景觀結(jié)構(gòu)—地表溫度—電量消耗的耦合模型及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種景觀結(jié)構(gòu)—地表溫度—電量消耗的耦合模型，其為：其構(gòu)建方法是：首先使用熱紅外影像資料，運(yùn)用單窗算法反演出城市地表溫度，以獲得熱島效應(yīng)的空間分布，并實(shí)地調(diào)研高溫異常點(diǎn)的空間分異特征；再利用監(jiān)督分類獲得土地利用分布信息，并分析出城市土地利用與熱島效應(yīng)關(guān)系的景觀指數(shù)—溫度函數(shù)，以及土地利用對(duì)熱島效應(yīng)影響的空間差異程度，然后結(jié)合當(dāng)前溫度—電量函數(shù)關(guān)系式構(gòu)建出所述耦合模型。本發(fā)明可以為城市的土地利用規(guī)劃提供定量化的決策支持和優(yōu)選依據(jù)，并較精確的預(yù)測(cè)土地利用規(guī)劃方案的降溫能力及減少城市拉閘限電事件的發(fā)生，對(duì)于合理配置電力資源具有重要的意義。
【專利說(shuō)明】景觀結(jié)構(gòu)一地表溫度一電量消耗的耦合模型及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土地利用遙感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及一種基于土地利用景觀結(jié)構(gòu)的城市夏季電能消耗模擬及其趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的持續(xù)發(fā)展，許多特大城市夏季用電高峰頻現(xiàn)，電能供不應(yīng)求，屢次出現(xiàn)拉閘限電的事件，極大地影響工業(yè)生產(chǎn)和居民生活。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到氣溫升高所形成的熱島效應(yīng)是導(dǎo)致夏季用電量增多的最直接因素，因此如何抓住氣溫升高的本質(zhì)原因，并通過(guò)一定的城市規(guī)劃手段來(lái)減緩熱島效應(yīng)影響的程度和空間范圍，是解決特大城市夏季電量過(guò)度消耗、控制相應(yīng)污染物的排放總量等環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵所在。
[0003]在土地利用景觀結(jié)構(gòu)與溫度的研究上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了大量的模型方法和策略，主要方法有:利用一系列可以反映城市土地利用格局的相關(guān)指數(shù)，主要有歸一化的植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)、植被覆蓋度(FractionalVegetation Cover, FV)和分形維數(shù),它們通過(guò)線性回歸擬合等分析方法研究土地利用的類型和地表溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；但沒(méi)有深入到城市的土地利用空間格局與城市地表溫度的關(guān)聯(lián)性。如岳文澤等以上海市為例，采用Landsat7的ETM+為基本數(shù)據(jù)源，首先定量反演了每個(gè)像元內(nèi)的陸地表面溫度(LST)和植被指數(shù)(NDVI)，然后利用GIS中的空間分析功能，將由于城市土地覆被所形成的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)綜合到土地利用的圖斑中來(lái)，按照這個(gè)思路對(duì)城市土地利用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行研究。分析LST、NDVI在不同土地利用類型之間的差異以及二者之間的定量關(guān)系，并引入多樣性指數(shù)(SHDI)，討論了不同土地利用的空間組合下，LST和NDVI的空間差異及相互關(guān)系[岳文澤，徐建華，徐麗華，2006.基于遙
感影像的城市土地利用生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究-以城市熱環(huán)境和植被指數(shù)為例.生態(tài)學(xué)
報(bào)，1450-1460.]。
[0004]對(duì)電能消耗研究，主要有以下三個(gè)著手點(diǎn):
[0005](I)利用回歸分析的方法，通過(guò)多年夏季氣溫與用電量的數(shù)據(jù)，直接進(jìn)行回歸分析得出二者之間的關(guān)系，并用回歸模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，再用預(yù)測(cè)值與真實(shí)值對(duì)比得到模型精度，這類方法對(duì)氣溫與用電量關(guān)聯(lián)的表達(dá)較為直觀，但不能從本質(zhì)上給城市規(guī)劃部門(mén)提出建議，即如何通過(guò)降低氣溫達(dá)到城市的節(jié)能減排效果。如洪國(guó)平等利用武漢市2002?2004年日用電量、電力負(fù)荷與日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算出日用電量、最高負(fù)荷與氣溫之間一系列相關(guān)關(guān)系，通過(guò)回歸分析建立夏季用電量和用電負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，利用氣溫預(yù)報(bào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)用電量和電力負(fù)荷的預(yù)測(cè)[洪國(guó)平，李銀娥，孫新德，李青，2006.武漢市電網(wǎng)用電量、電力負(fù)荷與氣溫的關(guān)系及預(yù)測(cè)模型研究.華中電力，4-7+30.]。
[0006](2)利用電器本身結(jié)構(gòu)的改造及運(yùn)行規(guī)律入手達(dá)到節(jié)約用電的目的，主要是考慮到空調(diào)等電器長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)度使用是我國(guó)夏季特大城市能源消耗增量的來(lái)源，從節(jié)約用電的終端著手進(jìn)行，治標(biāo)不治本。如劉冬華等歸納了冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)體系。應(yīng)用該評(píng)價(jià)體系對(duì)宜昌某科研設(shè)計(jì)大樓冰蓄冷空調(diào)工程進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)[劉冬華，符永正，石三平，朱傳斌，2009.冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用.暖通空調(diào)，102-106.]。
[0007](3)利用DMSP/0LS夜間燈光進(jìn)行電力消費(fèi)的空間化，首先通過(guò)夜間燈光數(shù)據(jù)構(gòu)建人居指數(shù)，然后通過(guò)人居指數(shù)與電力消費(fèi)的相關(guān)關(guān)系建立電力消費(fèi)量空間化模型，模擬電力消費(fèi)量的空間分布。由于DMSP/0LS夜間燈光并不能區(qū)分出城市建設(shè)用地和工礦用地，因此基于夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)電力消費(fèi)量的空間化并不能很好的區(qū)分開(kāi)居民用電和工業(yè)用電，這對(duì)于后期的用地調(diào)整會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用。如楊續(xù)超等利用DMSP/0LS夜間燈光數(shù)據(jù)和植被指數(shù)(NDVI)之間的互補(bǔ)性構(gòu)建人居指數(shù)，然后通過(guò)人居指數(shù)與電力消費(fèi)見(jiàn)的強(qiáng)烈相關(guān)性建立電力消費(fèi)量空間化模型，利用該模型獲得了 2010年浙江省電力消費(fèi)量的空間分布[楊續(xù)超，康麗莉，張斌，冀春曉，2013.基于多源遙感影像的電力消費(fèi)量估算與影響因素分析——以浙江省為例.地理科學(xué)，718-723.]。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:從城市景觀規(guī)劃角度出發(fā)，利用相關(guān)性分析識(shí)別影響城市熱島效應(yīng)的土地利用景觀顯著性因子，構(gòu)建出景觀指數(shù)一溫度的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，闡明城市土地利用的空間格局與熱島效應(yīng)之間的耦合關(guān)系，并引入CA_Markov模型，結(jié)合城市土地利用歷史數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用景觀結(jié)構(gòu)，基于電量一溫度關(guān)系推導(dǎo)出景觀指數(shù)一溫度一電量耦合模型，并預(yù)測(cè)城市未來(lái)夏季電能消耗總量，首次揭示了城市土地利用景觀格局影響大城市夏季電能消耗的規(guī)律。
[0009]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是:
[0010]本發(fā)明提供的景觀結(jié)構(gòu)一地表溫度一電量消耗的耦合模型，其為:
[0011]
【權(quán)利要求】
1.景觀結(jié)構(gòu)一地表溫度一電量消耗的耦合模型，其特征在于該耦合模型為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合模型，其特征在于斑塊密度H)由以下公式獲得:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合模型，其特征在于景觀形狀指數(shù)LSI由以下公式獲得:

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合模型，其特征在于蔓延度指數(shù)CONTAG由以下公式獲得:

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合模型，其特征在于香農(nóng)多樣性指數(shù)SHDI由以下公式獲得:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合模型，其特征在于香農(nóng)均度指數(shù)SHEI由以下公式獲得:
7.—種構(gòu)建權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述稱合模型的方法,其特征在于包括以下步驟: (1)用ENVI軟件對(duì)所在區(qū)域遙感數(shù)據(jù)熱紅外波段進(jìn)行反演，提取出所需研究區(qū)域的地表溫度信息； (2)由步驟(I)獲得研究區(qū)域的地表溫度分布信息，在建成區(qū)出現(xiàn)了一些高溫異常點(diǎn)，分析其用地類型及空間結(jié)構(gòu)，獲取城市的高溫中心； (3)用Erdas軟件對(duì)所研究區(qū)域的遙感影像進(jìn)行解譯，依據(jù)所需研究的土地類型進(jìn)行監(jiān)督分類，獲取各類土地的分類信息； (4)將分類后的遙感影像導(dǎo)入ArcGIS中，利用SpatialAnalyst/Reclassify,對(duì)遙感影像進(jìn)行重分類，分別將所需研究的土地類型附上不同的值，將背景設(shè)置為NoData，并以TIFF格式導(dǎo)出；再加載到IDRISI軟件中，利用IDRISI軟件中的CA_Markov模型對(duì)所在區(qū)域進(jìn)行未來(lái)土地利用景觀結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)； (5)將研究區(qū)域利用kXk個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行分割，利用FRAGSTATS3.3軟件求得每個(gè)樣本區(qū)內(nèi)各土地利用類型的PLAND、PD、LS1、CLUMPY、ED、CONTAG、SHD1、SHEI，包含它們的類級(jí)與景觀級(jí)，分析各景觀指數(shù)與平均溫度的相關(guān)性，并篩選出與平均溫度存在相關(guān)性的景觀指數(shù)，然后利用篩選出的景觀指數(shù)與平均溫度在SPSS中進(jìn)行回歸分析，分析出土地利用景觀指數(shù)與地表溫度的函數(shù)； (6)利用現(xiàn)已成型的溫度與用電量的關(guān)系模型，推導(dǎo)出溫度增幅與用電量增幅的函數(shù)；. (7)結(jié)合步驟(5)與(6)中的函數(shù)，耦合出景觀結(jié)構(gòu)一地表溫度一電量消耗模型。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于步驟(2)中，在分析其用地類型及空間結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，注意本該是低溫區(qū)的水域也有高溫中心的分布；所述城市的高溫中心出現(xiàn)在畸變區(qū)域、工廠區(qū)域或生活污水排污口區(qū)域。
9.權(quán)利要求7至8中任一權(quán)利要求所述方法構(gòu)建的耦合模型的用途，其特征在于該耦合模型在城市未來(lái)夏季電能消耗趨勢(shì)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。
10.權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述耦合模型的用途，其特征在于該耦合模型在城市未來(lái)夏季電能消耗趨勢(shì)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】G06Q50/06GK103473613SQ201310406259
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】吳浩, 葉露萍, 李巖, 尤南山 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)