基于遥感的城市三维结构对城区温度异质性分布影响研究

With the development of global economy, urbanization has stepped into a dramatic progress from the beginning of 20th century. To solve the problem of resource shortage and environment deteriorate, the foci of current research will be the study on the formation mechanism of urban heat island to establish a scientific urban planning and construction for the urban sustainable development. This project will have the following research objectives: 1) extract the urban three-dimensional structure using very high spatial resolution satellite images; 2) extract the urban surface heat environment using Landsat and ASTER and combine this information with the field-collected vertical profile of temperature data to analyze the heterogeneity of urban heat environment; 3) using multi-factor regression analysis and cellular automata model to analyze and monitor the relationship between the three-dimensional structure and urban heat environment. Based on the result between urban canopy and its heat environment, we can propose the optimized spatial distribution between urban buildings and green space to control the urban heat island and improve the urban ecological environment. This research will discuss the integration between pattern and process from multiple disciplines, establishing a scientific base for urban regional climate research. The thorough study on the mechanism of urban heat environment will improve the capability of local weather forecast inside urban region, enriching the theory and case study on the urban sustainable development and urban climate.

随着全球经济发展，城市化进入了空前发展的阶段。面对城市化带来的日益严峻的能源和环境问题，全面了解城市热岛的形成机理以制定科学的城市规划和建设，成为正确引导城市的可持续发展的研究热点。本项目将通过高空间分辨率遥感提取城市三维结构，通过Landsat 和ASTER提取城市热环境的平面分布信息，结合空间垂直观察数据进行城市热环境的异质性分析。通过多元回归统计分析和元胞自动机模型进行分析和模拟，掌握其三维结构与城市热环境的空间关系。分析三维冠层结构对城市热环境影响，提出针对控制城市热岛效应的理想城市建筑物与绿地空间分布，优化城市结构，为改善城市生态环境提供借鉴。通过本研究的开展，从学科综合的角度出发探讨城市立体结构和热效应的耦合机理，为城市区域尺度气候研究奠定基础。本研究将加深对城市热环境机理的理解，改善中国城市内部天气的预报和诊断能力，丰富城市可持续发展和城市气候学的理论体系和研究内容。

快速的城市化进程导致的城市热岛效应成为21世纪人类需要面对的重要问题之一。城市热岛效应对社会、经济、环境和人类健康等产生诸多负面影响。因此全面理解城市热岛效应的形成机制，加强人工调控技术对于缓解城市热岛效应问题，促进城市快速可持续发展有着关键意义。本研究以国产高分一号和二号数据为高分辨率数据源，通过使用“面向对象”的分类方法结合人工目视解译重建研究区高精度土地利用数据，利用阴影测高法反演城市建筑高度，构建城市三维结构数据库；以Landsat8 TIRS为热红外遥感数据源利用单窗算法反演地表温度，以无人机悬挂温度传感器开展室外垂直梯度温度测量工作，构建城市三维热环境并进行异质性分析；使用定性与定量结合的方法，探讨了城市三维结构对于城市三维热环境的空间影响关系。结果表明，城市三维结构对城市温度异质性分布有重要影响。从平面角度看，不同土地利用类型地表温度差异明显，不透水面地表温度最高，其余依次为裸土、耕地、绿地和水田。各土地利用类型平均地表温度最大相差达8.1℃，最高温度地表温度温差最大可达16℃。与建筑指数和植被指数相比，光谱解混得到不透水面和植被盖度可以更好的表征城市建筑和绿地信息。从垂直方向看，与自然环境相比，城市热环境在不同高度差异明显，尤其在30m高度范围内差异更加强烈，主要因为研究区大多数建筑高度在此范围内。随着高度的进一步增加，城市温度异质性强度有所减弱。城市下垫面不仅影响地表温度，对于自身高度范围内的气温也有重要影响。工矿用地由于缺少植被覆盖，屋顶建筑材料吸热明显等因素成为在10m范围为温度最高的土地利用类型。除去冬天，城市绿地具有明显的降温作用，但降温能力受其绿地物质组成和空间分布以及时间的影响。与增加绿地面积相比，加大绿地NDVI取值（例如密植、更多乔木）将会产生更佳的降温效果。在给定的绿地面积条件下，如何选择合理的斑块数量达到最佳降温效果还需进一步探讨。该些结果将会帮助制定更加合理的城市发展策略。