《遥感影像的多学科应用》(3)

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1、武汉大学资源与环境学院 刘吉平武汉大学资源与环境学院 刘吉平 L遥感影像的多学科应用遥感影像的多学科应用Multi-disciplinary Application of Remote Sensing Imagery通识教育选修课 TX-05059遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院1课程内容与学时分配课程内容与学时分配2考试2第八讲 遥感在其他学科领域中的应用2第七讲 遥感在城市研究中的应用2第六讲 遥感在气象科学中的应用2第五讲 遥感在环境科学中的应用2第四讲 遥感在资源科学中的应用2第三讲 遥感在天文学中的应用2第二讲 怎样分析遥感信息4第一讲 什么是遥感学 时内容遥感技术与应用武汉大学

2、资源与环境学院2城市 城市的定义非常困难。我国的城市概念是指按国 家行政建制设立的市、镇，其中包括实为乡村 的郊区或远郊，设有相应的国家行政机关，有 明确的边界和确定的管理范围。相当于英语的 “municipality”。在我们这里所说的城市是指非 农业产业和非农业人口集聚、建筑物和道路相 对比较稠密，在政治、经济、文化等方面处于 中心地位的地理区域，没有法定的分界线，具 有边界模糊性，属于社会、经济、地理概念。 类同建制城市的城区(不包括郊区)，相当于英 语的“city”，是乡村的对称。第七讲 遥感在城市研究中的应用遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院3两个“城市”概念(即 “municip

3、ality” 和“city” ， 姑且分别称之为“市”和“城市”)虽然属于不同范 畴，但他们之间有很密切的内在联系。“城市” 和“市”都是以人口密度、工商业发达程度、非 农业人口所占比例等为其基本条件。一定规模 的“城市”是设“市”的基础和前提条件，没有一 定规模的“城市”为依托，就不可能设立“市”的 行政建制。一旦“城市”设置了“市”的建制，便 称为建制市。一般意义上的城市转化为有行政 建制的城市过程称为“设市”，它是以一定的 条件为依托，并通过严格的行政法规程序而完 成的。遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院4城市研究中有哪些主要问题？ 可归结为：规划问题+环境问题 城市遥感的主要内容 ?

4、城市土地利用现状分析、城市绿化系统分析及 城市规划与保护； ?城市环境污染调查和监测；大气污染、水污 染、固体污染； ?城市气候系统分析，热岛调查与研究； ?城市交通、建设、工业、公共设施等基础设施 调查； ?城市灾害环境监测：地陷，地震，火山等。遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院5城市最主要的地物类型 ?建筑物：主要反映屋顶，各种材料和颜色：沥 青、油毡、水泥、各色瓦、各色涂料；光谱特 征复杂。 ?道路：主要有水泥和沥青及少量裸土路面；光 谱特征较复杂。 ?水体：河流、水库、人工沟渠、大型蓄水池 (包括游泳池)、污水净化池、近岸海水等；光 谱特征较简单，但随污染状况变化。 ?植被：阔叶、针

5、叶乔木、灌木，草地，水生植 物等；光谱特征简单。 所以城市中普遍存在同物(如建筑物)异谱现象。遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院6建筑物遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院7道路遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院8水体遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院9植被遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院10不同分辨率下的城市影像-武汉市：TM，30m遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院11不同分辨率下的城市影像-武汉市：SPOT，10m遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院12不同分辨率下的城市影像-武汉市：QUICKBIRD，1m遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院13武汉市02年和88年城区分布

6、及其变化（以建筑物为标志） 共同区域新增区域减少区域城市土地利用现状调查及城市变化与规划 ?武汉市城区变化应用举例遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院14?城市扩展动态分析 城市扩展动态分析围绕某一地区的中心城市建成区为主 体开展工作，结合城市的影像特征，运用遥感方法提 取城市面积信息，通过不同时间段的专题信息叠加， 计算出因城市化进程导致土地资源构成发生改变的状 况。下图为北京市两期城市化占用土地资源（不同分 类）动态叠加结果对比：19842002变化遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院15城市中心建成区面积变化对比分析城市中心建成区面积占总面积百分 比对比分析遥感技术与应用武汉大学资源与环

7、境学院16两期城市化占用土地资源面积对 比分析两期城市化占用土地资源面积百分 比对比分析遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院17?广州市(部 分)土地利 用现状图遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院18?广州市(部 分)商业土 地利用规划 图规划建立在 现状分析基 础上，城市 扩展分析对 于规划有重 要意义遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院19?深圳市(部分)城市规划图遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院20城市绿化系统分析 主要是检测城市绿地，方法一般是求出植被指数 (最重要的是NDVI)、确定分割阈值来检测。这 是比较成功的方法。但对于高分辨率影像，还 可以开发比NDVI更有效的植被指数

8、。城市绿地调查分析的若干指标： ?人均公共绿地面积：是指城市中每个居民平均 占有公共绿地的面积。 人均公共绿地面积(平方米)城市公共绿地总面 积城市非农业人口。 ?城市绿化覆盖率：是指城市绿化覆盖面积占城 市面积的比率。遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院21城市绿化覆盖率(%)(城市内全部绿化种植垂直 投影面积城市面积)100% ?城市绿地率：是指城市各类绿地(含公共绿地、 居住区绿地、单位附属绿地、防护绿地、生产 绿地、风景林地等六类)总面积占城市面积的比 率。 城市绿地率()(城市六类绿地面积之和城市 总 面积) 100城市环境污染调查和监测 与遥感在环境科学中的应用中所介绍的方法基本

9、相同。遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院22武汉市NDVI灰度图：TM，30m遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院23武汉市NDVI伪彩色图(阈值分割，植被为绿色)： TM，30m遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院24武汉大学周边高分辨率影像：QUICKBIRD，1m遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院25武汉大学周边植被检测图：QUICKBIRD，1m遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院26武汉大学周边植被检测图(局部放大)：QUICKBIRD，1m遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院27城市气候系统分析热岛调查与研究 什么是城市热岛效应 城市热岛效应(Urban heat island

10、 effect)是指城市 中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面 温度图上，郊区气温小且变化也很小，而城区 则是一个高温区，就象突出海面的岛屿，由于 这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象 地称为城市热岛。 城市热岛效应使城市年平均气温比郊区高出 1，甚至更多。夏季，城市局部地区的气温 有时甚至比郊区高出6以上。此外，城市密 集高大的建筑物阻碍气流通行，使城市风速减 小。由于城市热岛效应，城市与郊区形成了一 个热力环流(乡村风)。遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院28遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院29城市热岛形成的原因 ?首先，是受城市下垫面特性的影响。大量的人 工构筑物，如混凝土

11、、柏油路面，各种建筑墙 面等，改变了下垫面的热力属性。 ?另一个主要原因是人工热源的影响。工厂生 产、交通运输以及居民生活都需要燃烧各种燃 料，每天都在向外排放大量的热量。 ?此外，城市里中绿地、林木和水体的减少也是 一个主要原因。 ?城市中的大气污染也是一个重要原因。城市中 的机动车、工业生产以及居民生活产生了大量 的氮氧化物、二氧化碳和粉尘等排放物。这些 物质会吸收下垫面热辐射，产生温室效应，从 而引起大气进一步升温。遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院30热岛调查的意义与目的城市生态环境是在自然环境的基础上，按人的意 志加工改造而成的人工环境，为了适合人类生 存发展，其舒适程度是人们关注

12、的焦点； 城市气候是影响这个舒适度的主要因素，而城市 热岛现象是现代城市气候的主要特征之一； 全球城市化不断加快，城市热岛对全球变暖的可 能贡献已经引起广泛关注。 需要建立一项城市生态评价指标，反映城市热岛 效应强度，为减缓热岛效应提供科学依据，协 助城市环境管理和规划。遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院31城市热岛调查的遥感原理As temperature rises, peaks shift towards shorter wavelengths.As temperature rises, peaks shift towards shorter wavelengths.T=12 73 K

13、o=1000oCT=873 Ko=600oCT=673 Ko=400 CoT=1073 Ko=8 00 Co1234Ww att s/ cm / m )l (m21.02.03.04.05.06.07.08.0Wavelength mm444411 44 1 4, , bKbbKbbKKMMMMMTTTT TTT = = = =遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院32方法： 热红外辐射地表辐射温度地表真实温度 气温 由于大多数城市热岛的研究关注的是温度相对 强弱的空间分布特点，且城市下垫面辐射温度 与低空(1.5M)气温呈显著线性关系(绝对值相差 几度)，可以用地面辐射温度来研究城市热岛。 遥

14、感热红外数据如Landsat TM/ETM+ 6波段、 NOAA AVHRR的4、5波段可计算出对应的地面 真实温度。但由于非同温像元对热力学定律的 适用性问题、比辐射率问题以及观测方向性问 题等，准确的地面温度反演很复杂，甚至目前 还做不到。遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院33例：上海等城市热岛图象遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院34例：上海市热岛效应季节变化遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院35卡尔加里喀布尔维也纳范库弗峰纽约彼得斯堡大马士革河内例：世界其他城市热岛图象遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院36热场分布与下垫面因素关系的分析武汉市88年热场与下垫面关系综合图遥感技术

15、与应用武汉大学资源与环境学院37武汉市02年热场与下垫面关系综合图遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院3888年和02年热场的剖面图 上：88年， 下：02年遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院39武汉市热场武汉市热场时间变化特征时间变化特征 ?热场绝对值增加。88年热场相对辐射值为：最小 值0，最大值1.2511，平均值1.019；02年热场辐 射相对值为：最小值0，最大值1.3701，平均值 1.056。表明十余年来武汉城区及其近郊平均温度 的提高。 ?高热场值的范围扩大。在图2中可以看到，相对辐 射值大于1的区域在88年只局限于工业区、老城 区，而且比较零散。而在02年则几乎遍布武汉三

16、镇及近郊。遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院40?高能耗工业区的热场保持最高值。如十余年来武 钢保持为高热辐射区，武汉轻型汽车工业区显示 为高热辐射区等。 热场热场时空特征的影响因素时空特征的影响因素 热场时空分布及其变化特征明显受下垫面中建筑 物、绿地和水体的影响，但各因素的影响程度有 差异。 ?建筑物影响建筑物影响：这是影响热场分布的最重要因素。 在图中可以清楚看出热场的宏观分布和变化明显 呈现与建筑物的分布和变化的一致性。遥感技术与应用武汉大学资源与环境学院41?绿地影响绿地影响：绿地(植被覆盖区)是仅次于建筑物的 影响因素。很多学者研究了NDVI与地表温度的关 系，基本共识是NDVI与地表温度呈负相关关系。 前述图中的绿地分布也定性地印证了这一点。以 龟山为例，由