城市地錶熱環境遙感分析與生態調控 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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適讀人群 ：城市生態學、土地利用規劃與管理、城市地理學、城市規劃學、遙感與GIS等科研領域的研究人員以及政府相關決策人員和高校師生
《城市地錶熱環境遙感分析與生態調控》可供城市生態學、土地利用規劃與管理、城市地理學、城市規劃學、遙感與GIS等科研領域的研究人員以及政府相關決策人員和高校師生參考使用。

內容簡介

《城市地錶熱環境遙感分析與生態調控》耦閤城市地理學“空間結構理論”和城市氣候學“地錶能量平衡原理”，提齣瞭等級尺度城市地錶結構與熱環境調控新理念，揭示瞭等級城市空間結構與地錶熱環境之間的互饋機理，自主研發瞭生態城市模型(EcoCity) 。基於遙感地麵同步量測解決復雜地錶覆蓋輻射通量遙感反演"真值"驗證及空間尺度推繹問題。構建城市等級結構與生態服務熱調節功能影響評價的關鍵指標，刻畫並錶徵城市內部結構4個尺度(城鄉梯度、功能區、覆蓋組分、材質構造)與熱通量的時空關係，定量區分不透水地錶與綠地對地錶潛熱、顯熱通量的貢獻程度，核定服務於水熱調節功能的各功能區不透水地錶與綠地組分的調控闊值。研發瞭城市生態環境監測與應急預警信息平颱，提齣城市及城市群熱島調控空間規劃生態紅綫指標。《城市地錶熱環境遙感分析與生態調控》將深化城市熱環境生物地球物理機製的定量化認知，推動城市生態學與空間規劃鏈接與學科發展，對於城市景觀規劃、熱島調控乃至區域可持續發展評價具有重要參考價值。

目錄

目錄
《地球觀測與導航技術叢書》齣版說明
序一
序二
前言
第一章 城市生態調控新理念與理論基礎 1
第一節 城市生態調控新理念與研究範式 1
一、城市空間結構與生態服務熱調節 功能的鏈接與重要性 1
二、城市內部不透水地錶與綠地組分及空間規劃新理念 2
三、城市地錶熱通量的定量模式、遙感反演與觀測實驗 4
四、從城市熱島到熱調節 服務功能研究發展趨勢 5
第二節 關鍵問題與研究內容 6
一、關鍵問題 7
二、研究內容 8
第三節 地理區位理論和地錶能量平衡原理 11
一、地理區位理論及其拓展 11
二、地錶輻射能量平衡理論 13
第四節 城市熱島效應成因與量測 15
一、城市熱島成因機製 15
二、城市熱島量測方法 17
第二章 城市地錶結構與熱環境量測方法 19
第一節 城市生態服務等級尺度地錶結構原理 19
第二節 城市土地利用與功能區遙感信息生成 22
一、城市土地利用變化監測方法 23
二、城市功能區製圖方法 24
三、遙感驗證與精度評價 27
第三節 城市不透水地錶覆蓋信息提取 29
一、基於Landsat TM的城市不透水地錶信息提取 30
二、基於MODIS的區域不透水地錶遙感反演 33
三、遙感驗證與精度分析 34
第四節 地錶過程遙感地麵同步觀測實驗 37
一、地錶溫度同步觀測實驗 37
二、渦度相關實驗觀測 39
三、城市氣象觀測資料 41
第五節 城市地錶過程定量遙感反演模型 41
一、城市地錶溫度遙感反演 41
二、地錶湍流輻射遙感反演 44
三、基於PCACA模型的地錶熱通量分割方法 49
第三章 生態城市EcoCity模型發展 52
第一節 EcoCitv模型原理與功能 52
一、模型結構與框架 52
二、模型基本原理 52
三、模型功能模塊設計 53
第二節 模型算法與參數化方案 54
一、模型參數輸入輸齣 54
二、模型參數化與算法 56
三、空間尺度推繹方法 65
第三節 模型運行環境與用戶界麵 68
一、模型運行環境 68
二、係統用戶界麵 70
第四章 城市土地利用格局及覆蓋組分時空分析 73
第一節 中國城市與工礦用地擴張時空特徵 73
一、中國城市與工礦用地麵積變化分析 74
二、中國城市與工礦用地區域差異分析 75
三、中國城市與工礦用地類型轉換分析 75
四、中國城市與工礦用地擴張的驅動因素分析 77
第二節 不透水地錶格局變化時空特徵分析 80
一、中國不透水地錶增長格局以及時空特徵分析 80
二、城市種不透水地錶時空格局分析 86
第三節 中國與美國城市內部結構時空特徵比較 91
一、中國與美國城市土地覆蓋結構特徵分析 92
二、中國與美國城市土地覆蓋結構變化過程分析 95
三、中國與美國城市功能區土地覆蓋差異特徵 97
第四節 城市等級尺度地錶結構時空特徵分析 101
一、城市等級尺度功能區劃分 101
二、不同功能區地錶結構時空特徵分析 104
第五章 城市地錶輻射和熱通量時空特徵分析 109
第一節 城市地錶溫度遙感與實驗觀測分析 109
一、城市地錶溫度遙感分析 109
二、城市構造對地錶溫度影響觀測分析 112
三、地錶溫度差異影響因素分析 116
第二節 城市地錶輻射通量時空特徵分析 121
一、城市地錶輻射通量時空格局分析 121
二、城鄉地錶輻射通量差異分析 126
第三節 城市地錶熱通量時空差異分析 128
一、城市地錶熱通量的空間特徵分析 128
二、城鄉梯度地錶熱通量差異分析 131
三、城市不同組分地錶覆蓋類型的熱通量差異分析 132
第四節 不透水地錶和公共綠地熱通量差異分析 134
一、地錶通量觀測數據采集與處理 134
二、不透水地錶和公共綠地輻射通量特徵的觀測分析 134
第五節 城市綠地生態服務功能調控閾值 142
一、城市綠地生態調控閾值界定 142
二、城市公園對城市熱島降溫作用分析 146
第六章 城市熱環境生態調控途徑與景觀規劃 152
第一節 城市地錶熱環境調控途徑 152
一、城市內部功能結構規劃與布局 152
二、城市內部不透水地錶組分調控 154
三、城市內部生態綠地組分調控 156
第二節 城市人居環境綜閤評價 158
一、城市人居環境評價方法與原則 158
二、城市人居環境宜居宜業評價 158
第三節 城市群生態廊道景觀規劃設計 167
第四節 城市公共綠地建設與規劃指標 175
一、城市公共綠地空間格局分析 175
二、城市公共綠地生態規劃控製指標 177
第七章 城市生態環境監測與應急預警平颱 179
第一節 城市生態環境監測預警平颱功能模塊 179
一、用戶需求分析 179
二、係統功能模塊設計 179
第二節 城市熱島及極端熱環境監測與預警係統 180
一、城市地錶熱環境監測方法 180
二、係統構架與模塊設計 181
三、極端高溫事件遙感監測與預警 182
四、係統功能與用戶界麵設計 182
第三節 城市地錶水環境監測與應急管理係統 185
一、係統模塊與結構框架 185
二、係統邏輯結構 186
三、係統數據庫設計 187
四、地錶水環境汙染事件應急管理 192
五、係統用戶界麵 200
第四節 城市.工礦區土壤環境監測與評價係統 201
一、係統模塊與用戶界麵 201
二、土壤汙染評價與空間分析 202
三、土壤重金屬汙染的城市規劃規避機製 207
第五節 城市大氣環境監測與應急預警係統 209
一、係統功能與結構框架 209
二、係統應急體係與業務流程 210
三、軟件模塊與用戶界麵 215
參考文獻 219
索引 237
作者簡介 239

精彩書摘

第一章城市生態調控新理念與理論基礎
第一節城市生態調控新理念與研究範式
城市生態服務功能直接影響城市人居環境和人類安康（human well-being）。在當前鄉村人口不斷嚮城市集聚、城市快速嚮外擴張，加之全球環境變化加速（溫度升高、洪水及熱浪頻發）的影響下，城市生態服務功能正麵臨著前所未有的挑戰。城市不透水地錶（impervious surface area，ISA）與綠地空間（green space）作為城市土地利用/覆蓋結構特徵的重要組閤模式，會對地錶輻射與能量的分配産生截然相反的作用，進而對城市熱島、大氣環境及局地氣候産生重要影響，從而對城市生態服務熱調節功能産生決定性作用。
在現代城市發展過程中，如何通過調控城市建築紅綫（不透水地錶麵積比例）和生態綠綫（綠地）、藍綫（水域），實現城市空間結構布局中商業和工業等産業用地、住宅用地以及生態綠地的有機組閤，使有限的城市空間發揮調節局地氣候、改善人居環境、減緩城市汙染的作用，營造良好生態環境，仍有待於城市規劃科學、城市土地利用科學、景觀可持續性科學、城市生態學、城市氣候學等自然和社會科學鏈接協同解答。
一、 城市空間結構與生態服務熱調節功能的鏈接與重要性
城市空間結構曆來是人文地理學關注的焦點問題。16世紀英國學者摩爾（More）提齣瞭烏托邦式的城市建設模式，19世紀末，英國科學傢霍華德（Howard）提齣田園城市（garden city）思想，強調公共綠地布局與生態城市建設的理念，對現代城市規劃思想起到瞭重要的啓濛作用。從城市內部不同功能區到相應的不透水地錶、生態綠地土地覆蓋狀態，再到城市建築、道路、廣場等類型，其不同等級結構組閤與城市人為熱源、潛熱、顯熱等熱通量之間具有直接關係，由此衍生兩個關鍵的科學命題：①針對不同規模城市，城市內部兩種主導覆蓋類型格局和組分對空間熱場熱通量特徵影響機製及生態服務熱調節功能定量貢獻程度如何？②針對城市生活、生産、服務和生態空間，什麼樣的土地覆蓋組分有利於減緩城市熱島強度，改善城市生態係統服務功能？
遙感監測錶明，中國與美國相比較而言，美國城市內部不透水地錶麵積所占比例平均為40%~50%（森林與不透水比率約1.4∶1），而中國城市不透水地錶麵積比例估算約占66%（Nowak and Greenfield，2012；Kuang et al.，2013）。研究錶明，森林覆蓋率和綠地麵積對生態服務熱調節功能具有決定性作用，每增加10%的綠地，城市熱輻射將減少2℃，當綠地斑塊麵積大於5km2，地錶輻射溫度急劇下降（應天玉等，2010）。中國城市不透水地錶麵積所占比例過高、綠地麵積不夠集中，較大程度上影響其熱調節功能。當前城市生態綠地服務功能評價更多以市場價格和相關價值進行估算，缺乏針對特定類型城市功能分區、不同生態綠地組分對地錶輻射能量平衡以及熱調節功能影響定量關係的認識，極大地限製瞭城市規劃與建設的應用性。
為有效緩解城市熱島現象，核定服務於熱島效應局地氣候熱調節服務功能目標的各功能區不透水地錶與綠地組分的調控閾值，並提齣城市閤理布局模式以及適應城市生態服務功能的“等級層次”的城市土地覆蓋調控模式。實現城市空間結構與城市生態服務功能研究的有效鏈接，是通嚮“人文地理學”與“生態/氣候學”的橋梁，對於城市生態規劃與管理具有重要的理論和現實意義。
二、城市內部不透水地錶與綠地組分及空間規劃新理念
由於城市景觀結構具有高度的復雜性和多尺度特徵，城市不透水地錶和綠地組分作為城市空間結構的重要組成部分，直接影響著城市生態係統服務功能。城市不透水地錶（urban impervious surface，UIS）是反映人類活動強度和評價城市人工建設用地增長的重要指標，對於評價城市生態係統健康與人居環境質量具有重要的理論與現實意義。城市不透水地錶是城市發展建設産生的一種地錶水不能直接滲透到土壤的人工地貌特徵，包括城市中的道路、廣場、停車場、建築屋頂等。不透水地錶的增長通過改變地錶輻射能量平衡，從而增強局地氣溫及産生熱島效應（Oke，1989；Heisler and Brazel，2010；Klok et al.，2012），進而影響居民的舒適性和健康狀況，以及汙染物排放等。美國地質調查局（USGS）與美國國傢海洋和大氣管理局(NOAA)基於夜間燈光指數(DMSP/OLS)發展瞭第一個全球1km建設用地不透水地錶（constructed impervious surface）數據集，錶明中國具有全球麵積最大的不透水地錶，美國、印度、日本、中國和歐洲國傢流域生態係統由於不透水地錶增長受到瞭不同程度的毀壞(Elvidge et al.，2007)。Ridd（1995）構建瞭基於遙感信息的V-I-S （vegetation-impervious surface-soil）概念模型，該模型將城市土地覆蓋分為綠地植被、不透水地錶與裸土，該模型的建立對解決混閤像元問題、提高不透水地錶信息提取的精度具有重要作用。基於此方法驗證的不透水地錶麵積精度達到83%（Ward et al.，2000）。Wu等（2003）運用LSMA（linear spectral mixture analysis）模型並結閤V-I-S模型，將城市土地覆蓋的混閤像元分解為不透水地錶（高反射率地錶、低反射率地錶）、植被、裸土3種類型，獲取瞭美國哥倫布市(Columbus)亞像元不透水地錶分布信息。Lu和Weng（2009）運用LSMA模型和V-I-S模型將中尺度空間分辨率影像混閤像元成功分解。Hu和Weng(2011)提齣基於對象的模糊分類方法，基於IKNOS影像提取瞭美國印第安納波利斯（Indianapolis）居民區及中心商業區的不透水地錶，居民地和中心商業區提取精度分彆達到95%和92%。基於夜間燈光指數(DMSP/OLS)與中國土地利用/覆蓋變化信息融閤監測不透水地錶增長，中國範圍以及京津唐城市群21世紀初城市不透水地錶呈現高速增長特徵，中國城市不透水地錶平均比例約為66%（Kuang，2012a；2013）。通過Google Earth航空影像解譯，錶明美國城市不透水覆蓋比例平均為43%（Nowak and Greenfield，2012）。1984~2010年的27年間，美國大都市巴爾的摩（Baltimore）不透水地錶麵積從881km2增長到1176km2（Sexton et al.，2013）。我國學者逐漸意識到城市不透水地錶分布對生態環境影響的重要性，進而對北京、上海、福州等城市不透水地錶開展相關研究（陳爽等，2006；嶽文澤和吳次芳，2007；周紀等，2007；Li et al.，2011a；Kuang，2012a，b；Kuang et al.，2013）。
城市綠地（urban green space，UGS）作為城市生態係統的重要組成部分，在改善城市環境，特彆是空氣和水質淨化、建築節能、適宜空氣溫度、紫外綫減少方麵具有重要作用，城市中適宜比例的綠地麵積可以調節城市內部氣候環境，影響城市內部輻射能量平衡，降低城市地錶溫度等。通過儀器測量方法分析公園綠地對周邊區域溫度的影響，發現綠地溫度明顯低於周邊區域溫度，在有風的情況下，0.6km2的公園可以使下風嚮1km範圍內商業區氣溫降低1.5℃（Ca et al.，1998），麵積越大的綠地冷島效應越明顯（Spronken-Smith and Oke，1998），且高密度的森林植被覆蓋的綠地公園白天降溫效應最大可達3.5℃（Potchter et al.，2006），綠地和周邊城市溫度差異夏季大、鼕季小，冷島效應可以在夜晚的城市區域延伸200~300m，而8~10月白天，範圍可以延伸300~500m（Hamada and Ohta，2010），有效地降低瞭城市溫度。為進一步保護城市內部綠地覆蓋，美國已實施瞭不同的城市綠地發展計劃，如種植大量綠地植被（City of New York，2011；City of Los Angeles，2011)、保護現有植被（City of Pasadena，2011）和發展城市冠層覆蓋（City of Seattle，2011）等。我國學者通過試驗觀測及基於遙感影像等技術手段，針對不同地區（如北京、上海、成都、南京等）不同組分的綠地對降低和減緩城市熱效應進行瞭研究（彭靜等，2007；周紅妹等，2002，2008；張偉等，2007；夏佳等，2007；李延明等，2004）。
針對城市內部不透水地錶與森林覆蓋結構組分研究，國際林業研究組織聯盟（International Union of Forestry Research Organizations，IUFRO）曾建立專門的項目組來探討人類居住區的綠地和城市森林覆蓋方麵的問題（Andresen，1976）。M�餓kiugu等(2012）提齣城市內部的綠地麵積大小、組分、分布以及支持城市綠地空間擴張潛力的識彆方法。Nowak和Greenfield（2012）通過分析21世紀以來美國20個城市的不透水地錶和綠地的結構及空間變化，錶明16個城市的不透水地錶麵積顯著增加，不透水地錶麵積每年增加0.31%，而17個城市的綠地空間顯著減少，且每年綠地平均減少0.27%，隻有1個城市的綠地麵積有所增加。
城市生態學理論（Niemela，1999；Pickett et al.，2001）研究一再強調理解和分析城市生態係統的復雜性：包括空間格局和結構組成的異質性對生態過程和服務功能的影響機製（Pickett et al.，2005）。Pickett等（2001）和Grimm等（2008）呼籲發展新一代的空間顯式的多尺度生態係統模型，以將人類控製下的格局動態和環境乾擾與生物地球化學循環過程有機整閤。基於Wu和David（2002）提齣瞭鳳凰城城市景觀等級斑塊動態模型(HPDM-PHX)城市模型框架，Zhang等（2013a）發展瞭多尺度耦閤的HPM-UEM（hierarchical patch mosiac-urban ecosystem model）模型，這些模型主要針對城市生物地球化學過程。但是長期以來缺乏將城市空間等級尺度結構與生物地球物理機製相互有效聯係起來的研究方法和案例。
Oke（1982）曾提齣在城市冠層（urban canopy layer，UCL）垂直交互的動量通量（momentum）、熱量通量（heat）和濕度（moisture）與鄉村不同。局地氣候調節效應取決於微觀、局地和中尺度3個尺度（micro-scale；local-scale；meso-scale）基本特徵。城市復雜下墊麵類型相應分為城市結構、城市覆蓋、城市構造和城市代謝。城市結構（urban structure）是指建築空間維度、街道寬度等；城市覆蓋（urban cover）包括不透水地錶、綠地、裸土和水域；城市構造（urban fabric）是指建築材質等；城市代謝（urban metabolism）包括人為産生的水、熱和汙染物等，並認為上述城市4個類型的聚閤纔能形成理解局地氣候特徵的城市地錶物理屬性特徵(圖1.1)。城市作為復雜生態係統，城市布局的功能區、各功能區不透水地錶和綠地麵積比例控製等級結構的分類體係新理念的提齣以及局地氣候調節之間相互關係的理解，對加深城市空間結構不同等級尺度布局以及生態服務功能響應的認知具有重要意義，可以直接有效地應用於城市規劃管理。
圖1.1中尺度、局地尺度和微觀尺度城市冠層、城市邊界層和大氣邊界層地錶大氣
相互作用特徵（Oke，1982）
三、 城市地錶熱通量的定量模式、遙感反演與觀測實驗
國際上對地錶熱量平衡模擬的模型有SEBS、SEBAL以及PCACA等模型（張仁華等，2004；Liang et al.，2012）。隨著定量遙感的發展，基於地物界麵熱量平衡原理，發展瞭基於熱紅外遙感的土壤熱慣量反演模型，錶明淨輻射通量、顯熱通量、潛熱通量和土壤熱通量控製著土壤錶麵和作物冠層錶麵溫差（張仁華等，2001；2004）。還有耦閤瞭陸錶模型或城市冠層模型的

前言/序言

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