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上海市城市不透水面及其热环境效应的分形研究

作　者: 聂芹
导　师: 徐建华
学　校: 华东师范大学
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 城市不透水面城市热环境效应分形上海市
分类号: X16
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

城市化快速发展最典型的特征之一是城市不透水面迅速增加。城市不透水面不仅是城市地表覆盖的基本类型,可以用来监测城市的土地利用/覆盖变化(LUCC),而且城市不透水面的增加是城市生态环境变化的重要原因。因此,城市不透水面是当前城市化的生态环境效应研究的最佳切入点。不透水面盖度高的地方,地表能量更多的表现为显热交换形式,严重影响了城市热环境空间分布的异质性,城市不透水面的热环境效应在全世界范围内备受关注。目前,国内外学者已经对城市不透水面盖度时空演变进行了广泛的研究,但是大部分研究主要集中在对空间分布及其差异的描述、对比和解释；另一方面,虽然城市不透水面对地表温度的影响已经在不同区域得以验证并达成一定的共识,但是大部分的研究是基于传统的统计分析方法。关于不透水面盖度时空演变及其热环境效应的机理性的深层次的规律还没有认识清楚。事实上,不透水面盖度时空演变及其热环境效应是复杂性问题,有必要从地理复杂性科学的理论和方法来揭示其深层次的规律,但是目前的研究还没有从复杂性科学的理论框架下来认识这个问题。虽然目前分形理论已经在城市不透水面研究中有所涉及,但是既有研究成果主要集中在对不透水面的形态分形特征的认识,或者是基于剖面线的一维分形性质的认识,而针对城市不透水面盖度空间分布的二维分形性质,还缺乏深入的研究。尤其是关于不透水面对地表温度的影响,鲜有研究从分形的角度进一步定量揭示二者的相关性行为。基于以上分析,本文选择高强度人类扰动和快速城市化的典型城市上海市中心城区为研究区域,基于遥感数据挖掘,从地理复杂性科学的理论视角出发,综合利用景观生态学和地理学的理论和方法,对不透水面盖度时空变化及其热环境效应进行分形研究,以期在理论上能促进城市不透水面时空演变及其热环境效应的复杂性研究,为城市LUCC及其环境效应的研究提供一种可以参考和借鉴的思路,在实践上可以为城市规划及未来发展提供依据和决策支持。本文的主要研究内容和结论如下：(1)基于V-I-S模型原理和线性混合光谱分解技术,得到了1997-2010年间共10期的不透水面盖度的空间分布特征。研究期间不透水面面积和不透水面盖度均值都呈波动上升趋势。1997年不透水面盖度高值区主要分布在浦西老城区以及浦东的黄浦江沿岸,2002年至2007年间高值区逐渐扩展到外环线,2007年高盖度区成片出现,2010年不透水面盖度的空间分布出现破碎化现象,高值区不再成片出现。不透水面盖度的空间变化以2007年为转折点,2007年以前,绝大多数象元以盖度增加为主趋势,而2007年以后,56.17%的像元的盖度呈现减小的特点。研究期间内各像元的盖度最大值出现时间的空间分布清晰的展示了外环线内城市化的地域推进过程。在以上研究的基础上,借鉴景观生态学中景观的概念,将不透水面划分为七种类型,并计算各类型的景观指数。其中全覆盖类型(盖度大于80%)的斑块面积在整个研究区域中占绝对优势,且历年来呈增长的趋势,导致了研究期间整个研究区域的景观多样性指数总体呈降低趋势。14年来全覆盖类型的斑块破碎化程度增大,而聚集指数基本不变,斑块形态较为规整,体现了城市化过程中城市规划对全覆盖斑块的影响。(2)经过人民广场的两条轴线上的不透水面盖度的空间分布均存在标度不变性,一维盒维数反映了数据序列密集程度的变化,揭示了不透水面盖度数据是如何填充整个轴线的。东西轴线上1997年和2002年的盖度序列均呈现出多重分形特征,而南北轴线上只有1997年的盖度序列呈现出多重分形特征,表明历年来不透水面盖度沿轴线方向的分布越来越均匀。整个研究区域的不透水面盖度的空间分布也存在标度不变性,二维盒维数反映了不同阂值之上的不透水面盖度空间分布的复杂程度,随着闽值的增大,不透水面空间分布的复杂程度逐渐减小。另外,二维盒维数模型也说明不透水面盖度的空间分布是可以预测的。七种不透水面类型的空间分布在各自的无标度区间内都呈现出了空间自相似性特征,二维分形盒维数从整体上揭示了各覆盖类型空间分布的复杂程度及其变化特征。(3)基于地统计学中的Moran’s Ⅰ指数的计算结果表明,不透水面盖度的空间分布存在强的空间依赖性,1997-2010年,不透水面盖度的空间自相关性表现出从聚集到分散、再到聚集的过程。Moran’s Ⅰ指数仅仅从单个探测尺度上(即邻域范围内)揭示了不透水面盖度分布的空间自相关性,为了从多尺度上揭示整体与部分之间规律的相似性,对不透水面盖度图像进行二维去趋势波动分析(Detrended Fluctuation Analysis, DFA),结果表明四个年份的DFA标度指数均接近于1/f噪声,说明在多个空间尺度范围内不透水面盖度都存在相同的变化属性,即某个像元盖度的增加会引起一定尺度范围内的其他像元盖度的增加,反之亦然。但是不透水面盖度空间分布的长程自相关性不存在多重分形性,只需一个标度指数即可反映其空间分布的长程自相关性特征。分形长程相关性特征表明不透水面盖度的空间分布具有分形布朗运动的特点,DFA标度指数越大,则数据间的长程相关性就越强,数据间的波动就越慢,数据的空间分布就越均匀,反之亦然。因此,DFA标度指数也可以看作是不透水面盖度空间分布均匀度的一个标志。(4)通过遥感技术定量反演了1997-2010年间相应年份的城市地表温度,并分析了其空间分布的二维分形性质。结果表明,研究期间内地表温度分布的标准差逐渐减小,城市热场的范围逐步扩大到外环线,热场强度有所增强,但是热岛特征愈加不明显。历年来地表温度的空间分布都存在标度不变性,即以某种方式,局部区域内不透水面盖度空间分布的规律与整个研究区域内的空间分布规律相似。二维盒维数不仅揭示了不同阈值的地表温度数据是如何分布在整个研究区域的,而且反映了历年来地表温度空间分布的复杂程度。历年来地表温度的空间分布也都存在正的长程自相关性,DFA标度指数均接近于1/f噪声,而且只需要一个标度指数即可反映其空间分布的长程相关性。地表温度空间分布的这种分形规律与不透水面空间分布的规律相似,本文从分形的角度进一步证实了不透水面盖度空间分布对城市热环境的重要影响。(5)1997年不透水面盖度与地表温度呈显著的线性正相关关系,2002-2010年二者的非线性关系越来越明显。1997-2010年间,不透水面时空演变以转化为全覆盖类型的轨迹为主,该轨迹的地表温度变化主导了整个研究区地表温度的变化。各不透水面类型的面积百分比构成能很好的解释地表温度的变化,然而加入反映不透水面空间布局的景观指数变量后,能更好的解释地表温度的变化。当各不透水面类型的面积百分比构成相对固定时,不同的景观指数对地表温度影响的显著性和效应有很大不同。因此,可以通过平衡各不透水面类型的百分比构成以及最优化其空间布局来减轻城市化的热效应。(6)借助去趋势互相关性分析(Detrended Cross-Correlation Aanlysis),从两变量互相关的角度揭示了不透水面盖度与地表温度空间分布的关系。结果表明,两条轴线上不透水面盖度与地表温度的空间分布都存在正的长程互相关性,但是不同年份二者相关的形式有所差异。1997-2010年间,南北轴线上,不透水面盖度对地表温度的影响程度表现为减弱趋势；东西轴线上,在较小空间尺度范围内,不透水面盖度对地表温度的影响程度呈现增强趋势,在较大空间尺度范围内,历年来其影响程度逐渐减弱。不透水面盖度与地表温度长程互相关的无标度区间反映了城市化过程中城市空间结构的变化特征,受城市化过程的影响,不透水面对地表温度的影响程度逐渐降低。(7)采用多重分形去趋势互相关性分析(Multi-Fractal Detrended Cross-Correlation Analysis)从多个层次上进一步刻画了不透水而盖度与地表温度空间分布的长程互相关性行为。结果表明,东西轴线上2002-2010年间不透水面盖度与地表温度的空间分布存在多重分形去趋势长程互相关性,不透水面对地表温度空间分布的影响比较复杂,但是这种复杂程度历年来逐渐减弱：南北轴线上2007年和2010年二者的空间分布存在多重分形去趋势长程互相关性,且多重分形强度基本不变。就两条轴线相比,历年来南北轴线上二者之间长程互相关性的多重分形性更强,不透水面盖度与地表温度空间分布的关系相对更复杂。

全文目录

摘要  6-10
ABSTRACT  10-18
第一章绪论  18-30
  1.1 研究背景和立题意义  18-21
    1.1.1 研究背景  18-21
    1.1.2 研究意义  21
  1.2 相关研究进展  21-27
  1.3 科学问题和创新点  27-28
    1.3.1 科学问题  27
    1.3.2 创新点  27-28
  1.4 研究目标  28
  1.5 本章小结  28-30
第二章研究方法和技术路线  30-39
  2.1 理论借鉴  30
  2.2 研究区概况  30-32
  2.3 数据采集及预处理  32-33
    2.3.1 数据来源  32
    2.3.2 几何精校正  32
    2.3.3 DN值转换为反射率  32-33
  2.4 研究内容  33-34
  2.5 技术路线  34-37
  2.6 论文的组织与结构  37-38
  2.7 本章小结  38-39
第三章不透水面格局分析  39-62
  3.1 不透水面盖度的提取  39-48
    3.1.1 端元数量和类型的确定  40
    3.1.2 MNF变换  40-42
    3.1.3 端元的选取  42-44
    3.1.4 线性混合光谱分解计算各端元盖度影像  44-45
    3.1.5 不透水面盖度计算  45-46
    3.1.6 误差分析  46-48
  3.2 不透水面格局变化  48-55
    3.2.1 不透水面统计分析  48-49
    3.2.2 不透水面空间格局分析  49-51
    3.2.3 不透水面空间变化分析  51-52
    3.2.4 不透水面盖度变化轨迹  52-53
    3.2.5 不透水面盖度最大值出现的时间  53-55
  3.3 不透水面景观指数分析  55-59
    3.3.1 Shannon多样性指数及其变化分析  55-56
    3.3.2 斑块密度及其变化分析  56-57
    3.3.3 聚集指数及其变化分析  57-58
    3.3.4 面积-周长分维数及其变化分析  58-59
    3.3.5 讨论  59
  3.4 本章小结  59-62
第四章不透水面空间分布的盒维数  62-81
  4.1 研究方法  63-65
    4.1.1 二维盒维数计算方法  63-64
    4.1.2 多重分形二维盒维数计算方法  64-65
  4.2 不同轴线方向上不透水而盖度的空间分形特征  65-71
    4.2.1 一维盒维数计算结果分析  66-69
    4.2.2 多重分形盒维数计算结果分析  69-71
  4.3 整个研究区域不透水面盖度的空间分形特征  71-75
  4.4 七种不透水面类型的空间分形特征  75-78
  4.5 本章小结  78-81
第五章不透水面空间分布的长程相关性  81-90
  5.1 研究方法  82-84
    5.1.1 空间自相关地统计分析  82
    5.1.2 DFA  82-83
    5.1.3 MFDFA  83-84
  5.2 不透水面盖度分布的空间自相关特征  84-85
  5.3 不透水面盖度分布的二维DFA分析  85-86
  5.4 MFDFA分析  86-88
  5.5 本章小结  88-90
第六章城市地表温度变化及其分形性质  90-99
  6.1 地表温度反演  90-92
    6.1.1 地表温度反演方法  90-91
    6.1.2 地表温度反演方法评价  91-92
  6.2 地表温度时空变化分析  92-95
    6.2.1 地表温度统计分析  92
    6.2.2 地表温度空间分布格局分析  92-93
    6.2.3 热场范围和强度变化分析  93-95
  6.3 地表温度空间分形分析  95-96
  6.4 地表温度空间分布的长程相关性分析  96-98
  6.5 本章小结  98-99
第七章城市热环境与不透水面盖度的关系  99-129
  7.1 不透水面盖度与地表温度的相关性分析  99-102
  7.2 各不透水面类型的地表温度特征  102-104
  7.3 不透水面类型变化对地表温度变化的影响  104-108
    7.3.1 不透水面变化轨迹的提取  104-105
    7.3.2 不透水面变化轨迹对地表温度变化的偏离度和贡献率的计算  105
    7.3.3 不透水面变化轨迹分析  105-107
    7.3.4 不透水面变化轨迹的地表温度变化特征  107-108
    7.3.5 偏离度和贡献率分析  108
  7.4 不透水面空间布局对地表温度的影响  108-118
    7.4.1 不透水面百分比构成对地表温度的影响  111-112
    7.4.2 不透水面空间布局对地表温度的影响  112-117
    7.4.3 讨论  117-118
  7.5 不透水面盖度与地表温度分布的长程互相关性分析  118-126
    7.5.1 去趋势互相关性分析算法  118-121
    7.5.2 去趋势长程相关性特征  121-124
    7.5.3 多重分形去趋势长程相关性分析  124-126
  7.6 本章小结  126-129
第八章结论与展望  129-135
  8.1 主要研究结论  129-133
  8.2 存在问题及下一步的研究打算  133-135
附录  135-136
参考文献  136-148
后记  148

上海市城市不透水面及其热环境效应的分形研究

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