利用方向增强自适应同步提取（DEASE）方法对城市表面热岛的强度、范围及容量进行估算

《Remote Sensing of Environment》：Estimation of intensity, footprint, and capacity of surface urban heat islands using a direction-enhanced adaptive synchronous extraction (DEASE) method

城市热岛综合效应评估与方向增强自适应同步提取方法

　　城市热岛（Urban Heat Island, UHI）效应是城市气候研究中的一个核心议题，尤其在探讨城市如何影响局部微气候及生态环境方面具有重要意义。随着城市化进程的加快，土地利用格局发生了显著变化，同时人口密度的上升也导致了局部温度升高，从而形成了热岛效应。这一现象不仅影响着城市的微气候，还对居民的生活质量、能源消耗以及生态环境产生深远的影响。因此，准确评估热岛效应及其对城市环境的综合影响，成为当前城市气候研究的重要任务之一。

在传统研究中，学者们通常使用“热岛强度”（SUHII）和“热岛范围”（SUHIF）作为衡量热岛效应的两个主要指标。SUHII通过计算城市区域与背景参考区域（BRA）之间的地表温度（LST）平均差异来体现热岛效应的强度，而SUHIF则通过识别热岛效应影响的最大范围来反映其空间分布特征。这两个指标在一定程度上能够帮助研究者理解城市热环境的空间特征，并广泛应用于热岛效应的监测、评估以及城市间的对比研究中。然而，随着研究的深入，人们逐渐发现这些传统指标存在一定的局限性。

首先，SUHII和SUHIF仅能反映热岛效应的峰值强度和空间范围，却无法有效捕捉热岛效应在空间连续性上的累积特征。这种局限性使得现有研究在对城市热环境进行综合评估时难以全面反映热岛效应的长期影响。其次，由于SUHII和SUHIF在物理意义和数值表现上存在差异，两者之间往往缺乏强相关性。这意味着，一个城市的SUHII较高并不一定意味着其SUHIF也较大，反之亦然。这种指标之间的脱节甚至矛盾，使得不同城市之间热岛效应的严重程度难以进行客观比较，进而影响对城市热环境治理的科学决策。

为了弥补这些不足，本文提出了一种新的“方向增强自适应同步提取”（Direction-Enhanced Adaptive Synchronous Extraction, DEASE）方法，旨在同步提取SUHII、SUHIF以及“热岛容量”（SUHIC）这三个指标，从而实现对热岛效应的更全面和系统评估。DEASE方法建立在之前提出的“自适应同步提取”（ASE）方法基础上，通过识别城市与周边区域之间LST梯度变化的转折点（Turning Point, TP），动态选择最优的背景参考区域，以提高SUHI指标估算的准确性。与ASE方法相比，DEASE方法在原有基础上进一步引入了方向性变化，能够捕捉不同方向上的LST梯度差异，从而更准确地反映城市热环境的空间特征。

在实际应用中，DEASE方法通过检测多个径向方向上的转折点，分别计算每个方向上的热岛强度和热岛范围，再将这些方向性的指标进行整合，最终得出城市整体的热岛容量。这种方向性分析对于捕捉城市热环境的空间异质性至关重要，因为城市内部的土地覆盖类型和人类活动模式往往导致LST在不同方向上表现出不同的变化趋势。通过引入方向性因素，DEASE方法不仅提高了SUHI指标估算的灵活性，还增强了其在复杂城市环境中的适用性。

为了验证DEASE方法的有效性，本文选取了欧洲的102个城市作为研究对象，利用遥感技术获取地表温度数据，并结合城市边界、水体、地形以及气候带等信息，构建了完整的数据集。通过DEASE方法对这些城市的热岛效应进行评估，结果表明该方法在多个方面表现出色。首先，DEASE方法能够有效捕捉不同方向上的LST梯度变化，从而更准确地估算SUHII、SUHIF和SUHIC。其次，通过比较不同城市的绝对SUHIC值和相对SUHIC值（以城市面积为基准），发现SUHIC与SUHIF之间具有较高的相关性（R2 > 0.86），而与SUHII之间也存在一定的关联（R2 > 0.64）。这一发现表明，SUHIC不仅能够反映热岛效应的累积特征，还能作为衡量城市热环境严重程度的重要指标，特别是在SUHII和SUHIF出现差异时，SUHIC能够提供更全面的参考。

此外，本文的研究结果还表明，DEASE方法在处理多中心城市和非对称热岛效应方面具有较强的适应性。传统的高斯模型在估算SUHIC时往往假设LST数据呈现单峰分布，并且在城市与周边区域之间的LST梯度上遵循径向对称衰减模式。然而，实际情况中，由于土地覆盖和人类活动的异质性，LST在不同方向上表现出明显的差异。这种方向性变化对于准确评估热岛效应至关重要，因此，DEASE方法在处理这类复杂情况时具有显著优势。

在应用层面，SUHIC不仅是一个理论上的创新，更是一个连接科学研究与城市规划的重要工具。通过SUHIC，研究者可以更准确地评估城市热环境的总体热负荷，并据此制定更合理的降温措施和政策干预方案。同时，SUHIC还能够为间接应用提供基础，例如估算城市降温所需能源、评估人口在高温环境下的暴露风险等。这些应用对于提高城市应对气候变化的能力具有重要意义。

综上所述，本文的研究为热岛效应的量化评估提供了一种新的方法框架，即DEASE方法。该方法不仅克服了传统指标在空间连续性和方向性上的不足，还通过引入自适应机制，提高了背景参考区域选择的准确性。通过应用DEASE方法，本文成功实现了对102个欧洲城市的SUHII、SUHIF和SUHIC的同步估算，验证了该方法的广泛适用性和稳健性。研究结果表明，SUHIC作为衡量热岛效应累积特征的关键指标，在城市热环境评估中具有不可替代的作用。这一研究不仅推动了城市热岛效应的量化方法发展，也为城市规划和气候适应策略提供了科学依据。