CN104765903A - 一种融合多源遥感和气候环境信息的综合性城市气候环境评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种综合分析与评估针对多季节、多环境要素，空间化、可视化的城市气候环境研究方法，属于城市气候环境应用领域的研究。该分析与评价方法充分考虑了复杂的地形效应和海-陆-气相互作用，融合了四季的城市气候环境和城市规划信息，以二维图形为主要形式将现状和规划背景下的城市气候环境问题展现出来，并针对各季节对应的城市气候环境问题提出规划建议，可以有效缓解城市热污染和空气污染问题。该城市气候环境评价与分析方法具有综合性、实时性、易获取、易应用等优点，该方法的相关成果可以作为城市规划、城市气候和生态人居环境建设领域的重要决策依据。

Description

一种融合多源遥感和气候环境信息的综合性城市气候环境评估方法

技术领域

本发明专利涉及城市气候环境应用领域，尤指一种针对多季节、多环境要素，空间化、可视化的城市气候环境综合分析与评估方法。

背景技术

目前, 全球各地城市化蓬勃发展,需要有效的城市气候环境信息及规划措施来缓解城市气候环境问题,这为城市气候环境研究提供了新的契机。城市气候环境分析与评估工作是一种融合了城市下垫面物理特征、气候环境要素和环境问题要素的信息分析与评估工具，利用两维空间展现城市气候环境现象和城市气候环境问题，并结合城市下垫面土地覆被现状等作出科学评估最终指导城市建设与规划实践。

当前，城市气候环境分析与评估方法在季节方面上仅考虑夏季或冬夏季节，缺乏对四季城市气候环境的全面综合分析；在评估环境问题方面多数仅考虑城市热岛问题，即便考虑空气污染也很少考虑灰霾等近几年才在国内得到重视的环境问题；在获取大气和热环境信息方面多采用地面台站监测数据，而缺乏多源遥感反演信息的综合应用；在季风性气候区由于复杂的物理环境和快速发展的城市化形成了具有明显季节性变化的城市气候环境特征，仅从研究区尺度下分析评价夏季单一季节或单一环境问题的城市气候环境研究已不能满足这些城市发展规划需要。因此，应用综合分析与评价研究区及其背景区域的多季节、多环境要素相结合的城市气候环境研究方法才适用于季风气候地区的复杂物理环境、多环境要素的城市气候环境分析与评估研究，而这些方面的研究欠缺。

发明内容

针对现有研究中存在的问题，本发明以宁波市区为例提供了一种应用于研究区及其背景区域尺度的针对多季节、多环境问题，空间化、可视化的城市气候环境综合分析与评估方法。

为实现上述目的，本发明城市气候环境的城市气候环境分析与评估方法，具体流程为：

S1. 获取影响城市气候环境的研究区及其背景区域针对多个季节、多种环境问题的数据源，并进行数据处理与分析。

S2. 在地理信息系统GIS平台下，分析各季节下垫面物理特性，进而分析各季节的热负荷、风流通潜力、空气污染状况和风环境。

S3. 分析与评估研究区及其背景区域的城市气候环境信息。

S4. 基于研究区及其背景区域的城市气候环境分析结果提出规划建议、分析与评估研究区城市气候环境信息。

S5. 基于研究区城市气候环境分析与评价结果提出规划建议。

附图说明

图1为依照本发明专利综合分析与评价城市气候环境方法的流程图。

图2a为本发明研究区及其背景区域的春季热负荷分析。

图2b为本发明研究区及其背景区域的夏季热负荷分析。

图2c为本发明研究区及其背景区域的秋季热负荷分析。

图2d为本发明研究区及其背景区域的冬季热负荷分析。

图3a为本发明研究区及其背景区域的春季空气污染分析。

图3b为本发明研究区及其背景区域的夏季空气污染分析。

图3c为本发明研究区及其背景区域的秋季空气污染分析。

图3d为本发明研究区及其背景区域的冬季空气污染分析。

图4a为本发明研究区及其背景区域的春季风流通潜力分析。

图4b为本发明研究区及其背景区域的夏季风流通潜力分析。

图4c为本发明研究区及其背景区域的秋季风流通潜力分析。

图4d为本发明研究区及其背景区域的冬季风流通潜力分析。

图5a为本发明研究区及其背景区域的春季风环境分析。

图5b为本发明研究区及其背景区域的夏季风环境分析。

图5c为本发明研究区及其背景区域的秋季风环境分析。

图5d为本发明研究区及其背景区域的冬季风环境分析。

图6a为本发明研究区及其背景区域的春季的城市气候环境分析。

图6b为本发明研究区及其背景区域的夏季的城市气候环境分析。

图6c为本发明研究区及其背景区域的秋季的城市气候环境分析。

图6d为本发明研究区及其背景区域的冬季的城市气候环境分析。

图7为本发明研究区及其背景区域的城市气候环境分析。

图8为本发明研究区的城市气候环境规划建议。

图9为本发明研究区的城市气候环境规划建议。

具体实施方式

本发明提出的空间化、可视化的城市气候环境综合分析与评估方法城市气候环境，结合附图及实际案例详细说明如下：

S1.获取影响城市气候环境的研究区及其背景区域针对多个季节、多种环境问题的数据源，并进行数据处理与分析。

在遥感图像处理软件ENVI平台下提取各季节城市气候环境影响因子的地表覆被；;基于Landsat8影像的热红外波段Band10反演地表温度，获得热负荷分布；利用MODIS影像数据反演的气溶胶光学厚度AOD，分析获得空气污染物分布；基于气象数据利用中尺度数值模拟系统WRF模拟获得可视化的风环境分布。

1)        植被分布、水系分布、建筑分布

通过ENVI平台对每一景Landsat8影像数据进行波段合成、非监督分类、NDVI归一化植被指数、地表温度反演等影像处理。利用非监督分类方法把地表覆被分为5类：森林、草地、建设用地和裸地、水体、其它，并通过归一化植被指数NDVI提取的植被和水体对非监督分类结果进行修正。NDVI公式为：NDVI=（ρ5－ρ4）/（ρ5+ρ4）其中，ρ4为第4波段的反射率；ρ5为第5波段的反射率。借鉴以往研究经验，通过NDVI来分段取值：NDVI＜0，判断为水体；0＜NDVI＜0.65，判断为植被裸土混合类型；NDVI＞0.65，判断为植被。

通过GIS平台把分类结果统一为GCS_WGS_1984地理坐标系，UTM_Zone_51N投影坐标系为， 30m*30m分辨率的研究区及其背景区域尺度影像。其中，夏季宁波裸地的分布极少，所以选取分类结果中夏季的“建设用地和裸地”作为四季的“建设用地”；水体因其季节变化较小，所以选取夏季水体分布作为四季水体分布。

2)        温度分布

全球气候环境的改变和现代城市的高速发展导致城市热岛的出现，城市热岛不仅降低人体舒适度而且加剧了空气污染。并且由于城市下垫面的差异性、季风性气候的季节性分布导致了城市热岛的空间分布的差异性。以往城市气候环境气候环境分析与评价方法多采用的气象站观测法、定点观测能够精确了解观测点的气温，为计算热岛效应强度提供精确的数据，但是此类方法受限于观测点分布不均匀，在空间上无法形成连续的表面，因此不能全面准确的反映城市热岛强度的空间分布。而遥感监测能进行大面积的测定，定量直观的描述了热岛强度的空间分布态势。

地表温度反演方法为：基于ENVI平台，用预处理后的Band10（波长为10.6μm—11.19 μm）热红外波段和分类结果进行地表温度反演得到地表温度分布，反演过程如表2所示。

表2  Landsat8 温度反演过程 

其中，地表比辐射率ε的计算：森林ε=0.986；草地ε=0.986；建筑用地和裸地ε=0.970；水体ε=0.995；其它ε=1。

3)        斜坡分布

基于GIS平台，利用DEM数据提取坡度值大于等于40%的区域。

4)        人口密度分布

基于GIS平台，利用与常住人口统计数据相关联的乡镇街行政区划矢量数据进行空间化、可视化处理。

5)        空气污染分布

基于ENVI平台，利用暗像元算法DDV对宁波地区4景MODIS L1B 1KM遥感影像数据进行气溶胶光学厚度 AOD反演，得到大气气溶胶光学厚度的空间分布。暗像元法是指利用获取的大气效应很小的短波红外波段（2.1μm）及该波段地表反射信息，然后通过与红光波段、蓝光波段反射率的线性关系获得红光和蓝光波段地表噪声的算法。反演流程包括：辐射校正、几何校正（发射率几何校正、反射率几何校正、角度数据集几何校正）、波段合成和裁剪、云监测、气溶胶反演。其中，气溶胶反演的查找表是利用IDL调用6S辐射模型得到。

6)        风环境分布

在拥有复杂的下垫面物理特性和季风气候区，仅应用以往城市气候环境分析与评价的风玫瑰图、盛行风向难以反映研究区风环境分布及变化态势。因此本专利应用中尺度数值预报模式WRF2.2，对研究区2013年1月、4月和2014年7月、10月的平均风速、平均风向、平均气压分别进行模拟。模式采用四重嵌套方式，第四层（最内层）网格模拟区域包括研究区及其周围背景区域120.55°E～122.64°E、28.98°N～30.49°N，水平格距为3km，格点数为66×54，每1 h输出一次结果。在模式微物理过程的参数选择上，粗细网格均采用Ferrier（new Eta）方案；长波辐射均选用RRTM方案；短波辐射均选用Dudhia方案；近地面方案选用Monin-Obukhov方案；陆面过程采用Noah陆面参数化方案，并耦合了城市冠层模型；积云参数化方案粗网格选择Betts-Miller-Janjic方案，细网格不采用积云参数化方案；边界层方案选择MRF方案。

S2. 基于GIS平台，分析各季节下垫面物理特性，分析以下4个季节气候环境信息：热负荷分析、风流通潜力分析、空气污染分析、风环境分析，各分析结果方法如下:

1）热负荷分析方法：通过温度分布计算获得热贡献指数，公式如下：

式中为区域平均气温，为第i类土地利用类型对应的温度值。对热贡献指数分布进行重分类得到热负荷分析结果，共分为7类，如表3所示。

表3 热负荷分析结果构成类型 

类型	-3	-2	-1	0	1	2	3
								热贡献指数范围	(-∞,-0.25)	[-0.25,-0.15)	[-0.15,-0.05)	[-0.05,0.05]	(0.05,0.15]	(0.15,0.25]	(0.25,+∞)

2）空气污染分析方法：对MODIS反演得到的大气气溶胶光学厚度分布进行重分类，分类方法如表4所示。

表4 空气污染分析结果构成类型 

类型	0	1	2	3
					AOD值	[0,0.5]	(0.5,0.75]	(0.75,1]	(1,+∞)

3）风流通潜力分析方法：风流通潜力主要受水体、坡度、植被、建筑物影响，把以上4个方面影响因子进行叠置分析、重分类为5类，不具有风流通潜力的区域赋值为0，如表5所示。

表5 风流通潜力分析结果构成类型

4）风环境分析方法：把WRF模拟结果的月平均风向、月平均风速、月平均气压结果进行叠置分析。

S3. 分析与评估研究区及其背景区域的城市气候环境信息。

方法：将各个季节的热负荷分析结果、污染物分析结果、风流通潜力分析结果分别进行叠加分析、重分类后结合各季节的风环境分析获得以下分析结果：春季城市气候环境分析、夏季城市气候环境分析、秋季城市气候环境分析、冬季城市气候环境分析。然后，将四季节的城市气候环境分析进行叠置、融合，获得全年的研究区及其背景区域尺度的城市气候环境分析。

S4. 基于研究区及其背景区域的城市气候环境分析结果提出规划建议、分析与评价研究区城市气候环境信息。

研究区及其背景区域的城市气候环境规划建议方法：根据各季节城市气候环境分析与评价规划气候环境单元（价值区和风险区）提出主要风道、次要风道规划方案，并对四季风道进行汇总。

研究区城市气候环境分析方法：在研究区及其背景区域尺度的城市气候环境分析的基础题上，提取研究区城市气候环境分析。

S5. 基于研究区城市气候环境分析与评价结果提出规划建议。

方法：在研究区尺度上的城市气候环境分析和研究区及其背景区域尺度上的城市气候环境规划建议基础上对研究区进行规划，研究区尺度上的规划需符合研究区及其背景尺度的规划方案。

规划原则：利用风道上游的城市价值区改善城市风险区；风道规划需考虑水体和绿地的降温效应，尽量依附于现有水体或交通要道；沿海城市要充分利用海风，使其充分渗透到城市风险区；控制建筑物的高度，使建筑物面向主要风向及通风廊道，降低建筑物对风道的阻力作用；对城市中心主要风口需进行重点保护，提高水体和绿地的占有率；营造城市高价值区之间的绿色联系，提高高价值区的影响力；避免在高风险区建造庞大的建筑物或高风险区周围形成屏风效应等。

Claims (6)

1.本专利发明是一种融合多源遥感和气候环境信息的综合性城市气候环境评估方法，其特征在于包括以下几个步骤：S1. 获取影响城市气候环境的研究区及其背景区域针对多个季节、多种环境问题的数据源，并进行数据处理与分析;S2. 在地理信息系统GIS平台下，分析各季节下垫面物理特性，输出以下4个季节分析结果：热负荷分析、风流通潜力分析、空气污染分析、风环境分析;S3. 分析与评估研究区及其背景区域的城市气候环境信息;S4. 基于研究区及其背景区域的城市气候环境分析结果提出规划建议、分析与评估研究区城市气候环境信息;S5. 基于研究区城市气候环境分析与评价结果提出规划建议。

2.如权利要求1所述的本发明专利综合分析与评估针对多季节、多环境要素的城市气候环境，提高了城市气候环境分析与评价的综合性、全面性、准确性。

3.如权利要求1所述的本发明专利在分析与评价城市气候环境方法时不仅考虑研究区的城市气候环境，而且综合考虑了研究区及其背景区域的城市气候环境。

4.如权利要求1所述的本专利在研究区及其背景区域尺度上，从春季、夏季、秋季、冬季四个季节综合分析与评价季风性城市气候环境。

5.如权利要求1所述的本专利发明同时考虑了热污染和空气污染问题，并且应用了具有全面性、大范围的空间污染物数据：MODIS遥感数据影像反演得到的大气气溶胶光学厚度AOD。

6.如权利要求1所述应用了新一代数值模拟方法WRF获取风环境信息，大大提高了风环境的综合性、准确性。