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2018Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏-“近30年合肥市热力景观格局分析”

(2018-11-20 17:17:42)
标签:

2018esri开发大赛

杂谈

分类: 遥感应用案例

作品名称:近三十年合肥市热力景观格局分析

作者单位:合肥工业大学 资源与环境工程学院

小组成员:李志辉、张丛珊、冯琪、殷梦杰

指导老师:赵萍、田剑

获奖情况:三等奖

作品概述

近年来,合肥市经济迅速发展,加快了城市化进程的步伐,伴随着城市的扩张,区域土地利用发生了巨大的变化,导致城市热岛面积逐渐扩大,热岛效应显著。因此,研究合肥市城市热岛的分布、变化及其与城市发展的空间关系,对进一步做好合肥市城市规划工作,缓解城市热岛效应,将合肥建设成为生态宜居城市,并为其他城市提供解决热岛问题的思路具有重要的现实意义。因此,本作品基于1991年至2017Lansat系列遥感数据进行合肥市城市热岛问题的研究。

作品制作流程

获取1991-8-22TM)、2000-9-15TM)、2010-9-19ETM+)以及2017-9-14OLITIRS)合肥市遥感数据,接着对数据进行数据预处理,包括辐射定标、大气校正、裁剪。然后利用单窗算法和大气校正法反演地表温度,其次计算归一化植被指数(NDVI)、不透水面指数(NDISI),并根据NDISI图像划分下垫面类型,统计其面积和百分比。在上述处理的基础上利用等间距法得到城市热岛分级图并计算城市热岛比例指数及城市热力景观格局指数。最后分析NDVINDISI和地表温度以及城市热岛比例指数的关系,综合评价近30年合肥市时空热力变迁。

2018Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏-“近30年合肥市热力景观格局分析”

图:作品制作流程

2.1  影像预处理结果

对数据进行数据预处理,包括辐射定标、大气校正、裁剪。

2018Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏-“近30年合肥市热力景观格局分析”

图:数据预处理结果

2.2  Landsat TM单窗算法地表温度反演

2018Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏-“近30年合肥市热力景观格局分析”

图:1992年合肥市地表温度反演

2.3  TMETM+TIRS数据大气校正法温度反演

2018Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏-“近30年合肥市热力景观格局分析”

图:200020102017年合肥市地表温度反演

2.4  城市热岛分级

为进行不同时相温度的对比,将反演的温度图归一化处理,根据经验及温度反演结果直方图确定温度的最小值与最大值进行线性归一化,归一化0-1之间。以归一化处理后的地表温度图像为基础,采用等间距法进行城市热岛等级的划分,根据实际情况,将温度划分为5级、依次为低温(0-0.2)、次中温(0.2-0.4)、中温(0.4-0.6)、次高温(0.6-0.8)、高温(0.8-1)。在ArcGIS中使用栅格重分类设定阈值进行城市热岛等级的分割。划分结果见图3-13

2018Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏-“近30年合肥市热力景观格局分析”

: 城市热岛分级图

2.5  城市热岛比例指数

城市热岛比例指数(URI)是表征城市热岛强度的指标,由徐涵秋于2009年提出。指数值越大,热岛效应越严重。可用以下公式计算,即:

                            2018Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏-“近30年合肥市热力景观格局分析”

式中:2018Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏-“近30年合肥市热力景观格局分析”为城市热岛比例指数; m为正规化等级指数;i为城区高于郊区的温度等级; n为城区高于郊区的温度等级数;w为权重值,取第i级的级值; p为第i级的百分比。研究中 LST 分为5级,所以m5。次高温以上区域基本代表了城市区域,因此n 3

 

根据公式对四期温度等级反演结果计算热岛比例指数。见下表1

热岛比例指数表

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2.6  不透水面指数计算

究采用徐涵秋提出的归一化插值不透水面指数(NDISI)来提提取城市不透水面。

2018Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏-“近30年合肥市热力景观格局分析”

图:1992-2017年四期合肥市NDISI指数

2.7  热力景观格局指数计算

根据生成的热岛等级图像,借助Fragstats4.2景观格局计算软件计算其热力景观格局指数,主要包括两类,斑块类别上的格局指数和景观级别上的格局指数。前者包括:CA(类别面积指数),PLAND(类别面积占比指数),LPI(最大斑块指数);后者包括NP(斑块个数)、SIDI(多样性指数)、SIEI(均匀性指数)、COHESION(连通性)。

 

斑块类别级格局指数

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景观级别景观格局指数

2018Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏-“近30年合肥市热力景观格局分析”

根据温度图等级反演图,制作各年份热岛图。

2018Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏-“近30年合肥市热力景观格局分析”

: 合肥市热岛变迁图

由图可知合肥市近三十年主城区不断扩展,主要扩展方向为东北-西南方向。自1991年至2017年,热岛斑块由整变的破碎,热岛斑块位置由城市中心逐渐向新建的开发区和商业区迁移。

2.8  热力景观格局变化驱动力分析及对策

通过以上分析可知,合肥市近30年热力景观格局发生了巨大的变化,根据有关学者研究,人类活动对景观格局的变化有重要影响,本作品主要分析人类活动对合肥市热力景观格局的影响。

1)城市规划建设中的因素

①城市化进程加速,导致城市下垫面性质的改变,建筑等城市不透水面面积剧增,植被面积、水体面积减少;②建筑、道路所用材料都是一些比热容小,在太阳照射下温度升高很快的材料,因此在建成区内地表温度要比周围郊区温度升高得快,形成热岛效;③密集的建筑阻碍热量的散发,工厂散发出大量的热量,因而在局部形成了高温的斑块,而道路则形成明显的高温廊道。上述三方面使得城市热力景观格局发生变化,城市热岛效应增强,是热力景观格局发生变化的本质原因

2)燃气排放

 合肥市近30年间GDP保持高速增长,大部分经济增长是以能源为支撑,近30年间,合肥市对石油、煤、天然气的消费量逐年增大。高热量能源在燃烧过程中释放大量的热,使大气温度升高,进一步加剧了城市热岛强度,进而影响城市热力景观格局,是热力景观格局变化的次要原因。

根据以上导致城市热岛效应的因素,现提出以下对策来缓解合肥市城市热岛:

1)优化城市下垫面类型配比:植被覆盖和水体对其所在地及周边范围的下垫面均具有较为明显的降温作用。在制定合肥市城市规划时,不仅要考虑每年扩绿、扩水面积,还应考虑绿地及水体的分布和“连散成片”的规模效应,降低破碎度,尽可能的减缓城市热岛效应。

2)采用绿化和使用浅色高反射率的建筑表面材料和铺路材料,根据合肥市近30年城市扩张来看,增加的不透水面主要是建筑物和道路,而不透水面面价的增加加剧了城市热岛效应。所以城区建筑物和铺路材料应尽量采用绿化或使用浅色高反射率材料,以降低城市热岛。

3)加快经济转型,将创新驱动型经济增长方式代替传统的经济增长方式,减少热量排放。

作品亮点

1)以遥感为基础,以景观格局分析为切入点,将遥感与景观格局分析融汇贯通,充分发挥了遥感在景观格局分析中作为基础数据的重要作用;

2)分析了近30年合肥市热力景观格局变化及趋势。分析到位,并提取了合理的具有建设性的意见;

3)作品制作过程详实。

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