基于高光譜的城市地面磚表面熱環(huán)境特性的實(shí)驗(yàn)研究

楊雅君，鄒振東，趙文利，李瑞利，邱國玉北京大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 深圳 518055

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基于高光譜的城市地面磚表面熱環(huán)境特性的實(shí)驗(yàn)研究

楊雅君，鄒振東，趙文利，李瑞利，邱國玉
北京大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 深圳 518055

摘要：地面磚是城市重要的鋪裝材料，它的表面特性對城市地面熱環(huán)境有重要影響，反射率是影響其表面熱環(huán)境特性的重要因素。由于缺乏觀測手段，關(guān)于地面磚的反射率特性及其對表面溫度的影響還缺乏定量的系統(tǒng)研究。為此，該研究選取了城市鋪裝常用的混凝土地面磚作為研究對象，利用高光譜技術(shù)分別對不同表面顏色、不同粗糙度的地面磚在紫外波段（UV：350～380 nm）、可見光波段（VIS：380～780 nm）、近紅外波段（NIR：780～2 500 nm）以及全波段（350～2 500 nm）的反射率特征進(jìn)行系統(tǒng)觀測，同時(shí)利用熱紅外成像技術(shù)觀測其表面溫度特征。結(jié)果表明，（1）不同顏色地面磚的全波段反射率SR差異很大，黃色最高（SR=34.28%），然后依次是紅色（SR=31.58%）、綠色（SR=23.62%）、灰色（SR=14.06%）。黃色地面磚反射率約為灰色磚反射率的2.5倍，二者相差較大。（2）不同地面磚在不同波段的反射率特征不同。黃色、綠色、紅色地面磚在近紅外波段呈現(xiàn)出較高的反射率，處于30.08%～41.31%，高于其可見光波段反射率SRVIS和紫外波段反射率SRUV；灰色地面磚在3個(gè)不同波段反射率無明顯差異。（3）粗糙度可影響近紅外波段反射率SRNIR；顏色對全波段反射率SR的影響比粗糙度更加顯著。（4）反射率對表面溫度影響顯著，反射率越高，表面溫度越低。黃色磚的全波段反射率SR比灰色磚高出20%，在13:00時(shí)，二者的表面溫度差值最高達(dá)7.64 ℃。研究結(jié)果可為城市鋪裝規(guī)劃設(shè)計(jì)和改善城市熱環(huán)境提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：熱環(huán)境；地面磚；高光譜；反射率；表面溫度

引用格式：楊雅君， 鄒振東， 趙文利， 李瑞利， 邱國玉. 基于高光譜的城市地面磚表面熱環(huán)境特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016， 25（5）: 835-841.

YANG Yajun， ZOU Zhendong， ZHAO Wenli， LI Ruili， QIU Guoyu. Experimental Study on the Surface Thermal Environment Characteristics of Urban Pavement Bricks Based on the Hyperspectral Technology ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016，25（5）: 835-841.

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人口的快速增長，城市熱環(huán)境迅速惡化，對人們的生活質(zhì)量和身體健康造成了嚴(yán)重的影響；同時(shí)由于城市環(huán)境溫度的上升，空調(diào)的需求以及能源的消耗同步增加，產(chǎn)生量和排放了更多的污染物，更進(jìn)一步導(dǎo)致城市熱環(huán)境的惡化，形成惡性循環(huán)（Cartalis et al.，2001；Sarrat et al.，2006；Stathopoulou et al.，2008；Gobakis et al.，2011）。如何改善城市熱環(huán)境是關(guān)系城市居民生活質(zhì)量以及身心健康的重要民生問題。目前對城市熱環(huán)境已經(jīng)進(jìn)行了許多研究（程好好等，2009；李翔澤等，2014；肖捷穎等，2014；郭秋萍等，2015），不少學(xué)者認(rèn)為城市熱環(huán)境的變化與城市下墊面性質(zhì)的變化有著密切關(guān)系（王詠薇等，2006；劉霞等，2011；岳文澤等，2013；徐永明等，2013；買買提江·買提尼亞孜等，2015）。下墊面結(jié)構(gòu)的改變會影響其表面性質(zhì)，從而影響地表溫度以及地表輻射能量分配，改變原有地-氣之間物質(zhì)、能量交換過程，最終導(dǎo)致城市熱環(huán)境發(fā)生變化（王成剛等，2007；翟俊等，2013）。

就我國大多數(shù)城市而言，地面磚被廣泛應(yīng)用于城市下墊面鋪裝，具有典型的城市下墊面特征，它的表面特性對城市熱環(huán)境有著顯著影響，而反射率是影響其表面熱環(huán)境特性的重要因素。城市下墊面鋪裝中常用的地面磚一般是水泥、混凝土材質(zhì)，夏季炎熱時(shí)我國大部分地區(qū)氣溫可達(dá) 35 ℃以上，此時(shí)地面磚的表面溫度可高達(dá)60～65 ℃，嚴(yán)重影響城市人居生活舒適度。因此，在城市建設(shè)中，對地面磚的反射率特征進(jìn)行測定分析，對于實(shí)現(xiàn)街區(qū)熱環(huán)境精確模擬以及指導(dǎo)城市鋪裝規(guī)劃設(shè)計(jì)有重要意義。由于缺乏觀測手段，關(guān)于地面磚的反射率特性及其對表面溫度的影響還缺乏定量的系統(tǒng)研究。高光譜技術(shù)能夠獲取物體表面在太陽光不同波段的反射率，近年來多用于植物葉片光合色素含量的遙感估算（馮偉等，2008；楊峰等，2010；王強(qiáng)等，2012；張永賀等，2013），而利用高光譜技術(shù)對地物表面反射率特征進(jìn)行分析的研究較少。本研究選取了城市鋪裝常用到的混凝土地面磚作為研究對象，利用高光譜技術(shù)對不同顏色、不同粗糙度地面磚表面反射率進(jìn)行測定，分析地面磚在太陽光不同波段的反射率特征，同時(shí)利用熱紅外成像儀對地面磚表面溫度進(jìn)行觀測，以期為認(rèn)識城市熱環(huán)境以及城市生態(tài)規(guī)劃提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1　觀測對象與研究方法

1.1 觀測對象

觀測對象選擇的是最新澆筑完成的大小、厚度一致而表面顏色、粗糙度不同的地面磚，這些地面磚被廣泛使用于城市街區(qū)道路和廣場鋪裝。觀測實(shí)驗(yàn)分兩組：一組對比研究不同顏色地面磚的不同波段的反射率特征，實(shí)驗(yàn)選擇了城市下墊面鋪裝中地面磚常用到的4種顏色，即灰色、綠色、黃色、紅色；另一組對比研究不同粗糙度地面磚的不同波段的反射率特征，粗糙度分為3個(gè)等級：平整、中粗、粗糙（編號為A、B、C）。所有地面磚均陳列于同一個(gè)水平平臺上，平臺上方全天無遮擋。本研究主要探討地面磚表面反射率特征及其對表面溫度的影響，故在實(shí)驗(yàn)平臺上放有絕緣材料聚苯乙烯泡沫板，目的是減少地面磚與實(shí)驗(yàn)平臺之間的熱交換。磚與磚之間保留一定距離，避免磚體之間產(chǎn)生導(dǎo)熱和對流。表1描述了研究中所使用的地面磚的表面顏色以及表面粗糙度。觀測實(shí)驗(yàn)于2015年6月4日進(jìn)行，地點(diǎn)位于北京大學(xué)深圳研究生院熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)觀測場地。

表1　地面磚的具體描述Table 1　Description of the studied bricks

1.2 研究方法

1.2.1 光譜反射率特征觀測

應(yīng)用美國ASD（Analytical Spectral Device）公司的野外光譜分析儀 FieldSpec 4對地面磚表面光譜反射率進(jìn)行測定。該分析儀光譜測量范圍為350～2500 nm，這部分光譜波段可以分為3個(gè)波段：紫外線波段（UV：350～380 nm）、可見光波段（VIS：380～780 nm）以及近紅外波段（NIR：780～2500 nm），其中350～1000 nm光譜采樣間隔是1.4 nm，1001～2500 nm光譜采樣間隔是2 nm。700 nm波長下光譜分辨率為3 nm，而1400 nm或2100 nm波長下光譜分辨率均為10 nm。光譜反射率測定選擇在無風(fēng)無云或少云的天氣進(jìn)行，測定時(shí)間為 11:00 —15:00。光譜采樣以10條光譜為光譜1個(gè)樣本，即每次記錄 10條光譜，以其平均值作為該地面磚的光譜反射率。

1.2.2 熱紅外圖像觀測

利用IR Flexcam Ti55 Thermal Imager熱紅外熱像儀（Fluke Corp.，USA）在垂直于實(shí)驗(yàn)平臺2 m高度向下進(jìn)行拍攝，拍攝對象為地面磚。拍攝過程中，保證熱成像儀垂直于實(shí)驗(yàn)平臺，拍攝時(shí)間持續(xù)24 h，每隔1 h拍攝1次，每次拍攝重復(fù)3次。

Ti55型熱紅外成像儀的主要參數(shù)：VO×FPA探測器尺寸320 mm×240 mm；視場（FOV）23°水平×17°垂直；最小焦距0.15 m；熱靈敏度（NETD）≤0.05 ℃；校準(zhǔn)溫度范圍-20～600 ℃；準(zhǔn)確度±2 ℃或2%；觀測波段為8～14 μm，發(fā)射率設(shè)定為0.95。每張熱紅外圖像包含320×240個(gè)表面溫度數(shù)據(jù)。

1.2.3 氣象觀測

在熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)觀測場地安置Davis Vantage Pro 2小型無線自動氣象站，用于觀測基本氣象數(shù)據(jù)，包括空氣溫度、太陽輻射、風(fēng)速等氣象因子。

1.3 數(shù)據(jù)處理

由于光譜分析儀測量得到的是地面磚的光譜反射率，要比較分析地面磚在不同波段的反射率特征，需通過計(jì)算得到地面磚在不同波段的反射率。本研究依據(jù)美國材料標(biāo)準(zhǔn)ASTM E903-96提供的加權(quán)平均法，采用ASTM G159-98提供的標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜輻照數(shù)據(jù)作為權(quán)重因子來計(jì)算反射率。具體公式如下：

其中，ρs為反射率均值；Eλi為對應(yīng)波長的標(biāo)準(zhǔn)太陽輻照度，單位為W·m-2；ρ(λi)為對應(yīng)波長的表面反射率；λi為第i段波長，單位為 nm；Δλi=（λi+1-λi-1)/2，且Δλ1=λ2-λ1，Δλn=λn-λn-1（n表示最后一個(gè)數(shù)值）。

2　結(jié)果與分析

2.1 不同顏色地面磚的反射率特征

不同顏色地面磚的光譜反射率特征曲線如圖 1所示。由圖 1可知，灰色地面磚在全波段范圍（350～2500 nm）均表現(xiàn)較低的反射率特征，在光譜曲線形態(tài)上表現(xiàn)為低而平坦的譜線；而綠色、黃色、紅色地面磚呈現(xiàn)出較高的反射率特征，在光譜曲線形態(tài)上，綠色、黃色、紅色地面磚的反射率曲線變化波動明顯，說明綠色、黃色、紅色地面磚在3個(gè)不同波段的反射率差異較大。在可見光波段（VIS：380～780 nm），4種顏色地面磚的反射率曲線形態(tài)差異較大，這是因?yàn)樵诳梢姽獠ǘ蔚孛娲u的反射率與具體顏色有關(guān)。

圖1　不同顏色地面磚的光譜反射率特征Fig. 1　Spectral reflectance of the studied bricks with different colors

為了進(jìn)一步分析地面磚在不同波段的反射率特征，按照前文介紹的數(shù)據(jù)處理方法對不同顏色地面磚在全波段（350～2500 nm）、紫外波段（UV：350～380 nm）、可見光波段（VIS：380～780 nm）、近紅外波段（NIR：780～2500 nm）的反射率進(jìn)行計(jì)算，得到不同顏色地面磚的全波段反射率 SR、紫外波段反射率SRUV、可見光波段反射率SRVIS以及近紅外波段反射率SRNIR，計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，在全波段范圍，4種不同顏色地面磚表面反射率的變化范圍處于14.06%～34.28%之間，反射率從大到小依次是黃色（SR=34.28%）、紅色（SR=31.58%）、綠色（SR=23.62%）、灰色（SR= 14.06%），其中，黃色地面磚的反射率約為灰色地面磚反射率的2.5倍，二者相差較大。在紫外波段范圍，4種顏色地面磚均表現(xiàn)出較低的反射率SRUV，處于12.55%～12.90%之間。在可見光波段范圍，黃色地面磚的反射率最大為30.76%，最低的是灰色地面磚，為14.68%。由圖2及表2可知，除了灰色地面磚以外，黃色、紅色、綠色地面磚在近紅外波段范圍均表現(xiàn)出較高的反射率，處于30.08%～41.31%之間，且高于相應(yīng)地面磚的可見光波段反射率SRVIS以及紫外波段反射率SRUV，如綠色地面磚在近紅外波段的反射率為30.08%，高于可見光波段反射率（SRVIS=17.50%）和紫外波段反射率（SRUV=12.90%）。

表2　不同顏色地面磚磚的全波段（350～2500 nm）反射率及其在3個(gè)不同波段UV（350～380 nm），VIS（380～780 nm）以及NIR（780～2500 nm）的反射率Table 2　Solar reflectance values （350～2500 nm） and solar reflectance values in the UV （350～380 nm），VIS （380～780 nm） and NIR （780～2 500 nm） part of the spectrum of the studied bricks with different colors

2.2 不同粗糙度地面磚的反射率特征

研究選擇了3種不同粗糙度的黃色地面磚進(jìn)行觀測實(shí)驗(yàn)，得到不同粗糙度地面磚的光譜反射率特征曲線如圖2所示。由圖2可知，相同顏色不同粗糙度的地面磚在全波段（350～2500 nm）范圍的反射率曲線變化規(guī)律相同，尤其是在可見光波段（VIS：380～780 nm）范圍，3種不同粗糙度的地面磚反射率幾乎一致。結(jié)合圖1可知，地面磚表面顏色影響可見光波段反射率的曲線形態(tài)與大小。

3種不同粗糙度地面磚的全波段反射率SR、紫外波段反射率SRUV、可見光波段反射率SRVIS以及近紅外波段反射率SRNIR的計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表可知，在全波段范圍，3種不同粗糙度的地面磚反射率SR結(jié)果為：黃色A（SR=35.13%）＞黃色B（SR= 34.28%）＞黃色C（SR=33.54%），這說明地面磚表面越粗糙，反射率就越低。分析不同波段的反射率，3種不同粗糙度地面磚的紫外波段反射率SRUV最低，近紅外波段反射率SRNIR最高，與前文的分析結(jié)果相一致。在可見光波段范圍，3種粗糙度的地面磚反射率差異并不明顯，分別為31.37%（黃色C）、30.76%（黃色B），30.48%（黃色A）。

圖2　不同粗糙度地面磚的光譜反射率特征Fig. 2　Spectral reflectance of the studied bricks with different roughness

表3　不同粗糙度地面磚的全波段（350～2 500 nm）反射率及其在3個(gè)不同波段UV（350～380 nm），VIS（380～780 nm）以及NIR（780～2 500 nm）的反射率Table 3　Solar reflectance values （350～2 500 nm） and solar reflectance values in the UV （350～380 nm）， VIS （380～780 nm） and NIR （780～2 500 nm） part of the spectrum of the studied bricks with different roughness

2.3 不同地面磚的表面溫度特征

表面溫度是下墊面能量平衡的核心，能夠通過對流和輻射等方式加熱上方空氣，影響城市熱環(huán)境，對于調(diào)節(jié)城市微氣候有著重要作用（Synnefa et al.，2011）。表面反射率不同，表面溫度也不同。研究使用熱紅外成像儀對地面磚進(jìn)行觀測，運(yùn)用熱紅外成像儀自帶的Fluke Smart View 3.1軟件獲取地面磚在不同時(shí)間點(diǎn)的表面溫度數(shù)據(jù)。圖3表示的即為4種不同顏色地面磚的24 h表面溫度和空氣溫度變化特征。從不同顏色地面磚表面溫度變化過程來看，在8:00—18:00期間，4種顏色地面磚的表面溫度均高于空氣溫度，表面溫度先升高后降低，呈單峰變化，在11:00—15:00之間，地面磚表面溫度達(dá)到一天中的峰值；在0:00—7：00以及20:00—0:00期間，不同地面磚的表面溫度無明顯變化，且在夜晚地面磚的表面溫度均低于空氣溫度。從不同顏色地面磚的表面溫度差異來看，在8:00—18:00期間，4種顏色地面磚的表面溫度從高到低依次是灰色、綠色、紅色、黃色，結(jié)合前面的全波段反射率 SR特征可知，反射率越高，表面溫度越低。由于反射率不同，隨著太陽輻射的增強(qiáng)，4種不同顏色地面磚在中午時(shí)分（11:00—15:00）表現(xiàn)出明顯的差異，該時(shí)段內(nèi)4種不同顏色地面磚的表面溫度均值分別為 57.79 ℃（灰色）、54.93 ℃（綠色）、54.27 ℃（紅色）、52.08 ℃（黃色）。其中，灰色地面磚的全波段反射率 SR與黃色地面磚的全波段反射率 SR相差20%，在13:00時(shí)，灰色與黃色地面磚的表面溫度差值最大達(dá)到 7.64 ℃。在晚上，不同地面磚之間的表面溫度并無明顯差異，這說明反射率在白天對表面溫度的影響較大，這與前人的研究結(jié)果是一致的（Synnefa et al.，2007）。

不同粗糙度地面磚表面溫度差異如圖 4所示。從表面溫度日變化曲線來看，不同粗糙度地面磚表面溫度均呈現(xiàn)先升高后降低的單峰變化趨勢，在11:00—15:00達(dá)到一天溫度變化的峰值。不同粗糙度地面磚的表面溫度高低順序?yàn)辄S色C＞黃色B＞黃色A，結(jié)合前面的全波段反射率SR特征，再次說明了反射率越高，表面溫度越低。3種不同粗糙度地面磚11:00—15:00表面溫度均值分別為49.84 ℃（黃色A），52.1 ℃（黃色B），53.04 ℃（黃色C），13:00時(shí)，黃色A地面磚與黃色C地面磚之間溫度差值達(dá)4.29 ℃。

圖3　不同顏色地面磚24 h表面溫度變化及空氣溫度變化Fig. 3　24 h distribution of surface temperatures of the studied bricks with different colors and air temperature during the experimental period

3　討論

反射率作為下墊面重要的物理性質(zhì)之一，相關(guān)的研究已有許多（Santamouris et al.，2008；Karlessi et al.，2009）。本研究基于高光譜技術(shù)從表面顏色和粗糙度兩個(gè)方面對地面磚在全波段（350～2500 nm）、紫外波段（UV：350～380 nm）、可見光波段（VIS：380～780 nm）、近紅外波段（NIR：780～2500 nm）的反射率特征進(jìn)行比較分析，同時(shí)利用熱紅外成像儀觀測了地面磚表面溫度特征。

結(jié)合表2可知，4種不同顏色地面磚反射率存在較大的差異，說明不同顏色對地面磚的反射率影響較大。進(jìn)一步分析不同顏色地面磚在不同波段的反射率特征可知，在近紅外波段（NIR：780～2500 nm），除了灰色地面磚，所有地面磚均呈現(xiàn)出較高的反射率，處于30.08%～41.31%之間，均高于相應(yīng)地面磚在可見光波段的反射率。這是因?yàn)楸M管太陽光在可見光范圍比較密集，但是它仍然會在近紅外波段發(fā)射大量能量，近乎一半的太陽能量以近紅外輻射到達(dá)地球表面，這說明除了可見光波段反射率，近紅外波段反射率對全波段反射率也具有重要影響。對比不同顏色地面磚與生長季草地和森林的表面反射率，除灰色外，其它3個(gè)顏色地面磚的全波段反射率在23.62%～34.28%之間，均高于生長季的草地和森林，說明這3種地面磚能夠反射更多的太陽輻射，但是這并不意味著這3種地面磚相比于草地與森林具有更加優(yōu)良的熱環(huán)境緩解作用。這是因?yàn)槌朔瓷渎?，植被對太陽輻射的吸收以及蒸騰作用也是影響熱環(huán)境的重要因素。

圖4　不同粗糙度地面磚表面溫度變化比較Fig. 4　Distribution of surface temperatures of the studied bricks with different roughness

結(jié)合表3可知，粗糙度與反射率成反比，地面磚表面越粗糙，表面反射率就越低。進(jìn)一步分析不同粗糙度地面磚在不同波段的反射率特征發(fā)現(xiàn)，粗糙度對近紅外波段反射率SRNIR影響最大，對可見光波段反射率 SRVIS影響最小。由于太陽輻射能量在紫外波段的占比很小，因此可以得出粗糙度影響表面反射率主要是通過影響近紅外波段反射率SRNIR起作用的，即在不改變表面顏色的前提下，可以通過增加表面粗糙度來降低近紅外波段反射率SRNIR，從而提高全波段反射率SR。此外，根據(jù)表2和表3分析顏色變化以及粗糙度變化對反射率的影響發(fā)現(xiàn)：當(dāng)顏色改變時(shí)，地面磚的全波段反射率SR在14.06%～34.28%之間變化；當(dāng)粗糙度變化時(shí)，地面磚的全波段反射率SR在33.54%～33.13%之間變化。由此說明，顏色改變對全波段反射率SR的影響比粗糙度的影響更為顯著。

對比不同地面磚的表面溫度特征可知，地面磚的表面溫度與全波段反射率SR成反比，反射率越高，表面溫度越低。不同顏色地面磚的表面溫度在白天有明顯差異，中午時(shí)分差異最大，但在夜晚無明顯差異，這說明反射率對表面溫度的影響主要體現(xiàn)在白天。在白天，地面磚的反射率越低，對太陽輻射的反射越少，地表呈現(xiàn)的表面溫度也越高。加上地面磚屬于混凝土材質(zhì)，其導(dǎo)熱率比自然下墊面大，蓄熱能力更強(qiáng)，能夠吸收更多的太陽能量，到了夜間再將白天存儲的熱量以長波輻射的形式返回大氣，加熱空氣從而導(dǎo)致氣溫的上升，影響城市近地?zé)岘h(huán)境，造成人居生活環(huán)境質(zhì)量的下降。由圖3知，在晚上，不同顏色地面磚的表面溫度低于空氣溫度，主要是因?yàn)樵谕砩咸栞椛鋸?qiáng)度為0，反射作用對地面磚表面溫度的影響可以忽略不計(jì)，地面磚的材料輻射發(fā)射作用成為影響其熱力性質(zhì)的主要因素；加上地面磚具有較高的輻射發(fā)射率，能夠在短時(shí)間內(nèi)將白天吸收的熱量釋放出去，使自身溫度降低，故低于空氣溫度（Synnefa et al.，2006）。

4　結(jié)論

本研究選擇城市鋪裝中常用的地面磚作為研究對象，基于高光譜以及熱紅外成像技術(shù)對混凝土路面磚的反射率特征及其表面溫度特征進(jìn)行觀測和分析，得出以下結(jié)論：

（1）不同顏色地面磚的全波段反射率差異較大，其全波段反射率由大到小為：黃色（SR= 34.28%）＞紅色（SR=31.58%）＞綠色（SR=23.62%）＞灰色（SR=14.06%）。

（2）不同顏色地面磚在不同波段的反射率特征不同。黃色、綠色、紅色地面磚在近紅外波段呈現(xiàn)出較高反射率，處于30.08%～41.31%之間，高于可見光波段反射率SRVIS和紫外波段反射率SRUV；灰色地面磚在3個(gè)不同波段反射率無明顯差異。

（3）3種不同粗糙度地面磚的全波段反射率SR由大到小為：黃色平整（SR=35.13%）＞黃色中粗（SR= 34.28%）＞黃色粗糙（SR=33.54%）。

（4）粗糙度對近紅外波段反射率SRNIR影響最大，對可見光波段反射率 SRVIS影響最小；表面顏色對全波段反射率SR的影響比粗糙度的影響更加顯著。

（5）地面磚的表面溫度與全波段反射率SR成反比，反射率越高，表面溫度越低。黃色地面磚的全波段反射率 SR比灰色地面磚的高出 20%，在13:00時(shí)，二者的表面溫度差值最高達(dá)7.64 ℃。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在實(shí)際地面磚鋪裝時(shí)，改變顏色對地表反射率具有顯著影響，其中黃色地面磚反射率最高，對熱環(huán)境的影響最??；在不改變地表顏色的前提下，改變粗糙度能夠影響地表反射率，進(jìn)而影響表面熱環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

ASTM E903-96. Standard Test Method for Solar Absorptance， Reflectance，and Transmittance of Materials Using Integrating Spheres ［S］.

ASTM G159-98. Standard Tables for Reference Solar Spectral Irradiance at Air Mass 1.5: Direct Normal and Hemispherical for a 37° Tilted Surface ［S］.

CARTALIS C， SYNODINOU A， PROEDROU M， et al. 2001. Modifications in energy demand in urban areas as a result of climate changes: an assessment for the southeast Mediterranean region ［J］. Energy Conversion & Management， 42（14）: 1647-1656.

GOBAKIS K， KOLOKOTSA D， SYNNEFA A， et al. 2011. Development of a model for urban heat island prediction using neutral network techniques ［J］. Sustainable Cities & Society， 1（2）: 104-115.

KARLESSI T， SANTAMOURIS M， APOSTOLAKIS K， et al. 2009. Development and testing of thermochromic coatings for buildings and urban structures ［J］. Solar Energy， 83（4）: 538-551.

SANTAMOURIS M， SYNNEFA A， KOLOKOSTA D， et al. 2008. Passive cooling of the built environment--use of innovative reflective materials to fight heat islands and decrease cooling needs ［J］. International Journal Low Carbon Technologes， 3（2）: 71-82.

SARRAT C， LEMONSU A， MASSON V， et al. 2006. Impact of urban heat island on regional atmospheric pollution ［J］. Atmospheric Environment，40（10）: 1743-1758.

STATHOPOULOU E， MIHALAKAKOU G， SANTAMOURIS M， et al. 2008. On the impact of temperature on tropospheric ozone concentration levels in urban environments ［J］. Journal of Earth System Science， 117（3）: 227-236.

SYNNEFA A， KARLESSI T， GAITANI N， et al. 2011. Experimental testing of cool colored thin layer asphalt and estimation of its potential to improve urban microclimate ［J］. Building and Environment， 46（1）: 38-44.

SYNNEFA A， SANTAMOURIS M， APOSTOLAKIS K. 2007. On the development， optical properties and thermal performance of cool colored coatings for the urban environment ［J］. Solar Energy， 81（4）: 488-497.

SYNNEFA A， SANTAMOURIS M， LIVADA I. 2006. A study of the thermal performance of reflective coatings for the urban environment ［J］. Solar Energy， 80（8）: 968-981.

程好好， 曾輝， 汪自書， 等. 2009. 城市綠地類型及格局特征與地表溫度關(guān)系——以深圳特區(qū)為例［J］. 北京大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版， 45（3）: 495-501.

馮偉， 朱艷， 田永超， 等. 2008. 基于高光譜遙感的小麥冠層葉片色素密度監(jiān)測［J］. 生態(tài)學(xué)報(bào)， 28（10）: 4902-4911.

郭秋萍， 鄒振東， 李宏永， 等. 2015. 深圳市城中村的熱環(huán)境特征與熱島強(qiáng)度分析［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 24（3）: 427-435.

李翔澤， 李宏勇， 張清濤， 等. 2014. 不同地被類型對城市熱環(huán)境的影響研究［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 23（1）: 106-112.

劉霞， 王春林， 景元書， 等. 2011. 4種城市下墊面地表溫度年變化特征及其模擬分析［J］. 熱帶氣象學(xué)報(bào)， 27（3）: 373-378.

買買提江·買提尼亞孜， 阿里木江·卡斯木. 2015. 干旱區(qū)典型城市下墊面特征及其與地表熱環(huán)境的關(guān)系研究［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 24（11）: 1865-1871.

王成剛， 孫鑒濘， 胡非， 等. 2007. 城市水泥下墊面能量平衡特征的觀測與分析［J］. 南京大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版， 43（3）: 270-279.

王強(qiáng)， 易秋香， 包安明， 等. 2012. 基于高光譜反射率的棉花冠層葉綠素密度估算［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 28（15）: 125-132.

王詠薇， 蔣維楣， 季崇萍， 等. 2006. 土地利用變化對城市氣象環(huán)境影響的數(shù)值研究［J］. 南京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版， 42（6）: 562-581.

肖捷穎， 張倩， 王燕， 等. 2014. 基于地表能量平衡的城市熱環(huán)境遙感研究——以石家莊為例［J］. 地理科學(xué)， 34（3）: 338-343.

徐永明， 劉勇洪. 2013. 基于 TM影像的北京市熱環(huán)境及其與不透水面的關(guān)系研究［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 22（4）: 639-643.

楊峰， 范亞民， 李建龍， 等. 2010. 高光譜數(shù)據(jù)估算稻麥葉面積指數(shù)和葉綠素密度［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 26（2）: 237-243.

岳文澤， 徐麗華. 2013. 城市典型水域景觀的熱環(huán)境效應(yīng)［J］. 生態(tài)學(xué)報(bào)，33（6）: 1852-1859.

翟俊， 劉榮高， 劉紀(jì)遠(yuǎn)， 等. 2013. 1990—2010年中國土地覆被變化引起反照率改變的輻射強(qiáng)迫［J］. 地理學(xué)報(bào)， 68（7）: 875-885.

張永賀， 陳文惠， 郭喬影， 等. 2013. 桉樹葉片光合色素含量高光譜估算模型［J］. 生態(tài)學(xué)報(bào)， 33（3）: 876-887.

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.05.016

中圖分類號：X16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）05-0835-07

基金項(xiàng)目：深圳市科技研發(fā)資金基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（JCYJ20140417144423187）；深圳市發(fā)改委未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)“深圳市太陽能與風(fēng)能海水淡化關(guān)鍵技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室”；深圳市知識創(chuàng)新計(jì)劃（JCYJ20130331145022339）

作者簡介：楊雅君（1989年生），女，碩士研究生，主要從事城市熱環(huán)境方面的研究。E-mail: yangyajun1112@126.com

*通信作者：邱國玉（1963年生），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境與能源信息工程方向的研究。E-mail: qiugy@pkusz.edu.cn

收稿日期：2016-03-23

Experimental Study on the Surface Thermal Environment Characteristics of Urban Pavement Bricks Based on the Hyperspectral Technology

YANG Yajun， ZOU Zhendong， ZHAO Wenli， LI Ruili， QIU Guoyu
School of Environment and Energy， Peking University， Shenzhen 518055， China

Abstract：Pavement brick serve as an important urban paving material， whose surface characteristic has a great influence on urban ground thermal environment， especially its reflectance which is regarded as a key factor closely related to its surface thermal environment characteristic. However， due to the lack of an effective observational method， the reflectance characteristic of pavement brick and its influence on the thermal temperature has not been studied systematically. In this work， some common urban pavement bricks， whose either color or surface roughness vary from each other， were studied with the hyperspectral technology to evaluate their reflectance characteristics among ultraviolet （UV: 350～380 nm）， visible （VIS: 380～780 nm）， near-infrared （NIR: 780～2 500 nm） and full spectrum （NIR: 350～2 500 nm）， as well as their surface temperature were measured with the infrared thermal imaging technology. It was found that: （1） Pavement bricks with different colors varied from each other in the full spectrum reflectance （SR）. The result showed that yellow pavement bricks had the highest reflectance （SR=34.28%）， followed by red （SR=31.58）， green （23.62%） and the lowest was grey （14.06%）， which was only half of the yellow； （2） Pavement bricks with different colors had different reflectance characteristics. Yellow， green and red bricks had higher reflectance （30.08%～41.31%） among NIR than those among visible SRVISand ultraviolet SRUV. Grey bricks had little difference in the reflectance among full spectrum； （3） Roughness of the bricks had an influence on SRNIRbut colors of the bricks had a far greater effect on full spectrum reflectance； And （4） reflectance greatly influenced surface temperatures of the bricks. A higher reflectance resulted in a lower surface temperature. The reflectance of yellow bricks is found 0.2 higher than grey ones， leading to a difference of 7.64 ℃ in the momentary surface temperature at 1 pm. The results shown above are significant to the urban paving planning and design as well as the modification of urban thermal environment.

Key words：thermal environment； pavement brick； hyperspectral technology； reflectance； surface temperature