郑州市三维扩张与地表温度的时空变化研究

论文摘要

城市化进程加快,引起城市三维空间布局发生巨大变化,进而会对地表形态、局部区域气候及热环境变化产生较大影响。开展多年间城市三维扩张下地表温度（Land Surface Temperature,LST）的时空分布变化研究,不仅可以及时、客观地了解城市发展扩张的模式,还有助于实现对热环境动态变化规律的解析,为促进可持续发展及热环境治理提供可行性建议。本研究选取郑州市中心城区作为研究区域,采用随机森林分类、立体像对提取建筑高度及FSDAF时空融合等方法,基于遥感与GIS技术,结合2013-2017年间多源遥感数据集与气象站点数据,对郑州市三维扩张趋势、不同时间序列LST空间分布特征以及影响LST变化的多因子驱动力展开定性与定量化探究分析。结果表明:（1）2013-2017年间研究区三维扩张变化较为显著,水平方向上建设用地面积增加104.26km2,呈现朝东部、东南部及北部发展态势,而建筑密度变化则以四环范围内无建筑区与低密度区向更大密度区过渡为主要特征,其中低密度区面积减少量达到18.96km2,变化最为突出;垂直方向以建筑高度增长为主要表现,四环范围内平均建筑高度由26.33m增长至37.37m,整体呈现单层、低层和多层建筑数量大幅减少,高层及超高层建筑急剧增加趋势。（2）基于FSDAF时空融合算法,利用MODIS与Landsat系列LST数据,构建了2013-2017年月尺度高空间分辨率Landsat-like LST数据集。对预测的Landsat-like LST进行定量化分析,决定系数R2≥0.670,整体误差均值RMSE分布在1.30℃2.36℃间,精度水平较高,满足研究所需。不同时间序列LST分布逐年间均呈现研究区中心高温集聚效应不断加剧、各市辖区LST持续升高趋势。月序列LST年内呈现“热岛”与“冷岛”交替演变特性,年际间中心高温集聚效应由6月-9月蔓延至4月-10月;季度序列年内保持夏季“热岛”、冬季“冷岛”、春秋两季研究区东南部高温覆盖特性,年际间“热岛”效应由夏季向春秋两季推延;年序列保持研究区中心、南部及东南部地表高温及次高温区覆盖特性。（3）基于预测的Landsat-like LST数据,对影响LST变化的多因子驱动力展开定量化分析。从结果来看,建筑密度与LST间极强的非线性三次多项式相关关系（0.896<R2<0.951）,以及建筑高度与LST间较强的复杂非线性相关模型（0.716<R2<0.868）均表现出显著季节性差异和阶段性变化;各土地利用类型LST均值分布也呈现季节性差异,夏季为:建设用地>未利用地>农用地>林地/草地>水域,冬季则转变为:未利用地>农用地>林地/草地>建设用地>水域;NDBI-LST间基本始终保持的极强正相关驱动模式（除却11月-次年2月外,R2始终大于0.3）,较之NDVI-LST间仅在夏季较为显著的负相关驱动模型（0.41<R2<0.57）,更为稳定强健;各气候因子对LST的影响,以气温对LST的极强正向驱动力（R2分别为0.878和0.911）及气溶胶（PM2.5）与LST间的负相关驱动作用最为突出（R2依次为0.696和0.765）。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究目的与意义
•   1.3 国内外研究现状
•     1.3.1 城市扩张研究
•     1.3.2 地表温度研究进展
•     1.3.3 城市扩张下的地表温度相关研究
•   1.4 研究内容与技术路线
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 技术路线
• 2 数据与方法
•   2.1 研究区概况与数据
•     2.1.1 研究区概况
•     2.1.2 数据
•   2.2 数据预处理
•   2.3 研究方法
•     2.3.1 随机森林分类
•     2.3.2 建筑高度提取
•     2.3.3 Landsat地表温度提取
•     2.3.4 遥感数据时空融合
•   2.4 本章小结
• 3 郑州市三维扩张分析
•   3.1 城市用地信息提取
•   3.2 城市建筑高度提取
•   3.3 城市三维扩张分析
•     3.3.1 水平扩张变化
•     3.3.2 垂直扩张变化
•   3.4 本章小结
• 4 地表温度时空变化分析
•   4.1 基于时空融合的Landsat-like地表温度精度评价
•   4.2 郑州市地表温度的时空变化
•     4.2.1 地表温度的月序列变化
•     4.2.2 地表温度的季度序列变化
•     4.2.3 地表温度的年序列变化
•   4.3 郑州市三维扩张与地表温度变化的关系
•   4.4 本章小结
• 5 地表温度变化的多因子驱动力解析
•   5.1 建筑密度及高度变化对地表温度的影响
•   5.2 不同土地覆盖类型对地表温度的影响
•   5.3 地表参数变化对地表温度的影响
•   5.4 气候因素对地表温度的影响
•   5.5 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 毛鹏磊

导师: 王宗敏

关键词: 城市三维扩张,建筑密度,建筑高度,地表温度,时空融合,时间序列分析

来源: 郑州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 郑州大学

分类号: P423.3

总页数: 77

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