基于遥感和城市空间形态学方法的城市热环境研究
这是一篇关于城市热岛效应,Adelaide,3D建筑物数据,SVF,FAI,太阳辐射的论文, 主要内容为随着经济高速发展,城市化进程不可避免。建筑物的高度密集化使城市几何形状和表面特性发生大面积变化,进而使城市热环境状况变得更加复杂,局部地区出现热岛效应加剧现象。城市建筑物布局和高度对城市热岛效应和气温变化的影响不容忽视且日益显著。因此,深入研究建筑物空间形态对城市热环境变化的影响具有重大意义和科学价值。本文以澳大利亚Adelaide中心城区作为研究区,基于lm空间分辨率3D建筑物数据计算天空开阔度(Sky View Factor, SVF)、建筑物迎风面积指数(Frontal Area Index, FAI)等多种城市空间形态学参数。在此基础上,结合遥感技术和实测反照率数据估算城市街道吸收太阳入射辐射量,并采用19个站点的2010年10月-2011年10月实测气温数据分析Adelaide城市热岛强度(Urban Heat Island Intensity, UHⅡ)变化,最后系统地深入分析不同季节、不同时间段城市空间形态学参数、地表吸收太阳入射辐射等因子对热岛效应和气温的定量影响。论文主要研究结论包括：(1)晴天天气下,Adelaide城市热岛强度在四季都呈夜间强,白天弱的规律。在夜间,春、秋季最大,冬季次之,夏季最小。UHⅡ在四季的白天都不明显,夏季最大,最小为春季,甚至出现“冷岛”现象。(2) 以鱼眼相机获取的天空开阔度SVFfish-eye作为验证数据,选取200m作为最优搜索半径,基于3D建筑物数据计算SVFs与SVFfish-eye之间的相关系数为0.97,RMSE为0.13,这表明SVFs估测精度高。利用3D建筑物数据计算出其他多种空间学形态参数,包括建筑物高宽比、建筑平面面积比率、建筑物平均高度、街道平均宽度等,相关分析表明SVF与高宽比、建筑平面面积比率和建筑物平均高度具有显著相关性,与街道平均宽度相关性不显著。其中,SVF与高宽比的相关性最大。(3) SVF和UHⅡ在四季的夜间都呈显著线性负相关。中午到午后附近,春季、秋季和冬季呈显著线性正相关,而在夏季白天时段都不显著。晴天、阴天和雨天三种天气状况下,SVF与UHⅡ的负相关性在夜间差别不大。在白天,晴天下正相关性大于阴天和雨天。(4)晴天天气状况下,FAI-UHⅡ在夜间呈显著对数关系,白天呈线性负相关。仅春季和冬季的正午时刻附近呈显著线性负相关,其他时刻不显著。以200m作为研究空间尺度,在春季和冬季夜间,FAI-UHⅡ相关性强于SVF-UHⅡ,在夏季和秋季夜间差别较小。对于白天而言,在秋季,SVF-UHⅡ的相关性略强于FAI-UHⅡ,其他季节的影响差异小。此外,不同搜索半径下SVF与UHⅡ关系的普适性优于FAI参数。(5)利用3D建筑物数据判断站点在不同时刻是否落在阴影中,模拟到达街道表面的太阳直射辐射、散射辐射和邻近建筑物墙面反射辐射量,进而利用地表反照率实测数据计算出在不同时段城市街道吸收太阳入射辐射量,初步探讨其辐射累积量(Total Absorbed Solar Irradiation, TASI)与气温之间的相关性。研究结果表明：对于某一站点,白天时段的TASIT与对应时刻气温呈显著线性正相关；13个站点的TASIT与对应站点气温在白天不同时刻的相关性存在差异,主要原因是在不同时刻地面净短波辐射对地表净辐射贡献不同。两者在日出时刻附近呈负相关。在9：00至16：30时刻,两者呈线性正相关,相关系数大于0.4,仅在13：00至15：30时段内显著。从16：30至日落时刻,两者的相关性弱。
基于遥感和城市空间形态学方法的城市热环境研究
这是一篇关于城市热岛效应,Adelaide,3D建筑物数据,SVF,FAI,太阳辐射的论文, 主要内容为随着经济高速发展,城市化进程不可避免。建筑物的高度密集化使城市几何形状和表面特性发生大面积变化,进而使城市热环境状况变得更加复杂,局部地区出现热岛效应加剧现象。城市建筑物布局和高度对城市热岛效应和气温变化的影响不容忽视且日益显著。因此,深入研究建筑物空间形态对城市热环境变化的影响具有重大意义和科学价值。本文以澳大利亚Adelaide中心城区作为研究区,基于lm空间分辨率3D建筑物数据计算天空开阔度(Sky View Factor, SVF)、建筑物迎风面积指数(Frontal Area Index, FAI)等多种城市空间形态学参数。在此基础上,结合遥感技术和实测反照率数据估算城市街道吸收太阳入射辐射量,并采用19个站点的2010年10月-2011年10月实测气温数据分析Adelaide城市热岛强度(Urban Heat Island Intensity, UHⅡ)变化,最后系统地深入分析不同季节、不同时间段城市空间形态学参数、地表吸收太阳入射辐射等因子对热岛效应和气温的定量影响。论文主要研究结论包括：(1)晴天天气下,Adelaide城市热岛强度在四季都呈夜间强,白天弱的规律。在夜间,春、秋季最大,冬季次之,夏季最小。UHⅡ在四季的白天都不明显,夏季最大,最小为春季,甚至出现“冷岛”现象。(2) 以鱼眼相机获取的天空开阔度SVFfish-eye作为验证数据,选取200m作为最优搜索半径,基于3D建筑物数据计算SVFs与SVFfish-eye之间的相关系数为0.97,RMSE为0.13,这表明SVFs估测精度高。利用3D建筑物数据计算出其他多种空间学形态参数,包括建筑物高宽比、建筑平面面积比率、建筑物平均高度、街道平均宽度等,相关分析表明SVF与高宽比、建筑平面面积比率和建筑物平均高度具有显著相关性,与街道平均宽度相关性不显著。其中,SVF与高宽比的相关性最大。(3) SVF和UHⅡ在四季的夜间都呈显著线性负相关。中午到午后附近,春季、秋季和冬季呈显著线性正相关,而在夏季白天时段都不显著。晴天、阴天和雨天三种天气状况下,SVF与UHⅡ的负相关性在夜间差别不大。在白天,晴天下正相关性大于阴天和雨天。(4)晴天天气状况下,FAI-UHⅡ在夜间呈显著对数关系,白天呈线性负相关。仅春季和冬季的正午时刻附近呈显著线性负相关,其他时刻不显著。以200m作为研究空间尺度,在春季和冬季夜间,FAI-UHⅡ相关性强于SVF-UHⅡ,在夏季和秋季夜间差别较小。对于白天而言,在秋季,SVF-UHⅡ的相关性略强于FAI-UHⅡ,其他季节的影响差异小。此外,不同搜索半径下SVF与UHⅡ关系的普适性优于FAI参数。(5)利用3D建筑物数据判断站点在不同时刻是否落在阴影中,模拟到达街道表面的太阳直射辐射、散射辐射和邻近建筑物墙面反射辐射量,进而利用地表反照率实测数据计算出在不同时段城市街道吸收太阳入射辐射量,初步探讨其辐射累积量(Total Absorbed Solar Irradiation, TASI)与气温之间的相关性。研究结果表明：对于某一站点,白天时段的TASIT与对应时刻气温呈显著线性正相关；13个站点的TASIT与对应站点气温在白天不同时刻的相关性存在差异,主要原因是在不同时刻地面净短波辐射对地表净辐射贡献不同。两者在日出时刻附近呈负相关。在9：00至16：30时刻,两者呈线性正相关,相关系数大于0.4,仅在13：00至15：30时段内显著。从16：30至日落时刻,两者的相关性弱。
基于全球位置网格的城市热岛及时空演变的表达研究
这是一篇关于GeoSOT网格,城市热岛效应,关联模型,指标计算,空间形态表达的论文, 主要内容为快速的城市化进程使得城市区域不透水面大幅度增加,影响了城市的热量循环。与此同时,人口聚集、交通量增长、商业活动频繁等因素也造成城市区域热量累积,最终导致产生城市热岛效应。城市热岛效应加剧会导致能源消耗与二氧化碳排放量增加,高温灾害风险提高,破坏城市区域的气候、水文、物质循环、能量代谢等生态平衡,还造成了城市大气污染物的累积,给居民生活与健康带来不利影响。为此,城市热环境的监测与治理,成为现代城市管理者面临的重要工作,快速、准确地计算城市热岛指标、精确表达热岛空间形态的方法与技术成为学界的研究热点。人们常用热岛强度、热岛足迹、热岛容量等指标来描述城市热岛发展程度,并用热岛强度曲面来表达其空间分布形态。但由于城市内部空间结构复杂、人员活动频繁,给进行大范围、高频度、精细化的热环境信息获取与指标计算带来了困难。由于热红外遥感能够对地面目标的热辐射能量进行探测,随着近些年来卫星遥感技术的发展,可用于反演地表热岛强度的长时间序列、大覆盖范围、高时间及空间分辨率的遥感数据不断丰富,人们越来越多地利用卫星遥感影像来反演下垫面热岛分布状况。但是,传统的热岛指标大多采用函数模拟的方法获得,计算复杂且难以体现城市内部细节。本文针对现有函数拟合方法难以支撑高频度大范围城市热岛指标快速计算、难以表达城市内部热环境复杂空间形态等问题展开研究。提出基于多层级离散网格进行城市热岛指标计算与空间形态表达的方法。并在此基础上利用GeoSOT(Geographic Coordinate Subdividing Grid with One-Dimension Integer Coding on 2n Tree)全球位置网格框架,基于2014-2019年无云层遮盖的landsat7\8影像,选取北京市五环以内地区为研究区,开展了热岛指标计算、空间形态表达、热岛影响因素关联分析实验。本文的主要创新性工作体现在以下方面:(1)城市热岛实质上是一个三维分布且动态变化的场,简单函数模型无法体现其复杂性,而过于复杂的函数又带来一系列的计算与表达难题。针对这一困难,本文提出采用离散场模型来描述城市热岛,设计了基于GeoSOT全球位置网格的城市热岛信息集成模型,实现了城市热岛信息与网格模型的映射。并在此基础上设计了网格层级的选取规则、网格中心点数据的计算方法以及数据属性表,保证了热岛指标计算与表达的精度,实现了热岛数据的高效存贮与管理。(2)在城市热岛网格模型的基础上,设计了城市热岛指标空间指标(热岛足迹、热岛容量、热岛重心)计算方法,支持不同尺度热岛空间指标的快速计算。(3)针对热岛影响因素监测分析,提出了基于离散网格的城市热岛信息与影响因素关联模型,并提出基于网格的归一化植被指数、归一化建筑指数、人口密度等有可能与热岛效应相关的因素与热岛指标的关联计算与分析方法,可支持热岛精准治理。(4)针对城市热岛空间形态表达困难的问题,设计了城市热岛空间形态的多尺度表达方法,打破复杂曲面拟合的束缚,通过离散化的方式快速刻画城市内部热岛空间形态的细节,相较于高斯曲面拟合法,细节描述与效率均显著提高,解决了现有方法无法准确、快速刻画城市内部热环境空间形态细节的问题。(5)利用上述方法,本文计算了2014-2019年北京市五环以内区域的热岛变化情况。与传统高斯曲面拟合方法相比,计算效率提高了26321ms,且能够清晰体现城市内部热岛空间形态的分布细节。通过对计算结果的分析,进一步发现研究区内热岛效应显著程度的顺序依次为:夏季>秋季>春季>冬季;热岛效应在2014-2018年逐步加重,在2018年达到峰值,并在2019年得到缓解,与北京市针对城市热态环境问题制定的一系列改善举措相对应。同时可发现,建筑物密度与地表温度的关系最为显著,呈现显著正相关关系,人口密度也对热岛效应的加剧具有促进作用,而植被对热岛效应具有缓解作用,且随着植被覆盖度的升高,缓解作用越明显。本研究的成果可用于支持大范围、高频度城市热岛指标的计算,以及城市热岛空间形态的细节化表达,对于精准监测城市热岛产生与变化情况、分析城市内部热环境与城市复杂空间形态的关联机理,进而支持城市热岛的精细化治理,具有重要意义。
基于遥感和城市空间形态学方法的城市热环境研究
这是一篇关于城市热岛效应,Adelaide,3D建筑物数据,SVF,FAI,太阳辐射的论文, 主要内容为随着经济高速发展,城市化进程不可避免。建筑物的高度密集化使城市几何形状和表面特性发生大面积变化,进而使城市热环境状况变得更加复杂,局部地区出现热岛效应加剧现象。城市建筑物布局和高度对城市热岛效应和气温变化的影响不容忽视且日益显著。因此,深入研究建筑物空间形态对城市热环境变化的影响具有重大意义和科学价值。本文以澳大利亚Adelaide中心城区作为研究区,基于lm空间分辨率3D建筑物数据计算天空开阔度(Sky View Factor, SVF)、建筑物迎风面积指数(Frontal Area Index, FAI)等多种城市空间形态学参数。在此基础上,结合遥感技术和实测反照率数据估算城市街道吸收太阳入射辐射量,并采用19个站点的2010年10月-2011年10月实测气温数据分析Adelaide城市热岛强度(Urban Heat Island Intensity, UHⅡ)变化,最后系统地深入分析不同季节、不同时间段城市空间形态学参数、地表吸收太阳入射辐射等因子对热岛效应和气温的定量影响。论文主要研究结论包括：(1)晴天天气下,Adelaide城市热岛强度在四季都呈夜间强,白天弱的规律。在夜间,春、秋季最大,冬季次之,夏季最小。UHⅡ在四季的白天都不明显,夏季最大,最小为春季,甚至出现“冷岛”现象。(2) 以鱼眼相机获取的天空开阔度SVFfish-eye作为验证数据,选取200m作为最优搜索半径,基于3D建筑物数据计算SVFs与SVFfish-eye之间的相关系数为0.97,RMSE为0.13,这表明SVFs估测精度高。利用3D建筑物数据计算出其他多种空间学形态参数,包括建筑物高宽比、建筑平面面积比率、建筑物平均高度、街道平均宽度等,相关分析表明SVF与高宽比、建筑平面面积比率和建筑物平均高度具有显著相关性,与街道平均宽度相关性不显著。其中,SVF与高宽比的相关性最大。(3) SVF和UHⅡ在四季的夜间都呈显著线性负相关。中午到午后附近,春季、秋季和冬季呈显著线性正相关,而在夏季白天时段都不显著。晴天、阴天和雨天三种天气状况下,SVF与UHⅡ的负相关性在夜间差别不大。在白天,晴天下正相关性大于阴天和雨天。(4)晴天天气状况下,FAI-UHⅡ在夜间呈显著对数关系,白天呈线性负相关。仅春季和冬季的正午时刻附近呈显著线性负相关,其他时刻不显著。以200m作为研究空间尺度,在春季和冬季夜间,FAI-UHⅡ相关性强于SVF-UHⅡ,在夏季和秋季夜间差别较小。对于白天而言,在秋季,SVF-UHⅡ的相关性略强于FAI-UHⅡ,其他季节的影响差异小。此外,不同搜索半径下SVF与UHⅡ关系的普适性优于FAI参数。(5)利用3D建筑物数据判断站点在不同时刻是否落在阴影中,模拟到达街道表面的太阳直射辐射、散射辐射和邻近建筑物墙面反射辐射量,进而利用地表反照率实测数据计算出在不同时段城市街道吸收太阳入射辐射量,初步探讨其辐射累积量(Total Absorbed Solar Irradiation, TASI)与气温之间的相关性。研究结果表明：对于某一站点,白天时段的TASIT与对应时刻气温呈显著线性正相关；13个站点的TASIT与对应站点气温在白天不同时刻的相关性存在差异,主要原因是在不同时刻地面净短波辐射对地表净辐射贡献不同。两者在日出时刻附近呈负相关。在9：00至16：30时刻,两者呈线性正相关,相关系数大于0.4,仅在13：00至15：30时段内显著。从16：30至日落时刻,两者的相关性弱。
基于城市热岛效应和土地覆盖状态预测的城市绿地系统优化研究——以天津市为例
这是一篇关于城市热岛效应,城市土地利用,绿地适宜性评价,城市绿地系统优化,预测的论文, 主要内容为当前已有许多研究证明了中国和全世界范围内其他发展中国家将在未来继续推进当地的城镇化进程,因此相关国家和地区的大城市均面临着城市人口增加和城市规模持续扩张的问题。由于大城市常住人口增加和城市建成区规模持续扩张会导致高强度的城市下垫面硬质化和城市建成区范围内广泛使用汽车等可产生大量废热的现代交通工具,这些国家和地区大城市的城市热岛效应和城市公共健康风险均可能继续增加,而城市绿地是可以以较低成本显著削弱城市热岛效应、减轻城市公共健康压力的手段之一,因此,如何发展基于预防未来大城市城市热岛效应状况恶化和城市建成区无序扩张的城市绿地系统规划方法,是当前城市绿地系统规划领域内应得到充分关注的重要问题。本研究以天津市中心城市用地(含中心城区、西青、航空城、生态城、津南、滨海新区、大港城等城市区域)为研究区,基于Landsat卫星遥感影像数据、手持气象仪收集数据、天津市中心城市用地土地覆盖状况数据,运用拟合得到的相邻两期研究区气温数据关系模型和马尔可夫-元胞自动机模型,分别预测获取了未来关键年份(2030年、2040年)该研究区城市热岛效应和土地覆盖状况,以此为基础开展了城市绿地系统开发用地开发适宜性评价,并结合《天津市城市总体规划(2005-2020)》、2020年天津市中心城市用地范围内重要地物(道路、水体)状况,提出了天津市中心城市用地城市绿地系统优化策略。本研究的发现:(1)2020年至2040年天津市中心城市用地范围内的高强度城市热岛斑块(3级、4级、5级城市热岛斑块)中心分布状况没有明显迁移;这表明城市热岛中心分布格局不会产生显著改变。但高强度城市热岛斑块均从斑块中心向外持续扩张,最终形成规模巨大的高强度城市热岛斑块群,中、低强度的城市热岛斑块(1级、2级城市热岛斑块)则持续向坡碎方向演化;该现象说明未来该研究区内的城市热岛效应强度可能持续增强。(2)自然演化条件下,2020-2040年内天津市中心城市用地范围内的土地覆盖状况不会有重大的变化;但由于预测得到的未利用土地面积会持续增加,该研究区内城市建成区扩张的可能性仍然较大。(3)2020年、2030年和2040年天津市中心城市用地范围内极适宜、适宜和基本适宜被开发为城市绿地的土地斑块的中心分布状况无重大变化。其中,极适宜和适宜被开发为城市绿地的土地斑块中心主要聚集在研究区境内各区级行政区境内的重要道路沿线地带、重要道路交点附近地带和大尺度水库周边地带,且这些斑块有持续扩张的趋势;基本适宜被开发为城市绿地的土地斑块中心则广泛、均匀地散布于研究区内各区级行政单位境内,大部分斑块持续扩展而部分地区的斑块则有向破碎化方向发展的趋势。(4)基于对未来天津市中心城市用地城市热岛效应、土地覆盖和城市绿地系统开发用地开发适宜性状况的预测和分析,结合《天津市城市总体规划(2005-2020)》、2020年天津市中心城市用地范围内的道路、水体状况,在研究区境内设置节点属性元素112个(含新增一级节点11个、新增二级节点8个、改造绿地节点45个、改造建筑物节点48个)、环状绿带4个、多条绿色廊道和11个大尺度且边界复杂的楔形区域绿地,形成了“多点、多廊、数楔、四环”的天津市中心城市用地城市绿地系统。本研究的创新点包括:(1)本研究开展了以指导未来城市绿地系统规划设计为导向的城市土地开发适宜性评价,并以该体系为基础,选择中国典型北方沿海地区超大城市为例开展了实例验证性研究。相关研究结果证明了该研究实践的可能性和必要性。(2)本研究尝试将城市热岛效应、城市土地覆盖状况模拟预测和城市绿地系统规划实践结合。有关研究结果论证了城市热岛效应、城市土地覆盖状况模拟预测领域结论和城市绿地系统规划相结合对绿地系统规划效率的巨大提升作用,验证了基于交叉领域知识开展城市绿地系统规划设计的价值。
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