天空开阔度对城市热岛效应的影响研究

全球城市化正发生着从西向东的转变，未来中国人口将大幅度向城市集中，城市中原来以植被为主的自然景观逐渐被众多的人工建筑物所替代，改变了城市下垫面的状况，伴随着能源消耗及污染物的大量排放，城市热岛效应对城市环境造成较大影响。本研究以广州市为例，研究基于遥感、GIS技术下城市天空开阔度对城市热岛的影响。研究方法为利用高分辨遥感影像及立体像对反演地表三维景观格局，进而利用GIS技术，计算城市天空开阔度，结合遥感影像热红外波段反演的地表温度场、地面自动气象站观测资料、城市上空温、湿廓线等资料，研究城市天空开阔度对城市热岛效应的贡献。研究方法可以推广到其他大中城市。研究城市三维空间格局对城市热岛的影响一方面可以得到城市热岛效应成因、时空变化规律，另一方面可为城市格局分布、城市规划、城市热岛效应控制和缓解提供科学决策依据。

城市热岛效应是城市生态环境中与热有关并且影响人类生存和发展的各种外部因素组成的一个物理条件的总和。相比遥感影像像元尺度来讲，城市地面自动气象站观测网点还较稀，部分天空开阔度数据难以找到相对应的实际气温进行对比研究。因此研究中采用MODIS遥感影像反演地表温度代替地面实测温度。MODIS影像反演地表温度中最重要最难的环节是精度检验，由于准确、同步、同时、同尺度的地表温度无法获取。研究中搜集了广州市的MODIS遥感影像和同时相的广州市地面自动气象站的温度资料，传统单窗、劈窗和昼夜温差等算法温度反演的结果与自动气象站温度资料相比误差较大。研究中通过多时相温度反演数据和自动气象站温度资料进行统计分析，对原算法系数进行修订，较大地提高了反演温度的精度。. 研究中开展了用高分辨遥感影像反演城市地表三维景观，在此基础上进行了天空开阔度的计算研究工作。首先对高分辨率影像中建筑物轮廓用Canny边缘检测算子进行计算机自动提取，并进行了矢量化；然后从影像中提取出建筑物阴影，利用建筑物阴影和太阳、卫星几何参数，反演出地面建筑物的实际高度，将这些高度数据和矢量化后的地面三维数据相结合，生成城市地面三维景观；最后结合地面自动气象站观测站点地理位置，在三维几何空间上用数学积分方式计算出观测站点的天空开阔度。用观测站点的天空开阔度与温度资料做相关性统计分析，得出天空开阔度与温度存在显著的负相关。通过研究也发现，天空开阔度只是影响城市热岛的一方面参数，城市建筑物形状、格局、材质、外表属性、能耗等都是影响城市热岛的重要因素。