摘 要

城市热环境变化与城市土地利用/覆盖变化有着密切的关系。城市建设用地面积的扩张改变了城市下垫面结构，使城市热岛效应更容易产生。本文利用Landsat TM和ETM 遥感影像数据，借助ENVI5.1和Arcgis10.2软件对武汉市2000年、2008年和2016年中夏季某三天的遥感影像进行土地利用分类和地表温度反演处理。对分类结果进行统计，比较分析土地利用/覆盖在时空上的变化特征；对地表温度反演结果进行分级比较，分析热岛分布的时空特点。并进一步探究两者之间的联系。

研究结果表明：武汉市城市较强热岛的扩散特征表现为由中心城区向外围城区呈辐射状延伸，并逐渐连成线，接成片。这与建设用地的扩张特征基本类似，可以认为建设用地的增加、城市化进程的加深，是武汉市城市热岛情况加重的重要原因之一。

关键词：土地利用变化；温度反演；城市热岛；武汉市

Abstract

The changes in the urban thermal environment are closely related to the land use/coverage changes in city. The expansion of the urban construction land area has changed the structure of the city's underlying surface, making it easier to trigger the urban heat island phenomenon. This research used Landsat TM and ETM remote sensing image data to classify land use and retrieve land surface temperature of Wuhan in 2000, 2008 and 2016. The results of the classification and the characteristics of changes in land use/coverage were studied; the surface temperature retrieval results were graded and compared, and the spatial and temporal characteristics of the heat island distribution were analyzed. Further exploration of the connection between the land use and the changes of the urban thermal environment was applied.

The results of the study show that the proliferation of relatively strong heat islands in Wuhan City shows a radial extension from the central city to the surrounding urban areas, and they are gradually connected to form a line. This is basically similar to the expansion characteristics of construction land. It can be considered that the increase in construction land and the deepening of urbanization are one of the reasons for the increase of urban heat island in Wuhan.

Key Words：land use change；temperature retrieval；urban heat island；Wuhan City

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的和意义 2

1.3 研究内容 2

1.4 国内外研究现状 3

1.5 技术路线 4

第2章 研究区概况和数据预处理 6

2.1 研究区域概况 6

2.1.1 自然与社会概况 6

2.1.2 研究区范围 6

2.2基础数据来源与处理 6

2.2.1 数据来源 6

2.2.2 数据预处理 6

第3章 武汉市土地利用/覆盖变化分析 7

3.1土地利用分类 7

3.2武汉土地利用/覆盖时空变化分析 8

第4章 武汉市热环境变化分析 10

4.1地表温度反演方法 10

4.2温度归一化与分级 14

4.3武汉市温度时空分布与演变特征分析 17

第5章 武汉市土地利用/覆盖变化对热环境的影响 17

5.1各土地利用类型的温度级比例统计 17

5.2土地利用/覆盖对热环境变化影响的讨论 19

第6章 结论 19

6.1研究结论 19

6.2不足与展望 20

6.2.1存在的不足 20

6.2.1展望 21

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 研究背景

20世纪90年代以来，随着“土地利用/土地覆盖变化科学研究计划(LUCC)”和“全球陆地计划(GLP)”的先后启动，与土地利用/覆盖变化相关的研究越来越被人们所关注。相关研究表明，土地利用/覆盖变化会对地表结构与粗糙度、植被覆盖率、下垫面反射率、土壤含水量等产生影响^[1]，并且进一步影响到地表与大气环境之间的潜热、显热和水分交换，进一步引起区域温度、湿度和风速等的变化^[2]，从而影响区域气候，乃至对全球能量平衡和全球气候产生一定的影响。

21世纪以来，城市快速发展，迅猛的城市化进程伴随着密集的人为活动。短时间内大量的人为活动对土地利用与覆盖产生了巨大的影响，进而影响区域局部的自然气候情况，形成城市气候。城市的热岛效应即是城市气候的一种典型体现。城市热岛效应是指城市因人类活动产热、尾气排放、建筑物和道路等的增加及绿地的减少，造成城市温度明显高于外围郊区温度的现象。在近地面温度上，郊区昼夜温差小，温度稳定且温度较低，而中心城区温度高，形成一个高温区。形成城市热岛效应的主要因素有城市下垫面改变、人工热源的增加、水气影响、空气污染、绿地减少、人类活动等。

随着城市化进程的加深，城市面积迅速扩张，城市人口急速增加，城市区域的建筑密度大幅提升，加之近年来全球变暖趋势的影响，城市热岛效应己成为城市发展对局部地域气候影响这一话题中最为典型的案例。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中，纲要已经明确把城市热岛效应的形成机制和人工调控技术作为重点研究，以提升城市空间。城市热环境是区域气候环境的主要研究对象，而城市热岛效应是城市热环境的集中体现。

城市热岛效应的出现与加剧影响着人们的生活，对人们的居住舒适度和生活质量都产生了负面的影响。一方面，热岛效应的加剧使大量污染物在热岛中心，也是城市中心聚集，有害物质浓度剧增，直接刺激人们的呼吸系统，轻者引起咳嗽流涕，重者会诱发呼吸系统疾病；另一方面，长期生活在热岛中心区会对人们的健康产生不利的影响，情绪烦躁不安、精神萎靡、忧郁压抑、记忆力下降、失眠、食欲减退等症状在热岛现象严重的城市中心区域更为频发。这些也给生活在城市的人们的工作和生活带来说不尽的烦恼。武汉、南京、重庆等城市是我国著名的“火炉”城市，这些城市在发展进程中都在不同程度遇到了以上的情况。

1.2 研究目的和意义

本次研究以武汉市为研究区通过研究土地利用/覆盖变化进一步分析其对城市热环境的影响，探究两者之间的联系。本次研究利用多年的武汉市Landsat遥感影像，提取土地利用数据，研究武汉城市土地利用时空格局的演变特征；并在ENVI5.1软件里，通过遥感反演的方法反演得到武汉市三年中夏季三天的地表温度，获取研究区热环境的时空特征。结合分类结果和温度反演结果，分析从2000年到2016年以来武汉市土地利用和地表温度的时空格局变化，并进一步探究城市土地利用和热环境之间的联系，分析城市土地利用/覆盖变化对城市热环境的影响。

城市土地利用/覆盖的变化可以改变城市下垫面的热力特征和动力特征，进而对城市热环境产生影响。土地利用/覆盖的变化影响区域陆地碳循环来改变大气中温室气体的浓度，从而对区域热环境产生作用。区域热环境的变化伴随着一些典型的区域小气候异常现象的产生，如城市的热岛效应。近年来，武汉市作为全国闻名的“火炉”城市，常常因为夏日温度过高而被人们戏谑调侃。而过高的温度也实打实地降低了人们的生活质量与工作效率，甚至危害到人们的身体健康，对人们的日常生活产生了很大的负面影响。因此，在当代人对生活质量与健康越来越重视的现在，探索城市热岛效应的时空格局特征，分析城市热环境的变化规律，研究其与土地利用的关系，可以更客观的揭示城市土地利用/覆盖变动对城市热岛效应带来的影响，有助于更深层次地揭示热环境形成机制与热岛效应的缓解机制，为优化城市生存条件、应对城市环境问题以及制定城市未来规划等提供参考依据。

1.3 研究内容

本次研究主要的研究内容有以下几点：

一．武汉市土地利用/覆盖时空变化分析：利用最大似然值的分类方法进行监督分类。对经过预处理后的遥感影像进行分类，将研究区域划分为4种土地利用类型：耕地、绿地、水体和建设用地。根据分类结果，统计武汉市三年各类土地利用类型所占比例，分析武汉市土地利用/覆盖的时空变化特征。

二．武汉市热环境变化的分析：用辐射传输方程法反演得到武汉市三年中夏季某三天的地表温度，采用温度归一化的方法对反演后的地表温度进行处理，并用标准差分类法对归一化以后的温度进行温度分级，将归一化以后的结果分为7个温度级。统计三年各个温度等级的土地所占的比例，对不同时间空间的城市热环境情况进行对比分析。

三．武汉城市土地利用/覆盖变化对城市热环境变化影响的研究: 统计武汉市三年各土地利用类型下的各个地表温度等级所占的比例，结合土地利用分类和温度反演的结果，来评估不同土地利用类型对区域热环境的影响。

1.4 国内外研究现状

关于城市热环境这一主题，自从1818年英国的Lake Howard 在 《伦敦气候》一书中首次提出 “城市热岛”概念^[3],“城市热岛”这一话题便一直颇受人们的关注，不少学者已经从多个方面、多个角度，利用不同方法对其进行研究。城市热岛问题针对研究对象、目的、范围的不同，其方法也各异。总结来说，研究城市热岛问题的方法主要有传统的观测法、数值模拟法和遥感反演法。这些方法中，传统的城市热岛研究方法存在很多的局限性，不能很好地从时间和空间上体现城市热岛发展、分布和结构特征，在这方面的问题解决上显得弱势。同时鉴于遥感技术的快速发展，其在时间和空间上的优越性已经远超传统方法，遥感反演法已逐步成为城市热岛效应的主要研究方法。

此外，有不少学者将城市热岛的问题与土地利用联系起来，研究两者的联动关系。目前已有大量国内外的相关学者在“土地利用/覆被变化与城市热环境之间的联系与影响”这一主题上进行了研究并发表了相关研究内容。岳文泽^[4]等以上海市中心城区为例，利用 Landsat7卫星ETM 影像，反演得到陆地表面温度，通过土地利用类型的矢量图与地表温度栅格图的叠加，分析陆地表面温度在不同土地利用类型之间分布差异，统计各个地物类型的平均温度，并利用景观多样性指数与反演得到的温度，进一步分析了城市土地利用多样性与地表温度的关系。翁清鹏^[5]等利用Landsat TM遥感影像反演获取了南京市1988、1998、2002和2010年的地表温度和热岛强度，并提取了不透水面信息，用线性回归方法探究NDISI不透水面指数与地表温度的定量关系。Ronald C. E. stoque^[6]等选取东南亚的三个城市为研究区，利用Landsat遥感数据反演地表温度，探究了地表温度与土地利用类型的关系。梁益同等^[7]利用三期TM影像分析了武汉城市热岛效应的现状及年代演变，研究城区热岛强度分布与土地利用类型、植被覆盖率的相关关系。

国内外学者在对土地利用变化与城市热环境效应的关系方面已经取得了一系列进展，这些研究为本次研究武汉市土地利用/覆盖变化及其对城市热环境的影响提供了良好的借鉴。

1.5 技术路线

本次研究的技术路线流程图如图1.1所示，其中地表温度反演的流程图如图1.2所示，土地利用分类的流程图如图1.3所示。

辐射传导方程法

最大似然值方法

图1.1 整体技术路线图

图1.2 地表温度反演路线图

图1.3 监督分类路线图

第2章 研究区概况和数据预处理

2.1 研究区域概况

2.1.1 自然与社会概况

此次研究选取的区域是湖北省武汉市，武汉所处位置在江汉平原东部、长江中游，经纬度位置在东经13°41’-115°05’，北纬29°58’-31°22’之间。武汉市属于亚热带季风性气候，冬天寒冷少雨，夏季闷热湿润，四季分明，一年中，1月份的平均气温最低，约为3.0°C; 7月份平均气温最高，为29.3°C。武汉江河湖泊交织纵横，长江与汉水在市中心相聚，且接纳南北支流入汇。许多大小湖泊分布在江河的两侧，星罗棋布，形成湖沼网络。截至2017年，武汉共有166个湖泊。

武汉是湖北省省会，中国中部地区的中心城市，长江经济带的核心城市，是华中地区乃至全国重要的工业基地、科教基地和综合交通枢纽。

2.1.2 研究区范围

本文着重研究武汉市土地利用/覆盖时空变化与城市热环境变化之间的关系，因此研究区域覆盖了武汉市市域全境，包含了整个武汉市的13个区，包括七个中心城区（武昌区、洪山区、江汉区、汉阳区、青山区、硚口区、江岸区）和六个新区（东西湖区、蔡甸区、江夏区、黄陂区、新洲区和汉南区）。

2.2基础数据来源与处理

2.2.1 数据来源

本次研究主要采用的源数据主要包括遥感数据及相关辅助数据。采用的遥感数据从地理空间数据云上获取，主要包括：2000年7月27号Landsat 5 TM行列号为122-038、123-038、123-039的3景遥感影像,2008年5月6号Landsat 7 ETM 行列号为122-038、123-038、123-039的3景遥感影像,和2016年7月23日Landsat8的行列号为122-038、123-038、123-039的3景遥感影像。选用的数据云量小于5%，成像质量较好，适合进行分类与温度反演研究。辅助数据为武汉市行政边界图、卫星过境时的大气参数、谷歌地图等。

2.2.2 数据预处理

对每一景遥感影像进行大气校正、辐射定标、拼接与裁剪、波段合并等操作，主要在ENVI5.1工作环境里完成。大气校正采用快速大气校正，辐射定标用radio calibration工具完成，拼接使用seamless mosaic工具完成，裁剪使用subset from ROI工具完成。其中2008年的三景遥感影像均有程度不一的条带现象，通过下载ENVI的landsat_gapfill插件对其进行去条带处理。另外，2008年的数据缺少两个波段的偏移和增移参数，因此通过波段计算来完成这两个波段的辐射定标，计算公式如下：

（2.1）

其中为探测器可检测到的最大辐射亮度，也是最大灰度值所对应的辐射亮度；为探测器可检测到的最小辐射亮度，也是最小灰度值所对应的辐射亮度。Landsat 7ETM 的和值如表2.1所示。为传感器接收到的最大灰度值，为传感器接收到的最小灰度值。因为没有找到元数据信息，取默认值255，取默认值1。

表2.1 Landsat 7 ETM 的和值

第3章 武汉市土地利用/覆盖变化分析

3.1土地利用分类

在ENVI软件中使用最大似然值得分类算法进行监督分类，参考谷歌地图武汉市的部分，选择对应的训练样本，将研究区域划分为4种土地利用类型：耕地、绿地、水体和建设用地，每一类地物选择合适的训练样本数量。选择完训练样本后，计算样本的分离度，若分离度大于1.8，则说明样本选择较好，分离度小于1.4，则考虑将过于相似的两类样本合并成一类。样本选择完毕后，在ENVI软件中利用监督分类下的最大似然值分类法进行分类，得到武汉市2000年、2008年和2016年的土地利用/覆盖图。

最大似然分类法使用将遥感影像多波段的分布看作为多维正态分布的方法来构造判别分类函数。其基本思想是：各类已知像的元数据在平面或空间中形成某个点群，每种数据的每个维度都在自己的数轴上形成一个正态分布，该类的多维数据就构成该类的一个多维正态分布；各类的多维正态分布模型在位置、形状、密集或者分散程度等方面有不同。基于已经选出的训练样本，可以构建各类的多维正态分布模型，也就是各类出现各种数据向量的概率。在得到各类的分布模型后，对于未知类别的数据向量，便可以通过公式计算它属于每个类别的概率大小，比较这些概率，属于哪一类的概率大，数据就被归入这一类中。^[8]

3.2武汉土地利用/覆盖时空变化分析

经过分类，得到武汉市2000年、2008年和2016年的总体分类精度分别为：85.57%，89.10%和92.69%。武汉市三年的土地利用/覆盖分类结果如图3.1所示，对每类地物进行统计，统计得到的每类地物所占的比例如表3.1所示。

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