西安市地表景观格局的热环境效应研究

论文摘要

随着全球城市化进程的不断加快,大量自然景观被硬质化不透水面所取代,城市热环境不断恶化,极端天气气候事件频发,对城市生态安全产生不利影响,进而制约城市的可持续发展能力。西安市正致力于国家中心城市与国家森林城市的建设,面临着经济发展与生态建设的双重压力。在此背景下,研究西安市地表景观格局及其与城市热环境间的定量关系,可为合理规划城市景观格局、处理好城市经济发展与生态环境建设之间的关系提供科学参考。以西安市为研究区,基于1994、2006和2016年三期Landsat陆地卫星系列遥感影像数据,利用监督分类法与单窗算法,得到多时相地表景观类型与地表温度数据。通过动态度分析、转移矩阵、景观指数和移动窗口、空间回归模型等方法,对西安市地表景观与热环境的时空变化特征以及二者间的定量关系进行研究,得到如下结论:（1）研究时段内,林地、耕地和建设用地为西安市的主要景观类型,其中耕地面积持续减少,林地、建设用地面积不断增加,增加的主要来源为耕地类型。这与西安市城市化水平与生态环境建设水平的不断提升关系密切。从景观格局角度看,研究时段内西安市地表景观的破碎化程度有所提高,各景观类型的空间分布趋于均衡化,结构组成的复杂性增强。主要表现为:随着城市化水平与人类活动强度的不断提高,建设用地斑块数量增加,林地、耕地等优势景观类型被不断分割,自然地表的聚合度下降,破碎化程度升高。（2）对比分析四种常用的地表温度反演方法——劈窗算法、大气校正法、覃志豪单窗算法和Jimenez-Munoz普适性单通道算法,发现覃志豪窗算法的反演精度最高,且与陆地温度产品数据MOD11A1的拟合效果最好,是该研究时段内西安市地表温度反演的最优方法。（3）热力景观是具有高度空间异质性的热力区域,能够较为清晰地描述城市热环境在空间上的变化特征。研究将温度特征不同的热力景观划分为不同的热力斑块类型,包括高温斑块（热岛斑块、强热岛斑块）类型、中温斑块类型、低温斑块（绿岛斑块、强绿岛斑块）类型。1994-2006年,研究区高温斑块类型面积以增长为主,低温斑块类型面积以减少为主;2006-2016年,高温与低温斑块类型面积变化幅度较小,但强热岛与绿岛斑块所占比例显著升高。不同热力景观类型间具有明显的转化特征。高温斑块与低温斑块间的相互转化率较低,但其内部的强热（绿）岛斑块与热（绿）岛斑块间的转化率较高;中温斑块与其他四种热力斑块间的转化率均较高,在热力景观类型间的转化中起到了过渡作用。研究区热力景观破碎度逐渐降低,各斑块类型的团聚水平进一步提高,城市热岛效应显著增强。（4）不同地表景观类型的热环境效应差异明显,各地表景观类型温度由高到低依次为:建设用地>耕地>未利用地>草地>水域>林地。林地与建设用地的热力景观构成等级不断增加,是导致研究区热力等级增加的主要原因。从建设用地与非建设用地的变化过程来看,不同变化过程对应的地表温度具有显著的差异性。其中,“不变建设用地”与“不变非建设用地”分别具有最高和最低的平均地表温度,同一地区建设用地形成的时间顺序会影响地表温度的高低,且变化前期景观类型会影响后期景观类型的热环境。（5）对比最小二乘模型与地理加权回归模型中各景观格局指数对地表温度的影响情况,地理加权回归模型在回归分析中的空间非平稳性方面具有更好的拟合效果,能够更准确地表征景观格局与地表温度的定量关系。不同景观格局指数对地表温度的解释率也存在着显著差异,其中与面积指标相关的各类型指数与地表温度具有最优的拟合效果,对地表温度的解释率最高。（6）在1200mX 1200m尺度下,地表温度数据与主要地表景观类型面积比例的拟合优度R2最高,建设用地面积比例每增加10%,地表温度约上升0.55K,林地面积比例每增加10%,地表温度约降低0.95K。林地的降温作用高于建设用地的升温作用。

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摘要

Abstract

第1章引言

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 城市热环境研究进展

1.2.2 城市景观格局研究进展

1.2.3 城市景观格局与热环境关系研究进展

1.3 当前研究中存在的问题

1.4 研究内容及技术路线

第2章研究区概况及资料处理

2.1 研究区概况

2.1.1 自然地理概况

2.1.2 社会经济概况

2.2 数据来源

2.2.1 遥感影像数据

2.2.2 地表景观类型数据

2.2.3 其他数据

2.3 数据预处理

2.3.1 几何校正

2.3.2 辐射定标

2.3.3 大气校正

2.3.4 监督分类

2.3.5 拼接与裁剪

第3章研究方法

3.1 地表温度反演方法

3.1.1 劈窗算法

3.1.2 大气校正法

3.1.3 覃志豪单窗算法

3.1.4 Jimenez-Munoz J.C普适性单通道算法

3.1.5 关键参数获取

3.2 景观格局计算方法

3.2.1 景观动态度变化分析

3.2.2 景观指数的选择

3.2.3 基于Fragstats的景观指数计算方法

3.3 地表温度与景观格局关联分析模型

3.3.1 最小二乘（OLS）回归模型

3.3.2 地理加权（GWR）回归模型

第4章西安市地表景观格局时空变化特征

4.1 景观类型时空分布特征

4.2 地表景观类型动态度变化

4.2.1 研究区整体景观类型动态度变化

4.2.2 各区县地表景观类型动态变化

4.3 景观类型转移变化分析

4.4 地表景观空间格局演变

4.4.1 景观水平指数分析

4.4.2 斑块类型水平指数分析

第5章西安市热环境时空变化特征

5.1 地表温度反演方法及其验证

5.1.1 地表温度反演方法的比较分析

5.1.2 地表温度精度验证

5.2 西安市热力景观等级划分及空间分布

5.2.1 地表温度归一化

5.2.2 热力景观等级划分

5.2.3 热力景观等级空间分布特征

5.3 热力景观等级动态变化分析

5.3.1 研究区整体热力景观等级动态度变化

5.3.2 各区县热力景观等级动态度变化

5.4 热力景观类型转移特征

5.5 热力景观格局空间分布特征

5.5.1 景观水平上的热力景观格局演变分析

5.5.2 斑块类型水平上的热力景观格局演变分析

第6章西安市地表景观格局的热环境效应

6.1 地表景观类型的热环境特征

6.1.1 不同地表景观类型的温度特征

6.1.2 不同景观类型的热环境效应

6.2 地表景观类型变化过程的热环境响应

6.2.1 地表景观变化图谱

6.2.2 地表景观变化过程对热环境的影响

6.3 地表景观格局与地表温度的相关性分析

6.3.1 景观格局指数与地表温度关系模型的建立

6.3.2 地表温度与景观格局指数的回归分析模型

6.4 景观类型与地表温度的定量化分析

6.4.1 各尺度下景观面积比例与地表温度关系分析

6.4.2 景观类型面积比例与地表温度的定量化关系

第7章结论与展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 问题与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间论文成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杜航

导师: 张艳芳

关键词: 热环境,景观格局,地表温度,西安市

来源: 陕西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,环境科学与资源利用,建筑科学与工程

单位: 陕西师范大学

分类号: X16;TU984.1

DOI: 10.27292/d.cnki.gsxfu.2019.000198

总页数: 85

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