摘 要

随着城市化进程的加快，城市热环境逐渐恶化，热岛效应作为热环境问题的一种表现形式引起了广泛关注，如何缓解热岛效应成为亟待解决的生态问题。本文以武汉市为研究对象，基于多期遥感影像数据，采用IB算法反演地表温度，并用MODIS地表温度产品进行验证，在分析热岛时空特征的基础上，对热岛效应的影响因素进行探究，并定量分析了地表温度与下垫面因子间的关系。

研究表明，武汉市热岛分布更加集中，热岛面积在波动中减小，热岛发展趋势减缓，但城区热岛效应加重。地表温度与地表性质有着紧密的联系，工商业区温度较高，公园温度较低，水体温度最低。相关性分析表明，在考虑阈值的情况下，NDVI与LST间呈负相关，相关系数逐渐增大；MNDWI与LST间呈负相关，相关系数逐渐增大；NDBI与LST间呈正相关，相关系数先增大后减小。

本文客观地分析了热岛的时空特征和影响因子间的相关性，可为城市建设提供一定的理论依据。

关键词：热岛效应；时空分布；影响因子；定量分析

Abstract

With the acceleration of the urbanization process, the urban thermal environment is gradually deteriorating. And the heat island effect is widely regarded as a manifestation of the thermal environment problem. How to alleviate the heat island effect has become an ecological problem to be solved urgently. This paper took Wuhan as the research object and IB algorithm was used to invert the land surface temperature based on multi-period remote sensing data. And MODIS land surface temperature data was used to verify the inversion results. Based on the analysis of spatiotemporal characteristics of heat island, the influencing factors of heat island effect were explored, and the relationship between land surface temperature and influencing factors was quantitatively analyzed.

The results showed that the heat island distribution was more concentrated in Wuhan. The heat island area decreased in fluctuation. The development of heat island slowed down in general. But the urban heat island effect increased gradually. The surface temperature and surface properties had intimate connection. The temperature of industrial and commercial district was higher. The temperature of park was lower. The temperature of waters were the lowest. The correlation analysis showed that there was a negative correlation between NDVI and LST, considering the thresholds. And the correlation coefficient increased gradually. There was a negative correlation between the MNDWI and LST. And the correlation coefficient decreased. There was a negative correlation between NDBI and LST. And the correlation coefficient increased first and then decreased.

This paper analyzed the temporal and spatial characteristics of heat island and the correlation between influencing factors objectively, which can provided some theoretical basis for urban construction.

Key Words: heat island effect; spatial and temporal distribution; influencing factors; quantitative analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 热岛效应研究背景及意义 1

1.2 热岛效应研究现状 2

1.2.1 热岛效应研究方法 2

1.2.2 国内外热岛效应研究现状 3

1.3 研究内容与技术路线 4

第2章 研究方法 6

2.1 地表温度反演方法 6

2.2 地表温度分级 7

2.3 NDVI、NDBI和MNDWI指标提取 8

2.4 城市热岛比例指数 9

第3章 热岛效应时空特征及其影响因子分析——以武汉市为例 10

3.1 武汉市概况 10

3.2 数据源及预处理 11

3.3 武汉市热岛效应时空变化分析 13

3.3.1 1990-2016年间武汉市地表温度反演结果及时空分析 13

3.3.2 1990-2016年间武汉市地表温度剖面分析 18

3.3.3 1990-2016年间武汉城区热岛分析 20

3.4 热岛效应影响因子分析 21

3.4.1 热岛效应与植被的关系分析 22

3.4.2 热岛效应与水体的关系分析 24

3.4.3 热岛效应与不透水面的关系分析 26

3.4.4 热岛效应与下垫面因子的综合分析 28

第4章 总结 30

参考文献 32

致谢 35

第1章 绪论

1.1 热岛效应研究背景及意义

近年来，随着科技水平的提高，城市化进程逐渐加快，大量居民涌进城市，截至2015年底，我国有77116万城市人口^[1]，过多的人口给城市环境和健康都带来了不利影响。城市的扩展导致地表下垫面性质的改变，大量自然地表被以不透水面为主的人工表面所替代，由此也引发了一系列城市问题：空气污染物不易扩散聚集在城市上空^[2]，地表水下渗能力减弱而容易引发城市内涝^[3]，居民健康水平下降等等。其中，由城市内部气温升高而引起的热岛效应问题受到人们广泛的关注，成为亟待解决的城市生态问题之一。

Manley于1958年提出“城市热岛”，城市热岛效应主要表现为城市中央温度高于周围郊区的现象^[4]，城区犹如一个“岛屿”。热岛效应作为城市发展中的生态问题，其影响因素众多，主要包括以下几点^[4-6]：（1）地表下垫面性质的改变。城市化使大量自然表面被人工表面所替代，城市下垫面具有反射率小、吸收辐射多等特点，促进了城区温度的升高；同时城市多高层建筑，热量在建筑群中不断被反射吸收。（2）人为热排放。城市中人们生活生产所消耗的化石能源在燃烧时散发大量的热，改变了原有的能量平衡，热量不断累积；另外在消耗能源的同时，还向大气中排放大量温室气体，增加了大气对热能的吸收。（3）其他因素。绿色植被的减少降低了温室气体的吸收，促进了城市热源的形成；城市高集群建筑和不合理的街道走向阻挡了自然风的进入，影响了散热；不同的地理环境形成不同的小气候，局部小气候中的气象条件加剧了热岛效应。

城市热岛效应作为一个共同关注的生态问题，其产生的危害不容小觑：影响城市局部生物进化过程，降低空气质量^[7]；由热岛效应所引发的热不适，对人们健康也构成极大威胁^[8]；造成局部气候异常，舒适性变差，环境问题加剧^[9]等等。相关研究还指出，经济发展和环境质量之间存在着“U”型关系，当经济发展到一定水平时，人们便开始追求高质量的生活环境^[10]。因此，对热岛效应开展系统性的研究，对提高人居环境，实现生态化城市建设具有战略性性意义。