城市公園空間格局對(duì)熱環(huán)境的影響研究＊
——以常德市中心城區(qū)為例

喬瑋潔，程奕菲，呂顏辰

（1.湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院，湖南 常德 415000；2.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，大量灰色基礎(chǔ)設(shè)施的建成導(dǎo)致城市下墊面發(fā)生改變，其中，道路、建筑等不透水硬質(zhì)面逐漸增加，而植被與水體等生態(tài)要素不斷減少，成為城市熱環(huán)境惡化的主要原因[1]。為健全城市生態(tài)功能，創(chuàng)造人體舒適的熱環(huán)境，增加城市綠地是改善城市熱環(huán)境的重要措施[2]。如何在有限的城市區(qū)域中，通過(guò)布局綠地以及調(diào)整景觀要素的占比，科學(xué)建立城市綠地景觀格局，從而放大綠地系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)，改善城市熱環(huán)境，成為城市設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題[3]。

城市綠地和城市熱島效應(yīng)之間的關(guān)系是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，其中，植被覆蓋度（FVC）成為影響地表溫度的決定性因素[4]。成實(shí)等[5]通過(guò)分析深圳市中40個(gè)公園的遙感影像，從公園的植物覆蓋率、公園水體與地表溫度入手探尋相關(guān)性。李鹍[6]以武漢市夏季為例，分析不同的城市下墊面對(duì)熱環(huán)境的影響以及城市綠地改進(jìn)城市熱環(huán)境的降溫效率。LIN L[7]等以深圳為例，針對(duì)區(qū)域空間格局對(duì)城市熱環(huán)境的改善幅度進(jìn)行研究。綜合而言，研究主要集中在探尋植被覆蓋度、綠地空間格局以及與地表溫度的關(guān)系。但除植被覆蓋度外，對(duì)于其他地表特征參數(shù)研究較少，如歸一化濕度指數(shù)（NDMI）與地表溫度（LST）相關(guān)性更高，可作為附加研究指數(shù)[8]；此外，對(duì)于城市公園規(guī)劃的空間格局對(duì)熱環(huán)境影響的關(guān)注度較弱。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)對(duì)2017年常德市中心城區(qū)的夏季高溫環(huán)境的遙感數(shù)據(jù)的分析，得出城市中心城區(qū)的地表特征參數(shù)間的關(guān)系，同時(shí)進(jìn)一步探討城市公園的降溫效果，最終為城市中心城區(qū)的綠地系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)提供相關(guān)策略。

1 研究區(qū)域及研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

本研究范圍為常德市中心城區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°41'、北緯29°02'，由桃花源路、G207國(guó)道、紫緣路以及沅安路圍合而成，總面積約29.53km2。針對(duì)研究?jī)?nèi)容，集中對(duì)中心城區(qū)及5個(gè)面積較大的城市公園內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行探究分析，基于其空間屬性特征，探討城市下墊面以及城市公園與城市熱環(huán)境間的關(guān)系。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本次研究數(shù)據(jù)選取2017年8月18日包含熱紅外波段的Landsat 8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。首先利用ENVI 5.4軟件對(duì)常德市中心城區(qū)的整體數(shù)據(jù)以及城市公園的植被覆蓋度、歸一化濕度指數(shù)以及地表溫度進(jìn)行提取。此外，在每個(gè)公園周圍設(shè)置間隔100m、總計(jì)寬500m的緩沖區(qū)，通過(guò)提取緩沖區(qū)的地表參數(shù)以及平均地表溫度與公園內(nèi)部地表溫度進(jìn)行對(duì)比，分析公園以及緩沖區(qū)的降溫范圍，研究其降溫效率。

2 研究方法

2.1 地表特征參數(shù)提取

通過(guò)ENVI 5.3將遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，分別對(duì)地表特征參數(shù)進(jìn)行提取：①選擇TM5和TM4波段得出歸一化植被指數(shù)（NDVI），在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算植被覆蓋率（FVC）；②利用TM5和TM6波段進(jìn)行歸一化濕度（NDMI）地表特征參數(shù)的運(yùn)算；③根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)求得真實(shí)的地表溫度（LST）。由于地表特征參數(shù)的提取方式已經(jīng)趨于成熟，本研究采用的公式如表1所示。

表1 研究地表參數(shù)提取

2.2 分析方法

首先計(jì)算中心城區(qū)以及公園內(nèi)部的植被覆蓋度、歸一化濕度指數(shù)、地表溫度等地表特征參數(shù)ASCII數(shù)據(jù)的平均值，通過(guò)深入觀察剖面線上各地表特征參數(shù)間的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析和線性回歸計(jì)算，對(duì)比R2系數(shù)；采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析；運(yùn)用SPSS 20完成各參數(shù)的相關(guān)性分析；同時(shí)通過(guò)ArcGIS 10.2界定各公園的緩沖區(qū)范圍，進(jìn)一步計(jì)算公園的降溫效率。

3 結(jié)果與分析

3.1 中心城區(qū)地表參數(shù)特征

統(tǒng)計(jì)表明，研究區(qū)域2017年的LST范圍為31.44～57.44℃，平均溫度為40.29℃，標(biāo)準(zhǔn)差為2.79℃；FVC范圍在0～1，由于中心城區(qū)商業(yè)區(qū)、居住區(qū)較多，其建筑密度較大，平均植被覆蓋度為0.475，標(biāo)準(zhǔn)差為0.28；而NDMI均值為0.106，標(biāo)準(zhǔn)差為0.138；標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)表明：NDMI變化較小，作為地表特征整體更為穩(wěn)定，可作為研究城市地表參數(shù)的重要數(shù)據(jù)之一。

由于中心城區(qū)的城市公園呈散點(diǎn)式分布，為了更直觀地觀察不同空間格局的城市綠地在城市中的降溫效率，以及公園內(nèi)部地表溫度、植被覆蓋度與歸一化濕度之間的關(guān)系，本文在研究區(qū)域中選取2條剖面線，分別穿過(guò)白馬湖公園、丁玲公園、屈原公園一線與濱湖公園、詩(shī)墻公園一線，進(jìn)一步對(duì)其剖面線的地表特征數(shù)值進(jìn)行對(duì)比研究。

如圖1所示，場(chǎng)地內(nèi)植被覆蓋度、歸一化濕度指數(shù)與地表溫度存在一定的鏡像關(guān)系。由于剖面線穿過(guò)公園內(nèi)的水體，故剖面值中的歸一化濕度指數(shù)幾處出現(xiàn)峰值，說(shuō)明歸一化濕度指數(shù)的高低受水體影響顯著。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，除植被覆蓋度外，歸一化濕度指數(shù)與地表溫度呈明顯的鏡像關(guān)系。由此可見(jiàn)，在研究包含水體的綠地的熱環(huán)境效應(yīng)時(shí)，歸一化濕度指數(shù)作為補(bǔ)充指數(shù)尤為重要。

圖1 鏡像關(guān)系曲線

3.2 中心城區(qū)公園地表特征參數(shù)的整體關(guān)系

通過(guò)中心城區(qū)的公園剖面線上的FVC、NDMI以及LST數(shù)值進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析，可得FVC、NDMI與LST均呈顯著的負(fù)相關(guān)性，分別為-0.356以及-0.495，即隨著植被覆蓋度與歸一化濕度指數(shù)的增加，地表溫度降低。

利用回歸分析、曲線擬合分析對(duì)FVC、NDMI與LST之間的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步研究。從結(jié)果分析，以屈原公園—白馬湖公園一線為例，F(xiàn)VC與LST的線性回歸方程為y＝-2.452x＋41.428，擬合的決定系數(shù)R2為0.051，斜率為-0.12，即若需地表溫度降低1℃，植被覆蓋度則需增加約0.4；NDMI與LST的線性回歸方程式為y=-11.559x+41.088，其擬合決定系數(shù)R2＝0.215（見(jiàn)圖2）。從擬合決定系數(shù)來(lái)看，相較而言，NDMI值與LST之間的負(fù)相關(guān)性更為顯著，詩(shī)墻公園—濱湖公園一線的回歸性分析也呈現(xiàn)同樣的相關(guān)性趨勢(shì)。

圖2 屈原公園-丁玲公園一線剖切線LST與FVC、NDMI的回歸分析

3.3 不同空間格局城市綠地的降溫效率

如表2所示，通過(guò)計(jì)算公園內(nèi)部溫度與各緩沖區(qū)的平均溫度的差值得出累計(jì)降溫，并將500m緩沖區(qū)的累計(jì)降溫與公園內(nèi)部地表溫度比值作為總降溫幅度，結(jié)果分析表明，除屈原公園以及詩(shī)墻公園外，其余城市公園的降溫幅度均為正值，而隨著緩沖區(qū)距離增加，其地表溫度逐漸上升，說(shuō)明城市綠地在城市中充當(dāng)“冷島”的角色，對(duì)周邊的城市環(huán)境起著一定的降溫作用，可緩解城市熱島效應(yīng)。

表2 城市公園對(duì)周邊環(huán)境熱環(huán)境的影響

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于遙感數(shù)據(jù)，利用ENVI 5.3以及ArcGIS工具，以湖南省常德市中心城區(qū)為例，通過(guò)對(duì)城區(qū)整體的植被覆蓋度、歸一化濕度指數(shù)以及地表溫度之間的相關(guān)性分析，得出不同的地表特征因子在研究城市熱環(huán)境中的重要性。此外，基于城區(qū)內(nèi)不同空間格局的公園，研究其對(duì)周邊城市熱環(huán)境的降溫效應(yīng)，基本結(jié)論如下。

1）植被覆蓋度與歸一化濕度指數(shù)是影響城市地表溫度的重要因子，與地表溫度呈顯著負(fù)相關(guān)。其中，歸一化濕度指數(shù)更為穩(wěn)定，與地表溫度的相關(guān)性更加密切，在研究城市熱環(huán)境中是決定性因子。

2）歸一化濕度指數(shù)與水體呈顯著正相關(guān)，即場(chǎng)地中水體面積越大，歸一化濕度指數(shù)越高；植被覆蓋度與綠地面積同樣呈正相關(guān)性，且當(dāng)公園內(nèi)部擁有大面積的綠地面積以及水體時(shí)，將加劇公園內(nèi)部溫度降低。

3）城市公園有緩解城市熱島效應(yīng)的作用，是改善城市熱環(huán)境的重要因素。中小型公園的降溫效應(yīng)與其總面積等屬性特征相關(guān)性不顯著，但其內(nèi)部的水體面積是公園影響周邊環(huán)境降溫效率的主要因子，且與緩沖區(qū)內(nèi)地表溫度呈負(fù)相關(guān)。

由于方法所限，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析結(jié)果存在一定的局限性，將來(lái)還需拓展至宏觀層面，從整體城市綠地規(guī)劃角度出發(fā)，用軟件模擬等動(dòng)態(tài)參數(shù)的方法對(duì)公園空間形態(tài)布局及其降溫效應(yīng)進(jìn)行模擬測(cè)試，更直觀、有效地研究城市格局的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。