基于TM影像数据的重庆市主城区热力场分布特征研究

论文摘要

现代工业的出现标志着人类社会开始了城市化过程。工业、人口、交通迅速涌入城市，城市用地规模不断扩大，城市地貌及其物质构成发生了根本的改变，从而影响了城市地区的热力循环及热力平衡条件，引发了人们日益关注的城市热岛现象。近十几年来，国内外有关专家从宏观或微观的层面上对城市热岛的产生机理、与人类活动的相互作用关系及热岛随时间的变化规律进行了一系列的基础研究并取得了一定的成果。利用地面气象观测数据或数值模拟进行城市地面热场分析是热岛效应研究的常用方法，但该类方法的成本过高、时间同步性难以保证、只能以点代面而失去大量细节。而遥感（RS）可以为人们提供大范围内同步的面数据并可以方便的与GIS技术进行无缝集成，使得对地面热场进行同步的详细研究成为可能；且数据的获取较为方便、便宜。因此，人们开始转向以遥感为手段的城市热岛研究。本文以重庆主城区为研究对象。基于可得到的陆地卫星遥感数据、气象数据等资料，在分析数字图像融合、以陆地卫星TM／ETM+为数据源的地面温度演算方法的基础上，对1988年6月4日，1988年9月15日，1993年5月24日，2000年7月31日，2001年5月22日，2004年7月25日共6期重庆地区的陆地卫星数据进行处理；分析了这十几年间重庆主城热岛分布特征及其变化规律与趋势并定量地研究了各种因素对重庆主城热岛的影响。本文主要的研究内容有：遥感数据的预处理方法；基于陆地卫星单通道热红外数据的地面温度场反演算法及其相关参数的确定方法；以中心波长替代有效波长对温度反演精度的影响及有效波长的确定；热影像数据空间分辨率融合方法；对6期数据的处理结果进行了定性与定量结合的分析，发现了重庆主城热岛的分布特征及其变化趋势，分析了影响重庆热岛的相关因素；最后提出了阻止或减缓重庆热环境进一步恶化的可能措施。本文研究表明：重庆主城区热岛效应强烈，随建成区的扩展不断扩大其范围并逐渐边为一体；城区的过度开发将导致重庆主城区的热环境进一步恶化。这一结论对以后的研究及城市规划有一定的借鉴作用。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 城市热岛效应问题的提出
• 1.2 国内外热岛效应研究现状与趋势
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 立题目的及意义
• 1.4 主要研究内容及研究方法
• 1.4.1 研究区概况
• 1.4.2 研究内容及技术方案
• 2 地温反演的遥感基础
• 2.1 反演地表温度的电磁波谱段的选择
• 2.2 辐射传输方程
• 3 热遥感应用数据源的选择与预处理
• 3.1 本次研究中遥感数据源的选择
• 3.2 图像预处理
• 3.2.1 遥感图像辐射校正
• 3.2.2 遥感图像几何校正
• 4 遥感影像的空间增强及其评价
• 4.1 可见近红外影像空间增强
• 4.1.1 IHS变换
• 4.1.2 PCT变换
• 4.1.3 Wavelet变换
• 4.1.4 基于人工神经网络的方法
• 4.1.4.1 神经元的结构模型
• 4.1.4.2 神经网络的连接模型
• 4.1.4.3 BP网络的基本算法
• 4.2 热红外影像空间增强
• 4.2.1 PBIM原理
• 4.2.2 PBIM算法的主要步骤
• 4.3 影像空间分辨率增强质量评价指标
• 4.3.1 根据单个影像本身的统计特征进行评价
• 4.3.1.1 信息熵指标
• 4.3.1.2 平均梯度指标
• 4.3.1.3 空间频率指标
• 4.3.2 根据影像间的比较进行评价
• 4.3.2.1 信噪比指标
• 4.3.2.2 交叉熵指标
• 4.3.2.3 偏差（光谱保真度）与相对偏差指标
• 4.3.2.4 相关系数指标
• 5 地表温度反演算法
• 5.1 地表温度反演的单窗算法
• 5.1.1 从TM6数据中求算辐射温度
• 5.1.2 TM6的热传导方程
• 5.1.3 大气平均作用温度的替代性分析
• 5.1.4 单窗算法的推导
• 5.2 有效波长计算
• 5.2.1 有效波长的概念
• 5.2.2 有效波长计算公式推导
• 5.2.3 相对光谱响应方程拟合
• 5.2.4 有效波长计算
• 5.2.5 以中心波长代替有效波长对温度反演的影响分析
• 5.3 地表特征比辐射率的估计
• 5.4 大气平均作用温度Tα及大气透射率τ的估计
• 5.4.1 基于MODTRAN的估计
• 5.4.1.1 大气平均作用温度Tα的估计
• 5.4.1.2 大气透射率（τ）的估计
• 5.4.2 基于ACPC的估计
• 6 重庆主城建成区热岛效应分析
• 6.1 本次研究所用数据的生成
• 6.1.1 基础数据准备及大气参数计算
• 6.1.2 地表比辐射率计算
• 6.1.3 地表温度反演
• 6.2 重庆市主城区热岛演变整体特征分析
• 6.2.1 热岛的定义
• 6.2.2 主城热岛时间变化特征分析
• 6.2.3 主城热岛分布的空间变化特征
• 6.2.4 长江、嘉陵江水体变化与主城热岛关系分析
• 6.3 微环境对改善城市热岛效应的作用
• 6.3.1 小型水体在缓减热岛效应方面的作用
• 6.3.2 小型绿地在缓减热岛效应方面的作用
• 6.4 典型断面分析
• 6.5 多因素综合影响分析
• 7 总结
• 7.1 主要工作
• 7.2 主要创新点及意义
• 7.3 缓减重庆主城热岛效应及进一步研究的建议
• 参考文献
• 附录1 附图
• 附录2 多因素分析样本数据
• 在攻读硕士学位期间发表的主要学术论文
• 致谢