CN109598379B - 一种基于温度反演的城市国土三生空间优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于温度反演的城市国土三生空间优化方法，即在土地利用分类体系的基础上，基于地表温度遥感数据，结合已有城市国土三生空间数据，构建城市各地类地表温度强度与城市平均地表温度反演的函数关系模型；并将人体感官的适宜温度区间作为优化目标，最终确定城市国土三生空间优化配置方案，用以降低城市热效应，优化国土空间热环境结构。本发明通过定量构建地表温度与城市三生空间的数学关系，从人体感官的适宜温度区间视角对城市国土三生空间布局进行优化。该方法可更好地揭示城市三生空间的异质性，辨识出不同城市空间的热特征差异，为城市空间优化布局提供科学、定量化的决策方法。

Description

一种基于温度反演的城市国土三生空间优化方法
技术领域
本发明属于国土空间规划和城镇规划领域，具体涉及一种基于温度反演的城市国土三生空间优化方法。
背景技术
国土资源作为工业化、城镇化和农业现代化的重要载体，伴随GDP导向的社会经济飞速发展，城市国土三生空间布局失衡、以热岛效应为代表的城市热环境问题日趋凸显，热浪、雾霾等伴生灾害大大降低了城市居民生活质量且严重削弱城市可持续发展能力，并导致城市生产、生活和生态(以下简称三生)空间功能失衡。因此，如何科学优化城市三生空间，成为国土空间规划和城市可持续发展的重要技术难题。
目前，城市国土三生空间规划通常采用地类功能价值量测分析等方法进行国土空间优化，但当前技术方法侧重地类结构的景观参数，主要考虑了各地类的自然功能结构和数量大小，较少考虑城市空间的宜居功能和生态空间降低城市热风险的作用，关键缺乏为实现城市宜居的国土三生空间优化提供具体且具可操作性的技术方法。
发明内容
发明目的：本发明公开了一种基于温度反演的城市国土三生空间优化方法，该方法能够解决现有城市国土三生空间优化方法侧重地类的自然功能结构和数量大小、较少考虑城市空间的宜居功能和生态空间降低城市热风险作用等技术难题。
技术方案：本发明公开了一种基于温度反演的城市国土三生空间优化方法，该方法基于城市地表温度遥感反演数据，结合国土三生空间地理空间矢量数据，构建城市各空间地表温度强度与城市平均地表温度反演的函数关系模型，并将人体适宜温度区间作为优化目标，最终确定城市三生空间优化科学方案和技术方法。该方法具体包括如下步骤：
步骤1：影像预处理：
对于同一场景的城市国土三生空间矢量数据和地表温度数据进行坐标转换，统一转换为UTM投影坐标系；将坐标转化后的地表温度反演数据转化为矢量点数据，并提取研究区地表温度均值；
步骤2：城市国土三生空间地表温度强度函数提取
首先利用同一空间位置的城市国土三生空间矢量数据与地表温度矢量点数据提取各期城市国土各空间的地表温度平均值，然后结合研究区平均地表温度构建各空间地表温度强度函数；
所述三生空间地表温度强度函数提取过程如下：
A1：以提取的城市国土三生空间地表温度平均值为因变量，以研究区对应地表温度均值为自变量进行回归分析，依据回归拟合度R-squared越大越优的原则获取城市国土各空间地表温度变化函数；
ALSTi＝a×(ALSTY+273.13)+b-273.13
ALSTi＝b×(ALSTY+273.13)a-273.13
Figure GDA0004138406890000022
ALSTi＝ln(a×(ALSTY+273.13)+b)-273.13
其中，ALSTi：第i类城市国土空间类型地表温度平均值(℃)；ALSTY：为研究区地表温度平均值(℃)；a，b为回归分析内的常数项。
A2：将获取的城市国土三生空间地表温度变化函数减去研究区对应地表温度平均值，获取城市国土三生空间地表温度强度函数；
LSTci＝ALSTi-ALSTY
其中，LSTci：第i类城市国土空间类型地表温度强度值(℃)。
步骤3：利用步骤2提取的城市国土各空间地表温度强度函数进行城市国土三生空间优化
步骤3.1三生空间地表温度综合强度函数构建；
将步骤2所得城市国土三生空间地表温度强度函数两两之间配比相加，构建三生类空间地表温度综合强度函数；
LSTci&cj＝p×LSTci+(1-p)×LSTcj-LSTck
其中，LSTci&cj：第i与第j类空间地表温度综合强度值；p：第i类空间面积比例(0～1)；LSTck：面积转出的国土空间类型地表温度强度值(℃)。
步骤3.2城市国土三生空间结构优化模型构建；
依据人体适宜温度区间(18～22℃)，设立城市国土三生空间结构优化模型；
Figure GDA0004138406890000021
步骤3.3城市国土三生空间结构化求解；
将步骤3.1所得三生空间地表温度综合强度代入步骤3.2城市国土三生空间结构优化模型求解p值取值范围，求取三生空间面积比例配置区间，实现城市国土三生空间面积结构优化。
有益效果：
1、本发明构建了城市国土三生空间优化方法体系，体现了城市空间的宜居功能和生态空间降热风险功能，拓展了城市国土三生空间优化的实质内涵；
2、本发明基于城市地表温度空间异质性，从城市三生空间和热环境优化角度，以人体适宜体感温度为目标构建城市三生空间优化模型和方法，对城市三生空间进行优化更符合生态文明宜居城市建设目标；
3、本发明将城市热岛效应视为热资源，有利于城市低温季节的热环境优化，减少城市热能的消费量，以人为主体，拓展了城市热环境优化的实质内涵。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为2010年3月19日地表温度反演图；
图3为2010年徐州市国土三生空间矢量图；
图4为徐州市内部各土地利用热效应曲线图；
图5为本发明温度低调节能耗视角下徐州市国土三生空间优化配置表。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种结合地表温度和三生空间数据的城市空间优化方法，包括以下几个步骤：
步骤1：影像预处理
对于同一场景的徐州市国土三生空间矢量数据和地表温度遥感数据进行坐标转换，统一转换为UTM投影坐标系；将坐标转化后的地表温度数据转化为矢量点数据，并提取研究区地表温度均值；
步骤2：徐州市国土各空间地表温度强度函数提取
首先利用同一空间位置城市国土三生空间矢量数据与地表温度矢量点数据提取各期城市各空间的地表温度平均值，然后结合研究区平均地表温度构建各空间地表温度强度函数；
所述各空间强度函数提取过程如下：
A1：以提取的徐州市国土各空间地表温度平均值为因变量，以研究区对应地表温度均值为自变量进行回归分析，依据回归拟合度R-squared越大越优原则获取徐州市国土各空间地表温度变化函数；
ALSTi＝a×(ALSTY+273.13)+b-273.13
ALSTi＝b×(ALSTY+273.13)a-273.13
Figure GDA0004138406890000042
ALSTi＝ln(a×(ALSTY+273.13)+b)-273.13
其中，ALSTi：第i类城市国土空间类型地表温度平均值(℃)；ALSTY：为研究区地表温度平均值(℃)；a，b为回归分析内的常数项。
A2:将获取的徐州市国土各空间地表温度变化函数减去研究区对应地表温度平均值，获取城市国土各空间地表温度强度函数；
LSTci＝ALSTi-ALSTY
其中，LSTci:第i类城市国土空间类型地表温度强度值(℃)。
步骤3:利用步骤2提取的城市国土各空间地表温度强度函数进行城市国土三生空间结构优化；
步骤3.1各空间地表温度综合强度函数构建；
将步骤2所得徐州市国土各空间地表温度强度函数两两之间配比相加，构建各空间地表温度综合强度函数；
LSTci&cj＝p×LSTci+(1-p)×LSTcj-LSTck
其中，LSTci&cj：第i与第j类空间地表温度综合强度值；p：第i类空间面积比例(0～1)；LSTck：面积转出的国土空间类型地表温度强度值(℃)。
步骤3.2徐州市国土三生空间结构优化模型构建；
依据人体适宜温度区间(18～22℃)，设立城市国土三生空间结构优化模型；
Figure GDA0004138406890000041
步骤3.3徐州市国土三生空间结构化求解；
将步骤3.1所得各空间地表温度综合强度代入步骤3.2城市土地利用结构优化模型求解p值取值范围，求取各空间面积比例配置区间，实现城市国土三生空间结构优化。

Claims (2)

1.一种基于温度反演的城市国土三生空间优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：影像预处理：
对于同一场景的城市国土三生空间矢量数据和地表温度数据进行坐标转换，统一转换为UTM投影坐标系；将坐标转化后的地表温度反演数据转化为矢量点数据，并提取研究区地表温度均值；
步骤2：城市国土三生空间地表温度强度函数提取：
首先利用同一空间位置的城市国土三生空间矢量数据与地表温度矢量点数据提取各期城市国土各空间的地表温度平均值，然后结合研究区平均地表温度构建各空间地表温度强度函数；所述步骤2中三生空间地表温度强度函数具体提取过程如下：
A1：以提取的城市国土三生空间地表温度平均值为因变量，以研究区对应地表温度均值为自变量进行回归分析，依据回归拟合度R-squared越大越优的原则获取城市国土各空间地表温度变化函数；
ALSTi＝a×(ALSTY+273.13)+b-273.13
ALSTi＝b×(ALSTY+273.13)a-273.13
Figure FDA0004138406870000011
ALSTi＝ln(a×(ALSTY+273.13)+b)-273.13
其中，ALSTi：第i类城市国土空间类型地表温度平均值，单位℃；ALSTY：为研究区地表温度平均值，单位℃；a，b为回归分析内的常数项；
A2：将获取的城市国土三生空间地表温度变化函数减去研究区对应地表温度平均值，获取城市国土三生空间地表温度强度函数；
LSTci＝ALSTi-ALSTY
其中，LSTci：第i类城市国土空间类型地表温度强度值，单位℃；
步骤3：利用步骤2提取的城市国土各空间地表温度强度函数进行城市国土三生空间优化；所述步骤3中三生空间优化具体步骤为：
步骤3.1三生空间地表温度综合强度函数构建；
将步骤2所得城市国土三生空间地表温度强度函数两两之间配比相加，构建三生类空间地表温度综合强度函数；
LSTci&cj＝p×LSTci+(1-p)×LSTcj-LSTck
其中，LSTci&cj：第i与第j类空间地表温度综合强度值；p：第i类空间面积比例；LSTck：面积转出的国土空间类型地表温度强度值，单位℃；
步骤3.2城市国土三生空间结构优化模型构建；
依据人体适宜温度区间，设立城市国土三生空间结构优化模型；
Figure FDA0004138406870000021
其中Tmax为人体适宜温度区间的最大温度值，Tmin为人体适宜温度区间的最小温度值；
步骤3.3城市国土三生空间结构化求解；
将步骤3.1所得三生空间地表温度综合强度代入步骤3.2城市国土三生空间结构优化模型求解p值取值范围，求取三生空间面积比例配置区间，实现城市国土三生空间面积结构优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度反演的城市国土三生空间优化方法，其特征在于：所述步骤3.2中人体适宜温度区间设定为18℃～22℃，即Tmax＝22℃，Tmin＝18℃。
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