(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 105678225 A (43)申请公布日 2016.06.15
(21)申请号 201511015439.2(22)申请日 2015.12.29
(71)申请人中国科学院深圳先进技术研究院
地址518055 广东省深圳市南山区西丽大学
城学苑大道1068号(72)发明人钱静 彭树宏 易琳 陈会娟(74)专利代理机构深圳市科进知识产权代理事
务所(普通合伙) 44316
代理人郝明琴(51)Int.Cl.
G06K 9/00(2006.01)G06F 17/30(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图3页
(54)发明名称
一种城市热岛效应空间变化检测方法及系统(57)摘要
本发明提供的城市热岛效应空间变化检测方法和系统，通过对处理后的城市遥感影像构建城市遥感数据图像数据库，根据所述图像数据库中获取目标城市的多种专题图，根据所述专题图检测城市热岛的时空分布信息，根据所述时空分布信息分析城市热岛，再根据所述城市热岛提出城市景观建议，从而克服热岛效应空间分布与城市其他要素图层之间的空间叠加算法难题，提高了城市热岛效应空间变化检测的准确性。
C N 1 0 5 6 7 8 2 2 5 ACN 105678225 A
权 利 要 求 书
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1.一种城市热岛效应空间变化检测方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤S110：对城市遥感影像进行预处理；步骤S120：构建城市遥感数据图像数据库；步骤S130：根据所述图像数据库中获取目标城市的多种专题图；步骤S140：根据所述专题图检测城市热岛的时空分布信息；步骤S150：根据所述时空分布信息分析城市热岛；步骤S160：根据所述城市热岛提出城市景观建议。
2.根据权利要求1所述的城市热岛效应空间变化检测方法，其特征在于，步骤S110中，所述遥感影像包括ETM、NOAA、MODIS影像。
3.根据权利要求1所述的城市热岛效应空间变化检测方法，其特征在于，步骤S110中，所述预处理包括遥感几何校正和图像辐射校正，所述遥感几何校正通过利用控制点改正原始图像的几何变形，所述辐射校正通过消除多时相遥感中地物辐射差异的影响，使影像间同一地物类型具有相同的辐射量。
4.根据权利要求1所述城市热岛效应空间变化检测方法，其特征在于，步骤S130中，根据所述图像数据库中获取目标城市的多种专题图，具体为：
采用光谱直接比较法和分类比较法，从所述图像数据库中提取变化地区，再对变化区提取变化数量和类型信息，最后得到准确的城市地表景观的多种专题图。
5.根据权利要求4所述城市热岛效应空间变化检测方法，其特征在于，步骤S130中，所述专题图包括地形地貌图、气候图、娱乐博彩场所分布图、巴士路线图、巴士站分布图、教堂及庙宇分布图、公园分布图、主要景点及酒店分布图。
6.根据权利要求1所述的城市热岛效应空间变化检测方法，其特征在于，步骤S140中，根据所述专题图检测城市热岛的时空分布信，具体包括下述步骤：
采用单窗算法对目标城市的多种专题图进行检测获取城市热岛的时空分布信息。7.根据权利要求1所述的城市热岛效应空间变化检测方法，其特征在于，步骤S150中，根据所述时空分布信息分析城市热岛，具体为：采用软件FRAGSTATS，根据时空分布信息计算斑块平均面积、边界密度、形状指数、周长面积比、平均最近邻体距离、聚集度指数描述城市景观变化。
8.根据权利要求1所述的城市热岛效应空间变化检测方法，其特征在于，步骤S160中，根据所述城市热岛提出城市景观建议，具体为：
利用地理信息系统空间统计分析手段重点分析城市热岛与植被比例、水体比例、植被指数、建筑负荷强度、硬化地表比例、人口密度、道路密度的时空相互作用关系，提出城市景观建议。
9.一种城市热岛效应空间变化检测系统，其特征在于，包括：遥感影像处理模块，用于对城市遥感影像进行预处理；数据库构建模块，用于构建城市遥感数据图像数据库；城市专题图构建模块，用于根据所述图像数据库中获取目标城市的多种专题图；时空分布信息模块，用于根据所述专题图检测城市热岛的时空分布信息；城市热岛分析模块，用于根据所述时空分布信息分析城市热岛；城市景观建议模块，用于根据所述城市热岛提出城市景观建议。
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CN 105678225 A
说 明 书
一种城市热岛效应空间变化检测方法及系统
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技术领域
[0001]本发明涉及城市管理技术领域，具体涉及一种城市热岛效应空间变化检测方法及系统。
背景技术
[0002]随着我国城市化进程的快速推进，城市人口和用地规模不断膨胀的同时也导致了无限增长的城市人口与有限的环境、资源容量之间的矛盾，城市已不堪重负，城市病也随之产生。城市化(土地利用(建楼、修路等)和人为热排放等)影响往往主要通过城市热岛效应加强来实现。以往的城市热岛研究主要采用代表路线观测和选点观测相结合的方法，这种方法不可能全面同步的反映地面的热辐射状况。因此，随着遥感技术的发展，越来越多的学者开始应用遥感图像的热红外波段来研究地面热状况。早期的研究一般利用气象卫星，观测的密度只有一个观测值，但是已经大大的推进了热岛的研究。
[0003]对于热岛效应的遥感研究已经有不少的研究人员做过相应的尝试，现有技术利用遥感图像模拟城市温度的主要思路如：首先，建立亮温计算模式,将热红外图像的灰度值转变为亮温(辐射温度)数据；再通过一定的回归分析模式；将亮温转化为地面的气温；最后应用图像处理的方法，将图像所表达的热红外信息用符合视觉感受的颜色序列表达出来。在以往的研究中，大多只注重到了其中的一个或两个方面，并没有形成一个完整的研究体系。发明内容
[0004]有鉴如此，有必要提供一种准确性高的城市热岛效应空间变化检测方法。[0005]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：[0006]一种城市热岛效应空间变化检测方法，包括下述步骤：[0007]步骤S110：对城市遥感影像进行预处理；[0008]步骤S120：构建城市遥感数据图像数据库；[0009]步骤S130：根据所述图像数据库中获取目标城市的多种专题图；[0010]步骤S140：根据所述专题图检测城市热岛的时空分布信息；[0011]步骤S150：根据所述时空分布信息分析城市热岛；[0012]步骤S160：根据所述城市热岛提出城市景观建议。[0013]在一些实施例中，步骤S110中，所述遥感影像包括ETM、NOAA、MODIS影像。[0014]在一些实施例中，步骤S110中，所述预处理包括遥感几何校正和图像辐射校正，所述遥感几何校正通过利用控制点改正原始图像的几何变形，所述辐射校正通过消除多时相遥感中地物辐射差异的影响，使影像间同一地物类型具有相同的辐射量。[0015]在一些实施例中，步骤S130中，根据所述图像数据库中获取目标城市的多种专题图，具体为：
[0016]采用光谱直接比较法和分类比较法，从所述图像数据库中提取变化地区，再对变化区提取变化数量和类型信息，最后得到准确的城市地表景观的多种专题图。
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CN 105678225 A[0017]
说 明 书
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在一些实施例中，步骤S130中，所述专题图包括地形地貌图、气候图、娱乐博彩场
所分布图、巴士路线图、巴士站分布图、教堂及庙宇分布图、公园分布图、主要景点及酒店分布图。
[0018]在一些实施例中，步骤S140中，根据所述专题图检测城市热岛的时空分布信，具体包括下述步骤：
[0019]采用单窗算法对目标城市的多种专题图进行检测获取城市热岛的时空分布信息。[0020]在一些实施例中，步骤S150中，根据所述时空分布信息分析城市热岛， 具体为：采用软件FRAGSTATS，根据时空分布信息计算斑块平均面积、边界密度、形状指数、周长面积比、平均最近邻体距离、聚集度指数描述城市景观变化。[0021]在一些实施例中，步骤S160中，根据所述城市热岛提出城市景观建议，具体为：[0022]利用地理信息系统空间统计分析手段重点分析城市热岛与植被比例、水体比例、植被指数、建筑负荷强度、硬化地表比例、人口密度、道路密度的时空相互作用关系，提出城市景观建议。[0023]此外，本发明还提供了一种城市热岛效应空间变化检测系统，包括：[0024]遥感影像处理模块，用于对城市遥感影像进行预处理；[0025]数据库构建模块，用于构建城市遥感数据图像数据库；[0026]城市专题图构建模块，用于根据所述图像数据库中获取目标城市的多种专题图；[0027]时空分布信息模块，用于根据所述专题图检测城市热岛的时空分布信息；[0028]城市热岛分析模块，用于根据所述时空分布信息分析城市热岛；[0029]城市景观建议模块，用于根据所述城市热岛提出城市景观建议。[0030]本发明采用上述技术方案带来的技术效果在于：
[0031]本发明提供的城市热岛效应空间变化检测方法和系统，通过对处理后的城市遥感影像构建城市遥感数据图像数据库，根据所述图像数据库中获取目标城市的多种专题图，根据所述专题图检测城市热岛的时空分布信息，根据所述时空分布信息分析城市热岛，再根据所述城市热岛提出城市景观建议，从而克服热岛效应空间分布与城市其他要素图层之间的空间叠加算法难题，提高了城市热岛效应空间变化检测的准确性。附图说明
[0032]图1是本发明提供的城市热岛效应空间变化检测方法的步骤流程图。
[0033]图2为本发明提供的采用单窗算法对城市热岛变化进行研究的算法原理图。[0034]图3是本发明提供的城市热岛效应空间变化检测系统的结构框架图。
具体实施方式
[0035]为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中
但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文给出了本发明的较佳实施方式。
所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
[0036]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具
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说 明 书
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体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。[0037]如图1所示，为本发明实施例一提供的城市热岛效应空间变化检测方法，包括下述步骤：
[0038]步骤S110：对城市遥感影像进行预处理；[0039]优选地，步骤S110中，所述遥感影像包括ETM、NOAA、MODIS影像。[0040]优选地，步骤S110中，所述预处理包括遥感几何校正和图像辐射校正。[0041]其中，遥感几何校正就是利用控制点改正原始图像的几何变形，产生一幅符合地图投影或图件表达要求的新图像，主要包括选取控制点、建立几何校正模型、图形重采样三个步骤。图像匹配的误差应小于0.5个像元。
[0042]辐射校正就是消除多时相遥感中地物辐射差异的影响，使影像间同一地物类型具有相同的辐射量，有利于样本点的选取和分类精度的提高。实际中，辐 射校正可以分为：绝
常用方法包括统计调整法、直方图匹配法、线性回归法和对大气校正和相对大气校正两类。
大气阻抗植被指数法。[0043]步骤S120：构建城市遥感数据图像数据库；[0044]可以理解，通过对处理后的城市遥感影像进行整理，可以获取城市遥感数据图像数据库。
[0045]步骤S130：根据所述图像数据库中获取目标城市的多种专题图；[0046]其中，所述专题图包括地形地貌图、气候图、娱乐博彩场所分布图、巴士路线图、巴士站分布图、教堂及庙宇分布图、公园分布图、主要景点及酒店分布图。[0047]优选地，具体为：根据所述图像数据库中获取目标城市的多种专题图，[0048]采用光谱直接比较法和分类比较法，从所述图像数据库中提取变化地区，再对变化区提取变化数量和类型信息，最后得到准确的城市地表景观的多种专题图。[0049]以深圳城市为例，收集深圳自然环境、城市现状、旅游资源等多种专题图，包括地形地貌图、气候图、娱乐博彩场所分布图、巴士路线、巴士站分布图、教堂及庙宇分布图、公园分布图、主要景点及酒店分布图等。采用先光谱直接比较法和分类比较法，提取变化地区，再对变化区提取变化数量和类型信息，最后得到准确的城市地表景观定量信息。[0050]步骤S140：根据所述专题图检测城市热岛的时空分布信息；[0051]优选地，根据所述专题图检测城市热岛的时空分布信，具体包括下述步骤：
[0052]采用单窗算法对目标城市的多种专题图进行检测获取城市热岛的时空分布信息。[0053]可以理解，地面温度反演的算法可以分为分裂窗算法、热惯量方法和温度、比辐射率分离算法。本申请优选采用单窗算法对城市热岛变化进行研究。具体算法如图2。[0054]其中，亮温用以下算法：T6＝0.12378+0.0054923DN，其中：T6为绝对亮温(K)，DN为TM6图像灰度值。
[0055]Ts＝[a6(1-C6-D6)+[b6(1-C6-D6)+C6+D6]T6-D6Ta]/C6，式中，Ts、Ta单位为K，Ta为大气平均温度；a6和b6为常量。[0056]步骤S150：根据所述时空分布信息分析城市热岛；[0057]可以理解，城市景观格局演变反映了城市土地利用类型及其变化，而城市土地利用/覆盖的变化跟城市热岛的形成息息相关，此外，城市景观格局对描述城市化过程和城市
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扩展动态具有重要参考价值。[0058]以深圳为例，本研究利用景观指数法与整体分析、分区分析法相结合，研究深圳景观格局。采用软件FRAGSTATS，计算斑块平均面积(MPS)、边界密度(edge density)(ED)、形状指数(shape index,Shape)、周长面积比(perimeter-area ratio，PARA)、平均最近邻体距离(ENN)、聚集度指数(Aggregation Index，AI)等描述城市景观变化。[0059]步骤S160：根据所述城市热岛提出城市景观建议。[0060]优选地，利用地理信息系统空间统计分析手段重点分析城市热岛与植被比例、水体比例、植被指数、建筑负荷强度、硬化地表比例、人口密度、道路密度的时空相互作用关系，提出城市景观建议。[0061]其中，硬化地表指数(Impervious surface index，简称为ISI)是指单位面积硬化地表的面积比例。可从土地利用/覆盖图来估算硬化地表指数，将水体、植被、裸地合并，表示非硬化地表，其它建筑物(建设用地)、道路桥梁等表示硬化地表，生成硬化地表二值图。根据硬化地表指数将地物分为高密度城市用地HB(ISI>60％)，中等建设密度用地MB(40％ [0065] 其中p(r)为人口密度，p0为城市特征半径内的人口密度，r为距城 市特征中心的距离，r0为城市特征半径。 [0066]可以理解，主成分回归分析利用GIS空间自回归模型进行，对高维变量系统进行最佳地综合与简化，建立回归方程，能够客观地确定各个指标的权数，避免了主观随意性。[0067]请参阅图3，本申请提供的一种城市热岛效应空间变化检测系统，包括：遥感影像处理模块210、数据库构建模块220、城市专题图构建模块230、时空分布信息模块240、城市热岛分析模块250及城市景观建议模块260。[0068]其中，遥感影像处理模块210用于对城市遥感影像进行预处理；数据库构建模块220用于构建城市遥感数据图像数据库；城市专题图构建模块230用于根据所述图像数据库中获取目标城市的多种专题图；时空分布信息模块240用于根据所述专题图检测城市热岛的时空分布信息；城市热岛分析模块250用于根据所述时空分布信息分析城市热岛；城市景观建议模块260用于根据所述城市热岛提出城市景观建议。其详细的工作原理上述已有描述，这里不再赘述。 [0069]本发明提供的城市热岛效应空间变化检测方法和系统，通过对处理后的城市遥感影像构建城市遥感数据图像数据库，根据所述图像数据库中获取目标城市的多种专题图，根据所述专题图检测城市热岛的时空分布信息，根据所述时空分布信息分析城市热岛，再根据所述城市热岛提出城市景观建议，从而克服热岛效应空间分布与城市其他要素图层之 6 CN 105678225 A 说 明 书 5/5页 间的空间叠加算法难题，提高了城市热岛效应空间变化检测的准确性。[0070]以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在 本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。 7 CN 105678225 A 说 明 书 附 图 1/3页 图1 8 CN 105678225 A 说 明 书 附 图 2/3页 图2 9 CN 105678225 A 说 明 书 附 图 3/3页 图3 10 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容