库建立
• 6.4.1 基础数据库
• 6.4.2 数据组织流程
• 6.4.3 数据采集与更新
• 6.5 系统功能模块
• 6.5.1 数据管理模块
• 6.5.2 遥感因子提取模块
• 6.5.3 数据统计与查询模块
• 6.5.4 分析模拟优化模块
• 6.6 本章小结
• 第七章 主要结论与研究展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简历