城市綠地對(duì)周邊熱環(huán)境影響遙感研究
——以北京為例

欒慶祖，葉彩華，劉勇洪，李書(shū)嚴(yán)，高燕虎

北京市氣候中心，北京 100089

城市綠地對(duì)周邊熱環(huán)境影響遙感研究
——以北京為例

欒慶祖，葉彩華*，劉勇洪，李書(shū)嚴(yán)，高燕虎

北京市氣候中心，北京 100089

城市綠地是緩解城市熱環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題的主要因素之一，它不僅在宏觀上影響城市區(qū)域尺度氣候條件，而且在小區(qū)尺度直接影響到周邊的熱環(huán)境條件。本文從綠地景觀格局的角度出發(fā)，利用遙感技術(shù)和地理信息技術(shù)，以北京市主城區(qū)的城市綠地作為研究對(duì)象，以綠地周邊建筑物作為熱環(huán)境影響承載體中介，分析了影響建筑熱環(huán)境的綠地的主要景觀因子，開(kāi)展了城市綠地對(duì)周邊熱環(huán)境的影響范圍、降溫幅度以及綠地景觀參數(shù)與降溫幅度的相關(guān)關(guān)系研究。首先，從TM遙感影像上人工數(shù)字化選取了26個(gè)城市綠地斑塊，同時(shí)提取了其周邊建筑物像元；然后，基于定量遙感理論反演了綠地和建筑物的溫度，并利用GIS工具統(tǒng)計(jì)了綠地和建筑的景觀格局信息；最后，基于空間統(tǒng)計(jì)分析方法和等溫線周長(zhǎng)-溫度曲線變點(diǎn)方法確定了城市綠地對(duì)周?chē)ㄖ餆岘h(huán)境的影響范圍，通過(guò)相關(guān)性分析探討了城市綠地景觀參數(shù)與其降溫幅度之間的相關(guān)性。研究結(jié)果顯示：（1）在100 m空間分辨率的尺度下，北京大部分城市綠地斑塊對(duì)周邊100 m范圍內(nèi)的建筑具有降溫效應(yīng)；面積在0.5 km2以上的綠地斑塊，對(duì)周邊100 m范圍內(nèi)建筑物具有明顯降溫效應(yīng)，降溫幅度在0.46～0.83 ℃之間，平均降溫幅度為0.72 ℃；面積在0.5 km2以下的，具有較高植被覆蓋度的綠地斑塊有一定的降溫效應(yīng)，不具有較高植被覆蓋度的綠地斑塊降溫效應(yīng)不明顯；（2）綠地斑塊的周長(zhǎng)、面積、形狀指數(shù)和植被覆蓋度與其周邊建筑物的降溫幅度沒(méi)有顯著的相關(guān)性。該結(jié)果表明，綠地的面積無(wú)論多大，其對(duì)周邊環(huán)境的降溫效應(yīng)都限制在一定空間范圍內(nèi)；在布設(shè)城市綠地時(shí)分散型綠地比集中式大綠地對(duì)周邊環(huán)境的總體降溫效應(yīng)更好。研究結(jié)果揭示了城市綠地對(duì)周邊熱環(huán)境影響的空間范圍、降溫幅度以及綠地景觀參數(shù)與降溫幅度的相關(guān)關(guān)系，可為城市規(guī)劃建設(shè)及環(huán)境評(píng)價(jià)等提供科學(xué)參考。

城市綠地；建筑；熱環(huán)境；遙感；景觀參數(shù)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市下墊面不透水面面積比例的不斷擴(kuò)大和城市運(yùn)行所釋放的廢氣廢液等人為熱使城市氣候發(fā)生了一系列的變化（Oke，1986；Peng，2005），由此引起的城市熱環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為城市發(fā)展和規(guī)劃過(guò)程中必須考慮的重要問(wèn)題。大量研究表明，城市綠地是緩解城市熱環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題的主要因素（高凱等，2012），合理規(guī)劃和增加城市綠地是緩解熱環(huán)境問(wèn)題的有效手段（Akbari等，1990；Jauregui等，1990）。

對(duì)城市綠地影響熱環(huán)境問(wèn)題的研究多采用實(shí)際觀測(cè)的手段，而研究的問(wèn)題主要集中在城市綠地對(duì)熱島效應(yīng)的減緩作用。如Chang和Lee等研究通過(guò)觀測(cè)研究城市綠地與周邊環(huán)境的氣溫差異、降溫作用以及熱島減緩作用等（Chang和Li，2007；Lee等，2009；李延明等，2004；程承旗等，2004）。近年來(lái)遙感技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了城市綠地對(duì)熱環(huán)境影響的研究，武鵬飛、周紅妹等研究運(yùn)用遙感影像為信息源研究城市綠地對(duì)緩解和減弱熱島效應(yīng)效果及其相互關(guān)系等（武鵬飛等，2009；周紅妹等，2008；賈劉強(qiáng)和邱健，2009），表明了遙感技術(shù)應(yīng)用于城市熱環(huán)境問(wèn)題研究具有可行性和高效性。

城市綠地在改善城市熱環(huán)境問(wèn)題的過(guò)程中具有明顯的作用，但是目前大多數(shù)研究集中在城市綠地對(duì)熱島效應(yīng)的減緩等縱觀問(wèn)題方面（柯銳鵬和梅志雄，2010；Weng等，2004；Streutker，2003）。少數(shù)文獻(xiàn)研究了綠地與周邊環(huán)境的相互影響關(guān)系，如陳云浩等（陳云浩等，2004）研究了城市綠地對(duì)周邊緩沖區(qū)范圍內(nèi)地表溫度的影響，但其薄弱之處在于，綠地周邊緩沖區(qū)范圍內(nèi)的不同地物類(lèi)型混合比例對(duì)自身的熱環(huán)境影響程度可能會(huì)大于綠地的影響，同時(shí)不同地物類(lèi)型混合比例存在區(qū)域間的較大差異，不能準(zhǔn)確反映綠地對(duì)周邊熱環(huán)境的影響。因此，本文以城市綠地周邊單一地物類(lèi)型——建筑物的頂層溫度作為綠地對(duì)周邊熱環(huán)境影響的承載體中介對(duì)象，從綠地景觀布局的角度來(lái)探討綠地對(duì)周邊熱環(huán)境影響，目的是解決綠地周邊混合地物類(lèi)型帶來(lái)的非均一代表性問(wèn)題。在方法上，本文利用遙感技術(shù)和地理信息技術(shù)，研究了城市綠地空間景觀格局與周邊熱環(huán)境之間的關(guān)系；通過(guò)空間統(tǒng)計(jì)分析方法和等溫線周長(zhǎng)-溫度曲線斜率變點(diǎn)兩種方法明確了城市綠地對(duì)周?chē)ㄖ锏慕禍匦?yīng)和空間影響范圍。最終結(jié)論可用于指導(dǎo)城市綠地規(guī)劃建設(shè)，同時(shí)可為城市綠地建設(shè)的定量評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

研究區(qū)域?yàn)楸本┦兄行某菂^(qū)6個(gè)區(qū)，包括東城區(qū)、西城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)、海淀區(qū)、石景山區(qū)和豐臺(tái)區(qū)，空間范圍見(jiàn)圖1。

本文選擇美國(guó)陸地資源衛(wèi)星Landsat TM5（軌道號(hào)123/32）遙感影像作為提取城市綠地和地表溫度反演的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可見(jiàn)光通道空間分辨率為30 m，熱紅外通道（第6波段）的空間分辨率為120 m，過(guò)境時(shí)間為2008年8月2日下午2點(diǎn)21分，當(dāng)天北京市氣象局監(jiān)測(cè)的氣溫最高達(dá)到35.5 ℃，高溫條件有利于對(duì)比分析研究。基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)來(lái)自北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院2009年1∶2000比例尺行地形圖矢量數(shù)據(jù)。

1.2 地表溫度反演

Landsat TM數(shù)據(jù)定標(biāo)根據(jù)美國(guó)NASA提供的TM傳感器波段增益參數(shù)，采用公式（1）進(jìn)行不同譜段輻射亮度計(jì)算（陳云浩等，2004；Gyanesh等，2004）。正射糾正基于1∶2000地形圖矢量數(shù)據(jù)和DEM，采用改進(jìn)的多項(xiàng)式模型進(jìn)行糾正（欒慶祖等，2007），糾正誤差控制在1個(gè)像元以?xún)?nèi)。

其中L?為地表輻射亮度，α為NASA提供的TM5傳感器每個(gè)波段的增益，β為偏置，DN為影像的原始像元值。

地表溫度反演參考Schneider和Mauser（Schneider和Mauser，1996）給出的TM影像溫度反演公式（2）得到：

其中，T為熱力學(xué)溫度，K1、K2為定標(biāo)常數(shù)，L?為由公式（1）得到的第6波段熱紅外通道的輻射亮度。

為方便后續(xù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，本文將地表溫度反演后得到的數(shù)據(jù)空間分辨率重采樣為100 m。

1.3 城市綠地信息提取

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Research area

在城市內(nèi)部，城市綠地內(nèi)部所對(duì)應(yīng)的地表溫度相對(duì)較低，綠地周邊的不透水面等地表溫度通常相對(duì)較高，由此引起的熱量傳輸使綠地對(duì)其周邊熱環(huán)境具有明顯改善作用。為準(zhǔn)確提取城市綠地的空間信息，本文采取人工數(shù)字化的方式獲取多尺度的城市綠地斑塊（最小尺度3×3像元），選取原則是綠地不包含水體或少量水體，以規(guī)避水體同時(shí)產(chǎn)生的對(duì)建筑物的降溫影響。由于綠地斑塊的景觀特征不同，不同綠地對(duì)周?chē)ㄖ臒岘h(huán)境影響效應(yīng)也存在差異。本文參考景觀生態(tài)學(xué)中景觀參數(shù)定義（Liu和Cameron，2001；Hulshoff，1995），選擇城市綠地斑塊面積、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)、植被覆蓋度共四個(gè)景觀格局特征參數(shù)。其中植被覆蓋度的計(jì)算方法采用植被指數(shù)法——混合像元等密度模型NDVI植被指數(shù)反演法（Strahler，1980），參見(jiàn)公式（3）。

式中，f為植被覆蓋度，NDVI為像元NDVI值，NDVImax為研究區(qū)域的最大NDVI值，NDVImin為研究區(qū)域最小NDVI值。

1.4 技術(shù)路線

本文的研究及數(shù)路線分以下四步驟進(jìn)行研究：

第一步，遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)原始TM遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)、正射糾正等預(yù)處理。

第二步，綠地和建筑物相關(guān)信息提取。分別采取人工數(shù)字化的方式在經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的遙感影像上提取綠地及綠地周邊的建筑物斑塊。同時(shí)，根據(jù)本文2.2和2.3節(jié)的方法，反演地表溫度和植被覆蓋度信息。

第三步，統(tǒng)計(jì)分析。本步驟包括三部分：（1）將城市綠地斑塊分布格局與城市陸地地標(biāo)溫度進(jìn)行空間疊置，對(duì)每個(gè)城市綠地斑塊對(duì)應(yīng)的溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括最大值、最小值、均值等；（2）從人工數(shù)字化的城市綠地斑塊中獲取各斑塊的面積、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)（周長(zhǎng)面積比），并分析其空間特征；（3）對(duì)每個(gè)綠地斑塊做多尺度緩沖區(qū)，分別提取各尺度緩沖區(qū)內(nèi)的建筑物像元并計(jì)算建筑物頂層的平均溫度，比較各緩沖區(qū)內(nèi)建筑物頂層的溫度差異，確定綠地斑塊對(duì)建筑物的空間影響范圍。

第四步，城市綠地對(duì)周邊建筑熱環(huán)境影響分析。本文主要從兩個(gè)方面研究城市綠地對(duì)周邊建筑熱環(huán)境的影響：（1）影響距離：分別采用空間統(tǒng)計(jì)分析方法和等溫線周長(zhǎng)-溫度曲線斜率變點(diǎn)方法（賈劉強(qiáng)，2009）研究城市綠地對(duì)周邊建筑熱環(huán)境的影響距離；（2）綠地對(duì)周邊建筑熱環(huán)境影響的最主要景觀參數(shù)：用城市綠地斑塊的面積、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)和植被覆蓋度分別與緩沖區(qū)范圍建筑物降溫幅度進(jìn)行相關(guān)性分析，定量衡量城市綠地對(duì)周?chē)ㄖ臒岘h(huán)境影響效應(yīng)。

2 結(jié)果分析

2.1 地表溫度反演

利用公式（1）和（2），本文反演得到的北京地區(qū)的地標(biāo)溫度分布如圖2所示。北京市主城區(qū)的地表溫度范圍在21.86～34.00 ℃之間。高溫主要分布在東南部植被覆蓋較少的工業(yè)及居民區(qū)域，而低溫則主要分布在西北部的淺山區(qū)。

2.2 城市綠地信息提取

本文采取人工數(shù)字化的方式獲取多尺度的城市綠地斑塊（最小尺度3×3像元）26塊（參見(jiàn)圖2）。

表1 城市綠地斑塊統(tǒng)計(jì)信息Table 1 Statistics of urban green land

圖2 2008年8月2號(hào)遙感反演北京地表溫度及數(shù)字化綠地分布圖Fig.2 Map of retrieved land surface temperature by remote sensing in 2ndAugust and digital UGLs

統(tǒng)計(jì)計(jì)算綠地景觀參數(shù)信息發(fā)現(xiàn)，綠地面積、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)的差異性非常顯著（表1）。其中綠地斑塊面積在0～0.5 km2范圍內(nèi)的有16個(gè)，0.5～1.0km2范圍內(nèi)的有3個(gè)，1.0～2.0 km2范圍內(nèi)的有3個(gè)，2.0～5.0 km2范圍內(nèi)有2個(gè)，5.0～8.0 km2范圍內(nèi)的有2個(gè)，全部綠地面積的平均值為1.12 km2。面積最大的綠地面積達(dá)到7.65 km2，而面積最小的綠地斑塊面積僅0.081 km2；同時(shí)周長(zhǎng)也存在較大的差異，綠地斑塊周長(zhǎng)范圍在1.55～20.22 km之間，其中1～2 km范圍內(nèi)的有5個(gè)綠地斑塊，2～5 km范圍內(nèi)有12個(gè)綠地斑塊，5 km以上的有9個(gè)；形狀指數(shù)范圍分布在0.0026～0.0203之間，其中形狀指數(shù)最小的綠地同時(shí)也是是面積最大綠地。

從空間上分析發(fā)現(xiàn)，溫度最低的5個(gè)綠地斑塊位于城市的北部，而5個(gè)溫度最高的綠地斑塊則位于城市的南部，即北京市城市綠地的熱環(huán)境空間格局表現(xiàn)出南高北低的規(guī)律性，與城市整體熱環(huán)境空間格局分布一致。

2.3 城市綠地斑塊與內(nèi)部溫度關(guān)系分析

將城市綠地斑塊平均溫度分別與各自斑塊的面積、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)、植被覆蓋度四個(gè)景觀參數(shù)建立相關(guān)分析。

2.3.1 綠地周長(zhǎng)與平均溫度的關(guān)系

將綠地斑塊的周長(zhǎng)與熱環(huán)境溫度對(duì)比分析，如圖3所示，二者不存在顯著的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。

2.3.2 綠地面積與平均溫度的關(guān)系

圖3 綠地景觀特征參數(shù)與內(nèi)部平均溫度相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析Fig.3 Correlation of average temperature with landscape parameters of green land

總體上城市綠地斑塊對(duì)應(yīng)的平均溫度與斑塊面積的相關(guān)性非常弱。但對(duì)面積在0.26～1.03 km2范圍內(nèi)的城市綠地斑塊分析顯示，隨著城市綠地斑塊面積的增大，溫度有逐漸降低趨勢(shì)，但降低的幅度是非均勻的。當(dāng)綠地斑塊面積在0.08～0.22 km2之間時(shí)，面積溫度曲線并不具備規(guī)律性。

2.3.3 綠地形狀指數(shù)與平均溫度的關(guān)系

根據(jù)Wiens等（Wiens等，1993）的研究成果，形狀指數(shù)是反映斑塊形狀的重要參數(shù)，其值越大，表面形狀越復(fù)雜，綠地斑塊內(nèi)部的能量、物質(zhì)及信息越容易與周?chē)h(huán)境交流，因此我們選擇形狀指數(shù)與綠地斑塊溫度進(jìn)行相關(guān)分析。其中最小形狀指數(shù)值為0.0026，所對(duì)應(yīng)的溫度為26.9 ℃，最大形狀指數(shù)值為0.0203，對(duì)應(yīng)溫度升高到28.1 ℃，但從總體上看（見(jiàn)圖3），二者的相關(guān)性很弱，不形成明顯的趨勢(shì)。

2.3.4 綠地斑塊植被覆蓋度與內(nèi)部平均溫度的關(guān)系

城市綠地的平均溫度隨著植被覆蓋度的增大而減小，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了-0.50，通過(guò)了F檢驗(yàn)。其中植被覆蓋度最低的四惠公園，其覆蓋度為0.58，所對(duì)應(yīng)的溫度最高，為28.1 ℃；望京街道綠地植被覆蓋度最高為0.92，其溫度為25.9 ℃。因此植被覆蓋度與城市熱環(huán)境溫度具有一定負(fù)相關(guān)關(guān)系，即植被覆蓋度越高，溫度越低，植被覆蓋度顯著影響降溫效應(yīng)。

需要指明的是，王雪（王雪，2006）、甘霖（甘霖，2011）等的研究結(jié)果顯示城市綠地面積和周長(zhǎng)與綠地溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與形狀指數(shù)呈正相關(guān)的關(guān)系，本文的分析結(jié)果與他人研究成果不相一致。其中一個(gè)重要原因是樣本選擇的差異，如紫竹院公園綠地區(qū)域內(nèi)包括了少量水面，還有些公園內(nèi)部存在不透水面、少量建筑等情況，所以公園地表覆蓋的差異性會(huì)導(dǎo)致相同面積大小的公園出現(xiàn)熱環(huán)境差異。另外一個(gè)可能的重要原因是，斑塊內(nèi)部的地表覆蓋有明顯的差異。例如面積為0.08 km2的玲瓏公園的溫度為26.8 ℃，而面積為0.18 km2的地壇公園溫度為26.6 ℃，與小面積的玲瓏公園溫度相近，在不考慮其他熱源影響的情況下，最主要原因是玲瓏公園的覆蓋度為0.83，植被覆蓋度非常高，而地壇公園的覆蓋度為0.69。

表2 綠地及緩沖區(qū)內(nèi)建筑物溫度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistic of Temperature of Green Land and Buildings in Buffer Area

3 城市綠地斑塊對(duì)周邊建筑熱環(huán)境影響

為方便采用空間方式定量研究綠地對(duì)周邊建筑物的熱環(huán)境影響，我們對(duì)各個(gè)綠地斑塊進(jìn)行不同距離的緩沖區(qū)分析。將綠地斑塊邊界以外分別劃分成0～100 m、100～200 m、200～300 m、300～400 m共4個(gè)空間范圍的緩沖區(qū)；分別提取緩沖區(qū)內(nèi)的建筑物，與地表溫度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊置，得到4個(gè)空間緩沖區(qū)內(nèi)熱環(huán)境溫度的所有統(tǒng)計(jì)值，并將各空間范圍緩沖區(qū)內(nèi)的平均溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，定量衡量城市綠地斑塊對(duì)周邊建筑環(huán)境的局地效應(yīng)；最后將綠地影響范圍內(nèi)的建筑物平均溫度分別與城市綠地的面積、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)和植被覆蓋度進(jìn)行相關(guān)分析

3.1 綠地對(duì)周邊建筑物熱環(huán)境的影響距離

3.1.1 空間統(tǒng)計(jì)分析方法

從理論上分析，城市綠地斑塊內(nèi)部溫度較周邊建筑等非植被下墊面的溫度低，會(huì)對(duì)周邊熱環(huán)境產(chǎn)生一定的降溫效應(yīng)。綠地周邊緩沖區(qū)內(nèi)建筑物溫度如果與正常建筑物溫度有明顯降溫差異，則表明該范圍內(nèi)的建筑受綠地的影響較大。通常情況下的表現(xiàn)形式是：距離城市綠地遠(yuǎn)的建筑物溫度比距離綠地近的建筑物溫度高。因此，參考Huang等（Huang等，1987）的研究成果，我們定義：如果相鄰緩沖區(qū)的建筑溫度差值≤0.3 ℃，則確定為不受綠地影響的緩沖區(qū)；以該緩沖區(qū)內(nèi)建筑物平均溫度為背景值，各緩沖區(qū)內(nèi)建筑物平均溫度與該背景值相減的差值，定義為綠地對(duì)周邊建筑物造成的降溫幅度。

基于上述定義，為了明確綠地對(duì)周邊建筑的熱環(huán)境影響空間距離范圍，分別計(jì)算100 m與100～200 m、100～200 m與200～300 m、200～300 m與300～400 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的建筑物平均溫度差值，所有計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)緩沖區(qū)100 m與100～200 m范圍內(nèi)建筑物溫度差進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：（1）僅5個(gè)公園緩沖區(qū)內(nèi)建筑平均溫度差小于等于0 ℃，而其余21個(gè)建筑區(qū)域溫度差均大于0 ℃，這5個(gè)公園緩沖區(qū)分別為日壇公園、地壇公園、田村街道公園、四得公園和景山公園。分析得知，這5個(gè)公園受周邊水體、不透水面、綠化植物等影響較強(qiáng)；（2）在所有公園中，降溫幅度最高的為花鄉(xiāng)公園，高達(dá)2.37 ℃，主要原因是在花鄉(xiāng)公園100～200 m范圍，分布了大面積的道路和建筑物區(qū)域，而這些不透水面的綠化非常少，加上花鄉(xiāng)公園自身的綠化面積高達(dá)2.27 km2，故降溫效應(yīng)最為顯著。因此，可認(rèn)為這6塊綠地受背景環(huán)境影響較大，在后續(xù)的分析中將其去除。

利用剩下的綠地作緩沖區(qū)建筑物溫度差與綠地面積散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖4），結(jié)合表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，（1）遠(yuǎn)離綠地斑塊的建筑區(qū)域溫度明顯升高，而且隨著距離的增加，這三個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)建筑物溫度差值也在逐漸降低，即表2中絕大部分（D-C）＜（C-B）＜（B-A），表明隨著距離增加綠地對(duì)建筑物的熱環(huán)境影響效應(yīng)在降低。（2）90%以上的200 m與100 m緩沖區(qū)內(nèi)建筑物溫差大于0.3 ℃，只有2個(gè)綠地的200 m與100 m緩沖區(qū)內(nèi)建筑物溫差小于0.3 ℃，而90%以上的300 m與200 m緩沖區(qū)內(nèi)建筑物溫差和95%以上的400 m與300 m緩沖區(qū)內(nèi)建筑物溫差小于0.3 ℃。200 m與100 m緩沖區(qū)內(nèi)建筑物溫差小于0.3 ℃的公園分別是看丹郊野公園和紫竹院公園。紫竹院公園的200 m與100 m緩沖區(qū)內(nèi)建筑物溫差為0.28 ℃，接近0.3 ℃；看丹郊野公園的綠地面積為0.5 km2，但其形狀為不規(guī)則矩形，形狀指數(shù)高達(dá)0.0108，并且公園的植被覆蓋度非常低，僅為0.29，相比其它城市綠地，周邊的降溫效應(yīng)不顯著，溫差為0.16 ℃；（3）面積在0.5 km2以上的綠地斑塊，全部的溫差均大于0.3 ℃，對(duì)周邊100 m建筑物具有明顯降溫效應(yīng)，降溫幅度在0.46～0.83 ℃之間，平均降幅為0.72 ℃；面積在0.5 km2以下的較高覆蓋度綠地斑塊有一定降溫效應(yīng)，但是低覆蓋度綠地斑塊降溫效應(yīng)不明顯。

因此，可認(rèn)為在100 m分辨率的空間尺度下，綠地對(duì)周邊建筑物的熱環(huán)境影響空間距離為100 m，即綠地斑塊只對(duì)0～100 m范圍內(nèi)建筑物溫度有影響；同時(shí)可認(rèn)為，綠地周邊100～200 m緩沖區(qū)內(nèi)建筑物溫度不受綠地影響，即可以作為背景溫度；進(jìn)一步，200 m與100 m緩沖區(qū)內(nèi)建筑物溫差值即是綠地對(duì)100 m范圍內(nèi)建筑物的影響的降溫幅度。

圖4 緩沖區(qū)建筑物溫度差與綠地面積相關(guān)圖Fig. 4 Relationship between the temperature variation of buildings in buffer area and the area of green land

3.1.2 等溫線周長(zhǎng)-溫度曲線斜率變點(diǎn)方法

從理論上分析，城市綠地斑塊在一定程度上會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境產(chǎn)生降溫效應(yīng)，這種降溫效應(yīng)可以通過(guò)城市綠地周?chē)葴鼐€的分布、疏密變化等規(guī)律來(lái)表征，所以可以利用每塊綠地周?chē)牡葴鼐€來(lái)定量衡量綠地對(duì)周?chē)鸁岘h(huán)境的影響。賈劉強(qiáng)（賈劉強(qiáng)，2009）利用綠地斑塊周?chē)葴鼐€的周長(zhǎng)—溫度曲線圖，尋找斜率變點(diǎn)，從而獲取綠地斑塊對(duì)外降溫影響范圍及幅度，圖5為利用地表溫度數(shù)據(jù)提取的圓明園遺址公園間隔0.1 ℃的等溫線。

圖5 圓明園遺址公園等溫線分布Fig. 5 Map of Isotherm with Interval of 0.1℃ around Yuanmingyuan Ruins Park

圖5 以圓明園遺址公園綠地斑塊為例，以0.1 ℃間隔作等溫線，在圓明園遺址公園綠地周?chē)?，由點(diǎn)至面依次分布了21條閉合的等溫線，反映了該綠地斑塊對(duì)周邊地表熱環(huán)境的影響：隨著等溫線周長(zhǎng)的不斷擴(kuò)大，地表溫度逐漸升高，同時(shí)綠地斑塊的對(duì)外降溫效應(yīng)也逐漸減弱，直至周?chē)乇頊囟融呌谝恢隆Ｔ谏鲜鲞^(guò)程中，綠地斑塊對(duì)外降溫影響范圍可以認(rèn)為是從斑塊邊緣到溫度與周?chē)鷾囟乳_(kāi)始趨于一致的那跳閉合的等溫線所包圍的區(qū)域，而降溫幅度則為該等溫線所在溫度與綠地斑塊內(nèi)部平級(jí)地表溫度之差。

對(duì)圓明園遺址公園綠地周?chē)?1條等溫線的周長(zhǎng)與溫度的曲線進(jìn)行進(jìn)一步分析（圖6）。用多項(xiàng)式對(duì)其擬合，在0.05置信水平上，決定系數(shù)R2達(dá)到0.9697；并且該曲線存在兩處斜率變點(diǎn)：對(duì)應(yīng)25.9 ℃在綠地邊緣（部分分布在綠地內(nèi)部），為該綠地對(duì)周?chē)匚餆岘h(huán)境產(chǎn)生影響的起始處；第二處斜率變點(diǎn)對(duì)應(yīng)26.7 ℃等溫線，對(duì)應(yīng)該綠地斑塊降溫影響臨界點(diǎn)，即從該等溫線向外地表溫度變化不再顯著。

從兩斜率變點(diǎn)的位置對(duì)應(yīng)到等溫線分布圖中進(jìn)行檢驗(yàn)，曲線反應(yīng)的降溫范圍與綠地斑塊周邊等溫線分布規(guī)律的解釋一致：在圓明園遺址公園綠地斑塊邊緣附近，由于綠地內(nèi)部溫差急劇變化，形成第一個(gè)斜率變點(diǎn)（25.9 ℃等溫線），隨著等溫線周長(zhǎng)的增加，地表溫度逐漸升高，直到達(dá)到第二個(gè)斜率變點(diǎn)（26.7 ℃等溫線），此時(shí)地表溫度隨等溫線周長(zhǎng)增加而不斷升高的趨勢(shì)逐漸消失，可認(rèn)為此時(shí)地表溫度與周?chē)h(huán)境的地物溫度趨于一致，是該綠地降溫的影響范圍的外邊界，所以圓明園遺址公園綠地的降溫幅度為26.7 ℃等溫線與25.9 ℃等溫線之差（0.8 ℃，這與本文緩沖區(qū)統(tǒng)計(jì)分析的方法得出的0.72 ℃接近），兩條等溫線圍合區(qū)域與緩沖區(qū)100 m范圍雖然差異較大，但兩條線最小間隔仍在100 m范圍之內(nèi)，表明綠地影響范圍不超過(guò)100 m。

需要指出的是，等溫線周長(zhǎng)-溫度曲線斜率變點(diǎn)方法也有其不足之處。當(dāng)綠地區(qū)域下墊面土地利用狀況復(fù)雜，或者綠地的形狀復(fù)雜時(shí)，綠地周邊熱環(huán)境受到多因素的影響，綠地周?chē)牡葴鼐€也會(huì)呈現(xiàn)出不規(guī)律性，即并不是以綠地為中心由內(nèi)至外的有規(guī)律的閉合等溫線，而是發(fā)散外延的復(fù)雜曲線。這種情況下，等溫線周長(zhǎng)-溫度曲線斜率變點(diǎn)方法便不適用。

3.2 綠地斑塊參數(shù)與降溫幅度的相關(guān)性

圖6 等溫線周長(zhǎng)-溫度曲線變點(diǎn)Fig.6 Slope breakpoints of the Isotherm perimeter-temperature curve

圖7 綠地景觀參數(shù)與降溫幅度散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter diagrams of landscape parameters of green land and cooling range

綠地對(duì)周邊建筑物的熱環(huán)境影響空間距離為100 m，因此我們主要分析200 m與100 m緩沖區(qū)內(nèi)建筑物溫差(降溫幅度)與綠地斑塊景觀參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，來(lái)反映綠地斑塊對(duì)周?chē)ㄖ岘h(huán)境緩解的規(guī)律。從散點(diǎn)圖上分析（圖7），綠地斑塊對(duì)100 m緩沖區(qū)內(nèi)的建筑物的降溫幅度與綠地面積、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)和植被覆蓋度并沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系。賈劉強(qiáng)的研究表明，綠地對(duì)周邊降溫幅度受綠地斑塊的植被蓋度、面積、周長(zhǎng)和形狀指數(shù)的綜合作用，其中綠地面積和周長(zhǎng)的影響較顯著，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.76和0.72。由于本文的研究對(duì)象是綠地周邊的建筑物，一方面，對(duì)某綠地斑塊做緩沖區(qū)時(shí)，實(shí)際上得到的是與該綠地的斑塊形狀相似、范圍向外擴(kuò)的一個(gè)區(qū)域，在現(xiàn)實(shí)情況中，因?yàn)槭艿匦?、環(huán)境、風(fēng)向等各種因素的影響，綠地斑塊對(duì)外降溫影響區(qū)域難以呈現(xiàn)出與綠地自身斑塊相似的形狀；另一方面，建筑物的溫度除了受到周邊環(huán)境的影響之外，自身的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部能源消耗散熱才是最主要的熱環(huán)境影響因子，而且內(nèi)部能耗散熱的不確定性非常強(qiáng)。此外，城市綠地樣本數(shù)量少也可能是影響結(jié)果的一個(gè)重要原因。所以，基于緩沖區(qū)分析的綠地斑塊影響周邊建筑熱環(huán)境的定量方法確定綠地產(chǎn)生的降溫效果存在一定的不確定性，有必要借助其他研究方法適當(dāng)改進(jìn)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

城市綠地對(duì)周邊熱環(huán)境具有一定程度的降溫效應(yīng)，在城市規(guī)劃過(guò)程中應(yīng)該重視綠地的景觀布局，將綠地面積和綠地的植被覆蓋度協(xié)同考慮：

（1）綠地斑塊內(nèi)部平均溫度與斑塊的面積、周長(zhǎng)與形狀指數(shù)相關(guān)性較弱，與植被覆蓋度則有一定負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.50，提高植被覆蓋度有利于降低溫度。

（2）在100 m分辨率的空間尺度下，本文研究的大部分綠地斑塊對(duì)周邊100 m范圍內(nèi)的建筑具有降溫效應(yīng)，當(dāng)綠地植被覆蓋度較高時(shí)影響范圍可能超出100 m。

（3）面積在0.5 km2以上的綠地斑塊，對(duì)周邊100 m范圍內(nèi)的建筑物具有明顯降溫效應(yīng)，降溫幅度在0.46～0.83 ℃之間，平均降溫幅度為0.72 ℃；但是面積在0.5 km2以下的綠地斑塊只有在具有較高覆蓋度時(shí)才表現(xiàn)出一定的降溫效應(yīng)，低覆蓋度的綠地斑塊降溫效應(yīng)不明顯。在綠地斑塊的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)使綠地斑塊的面積在0.5 km2以上，同時(shí)盡量提高綠地中植被覆蓋率以使綠地斑塊對(duì)周邊建筑溫度的影響范圍和程度達(dá)到最大化和最優(yōu)化。

4.2 討論

本文以2008年北京主城區(qū)五環(huán)路以?xún)?nèi)的綠地及其周邊建筑為研究對(duì)象，探討了綠地對(duì)周邊熱環(huán)境影響效應(yīng)的規(guī)律，包括綠地斑塊的植被蓋度、面積、周長(zhǎng)以及形狀指數(shù)等空間特征與綠地內(nèi)部溫度的關(guān)系，以及綠地對(duì)周邊熱環(huán)境溫度的影響范圍和影響程度。同時(shí)，本文基于等溫線周長(zhǎng)-溫度曲線斜率變點(diǎn)方法驗(yàn)證了綠地斑塊緩解周邊建筑熱環(huán)境的作用范圍及幅度，與空間統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果基本一致，說(shuō)明該方法可以輔助定量判定綠地?zé)岘h(huán)境效應(yīng)，在綠地形狀和下墊面土地利用并不復(fù)雜的情況下，可以更加準(zhǔn)確的確定每一個(gè)綠地斑塊對(duì)周?chē)鸁岘h(huán)境影響范圍及降溫幅度。該方法在一定程度上避免了人為確定統(tǒng)一的緩沖距離帶來(lái)的誤差，保障了綠地斑塊對(duì)周邊環(huán)境溫度影響范圍和降溫幅度數(shù)據(jù)獲取的獨(dú)立性，從而可以提高研究結(jié)論的可靠性。

對(duì)本文選取的綠地樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，綠地斑塊的周長(zhǎng)、面積、形狀指數(shù)和植被覆蓋度均與其周邊建筑物的降溫幅度沒(méi)有顯著相關(guān)性。由于綠地區(qū)域下墊面環(huán)境復(fù)雜或建筑物自身結(jié)構(gòu)和能耗散熱不確定性強(qiáng)，基于緩沖區(qū)分析的方法存在一定的不足。

在研究相關(guān)問(wèn)題時(shí)，尺度是一個(gè)重要的問(wèn)題。在確定了基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)源后，選擇的研究尺度不同，得到的結(jié)論往往差異很大。如高凱等（高凱等，2012）采用0.25 m航片數(shù)據(jù)進(jìn)行綠地的提取和分析，綠地面積與溫度表現(xiàn)出非常強(qiáng)的相關(guān)性，與本文的研究結(jié)果差別較大；同時(shí)，本文研究結(jié)果由于受遙感圖像空間分辨率的限制，諸多結(jié)論還比較粗糙，還不能對(duì)綠地?zé)岘h(huán)境效應(yīng)進(jìn)行更為精細(xì)、準(zhǔn)確、定量的分析。此外，不同學(xué)者因研究方法不同所取得的結(jié)論也將不完全一致。雖然樣本和區(qū)域環(huán)境的差異是其中的重要原因，但最主要的原因是研究模型不能完全模擬城市綠地產(chǎn)生的各種復(fù)雜的變化過(guò)程。因此，為檢驗(yàn)本文研究結(jié)論在不同尺度下及不同區(qū)域內(nèi)的適用性，利用更高空間分辨率的遙感熱紅外圖像進(jìn)行城市綠地?zé)岘h(huán)境效應(yīng)的研究，同時(shí)對(duì)比不同研究方法的結(jié)論差異性機(jī)理，是今后需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究的內(nèi)容和方向。

AKBARI, ROSENFELD, TAHA. 1990. Summer heat islands, urban trees, and white surfaces. Winter meeting of the American Society of Heating[J]. Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. 45(19):359-367.

CHANG, LI. 2007. A preliminary study on the local cool-island intensity of Taipei city parks[J]. Landscape and Urban Planning. 80(4):386-395.

GYANESH C, HELDER D L, Markham B L, et al. 2004. Landsat-5 TM reflective band radiometric calibration[J]. IEEE Transactions on Geo-science and Remote Sensing. 42(12):2747-2760.

HUANG Y J, AKBARI H, TAHA H, et al. 1987. The potential of vegetation in reducing summer cooling loads in residential buildings[J]. Journal of climate and Applied Meteorology, 26(9): 1103-1116.

HULSHOFF R M. 1995. Landscape indices describing a Dutch landscape[J]. Landscape ecology, 10(2): 101-111.

JAUREGUI. 1990. Influence of a large urban park on temperature and convective precipitation in a tropical city[J]. Energy and Buildings. 15(3-4):457-463.

LEE, LEE, JIN, et al. 2009. Effect of an urban park on air temperature differences in a central business district area[J]. Land scape and Ecological Engineering. 5(2):183-191.

LIU A J, CAMERON G N. 2001. Analysis of landscape patterns in coastal wetlands of Galveston Bay, Texas (USA)[J]. Landscape Ecology, 16(7): 581-595.

OKE T R. 1986. Urban climatology and its applications with special regard to tropical areas[M]//WMO. World Meteorological Organization, 652:10-12.

PENG S L, ZHOU K, YE Y H, Su J．2005. Research progress in urban heat island[J]. Ecology and Environment, 14(4):574-579．

SCHNEIDER K, MAUSER W. 1996. Processing and accuracy of Landsat Thematic Mapper Data for lake surface temperature measurement[J].International Journal of Remote Sensing, 17(11):2027-2041.

STRAHLER A H. 1980. The use of prior probabilities in maximum likelihood classification of remotely sensed data[J]. Remote Sensing of Environment, 10(2): 135-163.

STREUTKER D R. 2003. Satellite-measured growth of the urban heat island of Houston, Texas[J]. Remote Sensing of Environment. 85(3): 282-289.

WENG Q, LU D, SCHUBRING J. 2004. Estimation of land surface temperature–vegetation abundance relationship for urban heat island studies[J]. Remote sensing of Environment, 89(4): 467-483.

WIENS J A, CHR N, VAN H B, et al. 1993. Ecological mechanisms and landscape ecology[J]. Oikos: 369-380.

陳云浩, 李京, 李曉兵. 2004. 城市空間熱環(huán)境遙感分析格局過(guò)程模擬與影響[M]. 北京: 科學(xué)出版社: 26.

程承旗,吳寧,郭仕德,等. 2004. 城市熱島強(qiáng)度與植被覆蓋關(guān)系研究的理論技術(shù)路線和北京案例分析[J]. 水土保持研究, (3):172-174.

甘霖. 2011. 面向地表熱環(huán)境效應(yīng)改善的北京綠隔規(guī)劃策略[D]. 北京:清華大學(xué): 65.

高凱, 秦俊, 胡永紅. 2012. 城市居住區(qū)景觀綠化格局改善熱環(huán)境變化的遙感監(jiān)測(cè)分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 21(3): 464-469.

賈劉強(qiáng), 邱健. 2009. 基于遙感的城市綠地斑塊熱環(huán)境效應(yīng)研究——以成都市為例[J]. 中國(guó)園林, (12):97-101.

賈劉強(qiáng). 2009. 城市綠地緩解熱島的空間特征研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué): 92-95．

柯銳鵬, 梅志雄. 2010. 城鎮(zhèn)化與綠地退化對(duì)城市熱環(huán)境影響研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 19(9): 2023-2030.

李延明, 郭佳, 馮久瑩. 2004. 城市綠色空間及對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響[J]. 城市環(huán)境與城市生態(tài), 17(1): 1-4.

欒慶祖, 劉慧平, 肖志強(qiáng). 2007. 遙感影像的正射校正方法比較[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 22(6): 743-747.

王雪. 2006. 城市綠地空間分布及其熱環(huán)境效應(yīng)遙感分析[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué): 94.

武鵬飛, 王茂軍, 張學(xué)霞. 2009. 基于歸一化建筑指數(shù)的北京市城市熱島效應(yīng)分布特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào). 18(4): 1325-1331.

周紅妹, 高陽(yáng), 葛偉強(qiáng), 等. 2008. 城市擴(kuò)展與熱島空間分布變化關(guān)系研究——以上海為例[J]. 生態(tài)環(huán)境. 17(1):163-168.

Effect of urban green land on thermal environment of surroundings based on remote sensing: A case study in Beijing, China

LUAN Qingzu, YE Caihua*, LIU Yonghong, LI Shuyan, GAO Yanhu
Beijing Municipal Climate Center, Beijing 100089, China

Urban green land (UGL) is one of the key factors that mitigate urban thermal environment effect. Not only in macro scale it has influence on urban weather condition, but also in the scale of community, it has direct impact on thermal environment of its surroundings. In this paper, from the view of landscape of UGL, we chose UGL in main urban zone as study target and buildings around them as bearing agent influenced by them. By employing remote sensing (RS) and geographic information system (GIS) technology, we analyzed dominant landscape feature parameters of UGL that impact thermal environment of buildings, and studied how far UGL could affect surrounding thermal environment and correlation between landscape coefficients of UGL and cooling range caused by UGL. First of all, we mapped 26 UGL patches artificially and extracted their neighbor buildings from TM image. Then, we retrieved canopy temperature of UGL and top roof temperature of buildings around UGL based on quantitative remote sensing theory, and computed UGL’s landscape information using GIS tools. Finally, spatial range that UGL affect its neighbor buildings’ thermal environment was inferred through both spatial statistic method and isotherm perimeter-temperature curve breakpoint method, and meanwhile, correlation between UGL’s temperature and its neighbor buildings’ temperature was explored. Studies showed that, at the scale of spatial resolution of 100 m, most UGL patches had a role in cooling effect on their surrounding buildings within 100 m range. All UGL patches over 0.5 km2acted significant cooling effect on buildings near patches within 100 m, and the temperature drop ranged from 0.46 ℃ to 0.83 ℃, with average 0.72 ℃. Also UGL patches below 0.5 km2with high fractional vegetation cover played a cooling role, while UGL patches below 0.5km2 with low fractional vegetation cover had no significant cooling effect. Anymore, UGL patches’ perimeter, area, shape index and fractional vegetation cover had no significant correlation with UGL’s cooling range on their surroundings. The results indicate that, no matter how much the area is, UGL patches have limited spatial influence on their surrounding thermal environment; and dispersive UGL distribution has better cooling effect on surroundings than intensive distribution. Our research reveals the spatial distance and temperature drop range that UGL affected on its surrounding buildings and the correlation between UGL’s landscape indexes and the temperature drop range caused by UGL, which could provide scientific basis for urban plan and environment assessment.

urban green lands; buildings; thermal environment; remote sensing; landscape coefficients

K903；X16

A

1674-5906（2014）02-0252-10

欒慶祖，葉彩華，劉勇洪，李書(shū)嚴(yán)，高燕虎. 城市綠地對(duì)周邊熱環(huán)境影響遙感研究——以北京為例[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(2): 252-261.

LUAN Qingzu, YE Caihua, LIU Yonghong, LI Shuyan, GAO Yanhu. Effect of urban green land on thermal environment of surroundings based on remote sensing: A case study in Beijing, China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(2): 252-261.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41175015）；氣象行業(yè)公益性研究專(zhuān)項(xiàng)（GYHY201106032）

欒慶祖（1981年生），男，工程師，博士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)遙感與大氣遙感。*通訊作者，E-mail: YCH681012@126.com

2013-12-18