一种用于检测城市扩张过程中地表温度规律的方法技术

本发明专利技术公开一种用于检测城市扩张过程中地表温度规律的方法，涉及遥感技术领域，该方法包括如下步骤：步骤1)基于不变目标区域方法对夜间灯光数据进行去饱和处理，并通过灯光阈值法提取城市不透水面信息，并进行精度验证；步骤2)将提取出来的不透水面作为城市区域，通过CA面积指数、FRAC形态指数衡量城市扩张特征；步骤3)结合上述城市扩张特征与地表温度数据，基于pearson相关性分析、总体耦合态势模型和耦合协调度模型，得到城市扩张特征与地表温度的定量联系、空间耦合关系与发展协调关系从而厘清城市扩张中地表温度的规律。而厘清城市扩张中地表温度的规律。

【技术实现步骤摘要】
一种用于检测城市扩张过程中地表温度规律的方法


[0001]本专利技术涉及遥感
，更具体地涉及一种用于检测城市扩张过程中地表温度规律的方法。

技术介绍

[0002]中国目前正处于快速城镇化的阶段，预计到2030年，中国城镇化率将达到70％。城镇发展导致城镇下垫面的物理属性变化和人为热排放的集中，这是城市热环境恶化和热岛效应产生的主要原因之一。目前，热岛效应已经成为影响生态环境、居民健康和可持续发展的严重环境问题。深入分析城镇发展对热环境空间特征和动态变化的影响，对于探索缓解热岛效应的策略和优化城市热环境质量具有至关重要的意义。在城镇化进程中，城镇的扩张、建设和工业化进程都导致了城市下垫面的物理属性发生了变化。例如，城市的道路、建筑、水泥和石材等人工建设物，使得城市下垫面的热容量、导热率和热惯性等物理属性发生了变化。同时，城市的发展也会导致城市热排放的集中，使得城市热环境的热量增加。这些因素共同作用，导致城市热环境恶化和热岛效应的产生。热岛效应已经成为一个全球性的环境问题，对城市可持续发展、生态环境和居民健康产生了严重影响。因此，深入研究城镇化对热环境空间特征和动态变化的影响，对于探索缓解热岛效应的策略和优化城市热环境质量具有重要意义。其中，可以通过城市规划、建筑设计、植被覆盖和热岛区绿化等手段来减轻城市热环境的负面影响。此外，还可以通过技术手段如建筑节能、绿色交通等来降低城市热排放量，改善城市热环境。这些措施的实施，将有助于缓解热岛效应的问题，促进城市的可持续发展。
[0003]许多学者已经开展了大量关于城镇发展与热环境关系的研究，这些研究主要依托气象观测与遥感技术，常以地表温度(LST)作为热环境的量化指标。这些研究多聚焦于以下两个方面：一方面是以不透水地表作为城镇土地覆盖的表征，分析城镇发展引发的土地变化对LST的影响。许多学者建立了不透水地表盖度、归一化建筑指数以及不透水地表景观格局指数与LST的数学模型，或探讨LST空间分布对不透水地表演变的响应规律。另一方面是探讨人类活动等城镇发展的社会经济要素与LST的关系。尽管目前的研究取得了许多成果，但仍存在以下问题：研究方法多以相关性分析、普通线性回归分析为主，忽视了城镇发展与LST的空间异质性，难以深入探讨城镇发展的空间变异性对LST的影响。因此，未来的研究应注重城镇发展与LST的空间异质性，拓展研究区域，以更全面的视角探讨城镇发展与LST之间的关系，并为不同地区的决策提供支持。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的上述缺陷，本专利技术提出了一种用于检测城市扩张过程中地表温度规律的方法，从城市扩张特征与地表温度的定量联系、空间耦合关系与发展协调关系入手，可较好厘清城市扩张中地表温度的规律。
[0005]本专利技术的目的通过以下步骤实现：
[0006]步骤1)基于不变目标区域方法对夜间灯光数据进行去饱和处理，并通过灯光阈值法提取城市不透水面信息，并进行精度验证；
[0007]步骤2)：将提取出来的不透水面作为城市区域，通过CA面积指数、FRAC形态指数衡量城市扩张特征；
[0008]步骤3)：结合上述城市扩张特征与地表温度数据，基于pearson相关性分析、总体耦合态势模型和耦合协调度模型，得到城市扩张特征与地表温度的定量联系与空间耦合关系，从而探明城市扩张中地表温度的规律。
[0009]进一步，所述步骤1)的具体方法为：
[0010]a)对夜间灯光遥感影像进行三步预处理工作：利用基于不变目标区域方法对夜间灯光数据进行去饱和校正，采用灯光阈值法提取城市不透水面信息；b)利用GoogleEarth影像人工解译法验证提取结果在空间位置上的准确性，考虑到大尺度GoogleEarth影像获取和处理难度，只验证主城区的提取结果。
[0011]该方法利用提取的夜间灯光数据反映城市扩张区域，夜间灯光数据在城市空间演化、城市规模度量方面具有较高的可行性和可信度。故总体来说，夜间灯光数据反映的城市建成区能够与城市实际地理位置准确叠合，可以真实反映城市边界、空间形态和城市发育过程等空间信息。
[0012]进一步，所述步骤2)的具体方法为：
[0013]a)以不透水面斑块像元为输入，斑块大小作为权值，计算研究区范围内的不透水面面积，具体计算公式如下：
[0014][0015]其中CA
j
为城市单元j的斑块总面积；第a
ij
为城市单元j中第i个斑块面积。
[0016]b)以不透水面斑块像元为输入，斑块大小作为权值，计算研究区范围内的FRAC指数，FRAC指数反映城市单元外部空间形态的复杂性，具体计算公式如下：
[0017][0018]其中FRAC
j
为城市单元j的加权斑块分维数；p
ij
为城市单元j中第i个斑块周长。
[0019]进一步，所述步骤3)的具体方法为：
[0020]a)分别统计各年份城市单元规模、形态以及热岛面积数值，在此基础上分别对城市规模、形态与高温区域面积两两进行Pearson相关性分析，从而得到城市扩张特征与高温区域地表温度变化的定量关系；
[0021]b)分别计算城市区域与高温地表温度区域的加权中心，并通过总体耦合态势模型衡量两者加权中心的距离与移动夹角来判断两者的空间耦合关系，总体耦合态势模型计算公式如下：
[0022][0023][0024][0025]其中C
t
为城市用地或高温地表温度区域的加权中心；X
t
、Y
t
分别为t时期加权中心的坐标；L为t时期城市用地与高温地表温度区域加权中心的空间距离；X
LST,t
、Y
LST,t
与X
UL,t
、Y
UL,t
分别为t时期城市用地与高温地表温度区域加权中心的坐标；α为某一时段内城市用地与高温地表温度区域加权中心转移的夹角。
[0026]c)分别计算各单元城市扩张增长率与高温地表温度区域增长率，并引入协调性模型来衡量两者变化的协调关系，协调性模型计算公式如下：
[0027][0028]其中O为城市用地、热岛区域变化的协调系数；UR、TR分别为城市用地面积与热岛面积的年平均增长率。O区间范围为[0,1]，O越接近1，则UR、TR两者变化的协调性越高，O越接近0，则UR、TR两者变化的协调性越低。若0.8＜O≤1.0，则UR、TR属于协调类型；若0.5＜O≤0.8，则UR、TR属于磨合类型；若0≤O≤0.5，则UR、TR属于拮抗类型。
[0029]该方法分别从城市扩张与地表温度两者间的定量关系、空间耦合关系、协调发展联系三方面考虑了城市扩张与地表温度变化之间的响应关系，从而有效识别了城市扩张过程中地表温度的扩张规律。
附图说明
[0030]图1为城市扩张区域和地表温度分布情况图；
[0031]图2为城市扩张特征指数计算结果图；
[0032]图3为城市扩张特征本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于检测城市扩张过程中地表温度规律的方法，该方法包括如下步骤：步骤1)：基于不变目标区域方法对夜间灯光数据进行去饱和处理，并通过灯光阈值法提取城市不透水面信息，并进行精度验证；步骤2)：将提取出来的不透水面作为城市区域，通过CA面积指数、FRAC形态指数衡量城市扩张特征；步骤3)：结合上述城市扩张特征与地表温度数据，基于pearson相关性分析、总体耦合态势模型和耦合协调度模型，得到城市扩张特征与地表温度的定量联系与空间耦合关系，从而探明城市扩张中地表温度的规律。2.根据权利要求1所述的一种用于检测城市扩张过程中地表温度规律的方法，其特征在于，所属步骤1)的具体方法为：a)对夜间灯光遥感影像进行三步预处理工作：利用基于不变目标区域方法对夜间灯光数据进行去饱和校正，采用灯光阈值法提取城市不透水面信息；b)利用GoogleEarth影像人工解译法验证提取结果在空间位置上的准确性，考虑到大尺度GoogleEarth影像获取和处理难度，只验证主城区的提取结果；该方法利用提取的夜间灯光数据反映城市扩张区域，夜间灯光数据在城市空间演化、城市规模度量方面具有较高的可行性和可信度，故总体来说，夜间灯光数据反映的城市建成区能够与城市实际地理位置准确叠合，可以真实反映城市边界、空间形态和城市发育过程等空间信息。3.根据权利要求1所述的一种用于检测城市扩张过程中地表温度规律的方法，其特征在于，所属步骤2)提出了城市扩张特征的计算方法，具体方法为：a)以不透水面斑块像元为输入，斑块大小作为权值，计算研究区范围内的不透水面面积，具体计算公式如下：其中CA
j
为城市单元j的斑块总面积；第a
ij
为城市单元j中第i个斑块面积；b)以不透水面斑块像元为输入，斑块大小作为权值，计算研究区范围内的FRAC指数，FRAC指数反映城市单元外部空间形态的复杂性，具体计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琳，林中原，
申请(专利权)人：林中原，
类型：发明
国别省市：