随着我国城镇化的迅速发展，城市建成区不断扩张，单个城市的面积不断扩大，大中小城市都在追求高层化，小高层在小县城成为常态，大城市更是成为钢筋混凝土的森林。与此相伴随的是城市热岛不断加剧，2013年夏季，全国各大城市相继爆出持续高温事件：路面“烤熟生鱼”、高温中暑患病死亡、多地城市屡屡突破高温极限……哥本哈根气候大会以来，我国面临的碳减排压力越来越大，目前中国碳排放量已居世界第二，其主要碳排放主要来源于城市，其中一部分来源于城市热岛效应。城市热岛效应很大程度上是由于城市空间布局不合理带来的，这包括城市形态布局、开发强度、绿地水体、硬化地面等因素。基于3S技术和地面观测平台，运用人工智能、景观生态学、气象学、元胞自动机等理论方法，研究天津市主城区和中心城区的热岛效应。研究数据主要采用：多景landsatTM卫星遥感影像，Pléiades0.5m高分卫星影像，天津市地图、天津市1:2000电子地图、天津市总体规划图、天津市地形图等。其中，实测数据覆盖主城区，郊区监测点6个、市区18个，共计24个监测点。监测点布局主要考虑了时间、气象条件、容积率、建筑密度、水体、绿地、建筑和大树遮挡、道路的汽车尾气影响、站点数量布置、国际标准测试要求等。基于IB算法反演地表温度和实测气温订正数据，分析了城市热岛的景观格局特征演变、人体热舒适度受影响的空间格局转移。得出结论如下：①构建了地表热岛对热舒适度影响的等级划分标准，为科学划分热岛强度和分析地表热岛影响，提供一个思想方法与标准依据，为降低夏季热岛影响提供了一个空间分级分区调节的参考标准；②天津市地表热岛对热舒适度的影响面积在持续扩大，影响强度在不断增强，高强度影响区不断集聚扩大；③二级热舒适度受影响区，斑块逐渐破碎化，最大斑块面积减小，大面积集中的格局得到大大减弱，较大斑块向城市边缘区推移增长，总面积经历了先降后升的偏U型变化，所占面积总体趋势不断上升；④三、四、五级影响区，斑块的数量与密度不断增大，呈现出零星孤岛状，空间位置变换频繁，向东北和北部郊区迁移扩展，总面积和最大斑块面积也迅速增加；⑤景观斑块的破碎化、斑块类型的混合、强热岛区的斑块连通度降低，对促进热量传递与地表高低压区间的大气流动、减弱城市热岛、提高人体热舒适度有着重要的作用；⑥高层小区的建设，使热舒适恶化面积大幅增加，并使局部热舒适等级严重升高，而多层小区的建设可增加人体舒适程度；⑦城市空间组团扩展，可使热岛斑版块类型相互分割与破碎化，从而减缓热岛效应。通过减弱热岛的城市形态布局参数与响应机制分析，明确了热岛强度与城市形态面积、离散度、临近度、分维数、形状指数等的作用机制。通过研究得出以下结论：①提出了热岛强度的双指标概念算法，即最高热岛升温和热岛升温总量。有效的解决了热岛强度的测度问题，既能表示热岛效应带来的最高温度上升值，又能表示热岛带来多少增热量的度量问题；②热岛强度随着城市形态总面积的增大而上升，城市形态总面积与最高热岛升温的方程为Y=0.008x+6.4，与城市热岛升温总量的方程为Y185.5x36050；③热岛升温总量与城市形态的离散度、临近度呈线性关系，与COHESION的方程为Y=241900x-24030000，与DIVISION的方程为Y=-1435000x+1455000，与MESH的方程为Y=6.897x+19570，与AI的方程为Y=28140x-2460000；④热岛强度随斑块面积的增大而上升，50km2以上斑块面积与最高热岛升温的回归方程为：Y=0.0103x+7.42；斑块面积与热岛升温总量的方程为：Y=0.1969x2+53.94x+603.2。⑤热岛强度随周长面积比的增大而减Y e(0.7740.0256/x)小，周长面积比与最高热岛升温的方程为，当周长面积比是[0.005,0.04]时，其与热岛升温总量的方程为：Y=2.4821011x4-2.7151010x3+1.074109x2-1.82107x+1.116105；⑥热岛强度随斑块分维数增大而升高，分维数与最高热岛升温的回归方程为-=，分维数与热岛升温总量的方程为：Y=1.139107x3-3.988107x2+4.632107x-1.785107。基于实测数据和高分影像数据，本文重点研究了容积率、建筑密度、绿地率、水体、硬化地面等影响因素的空间尺度敏感性，以及形成热岛的时空特点和布局的关键参数等。通过研究得出以下结论：①提出了核容积率、核建筑密度、核绿地率、核水面率、核硬面率的概念思想,并提出了采用移动窗口搜索法和尺度的敏感性问题。②核容积率的最敏感尺度半径为230m，日间核容积率与热岛强度，由负相关转换为正相关，以下午的正向相关关系为主。10:30、11:00、14:30-16:30的相关系数，超过置信度水平为0.05的检验。回归曲线表明：平均核容积率每增加1，上午热岛强度减弱0.76℃，下午则热岛强度上升0.97℃。③核建筑密度的最敏感尺度半径为130m。日间建筑密度与热岛强度，由负相关到正相关。9:00-11:00的相关系数，分别超过置信度水平为0.04的检验，回归方程表明：平均建筑密度每增加0.1，热岛强度减弱0.46℃。④核绿地率的最敏感尺度半径为15m。绿地对城市热岛的影响，主要起到了很重要的平抑日间高温热岛峰值的作用，上午微弱增强热岛，下午有力削减热岛。14:00-16:00核绿地率与热岛强度的相关性，超过置信度水平为0.05的检验，回归方程表明：平均核绿地率每增加10%，热岛强度减弱0.18℃。⑤到水面距离平均每增加100m，温度升高0.78℃。不同宽度水体的降温效率梯度等级划分为68.5、146、311、670、1430m。⑥核水面率最敏感尺度半径尺度为200m。11:30-15:30，核水面率与热岛强度的相关性，超过置信度水平为0.05的检验，经回归分析发现：平均核水面率每增加10%，热岛强度减弱2.3℃。核水面率与日间平均热岛强度回归方程为-=。⑦硬化地面的最敏感性尺度为15m。日间核硬面率与热岛强度的始终为正相关关系，下午的增强影响最强。其中，12:00、13:00、14:00的相关系数，超过置信度水平为0.05的检验，经回归分析发现：平均核硬面率每增加10%，热岛强度减弱0.22℃。核硬面率与日间平均热岛强度拟合方程为：y=1.54x+2.45。为了实现了城市热岛数据管理、热岛强度模拟预测、热岛单因素预警等功能，本研究采用C#语言基于Microsoft Visual Studio2010.NET开发环境，开发了城市热岛模拟预测预警信息系统。该系统能够完成热岛强度空间模拟预测，对容积率、硬化地面进行热岛预警，指导绿地、水体的空间布局优化。系统中本研究还独立开发实现了类库：OPERBASE类，TXTOPER类。经主成分分析法，影响因素的尺度作用力是影响因素的一半，也就是说影响热岛的各因素如果布局不当，会使得热岛负面影响增加50%。采用笔者开发的热岛模拟CA面板软件和城市热岛模拟预测预警信息系统，模拟预测热岛格局空间分布特点，以及单因素对热岛的空间影响格局。结果表明：①中心城区的容积率热岛预警共有黄色和橙色两个等级，黄色预警区占28%，橙色预警占16.5%，空间上呈现“两核、两带”的格局特点；②现状绿地降温斑块破碎化严重，降温较好的斑块在中心城区呈现岛状，没有形成廊道与降温空间体系；③水体降温主要集中在南部，最大影响是海河在中心城区汇合，两岸却形成了非常明显的低温廊道，卫津河、四化河、月牙河等河流与两岸的温度较高，海河、新开河、子牙河、北运河构成了四条放射降温廊道；④现状硬化地面升温格局，总体分散、局部集聚，空间上呈现出“一带、六核”的格局。经现状热岛影响因素的图谱综合分析，依据天津市夏季气温特点、人体高温生理反应、国家相关规定等，提出了主城区缓解热岛的规划方案，即在现状绿化和水体基础之上，建议打造“一环、多楔、多廊、多点”的多级降温规划空间布局体系。而对中心城区则将规划方案，分为高、中、低三种。高方案，是以理想的降温情景为目标，具有高成本高降温特点；中方案，原则对建筑不做变动，尽可能多的增加水面，降温效果居中；低方案，采用大量的绿地降温，配合部分水体进行降温，降温效果较差。本文提出控制热岛的五个规划对策。①对容积率采用三级预警控制热岛，所对应的容积率值分别为：黄色1.0、橙色3.2、红色4.15。②对硬化地面的热岛增强控制也分三级预警，所对应的硬化地面率分别为：黄色46%、橙色59%、红色92%。③水体降温的规划设计参考为：平均水面率每增加10%，热岛强度减弱2.3℃。④到水面距离平均每增加百m升高0.8℃，水体平均影响距离375m，水体最佳有效影响距离为200m；水面宽度降温效率阶梯分五级控制：70、145、310、670、1430m。⑤绿地对热岛的削减规划设计参考：平均核绿地率每增加10%，热岛强度减弱0.18℃；热岛削减1.5℃绿地率需达到83%以上，热岛削减1-1.5℃绿地率需达到56-83%，热岛削减0.5-1℃绿地率需达到28-56%。本文的创新点主要有以下几点：第一，根据人体热舒适度和人体高温生理反应，基于当地夏季平均气温，提出了热岛强度分类和热舒适度受影响等级的划分方法。为城市热岛空间分布格局研究，为降低夏季热岛对人的影响提供了一个空间分级分区调节的参考标准。同时该分级方法，可与绿色建筑的热岛标准相呼应，形成宏观热岛控制的参考标准。第二，提出了热岛强度的双指标概念算法，即最高热岛升温和热岛升温总量。有效的解决了城市形态带来的热岛强度测度问题，既能表示热岛效应带来的最高温度上升值，又能表示热岛带来多少增热量的度量问题。为热岛研究和城市规划提供了一个可量化，可参考的规划布局参数与机制分析。第三，提出核容积率、核建筑密度、核硬面率、核水面率、核绿地率的概念思想方法。通过进一步研究明确了，核绿地率、核容积率、核建筑密度、核硬面率、核水面率的尺度敏感性、与热岛强度作用的时空特点、规划布局的关键参数等，还提出了控制热岛的容积率、硬化地面预警参数。而容积率、建筑密度、硬化地面率、绿地率等概念，是以地块为单位计算，实际是将整个地块均一化，忽略了空间位置上每个点的差异。而笔者提出的概念思想为：空间上某点的值，是以该点为核心，一定距离范围内的空间计算结果，这是比较符合实际情况的。第四，开发了城市热岛模拟预测预警信息系统，实现了城市热岛数据管理、热岛强度模拟预测、热岛单因素预警等功能。该系统不仅能够，进行热岛强度空间模拟预测，对容积率、硬化地面能够进行热岛预警。系统中独立开发实现的类库：OPERBASE类，TXTOPER类。