彩鋼板建筑聚集密度對城市熱島效應(yīng)影響分析
——以蘭州市為例

張乃心， 楊樹文,2,3*， 張萌生， 付昱凱

(1.蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院， 蘭州 730070； 2.地理國情監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心， 蘭州 730070； 3.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730070)

彩鋼板建筑因其易于搭建、成本低廉及外觀美觀等特性在建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也帶來了一系列城市問題，夏季陽光直射使得金屬材質(zhì)的建筑物表面溫度高達(dá)70～80 ℃[1]，彩鋼板建筑以帶有有機(jī)涂層的鋼板為主要材質(zhì)，同時(shí)其在影像中的光譜值及亮度均較高[2]，故不僅會(huì)引發(fā)光污染、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[3]等安全隱患問題，還會(huì)加劇城市熱島效應(yīng)。

彩鋼板建筑的聚集密度是指在一定距離內(nèi)彩鋼板建筑基底總面積與該區(qū)域總面積之比[4]，反映了區(qū)域內(nèi)彩鋼板建筑聚集的程度?，F(xiàn)今有關(guān)城市熱環(huán)境影響因素的研究中，建筑物的密度過大是加劇城市熱島效應(yīng)的主要原因之一，且建筑物密度相較于高度而言更適合作為研究地表溫度(land surface temperature,LST)的影響指標(biāo)[5-6]。因此研究彩鋼板建筑的聚集密度及其不同尺度對城市熱島效應(yīng)的影響于當(dāng)今城市可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

目前已有大量學(xué)者針對城市熱環(huán)境的影響因素展開了廣泛研究[7-8]。如城市化帶來的綠地和水體的不斷減少以及不透水面的增多等變化，使得城市地區(qū)溫度不斷升高[9-10]，進(jìn)而危害人類身體健康及生存環(huán)境。此外，人工建筑也會(huì)加劇城市熱島效應(yīng)[11-12]，不同材質(zhì)及幾何特性的建筑物對城市熱環(huán)境影響的不盡相同。如有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，白天高層建筑物對氣溫的影響大于低層建筑[6]；就物理特性而言，夏季金屬合金和混凝土、瀝青材質(zhì)的建筑表面因?qū)嵯禂?shù)及熱慣量較低，散熱慢，從而造成夜間熱島效應(yīng)[13-14]。

然而，中外現(xiàn)有城市熱島效應(yīng)影響因素的相關(guān)研究大都圍繞植被、水體、不透水面或建筑物整體等展開[15-16]，鮮有關(guān)于城市中某一具有代表性的功能性建筑物對城市熱島效應(yīng)影響的研究。因此，現(xiàn)利用Landsat 8及GF-2遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合單窗算法、距離加權(quán)密度算法以及相關(guān)關(guān)系分析，旨在研究蘭州市彩鋼板建筑聚集密度與地表溫度的相關(guān)關(guān)系以及前者對熱島效應(yīng)產(chǎn)生影響的最優(yōu)尺度，以期為城市化建設(shè)發(fā)展提供決策參考。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

蘭州坐落于甘肅省中部地區(qū)，是典型的河谷型城市，地理位置為35°53′N～37°04′N，102°35′E～104°37′E，屬溫帶大陸性氣候，夏季炎熱，平均氣溫31 ℃，四季溫差較大。研究區(qū)是蘭州市的主城區(qū)，包括城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)，如圖1所示。主城區(qū)分布有大量的彩鋼板建筑，最小面積為3 m2，最大為36 701 m2，總面積約為6 181 780 m2，約占城市總面積的3.2%，如圖2所示。

研究區(qū)內(nèi)彩鋼板建筑主要分布于產(chǎn)業(yè)園區(qū)、建筑工地、城市邊緣及城中村等地，主要有藍(lán)色、紅色、白色3種顏色，其中以藍(lán)色彩鋼板建筑分布為主，如圖3和圖4所示。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area

圖2 研究區(qū)內(nèi)彩鋼板建筑分布情況Fig.2 Distribution of color steel plate buildings in the study area

圖3 研究區(qū)不同類型彩鋼板建筑照片F(xiàn)ig.3 Photos of different types of color steel plate buildings in the study area

圖4 研究區(qū)不同類型彩鋼板建筑群局部影像(GF-2影像)Fig.4 Partial images of different types of color steel plate buildings in the study area (GF-2 images)

1.2 遙感數(shù)據(jù)及預(yù)處理

考慮到彩鋼屬于金屬材質(zhì)，夏季受光照后溫度較高[4]，采用蘭州市2017年8月3日的Landsat 8 OLI/TIRS影像，該日天氣晴朗，含云量為6.33%，影像質(zhì)量良好；彩鋼板建筑群數(shù)據(jù)基于國產(chǎn)高分二號(hào)0.8 m的融合影像提取，該影像成像時(shí)間為2017年8月3日。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、影像融合、影像配準(zhǔn)及裁剪等處理。其中，對Landsat 8影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正是關(guān)鍵，以便獲得準(zhǔn)確的地表反射率。

2 研究方法

首先利用2017年8月3日GF-2影像提取得到的彩鋼板建筑矢量數(shù)據(jù)，根據(jù)距離加權(quán)方法計(jì)算不同半徑下彩鋼板建筑的聚集密度，并分析其聚集分布特征。其次，利用2017年8月3日預(yù)處理后的Landsat 8影像數(shù)據(jù)，根據(jù)單窗算法將熱紅外波段的輻射亮溫結(jié)合地表比輻射率以及大氣剖面參數(shù)計(jì)算地表溫度，并將地表溫度按照均值-標(biāo)準(zhǔn)差方法進(jìn)行分級(jí)處理，統(tǒng)計(jì)并分析不同溫度等級(jí)區(qū)間內(nèi)彩鋼板建筑的分布情況，研究彩鋼板建筑與地表溫度之間的內(nèi)在聯(lián)系。最后利用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，定量表達(dá)彩鋼板建筑的聚集密度與地表溫度的相關(guān)關(guān)系。如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)流程Fig.5 Experimental process

2.1 彩鋼板建筑聚集密度計(jì)算

根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，單一的彩鋼板對于城市熱島效應(yīng)的影響是有限的，彩鋼板建筑連接成片將會(huì)增幅局部地表溫度，且不同密集度的彩鋼板建筑對熱島效應(yīng)的影響程度不同。為此，通過距離加權(quán)方法計(jì)算彩鋼板建筑的聚集密度，將一定半徑范圍內(nèi)不同面積的彩鋼板依據(jù)各自權(quán)重全部考慮在內(nèi)，能較為準(zhǔn)確地反映其在某一位置聚集的程度和狀態(tài)，以及在不同聚集狀態(tài)下所呈現(xiàn)出的某種具有代表性的城市發(fā)展特征。

文章最后，聶紺弩概括說：“我們常常說：魯迅一生的歷史就是戰(zhàn)斗的歷史，其實(shí)只說了一面，就另一面說，魯迅的歷史就是被‘社會(huì)’圍剿的歷史?！盵2]66-67交代了魯迅文章的寫作背景，擺明了魯迅“罵世”、“冷嘲”、“憎恨”的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。即使在今天，我們依然可以說，聶紺弩的這段話，是理解魯迅的“罵世”、“冷嘲”和“憎恨”的鑰匙。

利用距離加權(quán)算法計(jì)算彩鋼板建筑聚集密度的原理為：二值圖像中彩鋼板建筑的像元值為1，非彩鋼板建筑的像元值為0，以某一像元點(diǎn)為中心，使用距離作為權(quán)重，計(jì)算其指定半徑范圍內(nèi)的彩鋼板像元值的平均值，作為該點(diǎn)附近的彩鋼板建筑的聚集密度，計(jì)算公式[17]為

(1)

式(1)中：O為中心點(diǎn)像元；R為尺度半徑；Pi為半徑范圍內(nèi)第i個(gè)像元的值(0或1)；di為像元Pi與中心點(diǎn)像元O之間的歐式距離；m為半徑R范圍內(nèi)的像元總數(shù)。

研究區(qū)內(nèi)彩鋼板建筑的最大面積為36 701 m2，依據(jù)上述方法以圓的方式進(jìn)行搜索，故搜索半徑上限為108 m。因此，研究分別以30、60、90 m為搜索半徑，探究不同半徑尺度下的彩鋼板建筑的聚集密度。

2.2 地表溫度反演

地表溫度反演采用覃志豪等[18]的單窗算法，該算法計(jì)算簡便，精度較高，考慮了大氣影響因素。首先將像元亮度值(digital number ，DN)轉(zhuǎn)換為熱輻射強(qiáng)度值，并計(jì)算相應(yīng)的亮度溫度值；然后利用混合像元分解法計(jì)算地表比輻射率；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(表1)選擇中緯度夏季平均大氣公式計(jì)算大氣平均溫度值[19]，最后結(jié)合大氣剖面參數(shù)利用式(2)計(jì)算得到地表溫度值。

表1 大氣平均作用溫度與地面附近氣溫的關(guān)系Table 1 The relationship between the average temperature of the atmosphere and the temperature near the ground

Ts={a(1-C-D)+[b(1-C-D)+C+D]Tsensor-DTa}/C

(2)

C=ετ

(3)

(4)

式中：Ts為地表溫度，a、b為參考系數(shù)；C、D為中間常量；Tsensor為輻射亮溫；Ta為大氣平均作用溫度；ε為地表比輻射率，根據(jù)混合像元分解法[20]求得；τ為大氣透射率；K1、K2為常量。

2.3 溫度等級(jí)劃分

為了統(tǒng)計(jì)不同溫度范圍內(nèi)彩鋼板建筑的占比情況，揭示彩鋼板建筑與地表溫度之間存在的某種規(guī)律性聯(lián)系，將地表溫度進(jìn)行規(guī)范化分級(jí)處理。采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差方法將反演得到的地表溫度劃分為5個(gè)等級(jí)，詳細(xì)分級(jí)如表2所示。

表2 均值-標(biāo)準(zhǔn)差法界定溫度等級(jí)Table 2 Mean-standard deviation method to define temperature grades

3 結(jié)果與分析

3.1 彩鋼板建筑聚集密度分析

計(jì)算得到的彩鋼板建筑聚集密度如圖6所示，將其按比例分為低、中、高3個(gè)等級(jí)，小于25%為低密度區(qū)，25%～50%為中密度區(qū)，大于50%為高密度區(qū)。同時(shí)以面積大于2 000 m2的彩鋼板作為大型彩鋼板建筑，面積小于200 m2的為小型彩鋼板建筑。為了研究大小型彩鋼板的空間分布與聚集密度的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)了不同等級(jí)的密度區(qū)內(nèi)大小型彩鋼板建筑的分布比例，如表3所示。

由圖6可知，3種搜索半徑下的彩鋼板建筑的密度分布相似，其特征主要為：以高密度區(qū)為中心，即安寧區(qū)中部、西固區(qū)東部以及城關(guān)區(qū)的東北、東南部，逐漸向外擴(kuò)散分布。其中，聚集密度較高的彩鋼板建筑主要分布在安寧區(qū)的劉家堡、安寧堡街道，城關(guān)區(qū)的雁興路兩側(cè)以及雁南街道、西固區(qū)的奧體中心。由表3可知，高密度區(qū)主要以大型彩鋼板建筑分布為主，其所占比例基本過半，并且總體數(shù)量相對較少，但面積較大，平均面積為6 300 m2。疊加谷歌影像后發(fā)現(xiàn)，以上地段大多分布有大量工廠、建筑工地、小型企業(yè)、物流產(chǎn)業(yè)園以及科技新城等，正處于蓬勃的發(fā)展建設(shè)階段，因彩鋼板建筑“即用即搭”、便于拆除的便捷性以及成本低廉、耐腐蝕性優(yōu)等特點(diǎn)，故使得其在以上地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。此外，中低密度區(qū)的小型彩鋼板建筑也廣泛的分布在城市里的其他區(qū)域，諸如居民地、房屋樓頂、農(nóng)家樂等地塊，可見彩鋼板建筑在城市中所涉用途之廣，遍及城市的各個(gè)區(qū)域。

表3 3種半徑下不同密度等級(jí)區(qū)內(nèi)大/小型彩鋼板建筑占比Table 3 Proportion of large/small color steel plate buildings in different density levels under three radii

圖6 不同半徑下的彩鋼板建筑聚集密度分析Fig.6 Aggregation density analysis of color steel plate buildings with different radii

圖7 蘭州市地表溫度反演結(jié)果Fig.7 Land surface temperature inversion results in Lanzhou

圖8 溫度等級(jí)圖Fig.8 Temperature rating diagram

3.2 地表溫度反演及分析

選取2017年8月3日的Landsat 8影像，以城市化進(jìn)程較快的蘭州市為例，探究了該時(shí)期下其溫度的具體分布情況。地表溫度反演結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明，2017年夏季蘭州市熱島效應(yīng)顯著，平均溫度為39.09 ℃，靠近黃河一帶溫度較低，城市邊緣地區(qū)溫度較高，以安寧區(qū)中部、西北部、城關(guān)區(qū)南部、東部以及西固區(qū)北部尤為顯著。

根據(jù)均值-標(biāo)準(zhǔn)差方法將地表溫度反演結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)，其結(jié)果如圖8所示，將高溫區(qū)及次高溫區(qū)劃定為熱島效應(yīng)顯著區(qū)，其中低溫區(qū)以黃河一帶為代表，熱島區(qū)則以安寧區(qū)中部、西固區(qū)東部及城關(guān)區(qū)北部、南部尤為明顯，分級(jí)結(jié)果符合實(shí)際溫度分布情況。同時(shí)統(tǒng)計(jì)了每一溫度等級(jí)下彩鋼板建筑的面積及其占該級(jí)城市用地總面積的百分比，由表4可知，彩鋼板建筑在次高溫區(qū)分布的面積最大，在低溫區(qū)和次低溫區(qū)的分布面積相對較小，然而其在高溫區(qū)所占各類用地總面積的比例卻是最大的，且占比隨溫度等級(jí)的降低而減少，即低溫區(qū)彩鋼板建筑占比最少，這說明彩鋼板建筑與城市熱島效應(yīng)有著密不可分的關(guān)系。

將30 m半徑下的彩鋼板建筑聚集密度圖與地表溫度分級(jí)圖疊加后發(fā)現(xiàn)(圖9)，彩鋼板高聚集密度區(qū)大多分布于城市高溫以及次高溫區(qū)內(nèi)，且二者的趨勢走向非常相近，又因高密度區(qū)主要以大型彩鋼板建筑分布為主，因此可以說明，大型彩鋼板建筑的大量聚集是加劇城市熱島效應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵因素。

表4 彩鋼板建筑的面積在每一溫度等級(jí)下所占比例Table 4 Proportion of color steel plate building area in each temperature class

圖9 地溫等級(jí)圖與30 m半徑的彩鋼板聚集密度疊加圖Fig.9 Overlaying map of surface temperature grade and 30 m radius color steel plate aggregation density

3.3 相關(guān)性及最優(yōu)尺度分析

為了進(jìn)一步探究彩鋼板建筑與地表溫度之間的相關(guān)關(guān)系以及彩鋼板建筑聚集密度對城市熱島效應(yīng)影響的最優(yōu)尺度，利用SPSS軟件分別統(tǒng)計(jì)了30、60、90 m 3種不同半徑尺度下的彩鋼板建筑的聚集密度與溫度的相關(guān)關(guān)系并繪制成了散點(diǎn)圖，定量分析了研究區(qū)內(nèi)彩鋼板建筑的聚集密度與地表溫度之間的關(guān)系，其回歸方程分別為：y=2.743x+39.753，y=3.416x+39.884，y=2.194x+40.297。結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以明顯看出，相比于其他兩者，當(dāng)半徑為30 m時(shí)，彩鋼板建筑的聚集密度與地表溫度擬合效果最佳，此時(shí)R2為0.601。3種半徑尺度下的聚集密度與地表溫度均呈現(xiàn)出了顯著的線性正相關(guān)性，且三組回歸均在0.01水平上相關(guān)性顯著，回歸分析表明這種關(guān)系定量且清晰。

3種半徑尺度下彩鋼板建筑的聚集密度與地表溫度的相關(guān)系數(shù)分別為：0.775、0.672、0.593，即R=30 m時(shí)，相關(guān)系數(shù)最高，此時(shí)彩鋼板建筑對地溫升高的影響最為顯著。

圖10 彩鋼板建筑聚集密度與地表溫度回歸分析Fig.10 Regression analysis of surface temperature and aggregation density of color steel buildings

以半徑為30 m的彩鋼板建筑聚集密度與地表溫度的回歸方程為例，聚集密度每增加0.1，地表溫度上升0.3 ℃，說明夏季彩鋼板建筑的存在的確對城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生了一定的影響，即彩鋼板建筑面積的不斷增多顯然導(dǎo)致了地表溫度的上升，且聚集密度高的地區(qū)對地表溫度的作用明顯高于低密度區(qū)，因此，探究夏季彩鋼板建筑對城市熱島效應(yīng)的影響對于城市化進(jìn)程的發(fā)展以及城市宜居都有著極其重要的意義。

4 結(jié)論

采用定量分析的方法，對蘭州市彩鋼板建筑在主城區(qū)的分布情況及其聚集密度與城市熱島效應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論。

(1)大型彩鋼板建筑高度聚集對城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生顯著影響，它們多分布于城市高溫區(qū)，即研究區(qū)的高新技術(shù)開發(fā)區(qū)、工廠聚集區(qū)等地塊；小型彩鋼板建筑在城市中總體數(shù)量較多，但總面積較小，以中低密度的聚集為主，遍布于整個(gè)蘭州市，對城市熱島效應(yīng)影響相對較小。

(2)基于距離權(quán)重計(jì)算得到的聚集密度將單一彩鋼板及其周邊一定范圍內(nèi)的彩鋼板全部考慮在內(nèi)，準(zhǔn)確客觀地反映了彩鋼板建筑聚集的程度及其在城市中分布的特點(diǎn)，可以作為評(píng)價(jià)城市發(fā)展現(xiàn)狀的指標(biāo)之一。當(dāng)半徑為30 m時(shí)，彩鋼板建筑聚集密度的分布特征與溫度等級(jí)分布(圖8)最為接近。

(3)蘭州市夏季熱島效應(yīng)顯著，彩鋼板建筑對其產(chǎn)生的影響不容忽視，回歸分析表明：3種尺度半徑下的彩鋼板建筑聚集密度與地表溫度均呈現(xiàn)出了較為明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)半徑為30 m時(shí)，彩鋼板對地溫的增效最為顯著。

彩鋼板建筑在城市中分布較廣，其對城市熱環(huán)境系統(tǒng)帶來的影響不容小覷，雖然對彩鋼板建筑與城市熱島效應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行了初探，但仍有一些問題亟待解決：①需要增加研究區(qū)時(shí)間跨度及節(jié)點(diǎn)，以探究彩鋼板建筑在城市中由數(shù)量稀少至廣泛存在這一過程中同一季節(jié)的溫度變化情況；②城市中多種因素的聯(lián)合作用導(dǎo)致了熱島效應(yīng)的發(fā)生，有必要將彩鋼板建筑周圍不同的景觀特征如水體、植被及其他建筑物等因素考慮在內(nèi)，探究不同因素作用于城市熱島效應(yīng)的定量關(guān)系，從而更為客觀地揭示彩鋼板建筑給城市熱環(huán)境系統(tǒng)帶來的影響。