三維激光空地一體化在城市熱島研究中的應(yīng)用
——以上海延中綠地為例

孟 陳,衛(wèi)炎豪,武彩燕,歐陽(yáng)霖柯,李俊祥,朱 義,劉家霖,魏本勝,降瑞嬌

(1. 景遙(上海)信息技術(shù)有限公司,上海 200240; 2. 上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院,上海 200240; 3. 上海人工智能實(shí)驗(yàn)室,上海 200232; 4. 上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院,上海 200232; 5. 上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200050; 6. 中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境工程研究中心,北京 100038)

在城市化和全球氣候變化的雙重背景下,城市熱島已成為城市地區(qū)最顯著的生態(tài)環(huán)境后果之一[1-5]。諸多學(xué)者在熱島效應(yīng)的相關(guān)研究與探索中發(fā)現(xiàn),基于自然的解決方案(NBS)是一種緩解城市熱島效應(yīng)有效措施[6-9]。城市公園作為城市中重要的自然要素之一,在緩解城市熱島效應(yīng)中發(fā)揮著重要的作用[10-13]。以往研究表明,綠地的植被類(lèi)型、其景觀特征及其周邊景觀格局,均顯著影響其降溫效應(yīng)[14-15]。有學(xué)者對(duì)重慶主城區(qū)中3個(gè)主要公園的冷島效應(yīng)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),建筑的基本形態(tài)構(gòu)成和不同的地塊功能是影響公園冷島輻射范圍的主要影響因子[14]。福州城市公園夏冬兩季的熱/冷島空間關(guān)系研究表明,夏冬兩季城市熱/冷島分布格局大致相似,公園的面積與熱/冷島分布格局有較強(qiáng)的相關(guān)性[15]。當(dāng)公園趨于圓形或正方形時(shí),其降溫效應(yīng)較顯著[16]。

三維綠量是城市綠地質(zhì)量及所在城市環(huán)境質(zhì)量的綜合性指標(biāo),是植物個(gè)體生長(zhǎng)、群體發(fā)育及其區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)揮的外在空間的集中表現(xiàn)[17-18]。延中綠地的建設(shè)是上?！盎谧匀唤鉀Q方案”,緩解中心城區(qū)熱島效應(yīng)的重大舉措。然而,延中綠地的降溫作用,如其冷島效應(yīng)強(qiáng)度、冷島有效距離、其不同方向的降溫效應(yīng)是否存在差異,仍有待進(jìn)一步探索。此外,三維綠量空間格局是區(qū)域自然條件、城市規(guī)劃布局及城市建設(shè)管理等因素相互作用的結(jié)果,但不同因子的主導(dǎo)性仍不明確[19]。因此,需要進(jìn)一步明確影響延中綠地三維綠量的主要因素,從而為未來(lái)綠地質(zhì)量的優(yōu)化提升、碳匯監(jiān)測(cè)提供重要參考。

本文基于延中綠地的無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)與手持激光雷達(dá)數(shù)據(jù),結(jié)合Landsat 8 數(shù)據(jù)集的溫度反演數(shù)據(jù),并以三維綠量作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施與溫度之間的紐帶,對(duì)延中綠地三維綠量分布格局及其與影響因子之間的關(guān)系進(jìn)行探究,探索其在熱島效應(yīng)緩解中可發(fā)揮的作用。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

延中綠地位于上海市靜安、盧灣、黃浦三區(qū)交界處(如圖1所示),始建于2000年2月,是上海市為改善城市生態(tài)環(huán)境,緩解中心城區(qū)熱島效應(yīng)的關(guān)鍵項(xiàng)目,其建設(shè)是提高人居環(huán)境質(zhì)量,推進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的重大舉措。研究區(qū)域面積約15.38 hm2,其用地類(lèi)型包括水體、林地、草地、建筑等多種類(lèi)型。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 研究數(shù)據(jù)

(1)無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù),由飛馬無(wú)人機(jī)D2000無(wú)人機(jī)搭載LiDAR3000采集。其測(cè)程為200 m,波長(zhǎng)為905 nm,水平定位精度為0.02 m,高差定位精度為0.03 m,飛行高度為120 m,點(diǎn)云密度為14點(diǎn)/m2。

(2)手持激光雷達(dá)數(shù)據(jù),雖然無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)對(duì)樹(shù)冠部分?jǐn)?shù)據(jù)獲取較為準(zhǔn)確,但在林地郁閉度高的區(qū)域,激光點(diǎn)云難以到達(dá)地面[20-21],故選擇飛馬SLAM100手持激光雷達(dá)獲取延中綠地內(nèi)部的地面激光數(shù)據(jù),激光最大測(cè)程為120 m,相對(duì)精度為0.02 m,點(diǎn)頻為320 kpts/s,續(xù)航時(shí)間約2.5 h。

(3)溫度數(shù)據(jù),來(lái)源于Landsat 8 Collection 2 Level 2數(shù)據(jù)集中2022年8月22日的地表溫度數(shù)據(jù)(地溫最高值達(dá)50.95℃),分辨率為30 m,已在GEE(Google Earth Engine)中進(jìn)行去云處理[22]。

(4)多光譜數(shù)據(jù)。2022年9月29日,采用無(wú)人機(jī)D2000獲取了多光譜遙感數(shù)據(jù),傳感器采用D-MSPC2000,有效像素為120萬(wàn)(1280×960像素),焦距為5.2 mm,波段配置為450、555、660、720、750和840 nm,飛行高度為120 m,航帶內(nèi)重疊度為80%,航帶間重疊度為60%,地面分辨率約為0.08 m。影像經(jīng)PhotoMOD空三加密、正射糾正后,對(duì)延中綠地及200 m緩沖區(qū)內(nèi)真彩色影像在ArcGIS中采用專(zhuān)家目視解譯進(jìn)行數(shù)字化,分為房屋、林地、水域、灌木、草地和道路等7種類(lèi)型,并對(duì)這些不同類(lèi)型在ArcGIS中進(jìn)行歐式距離分析。圖2為延中綠地內(nèi)部和周邊的土地利用類(lèi)型分布。

圖2 延中綠地土地利用類(lèi)型分布

1.3 研究方法

1.3.1 延中綠地的降溫作用分析

采用兩個(gè)降溫效應(yīng)指標(biāo)定量延中綠地的空間降溫規(guī)律。

(1)局部冷島強(qiáng)度(local cool island intensity,LCII)。冷島強(qiáng)度是指公園內(nèi)部與周邊環(huán)境之間的溫差[23],計(jì)算公式為

LCII=Ts-Ti

(1)

式中,Ts為延中綠地周?chē)彌_區(qū)的平均地表溫度;Ti為延中綠地自身平均地表溫度(℃)。最大局部冷島強(qiáng)度(maximum local cool island intensity,MLCII)的計(jì)算有助于評(píng)估綠地的最大降溫強(qiáng)度。當(dāng)延中綠地周?chē)彌_區(qū)內(nèi)的平均地表溫度達(dá)到最大且穩(wěn)定不變時(shí),可獲得其最大局部冷島強(qiáng)度。以20 m為間隔,共設(shè)置了600 m的緩沖區(qū)進(jìn)行分析。

(2)最大降溫距離(maximum cooling distance,MCD)。綠地對(duì)周?chē)h(huán)境溫度的影響范圍是有限的。將最大局部冷島強(qiáng)度處對(duì)應(yīng)的位置與綠地邊界之間的距離設(shè)定為最大降溫距離。理論上,隨著降溫距離的增加,局部冷島強(qiáng)度會(huì)隨之增加。然而受周邊景觀的影響,局部冷島強(qiáng)度會(huì)隨距離的增加出現(xiàn)波動(dòng),最終達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)。其中,第一個(gè)波動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)被視作最大降溫距離的所在位置[24]。通過(guò)構(gòu)建局部冷島強(qiáng)度與降溫距離之間的函數(shù)擬合關(guān)系,識(shí)別上述拐點(diǎn)。

為更好地識(shí)別延中綠地在不同方向上的降溫作用,劃分了西北、東北、東南和西南4個(gè)方向,并定量了各方向上的最大局部冷島強(qiáng)度和降溫距離,如圖3所示。

圖3 延中綠地的降溫效應(yīng)方向性劃分

1.3.2 三維激光點(diǎn)云融合及數(shù)據(jù)提取

以LiDAR360軟件對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析,經(jīng)重采樣、去噪、點(diǎn)云歸一化后,進(jìn)行單木分割,獲取延中綠地內(nèi)部樹(shù)木的樹(shù)高、冠幅及樹(shù)冠體積(三維綠量)等林分因子信息。數(shù)據(jù)基于R語(yǔ)言進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理,部分分析過(guò)程基于ArcGIS軟件進(jìn)行出圖。圖4為經(jīng)LiDAR360單木分割的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及延中綠地樹(shù)木分布情況,共識(shí)別分割出2613棵樹(shù),其屬性文件包含每棵樹(shù)的經(jīng)緯度坐標(biāo)及樹(shù)高、胸徑、冠幅、樹(shù)冠體積等信息。

圖4 激光點(diǎn)云樹(shù)木分割及分布情況

2 結(jié)果分析

2.1 延中綠地的降溫作用分析

在不同方向上延中綠地的降溫效應(yīng)存在顯著差異,見(jiàn)表1。各方向上的最大降溫距離從4.98 ～496.64 m不等,而最大局部冷島強(qiáng)度則從1.79℃～3.38℃不等,說(shuō)明延中綠地的降溫作用具有方向性,這很大程度上是受延中綠地周邊景觀格局的影響所致。最大降溫距離的排序依次是東南>西南>東北>西北。但最大局部冷島強(qiáng)度是西南方向,最低值出現(xiàn)在東南方向。

表1 延中綠地4個(gè)方向上的降溫效應(yīng)

2.2 延中綠地三維綠量分布特征

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)樹(shù)木三維綠量及坐標(biāo)信息,在ArcGIS中進(jìn)行插值處理得到延中綠地三維綠量分布情況,如圖5所示。顏色越深表示三維綠量越高,可以看出,延中綠地內(nèi)三維綠量高值區(qū)域基本分布在其西北部靠近公路一側(cè),其余各處皆有高值零星分布。中部大片低值區(qū)域?yàn)椴莸睾退w,底圖為延中綠地區(qū)域的真彩色遙感影像,可見(jiàn)三維綠量插值結(jié)果與延中綠地的本底基本一致。

圖5 延中綠地三維綠量分布格局

2.3 延中綠地不同土地利用類(lèi)型地面溫度分布

無(wú)人機(jī)機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在LiDAR360中提取數(shù)字表面模型(DSM)和數(shù)字高程模型(DEM),在ArcGIS中通過(guò)DSM減去DEM獲得冠層高度模型(CHM),依據(jù)高度對(duì)CHM進(jìn)行植被分類(lèi),得到延中綠地不同植被類(lèi)型分布情況,如圖6所示。為了對(duì)延中綠地內(nèi)不同植被類(lèi)型的降溫效果進(jìn)行探究,根據(jù)圖6的區(qū)塊范圍對(duì)延中綠地內(nèi)2022年8月22日的地面溫度提取平均值,得到延中綠地不同植被類(lèi)型均溫,分別是喬木均溫48.20℃,草地均溫48.69℃,灌木均溫48.72℃。通過(guò)定量分析發(fā)現(xiàn),延中綠地不同植被類(lèi)型的降溫效應(yīng)具有顯著差異性,降溫效應(yīng)從高到低依次為喬木>草地>灌木。

圖6 延中綠地植被類(lèi)型分布

2.4 延中綠地三維綠量與其格局影響因子相關(guān)性分析

在ArcGIS中對(duì)延中綠地周邊的建筑、水體及道路分別做歐式距離計(jì)算,得到延中綠地區(qū)域與建筑、道路及水體的歐式距離分布情況,如圖7所示。

圖7 延中綠地與建筑、道路、水體距離分布情況

根據(jù)每棵樹(shù)的經(jīng)緯度信息,提取與之對(duì)應(yīng)的與建筑、道路、水體距離。通過(guò)相關(guān)分析,得到三維綠量及其格局影響因子相關(guān)性,見(jiàn)表2?？梢钥闯?三維綠量與距道路距離(Droad)呈顯著負(fù)相關(guān),即在延中綠地內(nèi),距離道路越近的地方,其三維綠量越高。三維綠量與距水體距離呈(Dwater)顯著正相關(guān),即延中綠地內(nèi)距離水體越遠(yuǎn)的區(qū)域,其三維綠量越高。三維綠量與距建筑距離(Dfw)呈不顯著負(fù)相關(guān)。

表2 三維綠量與影響因子的相關(guān)分析

2.5 延中綠地三維綠量格局影響因子分析

基于前文所得的每棵樹(shù)木與建筑、道路、水體的距離值,將不同樹(shù)木的三維綠量與不同類(lèi)別的距離在R中建模分析。表3為排名前5的模型信息。最終選取AIC值最小的模型作為延中綠地三維綠量最優(yōu)模型。

表3 三維綠量模型相關(guān)

根據(jù)最優(yōu)模型分析結(jié)果,見(jiàn)表4,延中綠地三維綠量與距道路距離(Droad)(p<0.001)呈極顯著負(fù)相關(guān),與距水體距離(Dwater)(p<0.001)呈極顯著正相關(guān)。延中綠地三維綠量格局最優(yōu)模型為

表4 最優(yōu)模型回歸系數(shù)

VYanzhong=224.35-1.51Droad+0.41Dwater

3 討 論

基于無(wú)人機(jī)及其相應(yīng)傳感器獲取的空、地?cái)?shù)據(jù)和Landsat 8 Collection 2 Level 2數(shù)據(jù)集,對(duì)延中綠地的降溫效應(yīng)及其內(nèi)部三維綠量分布格局和影響因子進(jìn)行分析。結(jié)果表明,延中綠地的降溫作用具有方向性。其中,最大降溫距離的排序是東南>西南>東北>西北。這主要是受周邊景觀格局的影響所致的,這與前人的研究結(jié)果具有相似性[25-27]。以往結(jié)果表明,綠地自身及其景觀格局會(huì)影響其降溫效應(yīng)[7,28-29]。從延中綠地周邊土地利用情況來(lái)看,東南方向緊靠上海市城隍廟老城區(qū),城市化不透水面率最高,水域和綠地基礎(chǔ)設(shè)施占比低,從而具有最遠(yuǎn)的降溫距離。最大局部冷島強(qiáng)度最高值出現(xiàn)在西南方向。說(shuō)明在西南方向降溫強(qiáng)度最高,通過(guò)延中綠地三維綠量分布分析,西南方向延中綠地三維綠量高于其他3個(gè)方向,因此該方向上具有更顯著的降溫效果。在對(duì)不同植被類(lèi)型區(qū)域均溫分析時(shí),發(fā)現(xiàn)喬木區(qū)均溫(48.20℃)<草地區(qū)均溫(48.69℃)<灌木區(qū)均溫(48.72℃),可能是由于喬木的蒸騰作用大于草地和灌木,因此具有更好的降溫效應(yīng)。

由于本文獲取的溫度數(shù)據(jù)分辨率為30 m,屬中等分辨率數(shù)據(jù)。但相對(duì)于使用的激光雷達(dá)數(shù)據(jù),其精度相對(duì)較低。為進(jìn)一步提升研究結(jié)果的精度,在后續(xù)研究中,可以利用D2000無(wú)人機(jī)雙光傳感器對(duì)延中綠地進(jìn)行熱紅外飛行,獲取分辨率更高的溫度數(shù)據(jù),以便進(jìn)行精細(xì)尺度的城市熱島/冷島效應(yīng)分析。

三維綠量是反映城市綠地質(zhì)量及所在城市環(huán)境質(zhì)量的綜合性指標(biāo),是植物個(gè)體生長(zhǎng)及其群體發(fā)育和其區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的外在空間集中的表現(xiàn),因而,城市尺度的三維綠量空間格局是區(qū)域自然條件、城市規(guī)劃布局及城市建設(shè)管理等因素相互作用的結(jié)果。延中綠地內(nèi)三維綠量的高值區(qū)域集中在西北部靠近公路一側(cè),三維綠量與距水體距離呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與距道路距離呈顯著負(fù)相關(guān),與距建筑距離呈不顯著負(fù)相關(guān),這與以往的城市三維綠量分布格局及快速城市化對(duì)于城市綠地的研究結(jié)論有所差異[30-32],這可能與延中綠地初期的設(shè)計(jì)規(guī)劃有關(guān),喬木林的建設(shè)一般選在道路兩側(cè),而草地和灌木布置于林地中間,既能營(yíng)造良好的景觀效果,又能方便市民休憩,發(fā)揮上海市中心延中綠地最大的生態(tài)價(jià)值和生態(tài)服務(wù)功能。

4 結(jié) 論

本文基于無(wú)人機(jī)及其相應(yīng)傳感器獲取的空、地?cái)?shù)據(jù)和Landsat 8 Collection 2 Level 2數(shù)據(jù)集,對(duì)延中綠地的降溫作用及其內(nèi)部三維綠量分布格局及影響因子進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

(1)延中綠地的降溫作用具有方向性,主要是受周邊景觀格局的影響所致。其中,最大降溫距離的排序是東南>西南>東北>西北,但最大局部冷島強(qiáng)度最高值出現(xiàn)在西南方向,低值則是在東南方向。不同植被類(lèi)型降溫效應(yīng)從高到低依次為喬木>草地>灌木。

(2)延中綠地內(nèi)三維綠量高值區(qū)域基本分布在其西北部靠近公路一側(cè),其余各處皆有高值零星分布。延中綠地內(nèi)三維綠量與距道路距離(Droad)呈顯著負(fù)相關(guān),與距水體距離(Dwater)呈顯著正相關(guān),與距建筑(Dfw)距離呈不顯著關(guān)系。

本文的研究結(jié)果可優(yōu)化提升未來(lái)延中綠地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,為城市公園的建設(shè)、規(guī)劃、管理,以及城市熱島緩解提供有效借鑒和參考價(jià)值。