论文总字数：20185字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1 研究目的和意义 3

2 研究基础 4

2.1实验数据与样区 4

2.2技术路线 6

2.3研究方法 7

3．研究内容 8

3.1城市数字高程模型（Urban DEM）构建 8

3.2城市街区划分 8

3.3城市街区起伏度指标提取及分析 9

3.3.1最大高度 10

3.3.2平均高度 10

3.3.3高度标准差 11

3.3.4错落度 12

3.3.5占空度 13

3.3.6起伏范围 15

3.4地表温度反演及验证 17

3.5地表温度与城市街区起伏度相关性分析 20

3.6讨论 22

4. 结论与展望 23

4.1 结论 23

4.2 展望 24

参考文献 25

致谢 28

城市街区起伏度与地表温度的相关性研究

——以福建省晋江市主城区为例

卢佳琦

，China

Abstract: The urban spatial structure is closely related to the thermal field distribution of urban space environment. Statistic and analysis based on the city streets as the basic unit, the use of geographic information system and remote sensing technology, access to urban 3D shape index and land surface temperature, through the space of the urban space entity, strewn at random degrees such as index, analysis of the characteristics of Fujian province Jinjiang city space form the influence of urban land surface temperature. The results show that, with the different scale of the block scale, the green rate is negatively correlated with the urban surface temperature, and the influence of expansibility and otherness on the urban thermal field is small.

Key words: Urban DEM；Relief amplitude；Land surface temperature；Surface temperature inversion；Urban thermal environment

1 研究目的和意义

城市建筑形态的改变随着城市化进程速度而加快，在空间中形成了错落有致、高低起伏的三维立体景观，热量分布受到了城市建筑与自然地形共同组成的城市表面的影响。城市土地利用类型渐渐被城市不透水地表面（水泥、柏油路面）所代替。地表与大气间的水分交换、物质循环和能量流动受到了城市建筑形态的改变以及地表覆盖性质的变化的影响，城市建筑物的分布影响着城市热环境分布，城市热岛效应（城市地表温度高于城市边缘地带的特殊小气候特征）由此形成。城市热岛引起的城市地表温度的升高会产生一系列的危害生态环境的后果：在城市上空，团粒结构悬浮集结，大气污染的程度加深，加剧了光污染等灾害(谢启姣, 2011)。影响城市热环境分配的原因可分为自然要素、人工物质空间要素和非物质空间要素。自然要素包括气候变化、地形地貌、植被、水系分布 (RSun，2012)；土地利用(B Dousset，2003)、建筑斑块的排列组合形式 (Chen XL，2006)、城市街区起伏度（最大高度、起伏度、平均高度、高度标准差、占空度和错落度）构成了人工物质空间要素 (Nichol J，2011)；非物质空间要素包括人口密度、产业经济、资源消耗、产能耗费等(何晓凤，2007)。

当前以社会经济效应、气候变化、土地利用、以及地形地貌等方面，结合GIS技术，从各个维度对热岛效应形成的机制进行探究。使用Landsat TM和AVHRR数据，Toby N Carlson分析植被覆盖与热岛效应的相互作用 (CarlsonN, 2000)。Bastian对 Landsat TM 与其它遥感影像进行对比研究，得出了地表反射率与地表温度存在联系的结论，且不同不透水面类型对应的地表温度也会随之发生变化(Bastian W，1990)。Hart等人发现美国中西部城市地表覆盖特性影响到了当地城市热岛效应的分异，不透水面的覆盖率是可以用来区分高温和低温区域的重要指标，城市天然廊道和人工道路密度也有一定影响 (SailorD, 2015)。而城市热环境也受到了绿地斑块的分布的影响，绿地分布若均勾，有降温的作用(周志翔，2004)。在分析北京主城区景观变化的基础之上，周亮研究其对热环境的影响 (周亮, 2006)。利用 PCA 方法，潘竟虎研究了中国西部城市人为因素对热岛效应的影响 (潘竟虎, 2011)。

城市热岛的分布受到了城市的规模、几何形状、面积的影响（BWilson，2013）。城市热岛的强度、范围与在其中分布的街道几何形状和走向设计的合理性有关。城市建筑物密度和建设强度也会影响城市热环境的分布，建筑密度大和建筑物外观高度高的区域热岛强度也大(杨士弘，2003)。如果是不合理的城市布局，则城市空气流动性不好，热量和污染物无法随空气快速扩散，导致部分区域气温升高（Kaneko Y，2001)。城市热环境的分布也与城市景观格局的变化密不可分，城区面积的扩张与城市热岛范围的分布，有着一致性（马勇刚，2006）。

在城市热环境的研究领域中，研究区空间形态特征的提取与城市热环境之间的相关性值得关注。葛珊珊、汤国安等使用城市数字高程模型（Urban Digital ElevationModel, Urban DEM）构建了城市集中趋势、离散程度、变化方式及空间差异等一系列城市三维形态指标，对城市三维空间形态特征进行了定量化分析(葛珊珊，2009)。丁沃沃教授对城市形态进行了划分，并与城市气候进行了相关分析，提出了城市纹理结构形态、明确了城市肌理单元划分依据等概念 (丁沃沃, 2012)。利用Landset数据，采用HIS 图像增强技术，张穗研究了湖北省主要城市的地面热场分布图。陈明辉等使用地表温度反演的数据进行相关分析，对于广东省热环境时空分布的变化进行了细致对比(陈明辉，2011)。秦静等使用苏杭一带中心城区数据，创立了用三维盒维方法，探究城市空间形态分维的方式(秦静，2015)。以面向对象为分类依据，通过对遥感影像的裁切，使同质像元合并为面积不同的对象，谭衢霖等结合光谱特性、纹理结构和空间特征等构建分类依据进行建筑物提取 (谭衢霖, 2011)。利用热力景观观点，陈云浩等使用分形几何的方法分析城市热环境分布的空间格局，构建不同模式使传统城市热环境效应分布的研究进入到定量阶段(陈云浩，2004)。

城市的数字化表达方式之一是城市数字高程模型，城市自然地表和人工建筑共同构成的城市数字高程模型，是对城市表面起伏程度的综合描述。城市三维起伏程度对城市区域的热环境的再分配产生了重要的影响。以城市道路和土地利用类型作为依据，划分城市表面，形成基本分析单元，构建城市表面在立体空间上的街区起伏度指标，对城市的起伏形态进行分析，有助于探究城市形态、有助于分析城市热环境分布的成因(杨昕，2011)。

福建省晋江市是我国经济发展迅速的沿海县市之一，其人口数量、土地利用类型的变化随着经济的快速增长而增加，城市形态也在往复杂结构变化，成为全国城镇化过程中热岛效应非常显著的地区。很多自然环境问题也因此产生，对于晋江市经济社会的可持续发展也造成了不良的影响(全斌，2003)，也影响了城市生态系统的结构和功能，为探究城市化过程中产生的造成影响城市热岛现象的因素，从城市形态方面入手，为改善城市中人居环境、城市规划、环境管理以及城市的健康持续发展，提供科学的理论依据和技术支撑。

在城市中微观尺度上，为描述城市三维形态特征状况，选取城市街区起伏度作为测度综合指标,研究城市起伏度与空间热环境的相关关系的研究较少。本文拟以晋江市DEM数据为主要数据源，结合GIS技术及遥感技术，对福建省晋江市城市街区起伏度与地表温度的相关性的研究。

2 研究基础

2.1实验数据与样区

1. 遥感数据

实验采用Landset8 第10波段反演地表温度（LST），遥感影像来自http://www.gscloud.cn/。遥感成像时间是2015年10月13日，开始时间是02:32:55,结束时间是02:33:27。影像条带号为119，行编号43，空间分辨率为30m。为后续地表反演工作提供原始遥感影像。

1. DEM数据

在网站http://datamirror.csdb.cn/admin/datademMain.jsp上根据晋江市经纬度范围下载SRTM数据，命名为SRTM.img。DEM高程数据作为自然地形高度的体现，也是构建城市数字高程模型所必须的数据之一。实验样区DEM相关统计信息如表 1所示。

表 1 DEM源数据信息

1. 其他数据

搜集了晋江市城区有关矢量数据，包括晋江市道路分布、气象站点分布图、建筑物分布（局部放大）、土地利用类型分布（局部放大）、晋江市主城区边界线如图 1所示。道路数据与土地利用类型数据作为划分街区的依据，可以利用建筑物分布图的高度属性值与DEM自然地形数据融合，生成城市数字高程模型。根据其研究区所在地理位置、研究目的和研究的指标确定对DEM高程数据以及其他数据资料都采用高斯克吕格投影，中央经线为118.5，大地基准面为西安1980。表 2为晋江市城区各类型建筑比例 (张华, 1996)，晋江市城区包含了城市建设用地九类。

在中国气象数据网（http://data.cma.cn/）下载了与遥感影像成像时间（2015年10月13日02时）相近的气象相关数据。根据其测量站点的测得的气温数据，与该站对应的经纬度的反演地表温度数据，进行精度验证。

表 2 晋江市主城区房屋建筑高度统计（2015年）

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