全球位置網(wǎng)格在城市熱島空間形態(tài)表達(dá)中的應(yīng)用研究

周燕迪

（北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044）

1 概述

快速的城市化進(jìn)程使得城市區(qū)域不透水面大幅增加，城市綠度減少，導(dǎo)致城市空間范圍內(nèi)熱量累積[1]，使得城市地區(qū)溫度高于附近農(nóng)村地區(qū)，即城市熱島效應(yīng)。城市熱島效應(yīng)所帶來了的負(fù)面影響包括城市大氣污染物累積、損害人類健康和人居舒適度[2]。因此，精確表達(dá)城市熱島空間形態(tài)對于分析城市熱島效應(yīng)的時空變化特征，緩解城市生態(tài)環(huán)境問題、推動城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

現(xiàn)有的表達(dá)模型如高斯模型法[3]、支持向量機(jī)法[4]模型擬合困難，并且無法精確刻畫城市內(nèi)部熱島空間形態(tài)的溫度起伏，從而無法支持城市熱環(huán)境的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，而GeoSOT（Geographical coordinate global Subdivision based on One-dimension-integer and Two to nth power）[5]網(wǎng)格在空間表達(dá)上的快速、真實(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，并且得到了廣泛的研究與應(yīng)用[6]。因此，本文基于全球位置網(wǎng)格對熱島空間形態(tài)進(jìn)行描述并與傳統(tǒng)的高斯模型法進(jìn)行分析。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1 研究區(qū)概況

北京市東、西城區(qū)，總占地面積92.49 平方千米，是我國城市化發(fā)展最快的地區(qū)之一，人口高度聚集、頻繁商業(yè)活動、工業(yè)生產(chǎn)及高密度的胡同住宅區(qū)等多種影響環(huán)境的因素同時存在，使得其城市熱島現(xiàn)象顯著，空氣污染問題突出，給居民生活與健康帶來不利影響。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文選用2016 年6、7、8 月份且云量在10%以下的Landsat78 影像數(shù)據(jù)，利用單窗算法[7]對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度反演后，通過柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)的方式獲得研究區(qū)的地表溫度值，共125780 個。利用北京市夜間燈光數(shù)據(jù)與不透水面數(shù)據(jù)[8]確定城市中心區(qū)邊界后，采用基于面積相同的方法識別城市背景溫度場區(qū)域，并計算得出2014-2019 年夏季背景場溫度值Trural，并將城市熱島強(qiáng)度UHIIi定義為地表溫度值Ti與Trural的差值，即：

3 研究方法

3.1 熱島網(wǎng)格模型構(gòu)建

GeoSOT 將全球剖分為32 級多尺度網(wǎng)格，大到可以表示整個地球表面，小到可以表示1.5cm 尺度。網(wǎng)格層級與網(wǎng)格尺度相對應(yīng)[5]，采用了空間Z 序的編碼方法給每個網(wǎng)格賦以全球唯一編碼，如圖1 所示。

圖1 GeoSOT 網(wǎng)格多級剖分示意圖

本研究以GeoSOT 為基礎(chǔ)，根據(jù)地表溫度點(diǎn)的經(jīng)緯度以及溫度值，選擇相應(yīng)的網(wǎng)格層級，將點(diǎn)及其附帶信息關(guān)聯(lián)到GeoSOT 網(wǎng)格單元中，構(gòu)建熱島網(wǎng)格模型，如圖2 所示。

圖2 熱島網(wǎng)格模型

每個點(diǎn)數(shù)據(jù)在這一層級對應(yīng)唯一的網(wǎng)格編碼，并且該網(wǎng)格可儲存這一點(diǎn)的所有屬性，即：

式（2）表示n 個點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成整體的空間N；式（3）表示每一個點(diǎn)對應(yīng)指定層級的一個網(wǎng)格；式（4）表示每個點(diǎn)數(shù)據(jù)對應(yīng)唯一的網(wǎng)格編碼；式（5）表示每一個點(diǎn)的附帶屬性都會傳遞到對應(yīng)網(wǎng)格的關(guān)聯(lián)屬性。

將城市熱島數(shù)據(jù)與網(wǎng)格所包含的信息存儲于數(shù)據(jù)庫中，如表1 所示，二維網(wǎng)格編碼為數(shù)據(jù)表的主鍵，用于識別全部空間網(wǎng)格，同時記錄每個網(wǎng)格中心點(diǎn)數(shù)據(jù)的地表溫度、傳感器等關(guān)聯(lián)信息，為城市熱島空間形態(tài)的表達(dá)提供支撐。

表1 城市熱島信息與全球位置網(wǎng)格數(shù)據(jù)表

3.2 熱島空間形態(tài)的表達(dá)

本研究利用GeoSOT 的離散特性，將城市地表溫度的起伏，即城市熱島的空間形態(tài)進(jìn)行三維可視化，具體方法是將每個熱島溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)的地表溫度值作為點(diǎn)數(shù)據(jù)的高度分量，并根據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度構(gòu)建熱島空間網(wǎng)格體，來描述研究區(qū)內(nèi)部的熱島強(qiáng)度細(xì)節(jié)分布，示意圖如圖3 所示。

圖3 熱島空間形態(tài)表達(dá)示意圖

將每點(diǎn)的地表溫度值根據(jù)熱島強(qiáng)度劃分等級表進(jìn)行劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 熱島強(qiáng)度等級劃分

相較于影像30m 的空間分辨率來說，地表溫度差值1-10℃在圖中顯示不明顯，因此本研究采用的等比擴(kuò)大的方法，將地表溫度值進(jìn)行了夸大，用于細(xì)節(jié)描述地表溫度的起伏，擴(kuò)大方法如公式（6）,

4 結(jié)果與分析

4.1 熱島空間形態(tài)表達(dá)結(jié)果分析

本研究將城市地表溫度以空間網(wǎng)格體的形式進(jìn)行表達(dá)，并基于Cesium 地理引擎平臺將表達(dá)的效果呈現(xiàn)出來。通過編碼對研究區(qū)內(nèi)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行立體網(wǎng)格邊線繪制，從而刻畫城市熱島空間形態(tài)細(xì)節(jié)，網(wǎng)格化表達(dá)效果如圖4 所示。研究區(qū)內(nèi)被分為非熱島、次低強(qiáng)度、中強(qiáng)度、次高強(qiáng)度、高強(qiáng)度、極高強(qiáng)度這六個等級，從圖中可以清晰地看出研究區(qū)內(nèi)各個位置的熱島強(qiáng)度分布情況。

圖4 2016 年夏季北京市東、西城區(qū)熱島空間形態(tài)

4.2 方法比較

為了進(jìn)一步論證說明基于全球位置網(wǎng)格的熱島空間形態(tài)表達(dá)方法的細(xì)節(jié)性，將該方法與高斯曲面擬合法進(jìn)行了對比試驗(yàn)，其中高斯曲面擬合是對熱島強(qiáng)度信號函數(shù)U(x，y)進(jìn)行擬合后進(jìn)行曲面擬合表達(dá)，具體公式如（7-8），表達(dá)結(jié)果的對比情況如圖5 所示。

圖5 不同方法的城市地表熱島形態(tài)表達(dá)

從對比圖中可以看出，高斯曲面擬合法的溫度曲面無法體現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)溫度的變化，不能真實(shí)反映熱島分部的真實(shí)情況，而本研究提出的方法利用熱島空間網(wǎng)格體的形式進(jìn)行可視化展示，可以直觀看出研究區(qū)內(nèi)地表溫度的高低起伏以及熱島強(qiáng)度的分布，更加準(zhǔn)確地反映城市熱島的空間形態(tài)。

5 結(jié)論

本文以北京市東、西城區(qū)為例，對2016 年夏季的Landsat78 數(shù)據(jù)進(jìn)行熱島空間形態(tài)的可視化表達(dá)，并結(jié)合高斯曲面擬合法進(jìn)行對比試驗(yàn)。結(jié)果表明本文提出的方法，在熱島空間形態(tài)的表達(dá)上更加簡便、準(zhǔn)確，避免了復(fù)雜的擬合過程，在精確刻畫城市熱島空間形態(tài)的同時，也為城市熱環(huán)境的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測提供了新的方法參考。