毕业论文（设计）基于RS 和GIS 的长沙城市热岛效应与TSP 污染耦合关系.doc

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1、基于RS和GIS的长沙城市热岛效应与TSP污染耦合关系曹 进1，曾光明1，石 林1，焦 胜2，周建飞11. 湖南大学环境科学与工程学院，湖南 长沙 410082；2. 湖南大学建筑学院，湖南 长沙 410082摘要：城市热岛效应反映了城市化发展对城市环境的影响，是影响城市生态环境的一个重要因素。文章以长沙市为例，利用3S技术与传统技术相结合对大气中总悬浮颗粒物（TSP）在城市热岛中的作用与贡献进行了研究。结果表明，长沙城市热岛效应与TSP污染在空间与时间分布上都具有耦合关系。采用RS和GIS技术可以从空间上对TSP在城市热岛中的贡献进行研究。长沙市TSP污染的分布特征和热岛强度分布状况基本一致

2、，都是由市中心往外逐渐减轻。TSP高值区，城区呈高温区；TSP低值区，城区呈低温区。采用长沙市TSP高值区、TSP低值区的两个监测点2002年逐月TSP监测数据及相应气象统计数据，从时间上对TSP污染与城市热岛效应进行了相关性研究，长沙市TSP污染与热岛强度在年度分布上存在正相关关系。随着长沙城市建设和城市化速度的加快，城市热岛强度有逐年增强的趋势。3S技术与传统技术相结合，使科学研究更客观、准确。3S技术用于中尺度的区域环境质量调查，可实现空间区域的定量表达，而传统技术获取的环境背景数据，则从微观上对空间数据的准确性进行验证。关键词：RS；GIS；热岛效应；TSP；耦合关系中图分类号：X51

3、3 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）01-0012-06所谓城市热岛是指城区气温高、郊区低，城市宛如“热岛”的现象。1883年，Lake Howard就伦敦市中心的气温比郊区高的现象首次提出“城市热岛”概念。现在普遍认为，城市热岛效应（UHI）是指由于城市下垫面性质的改变、大气污染以及人工废热的排放等使城市温度明显高于郊区，形成类似高温孤岛的现象1。城市热岛效应反映了城市化发展对城市环境的影响，随着城市规模不断扩大，农村人口向城市集中，城市热岛现象变得越来越严重，成为影响城市生态环境的一个重要因素2。黄晓鸾研究表明，我国一些大城市城市化水平于1995年已达60%70%，

4、超过发展中国家平均45%的水平。上海、北京等城市已经成为世界特大城市3。城市可持续发展已引起广泛重视，热岛强度作为城市生态环境状况的监测指标越来越受到关注4。关于“城市热岛效应”现象的描述已经有人作过广泛的研究5，以往对城市热岛产生的原因研究中更多的是集中于城市化进程中的城市规模6、城市地貌7、人口密集度8，但对大气中总悬浮颗粒物（TSP）在城市热岛中作用与贡献并未受到应有的重视。本文采用RS和GIS技术，从空间上分析了长沙市城市热场特征，同时采用长沙市TSP高值区、TSP低值区的两个监测点2002年逐月TSP监测数据及相应气象统计数据，从时间上对TSP污染与城市热岛效应进行了相关性研究。对湖

5、南省长株潭城市群建设中控制城市热岛效应，改善城市生态环境有一定现实意义。1 研究资料及方法1.1 采用的影像及数据用于颗粒污染物反演的数据：2002年9月2日美国Landsat卫星124/39EMT+影像数据；地面监测数据及气象资料。用于热岛反演的数据：2003年7月31日的中巴资源一号卫星（CBERS1）1/68影像数据。将IRMSS、ETM影像与geotif格式长沙市地形图配准，采用梯度检测法剔除噪声，利用ERDAS软件进行数据融合、处理。1.2 总悬浮颗粒物（TSP）信息 总悬浮颗粒物（Total Suspended Particles, TSP）指能悬浮在空气中，空气动力学当量直径小于

6、100 m的颗粒物，是大气质量评价中的一个通用的重要污染指标，被认为是影响空气质量的首要污染物9。大气散射的性质和散射强度取决于大气分子后微粒的半径与被散射光的波长之间的比值关系10，散射系数可以写成： = nk2 （1）n为1 cm2中雾滴颗粒数；k为散射面积比：k=A/2 (A为散射面积)；为大气分子或微粒的半径。实际工作中，散射系数与波长的关系通常用下述的近似关系式： = - （2）当时，式中=4，这时称瑞利散射。 = -4，小散射强，大散射系数就小。当时，式中=0，这时称米氏散射。 =1，散射与波长无关，是一种非选择性的散射。总悬浮颗粒物（TSP）对电磁辐射主要为米氏散射。选择ETM卫

7、星数据第一波段B1（波长范围为0.450.52 m）进行大气污染的图象处理。将经过配准、校正等预处理的ETM影像第一波段（B1）进行拉伸、比例变换后，对其灰度分布直方图进行统计。根据数据分布特征，采用数据密度分割方法，进行污染程度分级，结果见图1。图1 长沙市TSP污染遥感影像Fig. 1 The TSP pollution of remote sensing data at Changsha city (2002-09)1.3 城市热岛效应专题信息的生成11, 12我们把能够吸收全部入射辐射能量的物体叫做绝对黑体13。按照基尔霍夫定律，绝对黑体必然也是一个最有效的辐射体。1900年，普朗克用

8、量子论概念推导出有名的黑体辐射定律，根据普朗克公式计算地面亮温： （3）-波长，单位m；h-普朗克常数（6.625610-34 Js）；k-玻尔兹曼常数（1.380610-23 JK-1）c-光速（2.9979108 ms-1）；T为物体温度K。遥感热探测对象是城市下垫面地物辐射温度（实测为亮温），资源一号卫星数据第9波段热红外波段对地面温度敏感，表现为9波段的灰度值，用这种辐射温度表征城市温度场称之为“城市亮温热场”14。根据地面实测温度（Y）及9波段灰度值等值线图相对应点的灰度值（X），建立长沙城市温度场数学方程：Y=10.8+0.1666X （4）Y=-23.55+0.2X （5）式（4

9、）代表夏季温度场式（5）代表冬季温度场将影像与geotif格式长沙市地形图进行配准纠正后，按式（4）进行下垫面亮温计算及其热场等级的划分，结果见图2（下页）。2 长沙市热场分析2.1 热场的微观布局研究长沙热场的分布特征可借助温度等值线，不同等值线表示不同的温度范围。通过图2可以清楚看出，长沙市夏季温度受城市气候影响，城市热岛效应明显，城区内等温线比较稀疏，温度水平梯度小，城区边缘气温水平梯度大，等温线密集，闭合等温线分布和走向大致与长沙市城区轮廓平行。市区内以高温为主，但不同地段温度呈相互镶嵌状，在部分地区形成热中心。城区热中心主要有3片：第一片是伍家岭市北工业区；第二片是老城区太平街五一路

10、五里牌商业居住混合区；第三片是以长沙电机厂为中心的市南工厂群。另外，岳麓区也形成一些以工厂群为中心的局部热中心。可见工业区的污染对热中心行成的贡献巨大。河东城区整体呈高温，烈士公园省委由于植被覆盖好，为相对低温区，呈现低温镶嵌在高温区中的热力缀块景观。图3 19852004年长沙市年平均热岛强度Fig. 3 The average of Heat-Island between 1985 and 2004 at Changsha city2.2 下垫面的亮温特征长沙市河东城区（包括市中心商业区和工业区）整体为高亮温区，与河西的低亮温背景形成了强烈对比。城区热中心从中心向外亮温的变化呈减低趋势，热

11、中心内部及热中心与热中心间有丰富的细部变化，这种热场变化与下垫面的类型和功能密切相关14。局部热中心强峰并不一定出现在市中心，而常与工厂的空间分布有关，2000年长沙市温度场最高值（34.29 ）出现在曙光电子集团厂区附近，说明工业污染是城市热场形成的重要因素之一。2.3 热岛强度的年际变化根据湖南省气象局提供的长沙市19852004年20年温度统计数据，以长沙市气温与市郊宁乡县气温差值作为热岛强度（以下同），可以看出长沙市年平均温差呈逐年上升，城市热岛的年平均强度有明显加重的趋势（图3），平均值为0.225。从季节来看，长沙城市热岛强度冬季年均平均值为0.237，夏季为0.165，冬季的热岛

12、强度大于夏季。这是因为冬季长沙大气层结一般相对稳定，风力 变化不大，不利于空中总悬浮颗粒物的扩散,颗粒物在城市上空形成一个“尘罩”，导致热岛强度加强。3 热岛强度与TSP污染耦合关系图2 长沙市热岛遥感影像Fig. 2 The metropolitan Heat-Island of remote sensing data at Changsha city (2003-07)3.1 TSP污染与热岛强度空间分布上的耦合关系长沙市城区的TSP污染分布主要由污染源及下垫面性质决定。污染高值区主要由高能源厂房、建筑密度大、人口高度聚集以及交通繁忙地带组成。根据分析，可以发现总悬浮颗粒物污染的分布特征和

13、热岛强度分布状况基本一致长沙城市热岛强度分布与TSP的污染分布有非常密切的关系，都是由市中心往外逐渐减轻。TSP高值区，城区呈高温区；TSP低值区，相应城区呈低温区（图1、图2）。长沙市中心城区由于建筑物与人口高度密集，TSP污染比较严重，形成热岛，由市中心往外，TSP污染逐渐减弱，相应的城市气温呈现低温区。城市高温区主要分布在湘江以东，五里牌及铁路线以西的城市中心人口高度密集区、伍家岭工业区、长沙电机厂工厂群的TSP污染的高值区区域；城市低温区分布在城市郊区、绿化率高的岳麓区的TSP污染的低值区区域。说明了城市热岛强度的分布，与TSP污染呈相关关系。3.2 TSP浓度与热岛强度时间分布上的耦

14、合关系根据长沙市环境监测所提供的2002年度TSP监测数据和湖南省气象局提供的2002年热岛强度数据，对TSP高值区伍家岭、TSP低值区马坡岭两个观测点(图4、图5)，分别进行分析。3.2.1 回归方程的建立采用数学统计公式： （6） （7） （8） （9）式中x表示TSP量，y表示热岛强度，n12。计算结果：相关系数中伍家岭r1=0.7407r0.05=0.5760；马坡岭r2=0.7144r0.05=0.5760，表明在95%的置信水平下TSP与热岛强度间具有明显的相关性，分别建立TSP与热岛强度之间的一元线形回归方程。伍家岭:Y=1.38045+0.09687X马坡岭:Y=0.01362

15、+1.72328X3.2.2 回归直线的比较15检验剩余标准方差 （10）计算统计量： （11）求得：F2.54F0.05(12,12)=2.69，说明S1、S2没有显著差异，将S1、S2合并：0.181 （12）检验回归系数b1、b2计算统计量： （13）t0=0.1834t0.25(20)2.0860，即b1、b2无显著差异，合并计算b值：0.3679 （14）检验截距a1、a2图4 伍家岭2002年TSP与热岛强度关系Fig. 4 The relationship between TSP and Heat-Islandat Wujialing in 2002图5 马坡岭2002年TSP与

16、热岛强度关系Fig. 5 The relationship between TSP and Heat-Island at Mapoling in 2002计算统计量： （15）t0=2.0493t0.25(20)2.0860，即a1、a2无显著差异，合并计算a值：0.221 （16）得到合并后的回归方程Y0.2210.3679X3.2.3 历史数据拟合情况用合并后的回归方程对历史数据进行拟合，见图6、图7。从图中可看出，因伍家岭位于市区，TSP污染较大，热岛效应比较明显，相应TSP与热岛强度的相关系数较大，实测数据与预测数据有较好的重合性和变化趋势。而马坡岭位于市郊，TSP污染较小，热岛效应不

17、明显，TSP与热岛强度的相关系数较小，实测数据与预测数据重合性与变化趋势没有伍家岭明显，说明合并后的回归方程更适合TSP高值区。图6 伍家岭2002年热岛实测值与预测值对比Fig. 6 Simulated and actual data of Heat-Island at Wujialing in 2002图7 马坡岭2002年热岛实测值与预测值对比Fig. 7 Simulated and actual data of Heat-Island at Mapoling in 20024 结论与讨论长沙城市热岛效应与TSP污染在空间与时间分布上都具有耦合关系。采用RS和CIS技术可以从空间上对TS

18、P在城市热岛中的贡献进行研究。长沙市TSP污染的分布特征和热岛强度分布状况基本一致，都是由市中心往外逐渐减轻。TSP高值区，城区呈高温区；反之，亦然。长沙城市月平均热岛强度与TSP浓度间在时间上呈正相关关系，其一元回归线性回归方程为Y0.2210.3679X。对历史数据进行了拟合，合并后的回归方程更适合于TSP高值区。长沙城市年际热岛强度呈逐年上升趋势。随着城市化的发展，城区范围逐步扩大，人口增长，城市下垫面性质的改变，长沙城市热岛强度也在明显增加。3S技术与传统技术相结合用于城市热岛研究，为科学决策提供及时的、全面的、有效的科学依据。将3S技术用于中尺度的区域环境质量调查，具有数据获取相对容

19、易、信息丰富、分析快速的优点，可实现空间区域的定量表达，使信息的表达更加直观。传统技术获取的环境背景数据，能从微观上对空间数据的准确性进行验证。二者相结合，使科学研究客观、准确。在长株潭城市群总体规划中，要加强生态环境意识，注重生态建设，改善城市环境生态系统的平衡。大力发展城市绿化，提高城市绿地覆盖率，减轻热岛强度；改变单一树种，实行乔、灌、藤、草相互配制, 有效降低TSP浓度；充分利用空间资源，在人口密集区采用立体绿化，实行屋顶、墙体、地面综合绿化，提高绿地自然度，形成自稳协调的城市绿地生态系统；营造城市楔形绿地和防护林。从城市郊区沿城市的辐射方向，建造一定长宽的绿地，开辟城市风道，引风入城

20、。在工业区与市区之间设置防护林，通过树木的吸附和过滤作用，有效防止污染，削弱城市热岛效应2。参考文献：1 陈云浩, 李京, 李晓兵. 城市空间热环境遥感分析格局、过程、模拟与影响M. 北京: 科学出版社. 2003: 1-3.Cheng Yunhao, Li Jing, Li Xiaobing. Analyse on Spatial Thermal Environment Based on Remote Sensing-Pattern, Function, Simulation and AffectionM. Beijing: Science Press, 2003: 1-3.2 彭希珑, 邹

21、寒山, 何宗键. 城市热岛效应对城市生态系统的影响及其对策研究J. 江西科学, 2003. 9, 21(3): 257-259.Peng Xilong, Zhou Hanshan, He Zongjian. Influence of urban heat island effect on urban ecological system and research of antidoteJ. Jiangxi Science, 2003, 21(3): 257-259.3 黄晓鸾, 张国强, 贾建中. 城市生存环境绿色量值群的研究: 城市生存环境绿色量值群J. 中国园林, 1998, 14(6):

22、57- 60.Huang Xiaoluan, Zhang Guoqiang, Jia Jianzhong. Research on green numerical group of servival environment in a city: Green numerical group of servival environment in a cityJ. China Landscape, 1998, 14(6): 57-60.4 孙飒梅, 卢昌义. 遥感监测城市热岛强度及其作为生态监测指标的探讨J. 厦门大学学报: 自然科学版, 2002, 41(1): 66-70.Sun Samei,

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24、ei. Study on distribution of urban particle pollution by remote sensing and GISJ. Journal of Natural Disasters, 2004. 13(3): 58-64.6 GURJAR B R, VANAARDENNE J R, LELIEVELD J, et al. Emission estimates and trends (19992000) for megacity Delhi and implicationsJ. Atmospheric Environment, 2004, 38: 5663

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31、n Heat-Island and the total suspended particles pollution in Changsha city based on remote sensing and GISCAO Jin1, ZENG Guangming1, SHI Lin1, JIAO Sheng2, ZHOU Jianfei11. College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2. College of Architecture, Hunan Uni

32、versity, Changsha 410082, ChinaAbstract: Urban Heat Island (UHI) is an important impact factor of urban environment and reflects the influence of development of urbanization on the city environment. This article study the effect and contribution of the Total Suspended Particles (TSP) on the urban he

33、at island by combining 3S and traditional technique at Changsha city. The results show that the spatial distribution of the heat-island intensity has a coupling relationship with that of the TSP pollution. Using RS and GIS technique can research the effection and contribution of the TSP on the urban

34、 heat-island from the space. Both the heat-island intensity and the TSP pollution decrease radially from the metropolitan center towards the outskirt. The areas in thick degrees of TSP are of high temperatures, and vise verse. Then the correlation of the annual distributions of the TSP and the heat-

35、island intensity was established via the statistical analysis of the monthly collections at two monitorial points at Changsha city in 2002. The TSP pollution scale is positively correlated with the intensity of heat-island in the time. The intensity of the heat-island increases yearly with the accel

36、eration of the construction and urbanization of Changsha city. 3S technique help to realize the quantificational express of spatial areas at the environmental investigation in quality on the moderate scale areas and the environmental data gained by the traditional technique help to validate the vera

37、city of spatial data from the microcosmic aspect. Technique combining them make the science research more objectivity and veracity.Key words: RS; GIS; Heat-Island; TSP; Coupling RelationshipEditors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for fou

38、r years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watch

39、ing Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed

40、 my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico

41、desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live st

42、ream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photo

43、grapher, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swi

44、rling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each tw

45、ist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as S

46、unday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposph

47、ere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of sp