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武汉市城市热岛变化以及影响因素的研究.rar

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    编号:20180915222318494    类型:共享资源    大小:4.72MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    金币
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    武汉市 城市 热岛 变化 以及 影响 因素 研究
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    山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )I摘 要本 文 选 取 武 汉 市 为 研 究 区 域 , 以 2013年 7月 和 2016年 7月 的 Landsat8影 像 为 研 究 数 据 , 利 用 遥 感 反 演 算 法 和 空 间 分 析 软 件 , 反 演 和 分 析 了 武 汉市 地 面 相 应 时 间 点 上 的 热 场 温 度 , 在 此 基 础 上 , 使 用 气 象 数 据 、 武 汉 市 年鉴 、 景 观 动 态 研 究 中 的 转 移 概 率 矩 阵 等 , 从 气 温 因 素 、 环 境 因 素 和 人 类 活动 因 素 三 个 方 面 对 武 汉 市 的 热 岛 效 应 进 行 了 分 析 。 为 了 进 一 步 分 析 人 类 活动 的 空 间 分 布 对 城 市 热 岛 效 应 的 影 响 , 本 文 选 用 了 2016年 大 众 点 评 网 的POI( pointofinterest) 数 据 与 城 市 热 岛 的 空 间 分 布 进 行 了 回 归 分 析 。研 究 结 果 发 现 , 尽 管 2013年 的 年 平 均 温 度 和 七 月 平 均 温 度 均 明 显 高 于2016年 , 但 是 2016年 武 汉 市 的 城 市 热 岛 效 应 比 2013年 严 重 。 由 此 可 知 ,作 为 热 岛 效 应 的 主 要 参 数 , 气 温 因 素 在 一 定 程 度 上 会 影 响 着 城 市 热 岛 效 应 ,但 不 是 起 决 定 性 的 作 用 , 而 主 要 的 影 响 因 素 是 武 汉 市 各 个 区 经 济 建 设 造 成下 垫 面 环 境 的 变 化 以 及 人 类 活 动 所 带 来 的 影 响 。 另 外 对 于 POI数 据 , 在 一元 线 性 回 归 和 多 元 线 性 回 归 分 析 后 发 现 , POI可 以 有 效 的 反 应 城 市 热 岛 的 问题 , 并 且 在 地 面 环 境 模 型 中 加 入 点 密 度 模 型 后 可 以 起 到 更 好 的 拟 合 效 果 。因 此 人 们 在 日 后 解 决 城 市 热 岛 问 题 时 , 应 该 将 大 部 分 精 力 集 中 在 经 济建 设 对 下 垫 面 环 境 影 响 上 , 以 及 城 市 中 人 类 活 动 和 商 户 之 间 的 密 度 问 题 上 ,并 且 POI作 为 网 络 获 取 数 据 , 也 可 以 在 以 后 的 研 究 中 用 到 。关 键 词 : 城 市 热 岛 ; POI; 经 济 建 设 ; 下 垫 面 环 境山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )IIABSTRACTIn this paper,we taking the Landsat8 image of July 2013 and July 2016 asthe research data.The remote sensing inversion algorithm and the spatialanalysis software are used to invert and analyze the thermal field at thecorresponding time point in Wuhan Temperature, on the basis of this, the heatisland effect of Wuhan City is analyzed from three aspects: temperature factor,environmental factor and human activity factor by using meteorological data,Wuhan Yearbook, transition probability matrix in landscape dynamic research.In order to further analyze the effect of spatial distribution of human activitiesonthe urbanheat islandeffect, thispaper uses thePOI(point ofinterest) data ofthe public comment network in 2016 and the spatial distribution of the urbanheatisland.The results show that although the annual average temperature in 2013 andtheaveragetemperatureinJulywere significantlyhigher than2016years,butin2016Wuhan city heat island effect is worse than in 2013. It can be seen that, asthe main parameters of the heat island effect, the temperature factor will affectthe urban heat island to a certain extent, but it is not a decisive role, and themain influencing factors are the changes of the underlying environment causedby the economic construction in each district of Wuhan The impact of humanactivities.In addition, for POI data, it is found that POI can effectively respondtotheproblemofurbanheat islandafterthelinearregressionandmultiplelinearregression analysis, and the point density model can be better fitted in theground environment model.Therefore, people inthe future tosolve the problemof urban heat island, should focus most of the economic construction on the山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )IIIunderlying environmental impact, as well as the city of human activities andbusiness density between the problem, and POI as a network to obtain data, wecanuseditinlaterstudies.Keywords: urban heat island; POI; economic construction; underlyingsurfaceenvironment山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )IV目 录摘 要 ....................................................................................................ⅠABSTRACT......................................................................................Ⅱ1 引 言 ...................................................................................................11.1研 究 目 的 与 意 义 ..............................................................................................11.2国 内 外 研 究 现 状 ..............................................................................................21.3主 要 研 究 内 容 和 技 术 路 线 ..............................................................................32 数 据 介 绍 及 研 究 区 域 介 绍 .......................................................................52.1数 据 介 绍 ..........................................................................................................52.2研 究 区 域 介 绍 ..................................................................................................63 数 据 获 取 预 处 理 .........................................................................................93.1 用 户 兴 趣 点 POI的 获 取 与 处 理 .....................................................................93.2 武 汉 市 遥 感 影 像 的 获 取 与 预 处 理 ...............................................................114 处 理 结 果 与 分 析 .......................................................................................1 24.1 地 表 温 度 反 演 和 武 汉 市 热 场 空 间 分 布 特 征 ...............................................124.2 武 汉 市 热 力 景 观 动 态 变 化 ...........................................................................164.3 气 温 变 化 与 城 市 热 岛 的 关 系 .......................................................................164.4 经 济 建 设 与 城 市 热 岛 的 关 系 .......................................................................184.5 POI与 城 市 热 岛 的 关 系 ................................................................................214.5.1 POI与 城 市 热 岛 的 回 归 分 析 ....................................................................214.5.2 POI作 为 城 市 热 岛 影 响 因 素 的 分 析 ........................................................275 结 论 与 展 望 ..................................................................................................3 15.1结 论 ................................................................................................................31山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )V5.2展 望 ................................................................................................................33参 考 文 献 ............................................................................................3 4致 谢 ....................................................................................................3 6附 录 ....................................................................................................3 8山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )11 引 言1.1 研 究 目 的 与 意 义随 着 中 国 经 济 的 飞 速 发 展 , 我 国 的 城 市 化 率 越 来 越 高 , 城 市 面 积 也 越来 越 大 , 而 且 随 着 城 市 面 积 的 增 大 以 及 城 市 下 垫 面 环 境 变 化 等 影 响 , 城 市热 岛 的 范 围 和 影 响 力 也 越 来 越 大 。 城 市 热 岛 会 给 人 们 的 生 产 生 活 带 来 诸 多不 利 影 响 : 首 先 , 温 度 升 高 会 引 发 人 类 的 许 多 疾 病 , 世 界 上 很 多 地 方 因 为热 岛 效 应 导 致 了 人 类 的 大 量 死 亡 ; 此 外 , 高 温 还 会 加 快 光 化 学 反 应 速 率 ,提 高 大 气 中 有 害 气 体 的 浓 度 , 伤 害 人 体 健 康 。 严 重 的 城 市 热 岛 效 应 还 会 制约 人 们 生 活 质 量 的 进 一 步 提 高 和 城 市 的 进 一 步 发 展 [1], 因 此 如 何 研 究 以 及解 决 城 市 热 岛 问 题 逐 渐 变 得 重 要 起 来 。 对 于 城 市 热 岛 的 形 成 因 素 主 要 包 括下 垫 面 环 境 、 人 类 活 动 和 气 候 原 因 三 个 方 面 。 城 市 内 部 下 垫 面 不 透 水 面 积较 大 ,地 面 降 水 会 很 快 从 排 水 管 流 失 , 可 供 蒸 发 的 水 分 比 郊 区 少 ;而 大 量 人工 构 筑 物 改 变 了 下 垫 面 的 热 属 性 , 沥 青 、 水 泥 混 凝 土 等 人 工 构 筑 物 具 有 较小 的 热 容 量 和 吸 热 快 的 特 性 ,在 相 同 的 环 境 条 件 下 ,比 绿 地 或 其 他 自 然 下 垫面 升 温 快 ,因 而 其 表 面 温 度 明 显 高 于 自 然 下 垫 面 ,形 成 了 城 市 中 以 人 工 构 筑物 为 中 心 的 高 温 区 域[2]。 另 外 , 人 类 活 动 和 气 候 因 素 也 是 城 市 热 岛 形 成 的一 个 重 要 原 因 。 对 于 下 垫 面 环 境 , 人 们 可 以 通 过 遥 感 图 像 的 反 演 进 行 研 究和 调 查 , 但 是 对 于 人 类 活 动 , 人 们 往 往 要 付 出 很 多 劳 动 , 比 如 人 口 迁 移 、人 类 的 主 要 活 动 范 围 等 , 不 是 可 以 很 快 很 轻 松 的 获 得 的 , 所 以 能 否 通 过 网络 上 的 POI数 据 来 帮 助 人 们 进 行 研 究 就 显 得 十 分 重 要 。近 年 来 , 随 着 网 络 的 发 展 与 进 步 , 用 户 兴 趣 点 POI一 词 正 逐 渐 走 入 人们 生 活 。 用 户 兴 趣 点 POI( pointofinterest) 是 用 于 描 述 城 市 空 间 内 工 商 业 、山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )2服 务 业 、 生 态 等 城 市 功 能 设 施 的 分 布 的 点 状 空 间 数 据 , 早 期 主 要 用 于 导 航 、地 图 位 置 查 询 等 功 能 。 随 着 数 据 量 的 不 断 积 累 和 地 图 精 度 的 提 高 , POI内 蕴含 丰 富 的 城 市 空 间 信 息 受 到 多 个 领 域 的 关 注 。 POI数 据 所 表 征 的 城 市 设 施是 城 市 系 统 中 人 类 活 动 的 主 要 载 体 , POI可 以 记 录 其 精 确 地 理 位 置 以 及 特 定时 段 内 人 类 活 动 的 定 量 信 息 ( 如 访 客 数 量 ) , 从 而 能 够 在 精 细 空 间 尺 度 上反 映 人 类 活 动 的 类 型 、 强 度 等 , 因 此 有 潜 力 成 为 精 细 尺 度 上 城 市 景 观 格 局驱 动 机 制 研 究 的 有 用 数 据 源[3]。本 文 选 用 了 2013 年 夏 季 和 2016年 夏 季 武 汉 市 的 Landsat8遥 感 影 像 反演 地 表 温 度 , 从 温 度 、 经 济 建 设 等 方 面 对 城 市 热 岛 的 影 响 进 行 研 究 , 同 时使 用 网 络 爬 虫 技 术 从 大 众 点 评 网 上 获 取 用 户 兴 趣 点 POI以 代 替 人 类 活 动 的数 据 进 行 研 究 , 并 加 以 回 归 分 析 以 期 证 明 其 在 城 市 热 岛 方 面 可 以 提 供 有 效的 帮 助 。 1.2 国 内 外 研 究 状 况城 市 热 岛 现 象 是 人 类 活 动 对 气 候 系 统 产 生 的 最 显 著 的 影 响 之 一 。 由 于城 市 土 地 覆 盖 类 型 的 改 变 使 得 城 市 局 部 大 气 和 地 表 温 度 比 周 围 的 郊 区 温 度高 出 好 几 度 。 城 市 热 岛 现 象 已 经 出 现 并 被 研 究 了 一 个 多 世 纪 [4]。 Howard观测 得 出 伦 敦 城 区 平 均 温 度 比 郊 区 高 1.1℃ , 且 城 郊 温 差 最 高 值 出 现 在 夜 晚 ,温 差 最 高 值 2.1℃ , 总 体 上 , 城 市 热 岛 效 应 在 冬 季 最 明 显 ,而 在 春 季 最 不明 显 [5]。 通 过 分 析 影 响 城 市 热 岛 的 气 象 条 件 ,得 出 了 风 速 是 影 响 城 市 热 岛的 主 要 因 素 的 结 论 ,即 风 速 越 大 ,城 市 与 郊 区 的 温 差 越 小 ,城 市 热 岛 的 强 度与 城 市 的 大 小 成 正 相 关 。 Balling& Brazel[6]利 用 了 AVHRR 热 红 外 数 据(10.3 ~ 11.3μm)去 研 究 美 国 Phoenix 地 区 的 地 表 辐 射 温 度 , 并 发 现 了 地表 温 度 与 土 地 覆 盖 类 型 相 关 , 重 工 业 区 的 地 表 温 度 比 空 地 地 表 温 度 高山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )35℃ 。 Carnahan& Larson[7]利 用 TM热 红 外 数 据 (10.4 ~ 12.5μm)发 现 印 第 安纳 波 利 斯 城 市 地 表 温 度 比 周 围 的 乡 村 地 表 温 度 低 。 Kim[8]研 究 了 华 盛 顿 特 区的 城 市 热 岛 效 应 ,并 指 出 了 地 表 反 照 率 和 地 表 湿 度 对 地 表 能 量 平 衡 影 响 较大 。 Weng[9]利 用 TM 数 据 研 究 了 地 表 温 度 与 植 被 覆 盖 度 之 间 的 关 系 ,发 现植 被 覆 盖 度 比 NDVI能 更 好 地 反 映 决 定 地 表 温 度 的 地 表 热 学 和 湿 度 特 性 。国 内 城 市 热 岛 研 究 进 展 :周 淑 贞 等[10]研 究 发 现 上 海 市 热 岛 效 应 明 显 ,相 比 较 与 远 郊 区 ,温 度 高 的 可 达 5℃ , 且 在 一 日 的 变 化 中 ,日 落 后 2~ 3h到夜 间 最 强 。 焦 敦 基 等 [11]分 析 了 上 海 自 1983 到 1987 年 的 气 象 资 料 ,结 果 表明 上 海 市 区 的 年 平 均 温 度 和 月 平 均 温 度 有 一 个 热 岛 中 心 ,位 于 市 中 心 ,冬 季的 热 岛 强 度 比 夏 季 大 ,各 月 平 均 气 温 的 城 乡 差 为 0.7 ~ 1.6℃ ,7 ~ 9月 的平 均 最 高 气 温 差 最 大 ,达 1.0 ~ 1.3℃ , 12月 至 次 年 3月 最 小 ,基 本 无 差异 。 李 延 明 等[12]认 为 城 市 热 岛 在 北 京 市 普 遍 分 布 ,城 区 温 度 明 显 高 于 郊 区 ,绿 化 覆 盖 度 与 热 岛 强 度 呈 明 显 的 负 相 关 ,当 绿 化 覆 盖 度 达 到 30%时 ,热 岛 强度 开 始 出 现 明 显 的 减 弱 ,绿 化 覆 盖 度 超 过 50%时 ,热 岛 现 象 得 到 明 显 的 缓 解 。1.3主 要 研 究 内 容 和 技 术 路 线对 于 本 文 研 究 , 主 要 包 括 五 个 方 面 , 一 是 对 地 面 温 度 的 反 演 ; 二 是 对反 演 后 情 况 的 分 析 ; 三 是 对 多 年 来 的 温 度 以 及 各 个 区 的 人 口 增 长 、 GDP、 POI等 数 据 进 行 相 关 的 分 析 ; 四 是 对 POI 的 获 取 和 处 理 的 介 绍 ; 五 是 POI 回 归分 析 。 对 于 第 一 个 , 主 要 内 容 是 通 过 envi5.1 软 件 对 地 面 温 度 进 行 反 演 和分 类 ; 对 于 第 二 个 , 主 要 内 容 是 对 处 理 后 的 数 据 进 行 简 单 分 析 ; 对 于 第 三个 , 主 要 内 容 是 对 各 个 因 素 的 研 究 分 析 ; 对 于 第 四 个 , 主 要 是 javascript的山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )4程 序 编 译 以 及 通 过 ARCgis对 爬 取 后 的 数 据 处 理 ; 对 于 第 五 个 , 主 要 内 容 是如 何 用 matlab软 件 , 对 数 据 的 回 归 分 析 。本 文 的 框 架 如 下 :第 一 章 , 引 言 。 主 要 介 绍 本 文 的 研 究 目 的 与 意 义 和 国 内 外 研 究 现 状 。第 二 章 , 数 据 介 绍 及 研 究 区 域 介 绍 。 主 要 对 数 据 和 研 究 区 域 进 行 介 绍 。第 三 章 , 数 据 获 取 与 预 处 理 。 主 要 是 介 绍 对 遥 感 影 像 的 获 取 和 预 处 理和 POI数 据 的 获 取 与 预 处 理 。第 四 章 , 处 理 结 果 与 分 析 。 通 过 各 项 数 据 对 城 市 热 岛 影 响 因 素 进 行 分析 , 同 时 对 POI数 据 的 处 理 结 果 进 行 分 析 。第 五 章 , 结 论 与 展 望 。 对 分 析 结 果 进 行 总 结 并 提 出 自 己 的 不 足 和 以 后的 改 进 。技 术 路 线 图 如 下 :图 1.1 技 术 路 线 图山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )52 数 据 介 绍 及 研 究 区 域 介 绍2.1数 据 介 绍( 1) Landsat8: LDCM(Landsat DataContinuityMission)计 划 是 美 国 国 家航 空 航 天 局 (NASA)陆 地 卫 星 系 列 的 第 八 个 计 划 , 由 NASA 和 美 国 地 质 调 查局 联 合 运 行 的 计 划 , 旨 在 长 期 对 地 进 行 观 测 。 该 计 划 主 要 对 资 源 、 水 、 森林 、 环 境 和 城 市 规 划 等 提 供 可 靠 数 据 。 LandSat-8 上 携 带 有 两 个 主 要 载荷 :OLI 和 TIRS。 其 中 OLI(全 称 :OperationalLandImager, 运 营 性 陆 地 成 像仪 )由 卡 罗 拉 多 州 的 鲍 尔 航 天 技 术 公 司 研 制 ;TIRS(全 称 :Thermal InfraredSensor, 热 红 外 传 感 器 ), 由 NASA的 戈 达 德 太 空 飞 行 中 心 研 制 。OLI 陆 地 成 像 仪 包 括 9个 波 段 , 空 间 分 辨 率 为 30米 , 其 中 包 括 一 个 15米 的 全 色 波 段 , 成 像 宽 幅 为 185x185km。OLI 包 括 了 ETM+传 感 器 所 有 的 波 段 , 为 了 避 免 大 气 吸 收 特 征 , OLI对 波 段 进 行 了 重 新 调 整 , 比 较 大 的 调 整 是 OLIBand5(0.845–0.885μm), 排除 了 0.825μm处 水 汽 吸 收 特 征 ; OLI全 色 波 段 Band8波 段 范 围 较 窄 , 这 种方 式 可 以 在 全 色 图 像 上 更 好 区 分 植 被 和 无 植 被 特 征 。此 外 , 还 有 两 个 新 增 的 波 段 :蓝 色 波 段 (band1 0.433–0.453μm)主 要应 用 海 岸 带 观 测 , 短 波 红 外 波 段 (band9 1.360–1.390μm)包 括 水 汽 强 吸 收特 征 可 用 于 云 检 测 ;近 红 外 band5和 短 波 红 外 band9与 MODIS对 应 的 波 段接 近 。 TIRS负 责 人 说 , LandSat-8上 携 带 的 TIRS载 荷 , 将 是 有 史 以 来 最 先进 , 性 能 最 好 的 TIRS。 TIRS将 收 集 地 球 两 个 热 区 地 带 的 热 量 流 失 , 目 标 是了 解 所 观 测 地 带 水 分 消 耗 , 特 别 是 美 国 西 部 干 旱 地 区 。( 2) POI:兴 趣 点 或 POI是 某 人 可 能 会 发 现 有 用 或 有 趣 的 特 定 点 位 置 。 一个 例 子 是 地 球 上 的 一 个 点 , 代 表 太 空 针 塔 的 位 置 , 或 火 星 上 的 一 个 点 , 表
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