基于遥感的城市不透水率反演及城市热岛和降水相关性研究

发布时间：2020-07-18 19:53

【摘要】：城市化进程的一个重要指标是不透水下垫面的扩张,包括住房、道路、商业设施以及公共服务设施等硬化下垫面的增加。城市不透水面的增加会使城市水文循环发生改变,造成城市热岛、城市雨岛和城市干岛等现象。目前在全国范围大力推进的海绵城市建设,其目的是减少城市开发对水文循环的影响,减少城市热岛、城市雨岛和城市干岛等现象。作为海绵城市规划的重要指标,城市不透水面的精确计算对于海绵城市的规划设计,尤其是对已建成区的海绵城市改造,有极其重要的意义。同时如何评估城市不透水下垫面对城市热岛和降水的影响,对海绵城市的建设评估也有着重要意义。本研究尝试在这几方面做一些探索性的研究。与传统统计资料相比,遥感数据在信息的丰富程度和时空尺度上具有极大的优势。卫星搭载遥感传感器可以突破人眼观测的极限,能够实现接收不同波长的光谱信息,对这些光谱信息进行分类研究,可以比较精确地反演城市不透水面的信息。本论文选择位于河南省北部,包括安阳市、汤阴县城以及鹤壁市淇滨区的一片区域为研究区域。研究中使用的数据包括遥感数据、地面验证数据和降水数据,其中遥感数据包括Landsat 5 TM 1993年~2011年的长系列影像和MODIS卫星中国区域2000年~2015年的温度合成产品,地面验证数据为高精度的鹤壁市淇滨区经过校核的1:1000地形图,降水数据为安阳气象站1951年~2014年的日降水数据。研究首先建立BP人工神经网络分类器,对最小分量变换处理后的Landsat 5TM影像进行不透水面和透水面的分类提取,得到鹤壁市淇滨区的不透水率盖度图,并将1:1000地形图进行从AutoCAD进行GIS转换,使用转换后的数据对不透水面提取结果进行分类精度验证,得到分类的总体精度为79.82%,不透水类用户精度为82.31%,不透水类的生产者精度为83.49%,Kappa系数为0.65,说明本次分类的一致性较高。在此基础上,对鹤壁市淇滨区1993年~2011年的不透水面进行了提取,分析了该区域不透水面扩张和城市发展的模式。为了分析研究区域的城市变化发展程度,对整个研究区域进行了不透水面的提取制图,得到了研究区域2000年~2011年不透水面的动态变化。为了研究城市不透水下垫面的扩张对温度和降水的影响,本研究尝试了如下方法,并用数据找出了一些关系:1、将城镇化前后差异较大的年份做为分割降水数据的节点,应用学生T检验和Mann-Kendall趋势检验,对1951年~2014年的降水数据进行了趋势分析,结果表明在此期间降水数据没有明显的变化。2、城市热岛效应的效果在夏季会更加显著,且城市建筑物在夜间的持温能力更强,据此,研究对研究区域城市和郊区的夏季夜间温度进行了统计对比,并通过对城区温度变化趋势和幅度的对比排除了全球气温上升的影响,结果表明城市扩张会造成明显的热岛效应。3、城市扩张对城区气候的影响机制十分复杂,为检验城市热岛与降水之间的相关关系,应用皮尔逊积矩相关系数法,对研究区域2000年~2014年的城市夏季夜间温度和年降水进行了相关性检验,结果显示热岛效应与降水之间存在显著的相关性。本研究有如下创新点和发现:1、采用自创的BP人工神经网络分类器对遥感图片进行解译,得到了比较可靠的结果。2、尝试利用Mann-Kendall趋势检验和学生T检验结合的方法来研究城镇化对降水和温度的影响。3、应用皮尔逊积矩相关系数法,得出城市夏季夜间温度和年降水存在显著相关性。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P407;X16;P426.6
【图文】：

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研究路线示意图

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图 2-1 神经网络节点示意图.2 BP 神经网络的二分类误差反向传播 BP（Error Back Propagation）算法是人工神经网络的算法本思想是网络学习的过程由信息的正向传播和误差的反向传播两个过程结构分为输入层、中间层和输出层。输入层各神经元接收来自外界的输传递给中间层各神经元；中间层是内部信息处理层，负责信息变换，根求，中间层可以设计为单隐层或者多隐层结构；输出层负责在完成一次向传播处理过程后向外界输出处理结果。若输出的结果与期望值不符，差的反向传播阶段，该过程中误差按照梯度下降的方式修正各层的权值层和输入层逐层反传。由此可知，循环往复的信息正向传播和误差反向网络各层权值不断调整的过程，即神经网络学习和训练的过程，该过程误差减小到可接受的程度，或者根据需要预先设定学习次数。BP 神经网络的训练方法有基本梯度下降法、共轭梯度法、一步分割法等

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图 3-1 研究区域地理位置示意图3.2 数据选取和预处理本研究主要使用了三种数据，分别是遥感数据、地面真实参考数据和地面站降水数据。遥感数据采用了 Landsat 5 TM（Thematic Mapper）专题制图仪 1993 年～2011 年的遥感数据和 MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）中分辨率成像光谱仪 2000 年～2015 年的 MODLTIM 地表温度中国合成产品；地面真实参考数据使用了鹤壁市相关部门提供的 1:1000 地形图；降水数据采用了地面站观测资料。其中 Landsat 5 TM 用来做研究区域不透水面的提取和制图，1:1000地形图数据用来做不透水面提取精度的验证，降水数据用来分析不透水面扩张对降水的响应关系，MODIS MODLTIM 地表温度中国合成产品辅助城市发展对降水的影响分析。表 3.1～3.3 为本论文所用数据列表。表 3.1 Landsat 5 TM 数据列表

【参考文献】