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专业外语

Thermalremotesensingofurbanclimates

城市气候热遥感

J.A.Voogta,*,T.R.Okeb

aDepartmentofGeography,UniversityofWesternOntario,London,ON,CanadaN6A5C2

bAtmosphericScienceProgram,DepartmentofGeography,UniversityofBritishColumbia,Vancouver,BC,CanadaV6T1Z2

Received8April2002;receivedinrevisedform20September2002;accepted28December2002

Abstract：

摘要：

Thermalremotesensinghasbeenusedoverurbanareastoassesstheurbanheatisland,toperformlandcoverclassificationsandasinputformodelsofurbansurfaceatmosphereexchange.Here,wereviewtheuseofthermalremotesensinginthestudyofurbanclimates,focusingprimarilyontheurbanheatislandeffectandprogressmadetowardsansweringthemethodologicalquestionsposedbyRothetal.[InternationalJournalofRemoteSensing10（1989）1699].Thereviewdemonstratesthatwhilesomeprogresshasbeenmade,thethermalremotesensingofurbanareashasbeenslowtoadvancebeyondqualitativedescriptionofthermalpatternsandsimplecorrelations.Partofthedifficultyliesinthetendencytousequalitativelybasedlandusedatatodescribetheurbansurfaceratherthantheuseofmorefundamentalsurfacedescriptors.Advancesintheapplicationofthermalremotesensingtonaturalandagriculturalsurfacessuggestinsightintopossiblemethodstoadvancetechniquesandcapabilitiesoverurbanareas.Improvementsinthespatialandspectralresolutionofcurrentandnext-generationsatellite-basedsensors,inmoredetailedsurfacerepresentationsofurbansurfacesandintheavailabilityoflowcost,highresolutionportablethermalscannersareexpectedtoallowprogressintheapplicationofurbanthermalremotesensingtothestudyoftheclimateofurbanareas.

2003ElsevierInc.Allrightsreserved.

热遥感已用于城市地区，用以对城市热岛进行评估，对土地覆盖进行分类，并进行城市地表大气交换模型的输入。

在这里，我们回顾了热遥感技术在城市气候研究中的应用，重点初步研究了城市热岛效应，并在回答Roth等人提出的分类法问题等方面取得了进步[InternationalJournalofRemoteSensing10（1989）1699]。

过去的发展证明虽然已经取得了一些进展，城市区域热遥感已缓慢超越热模式的定性描述和简单相关性原则。

部分困难在于倾向于使用基础的土地数据来描述城市地表，而不是表面的更基本的定性描述。

热遥感在自然和农业表面应用取得的进步证明可以在城市区域运用可能的方法以推进其技术和能力。

当前和下一代卫星传感器在空间分辨率和光谱分辨率方面的改进，在城市表面更细微的表现和更低的成本，以及高分辨率便携式热扫描仪可使城市热遥感技术在城市气候的研究方面取得进展。

Keywords:

Remotesensing;Urbanclimates;Rural

关键字：

遥感、城市气候、农村的

1.Introduction

1.简介

Thesurfacetemperatureisofprimeimportancetothestudyofurbanclimatology.Itmodulatestheairtemperatureofthelowestlayersoftheurbanatmosphere,iscentraltotheenergybalanceofthesurface,helpstodeterminetheinternalclimatesofbuildingsandaffectstheenergyexchangesthataffectthecomfortofcitydwellers.Surfaceandatmosphericmodificationsduetourbanizationgenerallyleadtoamodifiedthermalclimatethatiswarmerthanthesurroundingnon-urbanizedareas,particularlyatnight.Thisphenomenonistheurbanheatisland（UHI）.UHIshavelongbeenstudiedbyground-basedobservationstakenfromfixedthermometernetworksorbytraverseswiththermometersmountedonvehicles.Withtheadventofthermalremotesensingtechnology,remoteobservationofUHIsbecamepossibleusingsatelliteandaircraftplatformsandhasprovidednewavenuesfortheobservationofUHIsandthestudyoftheircausationthroughthecombinationofthermalremotesensingandurbanmicrometeorology.Insomeways,ithasalsocomplicateddefinitionsofurbanheatislandsandinterpretationsoftheresultingobservations.Thepresentreviewisprompted,inpart,bytheappearanceofnewsatellite-basedsensorsandtheincreasinglywide-spreaduseofinfraredsensorsinthestudyofsurfaceclimatesingeneral.ThishasalsoincreasedopportunitiesforstudyingtheUHIandurban-modifiedclimatesmoregenerally.

表面温度是城市气候学研究最重要的因素。

它调节城市大气最下层的空气温度，最重要的是保持表面能量平衡，有助于确定建筑物内部的气候，影响能量交换，这一切都与城市居民生活的舒适性有关。

城市表面和大气的改变会产生热气候，致使其比周围的非城市化地区温暖，尤其是在晚上。

这种现象被称为城市热岛（UHI）。

以固定网络为基础的地面观测或车载温度计早已研究了UHIs。

随着遥感技术的出现，UHIs可以利用卫星和飞机平台进行远程观测，通过热遥感和城市微气象学研究的结合来观测热岛及其因果关系。

在某些方面，它也复杂的定义了UHIs和观测结果的解释。

目前的检测速度很快，部分原因是由于以新卫星为平台的传感器的出现和红外传感器在表面气候研究的日益广泛的使用。

这也增加了UHIs研究的机会和城市气候分类的普遍性。

Webeginbyemphasizingtheimportanceofusingproperdefinitionsinthe

applicationofthermalremotesensingtothestudyofurbanclimates.ThisisfollowedbyabriefsurveyofliteratureappearingsinceRoth,Oke,andEmery（1989）thathighlightsseveralrecurrentthemes.ItthenreexaminesthemethodologicalquestionsraisedbyRothetal.（1989）concerningproblemsinvolvedintheapplicationofremotelysensedthermalimagerytothestudyofurbanclimates.Itmakescommentontheprogressmadeonthesepointsbyresearchconductedoverurbanandothersurfaces.Thereviewconcludesbycommentingonfutureprospectsforprogressinansweringthesequestions.

我们首先强调合适的定义在城市气候热遥感应用方面的重要性。

自Roth、Oke以及Emery（1989）提出了几个经常出现的主题就又有了简明的文献调查。

然后，重新审查了Roth等人（1989）在城市气候热遥感应用方面提出的方法及问题，它使通过研究这些关于城市及其它表面所取得的进展发表评论，并用此在解决问题时取得进步。

1.1Thermalremotesensingofurbansurfaces:

definitions

1.1城市表面热遥感的定义

Properdefinitionofremotelysensedvariablesisimportantinordertounderstandpreciselytheinformationcontentofremotelysensedquantitiesandhowtheyrelatetoactualsurfaceproperties.Thermalremotesensingofurbansurfacetemperaturesisaspecialcaseofobservinglandsurfacetemperaturewhichvariesinresponsetothesurfaceenergybalance.Theresultantsurfacetemperatureincorporatestheeffectsofsurfaceradiativeandthermodynamicproperties,includingsurfacemoisture,thermaladmittanceandsurfaceemissivity,theradiativeinputatthesurfacefromthesunandatmosphere,andtheeffectsofthenearsurfaceatmosphereanditsrelationtoturbulenttransferfromthesurface.

为了正确的了解遥感信息量及它们与表面性能的关系，正确定义遥感变量是非常重要的。

城市表面温度热遥感是观测地表温度以及应对不同的地表能量平衡的特殊情况。

地表温度受地表辐射和热力学性质的影响，包括表面的水分，热传导和表面辐射率，太阳和大气辐射到地面的能量，近地面大气的影响以及它和表面湍流的关系。

BeckerandLi（1995）,NormanandBecker（1995）,Norman,Divakarla,andGoel（1995）andPrata,Caselles,Coll,andSobrino（1995）havecarefullyexaminedthedefinitionsassociatedwiththermalremotesensingoflandsurfaces,andthereaderisreferredtothemfordetails.Here,weusethetermdirectionalbrightnesstemperaturetodescribethetemperaturederivedfromtheinversionofPlanck’slawforathermalsensoroperatinginagivenwaveband.Directionalbrightnesstemperaturesrelatethedetector-receivedradiancetoatemperature,withoutconsiderationofanyprocessesinfluencingthereceivedradiationalongthepathfromthesurfacethroughtheatmospheretothesensor（withappropriatesensoroffsetsandgainsapplied）.Directionalradiometrictemperaturesarethosethathavebeencorrectedforatmospherictransmissionandsurfaceemissivityeffectsforaparticularsensor-viewingangle.Thesedefinitionsapplymoststrictlytoahomogeneoussurface,buttechniquesareavailabletoextendtheirusetoheterogeneoussurfaces（Becker&Li,1995;Norman&Becker,1995）.

BeckerandLi（1995）,NormanandBecker（1995）,Norman,Divakarla,andGoel（1995）andPrata,Caselles,Coll,andSobrino（1995）已经仔细审查了与地表热遥感有关的定义，读者用它们作为细节方面的参考。

在这里，我们使用术语方向亮度温度来描述从普朗克定律分离得到的给定工作波段的温度传感器。

设计定向亮度温度探测器接收的辐射温度，不受任何影响，通过传感器接收到从表面到大气辐射的过程（通过合适的传感器将其抵消和增加）。

定向无线电度量温度是那些已经大气传输和特定传感器视角校正表面发射率的方法。

这些定义适用于严格均匀的表面，但技术可以延伸其使用异构表面（Becker&Li,1995;Norman&Becker,1995）。

Heatislandscanbedefinedfordifferentlayersoftheurbanatmosphere,andforvarioussurfacesandeventhesubsurface（Oke,1995;Voogt&Oke,1997）.Itisimportanttodistinguishbetweenthesedifferentheatislandsastheirunderlyingmechanismsaredifferent（Oke,1982;Rothetal.,1989）.Unlessotherwiseindicated,anurbanheatislandreferstotheexcesswarmthoftheurbanatmospherecomparedtothenon-urbanizedsurroundings.Atmosphericheatislandsarebestexpressedundercalmandclearconditionsatnightwhenradiativecoolingdifferencesaremaximizedbetweenurbanandsurroundingrurallocations（e.g.Fig.1a）.

热岛可以被定义为城市大气中的不同层次，以及各种表面，甚至地下（Oke,1995;Voogt

&Oke,1997）。

区分这些热岛的不同时重要的，因为它们的基本机制是不同的（Oke,1982;Rothetal.,1989）。

除非另有说明，城市热岛是指城市地区与非城市地区相比大气温度较高。

大气热岛能清楚的表达在夜间寒冷情况下城市和边远区域的辐射冷却的不同。

（e.g.Fig.1a）。

Fig.1.HeatislandtransectacrossVancouverBCfor（a）nighttime（YD2381992;9haftersunset）and（b）daytime（YD2371992;2hfollowingsolarnoon）showingcanopylevelairtemperatureandremotelysensedsurfacetemperaturewithvariouslevelsofcorrectionapplied.Theplottedresultsrepresentvaluesnormalizedtoasingletime.Symbolsarereducedtoeverythirdpointtoimprovereadability.Theautomobiletraversepassedthroughatunnel（~4km）andoverbridges（~15and25km）alongtheroute.Panel（c）istheskyviewfactorforsitesalongthetraverserouteasdeterminedfromdigitalfish-eyelensphotographs,NDVIderivedfromAVHRRimageryduringthetraverse,emissivitiesappliedduringtheconversiontoobtaindirectionalradiometrictemperatures,andwallandvegetationareaweightingsappliedtotakeintoaccount‘‘unseen’’surfacesfromthenadirviewingposition.

Atmosphericheatislandsmaybedefinedfortheurbancanopylayer（UCL）,thatlayeroftheurbanatmosphereextendingupwardsfromthesurfacetoapproximatelymeanbuildingheight,andtheurbanboundarylayer（UBL）,thatlayerabovetheUCLthatisinfluencedbytheunderlyingurbansurface.CanopylayerUHIaretypicallydetectedbyinsitusensorsatstandard（screen-level）meteorologicalheightorfromtraversesofvehicle-mountedsensors,suchasthatshowninFig.2.UBLheatislandobservationsaremadefrommorespecializedsensorplatformssuchastalltowers,radiosondeortetheredballoonflights,orfromaircraft-mountedinstruments.Thesedirect,insitumeasurementsrequireradiationshieldingandaspirationtogiverepresentativemeasurementsandtheirsettingrelativetosurroundingfeaturesisimportant.

大气热岛可以被定义为城市最顶层（UCL）的即