摘 要

近年来，随着城市化发展速度的不断加快，城市的面积开始快速增长，进而带来了一系列的生态环境问题。城市热岛效应就是其中比较严重的问题之一，为了探究城市扩张对城市热岛效应的影响，本文以南阳市为例，利用南阳市2000年、2004年和2009年的Landsat 5 TM数据和2013年的Landsat 8 OLI数据，采用大气校正法反演地表温度，分析了南阳市地表温度的变化情况，并且以均值-标准差法对城市热岛等级进行划分，分析了这几年间城市热岛的变化情况。同时采用监督分类法对土地利用类型进行分类，分析了南阳市城市扩张情况以及土地利用的演化情况，并且探讨了土地利用与地表温度之间的关系，最后分析了城市扩张对城市热岛的影响情况。研究结果显示出了南阳市城市发展过程中带来的生态问题，并且分析结论对南阳市的健康发展有一定的参考作用。研究结果表明：（1）.2000年到2013年间，南阳市的地表温度呈现出增加的趋势，并且城市热岛的面积也在随着城市的发展逐年增加。（2）.在城市发展的过程中，南阳市耕地的面积减少最多，耕地向城市建设区域演化最为严重，城市建设用地的面积增加最为明显，城市的扩张主要呈现趋势为由城市建设密集区向外围扩散。（3）.南阳市平均地表温度最高的区域为城市建设区域，平均地表温度最低的区域为水域地区，并且分析发现水体与地表温度之间存在一种负相关关系，而城市建设区域与地表温度之间存在正相关关系。（4）.南阳市的城市扩张情况与城市强热岛区域的扩散情况在空间上具有一致性，城市建设区的面积与城市强热岛区域的面积变化规律也具有一致性，并且随着城市的发展，南阳市的城市热岛效应在加剧，城市强热岛区域的扩散速度也在加快。

关键字：遥感；地表温度；土地利用；城市扩张；城市热岛效应

Abstract

In recent years, with the accelerating process of urbanization, the area of cities had increased rapidly, meanwhile, a series of ecological problems was brought about, Urban heat island effect is one of the most serious problems. This study takes Nanyang as an example to explore the influence of urban expansion on urban heat island effect. This study took the Landsat 5 data in 2000, 2004, 2009 and the Landsat 8 data in 2013 of Nanyang as the data base. This study used the atmospheric correction method to retrieve the land surface temperature of Nanyang. And the change of land surface temperature in Nanyang between 2000 and 2013 was analyzed. This study used the Mean standard deviation method to divide the Urban heat island, so, the changes of Urban heat island in Nanyang during 2000 to 2013 were analyzed. At the same time, by using the supervised classification method, the land use type of Nanyang was classified, so, the urban expansion and the evolution of land use in Nanyang was analyzed. Besides, the relationship between land use and land surface temperature was discussed. Finally the influence of urban expansion on urban heat island was discussed. The research results showed the ecological problems brought about by the development of Nanyang City, and the analysis conclusion had a certain reference function for the healthy development of Nanyang. The analysis results showed that: (1).Between 2000 and 2013, the land surface temperature in Nanyang showed an increasing trend, and the area of urban heat island was increasing during 2000 to 2013. (2). In the process of city development, the area of farmland in Nanyang was the most reduced, the evolution of farmland to urban construction was the most serious, and the mainly trend of the urban expansion is diffusion from urban construction intensive areas to the periphery. (3). The average land surface temperature of the urban construction area in Nanyang was the highest, the water area was the lowest. And there was a negative correlation between the water and the land surface temperature, but there was a positive correlation between the urban construction area and the land surface temperature. (4). The city expansion of Nanyang and urban strong heat island region diffusion was consistent in space, the area of urban construction and the area of urban strong heat island was also coincident, and with the development of the Nanyang, the urban heat island effect of Nanyang was intensified, and the regional diffusion speed of urban strong heat island was accelerating.

Keywords: Remote sensing; Surface temperature; Land use; Urban expansion; Urban heat island

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究内容与目标 2

1.4技术方案与路线 3

1.5研究方法 3

第2章 理论与方法 5

2.1地表温度反演 5

2.1.1地表温度反演理论 5

2.1.2地表温度反演算法 5

2.2城市热岛等级划分 6

2.3土地利用分类方法 6

第3章 城市扩张和城市热岛效应的相关分析—以南阳市为例 8

3.1研究区概况与数据预处理 8

3.1.1研究区概况 8

3.1.2数据说明 8

3.1.3数据预处理 8

3.2南阳市地表温度与城市热岛变化特征研究 8

3.2.1基于大气校正法反演南阳市地表温度 9

3.2.2南阳市地表温度变化特征分析 10

3.2.3南阳市城市热岛变化特征分析 11

3.3南阳市土地利用类型变化特征研究 14

3.3.1监督分类法进行南阳市土地利用类型的分类 15

3.3.2南阳市城市扩张特征 16

3.2.3南阳市土地利用变化特征分析 17

3.4南阳市城市扩张与城市热岛效应的关系 19

3.4.1土地利用类型对地表温度的影响 19

3.4.2南阳市城市扩张对城市热岛效应的影响 20

第4章 总结与展望 22

4.1总结 22

4.2展望 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

当前，城市化进程速度急剧加快，成为时代和经济发展的一个标志性特征。城市化的快速发展致使城市的空间规模不断扩大，进而必然会导致城市的土地利用状况也随之发生变化。在城市化快速发展的趋势下，城市中原有的农业用地和林业用地等土地利用类型开始向城市建设用地转换。土地利用类型的转变不仅会影响到人类生存的环境，并且会阻碍城市的健康发展。城市化的快速发展，虽然带动了经济和社会的进步，但也附加的带来了大量的生态环境问题，城市热岛问题正是其中最显著的问题之一。

城市热岛效应是指因为一些人为和自然的因素，造成城市地区的温度比较高的情况。城市地区的较高气温导致城市气温和外围地区气温有明显差异的现象。城市的扩张导致城市用地类型发生变化，原有的土地利用类型到现有土地利用类型的转化过程中土地的地表性质也随之发生变化，从而促使地表的温度发生了变化，这种变化打破了城市原有的热量平衡，进而使城市的热岛效应发生变化，城市热岛效应是城市化过程中带来的恶性产物，它不仅会加大城市能源的消耗，降低城市空气质量，危害人类的健康，还会引起城市环境格局的变化，影响城市的整体质量。因而研究城市扩张对城市热岛效应的影响对认识和转变城市生态的环境质量，促进城市健康良好的发展具有重要的意义。

本文以南阳市为研究对象，运用遥感和地理信息系统技术，分析城市扩张过程中土地利用状况和城市热岛效应演化情况，基于该研究基础，详细分析研究城市扩张过程中城市土地利用情况变化对城市热岛效应的影响过程及原理。分析的结果有助于认识城市扩张过程中带来的生态环境问题，并且对减缓城市的热岛效应问题、保护城市生态平衡和维持城市健康良好发展等具有重要意义。

1.2国内外研究现状

城市热岛效应一直以来一直是备受学者关注的问题，近年来，随着城市化的进展，城市热岛问题日渐严重，亟待解决^[1] ，Dhirgham Alobaydi^[2]等通过研究不同的城市形态对城市热岛的影响情况，得出城市的形态是影响城市热岛问题的重要原因。城市的扩张是城市发展的明显特征，针对城市扩张对城市热岛效应的影响问题，目前研究采用的方法主要有四种：定量和定性分析法、不透水面值研究法、计量分析法和引入算法。定量与定性分析法是目前采用最多的方法，李乐^[3]通过从面积数量及空间特性两个方面定量研究杭州市城区扩展对城市热岛的影响，李蓉^[4]和Mehdi Bokaie^[5]通过空间主成分分析法,选取反映土地利用特征的代表性因子，分析了城市化对上海城市热岛时空动态的影响，房贞丽^[6]也运用定性与定量分析的方法分析得到城区扩张是绍兴市城市热岛的主要因素。谢启娇^[7]等学者以不透水面值代替城市化发展水平，定量研究了城镇化对武汉市城市热岛的影响，得出不透水面值与地表温度呈明显的正相关关系。曾永明等学者^[8]从因果关系出发采用协整分析、误差修正模型、脉冲分析、格兰杰因果检验等计量分析方法将“城市扩张会导致城市热岛效应”的结论进行了量化。李恒凯等学者^[9]通过在城市热岛变迁的过程和成因中运用混合像元线性波谱分离算法，分析了中小城市的热岛迁移变化过程和特征。城市扩张必定会带动土地利用的变化，土地利用变化又会直接影响到城市热岛效应^[10]，就土地利用类型变化影响城市热岛效应的问题，目前学者的研究方法主要有：空间分析法、土地利用变化轨迹法和数值模拟法。学者王静^[11]宫阿都^[12]通过定量遥感模型反演和空间分析法分析了北京市土地利用变化对城市热岛效应的影响。白丽月^[13]通过对城市热岛和植被覆盖度进行等级划分，研究了福州市城市热岛效应与土地利用变化的关系，还有将WRF模式运用到城市热岛变化分析中的^[14]。另外还提出了一种运用土地利用变化轨迹的定量分析方法^[15]以量化城市化过程中土地利用变化对城市热岛的影响。

本文以南阳市为研究对象，运用遥感和地理信息系统技术，通过建立转移矩阵，分析南阳市城市扩张过程中土地利用类型的演化情况和城市热岛的变化情况，然后对南阳市的城市热岛强度的时空分布与土地利用类型的变化进行相关分析，探讨土地利用变化和城市热岛时空分布的耦合关系，最终得到南阳市城市扩张对城市热岛的影响情况。

1.3研究内容与目标

本文主要通过分析南阳市在城市扩张过程中土地利用状况和城市热岛效应的演化情况，探讨土地利用变化和城市热岛变化的关系，最终得到南阳市城市扩张对城市热岛的影响情况。研究的主要内容为：

（1）南阳市城区扩张特征分析

通过遥感图像处理得到历年来南阳市的城市范围，运用地理信息系统软件ARCGIS对比分析南阳市城市扩张的特征。

（2）南阳市城市热岛强度的演化分析

然后基于遥感影像，通过利用大气校正法反演得到地表温度，基于该结果，利用均值标准差法对南阳市的热岛强度进行等级的划分，分析南阳市城市热岛的演变情况。

（3）南阳市土地利用类型的变化分析

以遥感影像数据为基础，通过运用监督分类方法得到历年南阳市的土地利用状况，分析南阳市在城市扩张过程中土地利用的演化情况，并且计算出历年来各种土地利用类型的转移矩阵，对土地利用类型间的转换特征进行分析。

（4）城市扩张对城市热岛效应的影响

通过得到的城市强热岛区域与城市建设区域的分布与变化情况，探讨土地利用变化和城市热岛时空分布的耦合关系，最终得到南阳市城市扩张对城市热岛的影响情况。

1.4技术方案与路线

根据研究的内容和目标，本文所采用的技术方案如下：

（1）首先对数据进行预处理

对得到的遥感数据进行几何校正，辐射定标，大气校正，图像的拼接和研究范围的提取，最终得到所需目标的图像。

（2）南阳市城市热岛效应演化分析

采用大气校正法对南阳市的地表温度进行反演，根据地表温度反演结果划分城市热岛等级，分析南阳市在城市扩张过程中城市热岛效应的强度和时空变化特征。

（3）南阳市城市扩张分析

采用监督分类法对土地利用类型进行分类，提取到南阳市历年的土地利用情况，分析南阳市城区扩张的特点以及土地利用类型的变化状况。

（4）城市扩张与城市热岛演化的关系

通过土地利用变化情况与城市热岛强度变化的对比，采用相关性分析方法，探究南阳市城市扩张和城市热岛时空分布变化之间的耦合关系。

本文所用的技术路线如图1.1所示：

图1.1 技术路线图

1.5研究方法

（1）定量遥感分析

基于Landsat TM/OLI影像，利用监督分类法，获取南阳市历年土地利用状况。基于Landsat TM/OLI影像，利用大气校正法反演得到南阳市的地表温度数据。

（2）建立转移矩阵

根据提取到的土地利用情况建立南阳市2000年到2013年的土地利用类型转移矩阵，分析2000年到2013年间南阳市各种土地利用类型之间的转化情况。

1. GIS空间分析和数理统计方法

运用空间分析方法分析南阳市城市热岛和土地利用的空间分布情况，并将土地利用类型和地表温度进行叠加分析，结合数理统计方法分析两者之间的关系。

第2章 理论与方法

2.1地表温度反演

2.1.1地表温度反演理论

当大气辐射太阳的热能到达地面之后，一部分的能量被地面所吸收，另一部分能量被反射回大气，从而有了地表温度。在研究大气与地面的物质和能量交换等一系类问题时候，地表温度都是研究过程中一个非常重要的参数。在研究气候变化情况、天气预报和全球热力环流问题中都有着重要的作用。人为活动和地表的性质都会影响到地表温度，地表温度是城市生态环境的重要组成部分。

关于地表温度的获取方法，目前主要有人工实测法和温度反演法。人工实测法是通过测量一个点的温度，以该点的温度代表一片区域的温度，用该方法得到的地表温度虽然是人工测量的比较精确，但是用该点的温度代表一片区域的温度又显得有一些误差。而利用遥感数据通过反演得到地表温度，可以在相同时间内获取到更大区域的地表温度，并且与人工实测法相比，精度要更高一些。

2.1.2地表温度反演算法

利用遥感数据反演地表温度主要是通过利用遥感数据中所包含的热红外波段得到的，因为热红外波段本身的性质问题，利用它可以精确的得到相应的地表温度。在反演地表温度时，所使用的地表温度的反演算法可以根据热红外波段的数量大致分为三种：基于只有一个热红外波段的单通道算法、基于有两个热红外波段的劈窗算法和基于有多个热红外波段的多通道算法，因为本文所运用的数据大多只包含有一个热红外波段，所以本文选取的地表温度反演方法为单通道算法中的大气校正法。

大气校正法的基本原理是事先估算大气对地表辐射的影响情况，然后计算的时候从卫星传感器所观测到的热辐射总量中把这部分大气影响的值给减去，从而可以得到地表真实的热辐射强度，然后再把这一热辐射强度通过计算转化为相应的地表温度。大气校正法的计算公式如下：