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    基于ENVI-met的校園熱環(huán)境數(shù)值模擬研究

    2018-07-02 02:27:26張常旺孟飛于琦人
    關(guān)鍵詞:植被建筑物環(huán)境

    張常旺,孟飛,2,*,于琦人

    (1.山東建筑大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院,山東 濟(jì)南250101;2.華東師范大學(xué) 地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200241)

    0 引言

    近年來(lái),隨著城市化進(jìn)程的加快,城市內(nèi)建筑物及柏油、水泥路面等人工構(gòu)筑物的日益增多,改變了城市下墊面的性質(zhì),加劇了城市的熱島效應(yīng),同時(shí)也引起城市微氣候的改變[1-4]。微氣候環(huán)境與人們的生活與健康息息相關(guān),研究城市熱環(huán)境的分布及影響因素可以為熱環(huán)境的改善和城市景觀的規(guī)劃提供理論支撐?,F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是城市熱環(huán)境研究的主要手段,利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以研究城市內(nèi)熱環(huán)境的變化以及分析熱環(huán)境的影響因子[5-8]。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)只能獲取有限的數(shù)據(jù),難以全面揭示城市尺度的熱環(huán)境的情況。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,熱紅外遙感為城市室外熱環(huán)境的研究提供了新的平臺(tái),但對(duì)于復(fù)雜的城市結(jié)構(gòu)而言,仍無(wú)法滿足街區(qū)等微觀尺度的熱環(huán)境的研究[9-12]。

    Bruse等通過(guò)研究建筑—空氣—植被—土壤之間的熱動(dòng)力關(guān)系,開(kāi)發(fā)了城市微氣候數(shù)值模擬分析軟件ENVI-met,適合用于研究小尺度微氣候,并且能夠定量的分析微氣候的變化特征[13]。ENVI-met數(shù)值模擬軟件已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛用來(lái)研究城市景觀格局的布置和街區(qū)熱環(huán)境的模擬以及微環(huán)境影響因素的分析[14-19]。微氣候模擬研究一般通過(guò)實(shí)地調(diào)查獲取ENVI-met建模所需要的建筑、植被分布、下墊面等一些定量信息,手動(dòng)收集信息是一項(xiàng)繁瑣耗時(shí)的工作[15-18]。由于受空間分辨率等的限制,將遙感用于街谷尺度城市微氣候模擬的研究仍鮮見(jiàn)報(bào)道[19]。近年來(lái),無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的發(fā)展為快速獲取研究區(qū)正射影像和高精度三維信息提供了一種新的手段,相比衛(wèi)星遙感和實(shí)地調(diào)查,無(wú)人機(jī)正射影像圖具有更高的空間分辨率,能夠清晰地表達(dá)研究區(qū)的建筑物布局、植被和下墊面分布等詳細(xì)信息等;同時(shí),傾斜攝影技術(shù)也使下墊面高精度三維信息的獲取成為可能,大多數(shù)學(xué)者都采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)獲得,采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量來(lái)獲取這些數(shù)據(jù)信息,其方式更加靈活、節(jié)省時(shí)間和成本更低[20],滿足ENVI-met建模的需要。

    文章選取山東建筑大學(xué)校園為研究區(qū)域,采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取研究區(qū)正射影像圖,利用Smart3D建立研究區(qū)實(shí)景三維模型和數(shù)字表面模型DSM(Digital Surface Model),在此基礎(chǔ)上利用ENVI-met數(shù)值模擬軟件通過(guò)建立校園實(shí)際和無(wú)植被2種模型,分別進(jìn)行熱環(huán)境模擬和對(duì)比分析,以期為校園熱環(huán)境的改善提供規(guī)劃分析與參考。

    1 數(shù)據(jù)和方法

    1.1 研究數(shù)據(jù)

    研究區(qū)位于山東建筑大學(xué)(36°40′N(xiāo),117°00′E)校園內(nèi),面積為480 m×480 m,屬于溫帶季風(fēng)氣候,夏季炎熱多雨。

    無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用大疆Phantom 4pro,搭載2000萬(wàn)pixel的CMOS傳感器,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行航飛獲取正射影像,基于無(wú)人機(jī)圖像處理軟件Pix4D,對(duì)其進(jìn)行正射影像拼接,從而獲取研究區(qū)的正射影像圖。由于ENVI-met只能識(shí)別BMP格式的底圖,利用ArcGIS軟件對(duì)影像進(jìn)行裁剪和圖像格式轉(zhuǎn)化,結(jié)果如圖1所示。

    圖1 研究區(qū)正射影像圖和ENVI-met模型圖

    為了精確獲取建筑物高度,道路寬度等定量數(shù)據(jù)信息,首先需要通過(guò)GPS連接山東省CORS站對(duì)研究區(qū)均勻布設(shè)像控點(diǎn),對(duì)獲取的研究區(qū)航測(cè)數(shù)據(jù)采用Smart 3D軟件建立研究區(qū)實(shí)景三維模型和DSM,結(jié)合研究區(qū)數(shù)字高程模型 DEM(Digital Elevation Model)計(jì)算研究區(qū)建筑物和植被高度。對(duì)于道路的寬度、水體面積等建立ENVI-met模型需要的信息,可以通過(guò)其軟件的量算工具獲得。為了確保其獲得ENVI-met建模數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,對(duì)傾斜攝影建立的3D模型進(jìn)行精度驗(yàn)證,通過(guò)實(shí)際像控點(diǎn)和野外全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)分析,其精度可滿足大比例尺地形圖的規(guī)范。在獲得這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立研究區(qū)ENVI-met模型圖,如圖1所示,模型設(shè)置了96×96×30的網(wǎng)格,格網(wǎng)分辨率為5 m×5 m×2 m。由于ENVI-met軟件要求垂直方向上格網(wǎng)的高度必須大于研究區(qū)內(nèi)最高建筑物高度的2倍,選取的研究區(qū)內(nèi)最高建筑物的高度符合軟件模擬的要求。

    實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用便攜式手持氣象站Kestrel5500獲得,分別在研究區(qū)內(nèi)下墊面性質(zhì)不同的區(qū)域內(nèi)布設(shè)實(shí)測(cè)點(diǎn),測(cè)試點(diǎn)位置如圖1所示,其中測(cè)試點(diǎn)1是柏油路面、測(cè)試點(diǎn)2位于人工湖岸、測(cè)試點(diǎn)3位于草坪上面、測(cè)試點(diǎn)4和5分別位于紅磚人行道和建筑物形成的天井內(nèi)部的水泥路面。

    1.2 研究方法

    選取2017年7月10日6:00為模擬起始的日期,模擬的初始基本氣象參數(shù)來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),并以濟(jì)南國(guó)家氣象站數(shù)據(jù)為背景數(shù)據(jù),對(duì)于其他參數(shù)采用ENVI-met提供的默認(rèn)值,模擬總時(shí)長(zhǎng)為24 h,每1 h輸出一組數(shù)據(jù),輸出數(shù)據(jù)主要有氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度等指標(biāo)。在主模型區(qū)域外設(shè)置4個(gè)嵌套網(wǎng)格以減少外界環(huán)境對(duì)模擬的影響,模擬過(guò)程采用簡(jiǎn)單強(qiáng)迫功能,輸入逐小時(shí)溫度和相對(duì)濕度修正模擬參數(shù),從而提高模擬精度,ENVI-met模擬參數(shù)基本參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

    表1 ENVI-met模擬基本輸入?yún)?shù)設(shè)置表

    模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)采用RMSE和平均絕對(duì)百分比誤差MAPE(Mean Absolute Percentage)2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),分別由式(1)、(2)表示為

    式中:xi為模擬值;x′i為實(shí)測(cè)值;n為實(shí)測(cè)的次數(shù)。RMSE和MAPE均能反應(yīng)模擬值偏離實(shí)測(cè)值的程度,二者的值越小,代表模擬精度越高。

    2 結(jié)果分析

    2.1 ENVI-met模擬校園熱環(huán)境結(jié)果

    模擬測(cè)試點(diǎn)1位置24 h內(nèi)溫度和相對(duì)濕度的變化,并與手持氣象站獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,結(jié)果如圖2所示,其中實(shí)測(cè)溫度曲線與模擬溫度曲線吻合較好,相關(guān)系數(shù)為0.96,RMSE為0.68℃、MAPE為1.94%;模擬相對(duì)濕度和實(shí)測(cè)相對(duì)濕度也具有較高的相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)為0.94、相對(duì)濕度的RMSE和MAPE分別為2.5%、3.9%,均在誤差允許的范圍內(nèi),說(shuō)明ENVI-met能夠很好的模擬城市微環(huán)境。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)易受到周?chē)h(huán)境的影響,會(huì)造成實(shí)測(cè)值和模擬值之間存在誤差。為了更好的評(píng)價(jià)模擬結(jié)果的可靠性,對(duì)研究區(qū)的5個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行誤差對(duì)比分析,并求其平均值,見(jiàn)表2:相關(guān)系數(shù)>0.9,表明實(shí)測(cè)值與模擬值擬合效果好;溫度的RMSE和MAPE在誤差允許的范圍內(nèi),說(shuō)明實(shí)測(cè)值和模擬值之間誤差較?。幌鄬?duì)濕度的RMSE和MAPE均 <5%,說(shuō)明此模擬能很好的反映實(shí)況[21-22]。

    2.2 溫度模擬分析

    為分析研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)刻溫度場(chǎng)的分布情況以及影響因素,選取具有代表性的時(shí)刻的模擬結(jié)果圖,如圖3所示。在10:00時(shí)研究區(qū)內(nèi)最高溫度為32.4℃,高溫出現(xiàn)在瀝青柏油路面上方,由于瀝青熱容量較小,在接收太陽(yáng)輻射時(shí)會(huì)快速升溫并傳遞給其周?chē)孛婵諝猓蛔畹蜏囟葹?9.2℃,低溫主要分布在水體上方附近和建筑物陰影區(qū)域,水體相比陸地比熱容較大,在受到同樣的輻射時(shí)升溫較慢,水體上方附近溫度低于周?chē)懙氐慕乇頊囟?。氣溫差值?.2℃,氣溫隨空間變化差異較大。植物通過(guò)蒸騰作用吸收熱量,使草坪上方溫度有所降低,但由于草坪面積和葉面積指數(shù)較小,綠地的降溫效果不太明顯。道路兩旁的樹(shù)木以及成片的樹(shù)林對(duì)太陽(yáng)輻射具有一定的阻擋作用,使近地表溫度相比空曠的區(qū)域有所降低。

    圖2 研究區(qū)實(shí)測(cè)點(diǎn)1(1.4 m高度)實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖

    表2 ENVI-met模型預(yù)測(cè)能力定量評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表

    在14:00時(shí)在研究區(qū)東部和南部氣溫較高,最高溫與最低溫的差值為4.6℃,氣溫在研究區(qū)的空間分布變化明顯。在研究區(qū)西南角人形道上溫度較高,主要是由于人行道周?chē)鷽](méi)有植被遮擋太陽(yáng)輻射,紅磚人行道比熱容較小,溫度升高快。由于建筑物和植被的遮擋作用,在建筑物陰影和植被陰影下,近地表溫度較低。瀝青柏油路面和水泥路面相比于其他下墊面,在接收同樣的太陽(yáng)輻射的情況下,由于其比熱容較小會(huì)迅速升溫,向周?chē)諝鈧鬟f熱量使近地面溫度較高;馬路兩旁的植被具有一定的蒸騰作用,從而造成裸露的路面溫度高于有植被遮擋的路面的溫度。水體熱容量大,升溫較慢,并且水體在太陽(yáng)輻射時(shí)蒸發(fā)吸熱,所以在水體周?chē)吧峡招纬傻蜏貐^(qū)域。

    圖3 研究區(qū)不同時(shí)刻1.4 m高度的溫度場(chǎng)分布圖

    在22:00時(shí)沒(méi)有太陽(yáng)輻射,地物主要依靠自身輻射向外釋放熱量。夜間研究區(qū)整體溫度相比白天有所降低,溫度差值相比白天的3.2℃降低到1.8℃,溫度分布較為均勻。最高溫度出現(xiàn)在櫻園宿舍樓形成的天井內(nèi);由于瀝青柏油路面白天吸收大量的熱,即使其熱傳導(dǎo)比較快,在22:00時(shí)的溫度依然比周?chē)臏囟雀撸挥捎谝雇盹L(fēng)向原因,空氣流動(dòng)自湖面向西流動(dòng),空氣的流動(dòng)促進(jìn)熱量的傳遞,形成一條低溫帶區(qū)域。建筑物對(duì)風(fēng)有一定的阻礙作用,在建筑物背風(fēng)面形成渦流區(qū),降低熱量的傳遞,所以圖3(c)中建筑物的背風(fēng)面會(huì)出現(xiàn)溫度較高的區(qū)域。

    2.3 熱舒適性模擬分析

    為定量評(píng)價(jià)室外環(huán)境的熱舒適性,以預(yù)測(cè)平均票數(shù)PMV(Predicted Mean Vote)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。PMV是由丹麥學(xué)者Fanger提出的,ENVI-met模式可以對(duì)計(jì)算PMV所需的參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn),從而使模擬的結(jié)果更加精確。一般PMV的取值范圍在-4~+4,其中取值為0時(shí)表示較為舒適。圖4是不同時(shí)刻行人高度的PMV分布圖,在10:00時(shí),建筑物陰影內(nèi)、水體和樹(shù)木附近的PMV值較小,研究區(qū)內(nèi)PMV>3.5的區(qū)域約占總面積的65%,已屬于較熱級(jí)別。在14:00時(shí),研究區(qū)PMV最大值和最小值分別為5.5和3.5,最大值出現(xiàn)在柏油路面上。研究區(qū)內(nèi)平均值已高達(dá)4.7,屬于非常熱的級(jí)別,此時(shí)人們不宜長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)在室外。22:00時(shí),研究區(qū)內(nèi)PMV和白天相比明顯下降,PMV最大值為1.78。

    圖4 研究區(qū)不同時(shí)刻1.4 m高度的PMV分布圖

    2.4 無(wú)植被方案的模擬結(jié)果分析

    為研究植被對(duì)研究區(qū)溫度分布及PMV的影響,對(duì)ENVI-met模型進(jìn)行修改,以裸土代替原來(lái)模型中的植被和草坪,模型模擬的基本參數(shù)設(shè)置和之前有植被的實(shí)際情況相同,見(jiàn)表1,模擬在去掉植被的情況下校園內(nèi)溫度和PMV的分布特征。

    2.4.1 植被對(duì)溫度分布的影響

    以14:00時(shí)為代表統(tǒng)計(jì)2種方案下溫度分布情況,14:00時(shí)實(shí)際現(xiàn)狀方案下研究區(qū)最高和最低溫度分別為37.56和33.04℃,無(wú)植被情況下最高和最低溫度分別為37.66和33.08℃,2種方案下最高和最低溫度基本無(wú)變化。為了更直觀的體現(xiàn)植被對(duì)研究區(qū)溫度分布的影響,統(tǒng)計(jì)研究區(qū)溫度分布的直方圖,如圖5所示,無(wú)植被情況下研究區(qū)內(nèi)>36℃的區(qū)域約占77%,相比實(shí)際方案增加了34%,由此可見(jiàn),在校園內(nèi)去除植被后,研究區(qū)內(nèi)溫度明顯升高。

    圖5 研究區(qū)14:00時(shí)2種方案下1.4 m高度的溫度分布直方圖

    圖6為研究區(qū)14:00時(shí)行人高度的無(wú)植被方案和實(shí)際方案的溫度差值圖,去除植被后,研究區(qū)的整體溫度相比實(shí)際情況均有所提高,其中去除植被區(qū)域溫度差值較大,主要由于去除植被后太陽(yáng)直接輻射下墊面,使其溫度升高,并且植被的蒸騰作用消失。建筑物陰影內(nèi)的近地面溫度隨植被的消失變化較小。經(jīng)統(tǒng)計(jì),2種方案下研究區(qū)溫度平均差值為1~1.2℃,雖然溫度差值不是太大,但是研究區(qū)內(nèi)的高溫區(qū)域的面積明顯增大。由此可見(jiàn),植被以及綠化可有效降低近地面溫度,減少高溫區(qū)域。

    圖6 研究區(qū)14:00時(shí)1.4 m高度的無(wú)植被方案和實(shí)際方案的溫度差值圖

    2.4.2 植被對(duì)室外熱舒適性分布的影響

    圖7為研究區(qū)14:00時(shí)無(wú)植被方案和實(shí)際方案的PMV差值圖,去除植被后,研究區(qū)PMV等級(jí)增加,其中瀝青柏油路面上方近地面PMV值增加較大,平均升高1個(gè)等級(jí)。在去除植被的區(qū)域,由于植被的遮擋輻射以及蒸騰作用消失,PMV等級(jí)也有所升高。建筑物陰影內(nèi)和水體附近,在去除植被后PMV等級(jí)變化較小。統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)14:00時(shí)行人高度的PMV分布直方圖,如圖8所示,去除植被前,研究區(qū)內(nèi)PMV>4.5的區(qū)域占總面積的77%,無(wú)植被方案情況下PMV>4.5的區(qū)域面積高達(dá)94%,相比實(shí)際情況增加了17%。

    圖7 研究區(qū)14:00時(shí)1.4 m高度的無(wú)植被方案和實(shí)際方案的PMV差值圖

    圖8 研究區(qū)14:00時(shí)2種方案下1.4 m高度的PMV分布直方圖

    為了研究植被對(duì)溫度在垂直方向上的降溫效應(yīng)以及無(wú)植被情況下太陽(yáng)輻射對(duì)近地面增溫的有效高度,以10:00時(shí)(升溫時(shí)段)模擬輸出數(shù)據(jù)為例做出2種情況下溫度隨高度變化的趨勢(shì)圖,如圖9所示,植被在近地面降溫效果較為明顯,隨著垂直高度的增加,其降溫效應(yīng)逐漸減弱;當(dāng)高度約等于15 m時(shí),兩種情況下該點(diǎn)溫度基本相同;其后隨著高度的增加,兩種情況下垂直高度上的溫度變化基本相同,誤差在1%以內(nèi)。在15 m高度以上無(wú)植被情況下的溫度略低于有植被的情況,主要是由于無(wú)植被情況下,研究區(qū)內(nèi)上方空氣流動(dòng)加快,帶走一部分熱量。綜上所述,植被在垂直方向上對(duì)研究區(qū)近地面降溫的有效高度約為15 m。

    圖9 研究區(qū)10:00時(shí)無(wú)植被方案和實(shí)際方案2種情況下的溫度隨高度的變化圖

    3 結(jié)論

    通過(guò)以上研究可以得出:

    (1)無(wú)人機(jī)傾斜攝影能快速獲取研究區(qū)高分辨率正射影像和高精度三維信息,能滿足街區(qū)等微觀尺度熱環(huán)境研究的需要,且獲取方式更加靈活、成本更低。

    (2)ENVI-met對(duì)研究區(qū)進(jìn)行熱環(huán)境模擬結(jié)果評(píng)價(jià)表明,模擬溫度和實(shí)測(cè)溫度的相關(guān)系數(shù)為0.94>0.9,RMSE和 MAPE分別為 0.6℃和 1.47%,模擬預(yù)測(cè)精度較高,能夠較準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。

    (3)植被具有明顯的降溫效應(yīng)。去除植被后,相比實(shí)際情況的模擬,研究區(qū)內(nèi)1.4 m高度的溫度平均增加了1~1.2℃;建筑物陰影內(nèi)和水體附近溫度在去除植被后變化較??;無(wú)植被方案下,研究區(qū)內(nèi)高溫區(qū)(>36℃)相比實(shí)際情況增加34%,PMV>4.5的面積增加17%。

    (4)植被對(duì)近地面的降溫效應(yīng)的有效垂直高度可伸展到15 m,垂直高度>15 m無(wú)植被和實(shí)際2種情況的溫度變化基本相同,誤差在1%以內(nèi)。由此可見(jiàn),在炎熱的夏季,植被以及綠化可以通過(guò)蒸騰作用降低近地面的溫度,有效的改善城市熱環(huán)境,提高人體舒適度。

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