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本文首先对城市热岛研究的历史和现状进行了回顾和总结，在详尽了解国内外学者如何利用地面观测资料、卫星遥感及边界层数值模式这三种不同的方法进行城市热岛的形态结构、过程变化及成因分析等研究工作的基础上，提出必须充分利用已有数据和仪器，结合地表观测及卫星遥感观测的优点，综合大气热岛和地表城市热岛的研究结果，从而获取北京市城区热场不同时间尺度上的空间变化规律及其相关影响因子。
接下来本文概述了研究中所用各种数据的来源和使用方法，然后重点介绍如何使用已有的地面试验观测数据和波谱库数据改进ASTER/TM数据反演地表温度的方法，并利用星-地同步数据及SEBS/SEBAL模型综合验证卫星反演的地表反照率、NDVI、地表温度和地表比辐射率等地面参数的精度。其中，本文在多个波谱库数据的支持下，提出了与之适用的ASTER窄波段比辐射率到宽波段比辐射率的转换公式，以及适用于反演不同下垫面TM窄波段比辐射率以及应用于地表能量平衡研究中8-14宽波段比辐射率的公式。结果表明，卫星遥感反演参数的精度是可靠的，可以应用到地表热场的时空变化及其相关影响因子的研究中。
在介绍如何使用线性混合像元分解结合V-I-S模型的方法以及决策树分类算法对北京市城区土地利用/土地覆盖进行分类之后，本文对夏季晴天北京市城区地表热场的日变化进行了研究，结果表明地表城市热岛幅度在下午14：00左右达到高峰值，在早上5：00左右达到最低值，其余时候则分别以这两个时刻为中心呈对称分布。使用TM夜间景影像反演的地表温度分布与由北京市气象站点观测到的大气热岛分布进行对比，结果表明，在晴空、稳定的夜晚，两者的相关性较高，这就为大气热岛与地表城市热岛之间的链接提供了一种有效的途径。本文还对北京市城区白天地表热场的季节变化以及夏季地表热场多年演变进行了研究，结果表明，北京市城区白天地表热场的季节变化和大气热岛的季节变化类似，都是夏季最强，春秋季较弱，冬季几乎没有；而对夏季地表热场多年演变的研究结果则表明，2001年到2005年间，夏季地表热场的相对幅度在减少，同时各下垫面地表类型与NDVI之间的负相关性在增强，说明这几年城区植被覆盖的增加能有效减缓城市地表热岛的发展。最后，本文的研究结果表明，局地的气候环境和下垫面的热特性是北京市地表城市热岛发生发展的主要控制因素，地表城市热岛强度越高，植被的覆盖对其的影响越大，在冬季或清晨地表城市热岛很微弱时，植被的覆盖几乎没有影响。