應(yīng)對熱島效應(yīng)的遵義市綠地系統(tǒng)優(yōu)化策略*

伍肖肖

（貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 前言

當(dāng)前，我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市建設(shè)得到快速發(fā)展的同時(shí)，城市面臨的生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)突出，其中，城市熱島效應(yīng)成為廣受關(guān)注的熱點(diǎn)問題。城市熱島效應(yīng)（Urban Heat Island Effect, UHI）是指在城市化發(fā)展過程中，由于城區(qū)下墊面性質(zhì)及結(jié)構(gòu)變化、人為熱源的排放、建筑及道路密集等導(dǎo)致的城區(qū)溫度明顯高于郊區(qū)，形成類似“高溫島嶼”的現(xiàn)象[1]。熱島效應(yīng)改變了城市熱環(huán)境，加劇了能源消耗和環(huán)境污染，降低了生存舒適度，對人類身心健康和生活環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，已成為21 世紀(jì)影響人類生存與發(fā)展的重要環(huán)境問題[2]。

城市綠地作為城市中的綠色空間，對改善城市熱島效應(yīng)具有積極的作用，植被通過蒸騰作用、遮陰作用增加空氣濕度，減少太陽對地面的直接輻射，達(dá)到降低周圍環(huán)境溫度的效果。許多學(xué)者通過實(shí)地觀測、遙感技術(shù)和數(shù)值模擬等方法對綠地的降溫作用進(jìn)行了研究，并取得了大量研究成果。如王蕾等[3]以長春市為例，探究了城市綠地的降溫效率，結(jié)果表明綠地降溫效率與其形狀、面積和植被覆蓋度具有較高的相關(guān)性。崔林林等[4]基于Landsat 8 TIRS 數(shù)據(jù)，對成都市中心城區(qū)熱島效應(yīng)與下墊面的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)夏季溫度與NDVI 呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，說明了植被對減緩熱島效應(yīng)具有一定的效果。李世隆等[5]以北京市為例，定量分析喬灌草型、喬草型、喬木型、灌草型這4 種植物群落的植被覆蓋率對溫度的影響，研究表明綠地溫度與4 種植物群落的植被覆蓋率均具有負(fù)相關(guān)性，其中喬灌草型植物群落對溫度的影響最明顯，覆蓋率達(dá)到50%～55%時(shí)其降溫效果最大。黃永霖等[6]以南寧市為例，定量分析了土地利用類型與地表溫度的關(guān)系，結(jié)果表明建設(shè)用地、裸地對地表溫度的升高貢獻(xiàn)相對較大，其次是草地、耕地，而林地和水體對地表溫度有明顯降溫作用。鐘秀惠等[7]選取杭州市10 個(gè)公園作為研究對象，結(jié)果表明公園的冷島效應(yīng)由公園面積、水體面積和綠地面積共同影響，其面積與公園內(nèi)部溫度呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)水體面積在20 hm2以上、綠地面積在30 hm2以上時(shí)，公園降溫明顯。彭明熙等[8]采用實(shí)測與理論分析相結(jié)合的方法，以重慶市3 種屋頂綠化植物為例，通過分析證明屋頂綠化對微氣候確有降溫增濕作用，且葉面指數(shù)越高，對城市熱島效應(yīng)改善效果越好。

遙感技術(shù)的出現(xiàn)，使大范圍的對地觀測成為可能，為研究熱島效應(yīng)及其與綠地間的耦合關(guān)系提供了新途徑，各種遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于熱島效應(yīng)的研究中。其中，Landsat 8 衛(wèi)星數(shù)據(jù)在反演地表溫度方面優(yōu)勢明顯[9]。相比于其他衛(wèi)星，Landsat 8不僅具有較高的空間分辨率，且搭載的熱紅外傳感器上首次引入了量子學(xué)紅外光子檢測技術(shù)，增強(qiáng)了TIRS 對熱紅外波段的敏感性，從而更有利于從大氣溫度中將地表溫度分離出來[10]。目前，針對Landsat 8 的地表溫度反演方法有單窗算法、單通道算法、大氣校正法（輻射傳輸方程算法）和劈窗算法等。美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）采用新的定標(biāo)參數(shù)對Landsat 8 進(jìn)行處理，但TIRS11 波段仍具有不確定性[11]。

因此，本文以Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，基于大氣校正法反演遵義市中心建成區(qū)地表溫度，對遵義市熱島效應(yīng)空間特征及其與綠地相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究分析，從綠地系統(tǒng)規(guī)劃的角度提出遵義市城市綠地的空間優(yōu)化策略，以達(dá)到緩解城市熱島效應(yīng)、改善城市小氣候以及提升遵義市城市環(huán)境質(zhì)量等目標(biāo)。

1 研究區(qū)概況

遵義市地處中國西南地區(qū)，貴州北部，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明。近些年，遵義市作為西南地區(qū)重要交通樞紐、成渝—黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)走廊的核心區(qū)，城市化穩(wěn)步加快，市域范圍擴(kuò)展明顯，下墊面變化顯著（自然下墊面被不透水面取代、建筑物規(guī)模持續(xù)增大），夏季高溫天氣頻繁出現(xiàn)，年平均氣溫整體上呈升高態(tài)勢，這預(yù)示著遵義市熱島效應(yīng)的覆蓋范圍和強(qiáng)度均會(huì)發(fā)生變化，熱島效應(yīng)問題逐漸引起人們的重視。

本文選取的研究范圍是遵義市中心建成區(qū)，區(qū)域地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°51′～107°00′，北緯27°33′～27°44′，包括匯川區(qū)、紅花崗區(qū)和播州區(qū)，如圖1所示，總面積約為15.87 km2，居住人口1 467 408人。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1）遵義市中心建成區(qū)范圍控制線?；谧窳x市自然資源局提供的建成區(qū)范圍和《遵義市城市總體規(guī)劃（2008—2030 年）》，結(jié)合遙感影像現(xiàn)狀，對遵義市中心建成區(qū)范圍進(jìn)行控制線的劃定。

2）地表溫度反演數(shù)據(jù)。遵義市Landsat 8 OLI 衛(wèi)星影像通過地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（www.gscloud.cn）下載，影像覆蓋研究區(qū)全境，軌道號為127-41，獲取時(shí)間為2019年8 月13日，含云量為0.03。

2.2 地表溫度反演

本文基于ENVI 平臺，針對Landsat 8 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用大氣校正法反演遵義市建城區(qū)地表溫度。大氣校正法[12]，也稱輻射傳輸方程法，基本原理是首先估計(jì)大氣對地表熱輻射的影響，然后將這部分大氣影響從衛(wèi)星傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去，從而得到地表熱輻射強(qiáng)度，再將這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地表溫度[13]。需要植被覆蓋度、地表比輻射率和輻射亮度3個(gè)基本參數(shù)。處理流程如圖2所示。

圖2 處理流程

2.2.1影像預(yù)處理

預(yù)處理主要包括幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像融合、圖像拼接和圖像裁剪。目的是消除傳感器本身產(chǎn)生的誤差和大氣產(chǎn)生的影響，提高圖像質(zhì)量，提高對地表溫度的反演精度。本文所使用的Landsat 8 OLI 數(shù)據(jù)屬于Level-1 級的數(shù)據(jù)，已經(jīng)過幾何校正。因此，在ENVI 中對影像的預(yù)處理只做輻射定標(biāo)、大氣校正和圖像裁剪。

2.2.2 NDVI（植被指數(shù)）和植被覆蓋度計(jì)算

植被覆蓋度計(jì)算公式如下[14]：

式中，NDVI 為歸一化植被指數(shù)，NDVIV和NDVIS分別是植被和裸地的N D V I 值，N D V IV=0.7 0，NDVIS=0.05。

其中，NDVI 計(jì)算公式為[15]：

式中，NDVI 為歸一化植被指數(shù)，NIR 為近紅外波段反射率，R為紅色波段處反射率。

2.2.3地表比輻射率計(jì)算

本文將影像分為水體、自然表面和城鎮(zhèn)區(qū)這3 種類型[16]。其中，水體像元比輻射率為固定值0.995。自然表面和城鎮(zhèn)區(qū)地表比輻射率按照如下公式計(jì)算：

式中，εsurface和εbuilding分別為自然表面像元比輻射率和城鎮(zhèn)區(qū)像元比輻射率，PV為植被覆蓋度。

2.2.4黑體輻射亮度計(jì)算

熱紅外輻射亮度值Lλ由地面真實(shí)輻射亮度經(jīng)過大氣層后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的輻射亮度（TS）、大氣上行輻射亮度（Lu）、大氣下行輻射亮度（Ld）共3 部分組成。衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值公式為：

式中，ε 為地表比輻射率，TS為地表的真實(shí)溫度（K）。B(TS)為黑體熱輻射亮度，τ 為大氣透過率，則溫度為T 的黑體在熱紅外波段的黑體輻射亮度表達(dá)式為：

大氣上行輻射亮度值（Lu）、大氣下行輻射亮度值（Ld）和大氣透過率（τ）可以在NASA官網(wǎng)獲取。

2.2.5地表溫度計(jì)算

根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，可計(jì)算出地表溫度TS：

對于TIRS Band10，K1=774.89 W/(m2*μm*sr)，K2=1 321.08 K。

2.3 熱島強(qiáng)度分級及統(tǒng)計(jì)

在ArcGIS 10.2 軟件中使用自然間斷點(diǎn)分級法（Jenks）將經(jīng)上述反演得到的地表溫度數(shù)據(jù)劃分為5個(gè)熱力等級區(qū)間（單位為℃）：綠島（28.59 ℃～33.40 ℃）、次綠島（33.40 ℃～36.17 ℃）、正常區(qū)（36.17 ℃～38.48 ℃）、強(qiáng)熱島（38.48 ℃～41.25 ℃）、極強(qiáng)熱島（41.25 ℃～52.15 ℃）。并對各區(qū)間熱力等級的像元數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到遵義市全域各等級的熱力區(qū)間所占比例，具體如表1所示。

表1 遵義市熱島等級統(tǒng)計(jì)

2.4 城市綠地覆蓋率與熱島效應(yīng)相關(guān)關(guān)系分析

在ArcGIS 10.2 軟件中使用fishnet 工具，按照1 km×1 km 的尺寸建立若干個(gè)網(wǎng)格，NDVI&LST 漁網(wǎng)圖如圖3 所示，通過Extract MultiValues To Points工具分別提取各網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的LST（地表溫度）和NDVI（歸一化植被指數(shù)）數(shù)值，并使用clip 工具去除無效值，最后得到一組關(guān)于研究區(qū)域內(nèi)的LST 和NDVI 數(shù)據(jù)。使用SPSS 22.0 軟件，對前述所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，探究城市綠地與熱島效應(yīng)之間的相關(guān)關(guān)系。高，為32.67%；其次為次綠島、強(qiáng)熱島和綠島，分別為24.22%、24.00%和13.35%；極強(qiáng)熱島所占比例最小，為5.77%。

圖3 NDVI&LST漁網(wǎng)圖

3 結(jié)果與分析

3.1 遵義市熱島效應(yīng)空間特征

將通過大氣校正法計(jì)算的地表溫度數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.2 軟件中進(jìn)行可視化處理，得到遵義市熱島空間分布情況，具體如圖4所示。

圖4 遵義市熱島空間分布情況

由圖3 和表1 的分析發(fā)現(xiàn)遵義市熱島有以下幾點(diǎn)特征：

1）遵義市地表最低溫度為28.59 ℃，最高溫度為52.15 ℃，平均溫度為36.85 ℃。正常區(qū)所占比例最

2）極強(qiáng)熱島總體呈點(diǎn)狀零星散布，鑲嵌于強(qiáng)熱島之中，主要分布于貴州航天高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園、烤煙廠、盈田工谷產(chǎn)業(yè)園和坪橋工業(yè)園等高耗能區(qū)域以及遵義站、高鐵汽車客運(yùn)站、南白客運(yùn)城、遵義國際商貿(mào)城等人流量較高區(qū)域。該區(qū)域地表屬性以大面積的不透水層為主，且能源消耗大，向環(huán)境排入大量的熱量，加劇了熱島效應(yīng)的形成，因而表現(xiàn)出極強(qiáng)的熱島效應(yīng)。

3）與極強(qiáng)熱島相比，強(qiáng)熱島分布區(qū)域能耗較低，熱源排放較少，但該區(qū)域建筑密度較高，人口密集。主要分布于吳家壩小區(qū)、雙獅村樂村還房小區(qū)、羊馬還房小區(qū)等居住區(qū)和新世界建材市場、九五鋼材市場、南白商貿(mào)城等商業(yè)區(qū)，以及以遵義師范技術(shù)學(xué)院、遵義師范學(xué)院新浦校區(qū)、貴州航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院、遵義醫(yī)科大學(xué)新浦校區(qū)為代表的大學(xué)城區(qū)域。另外，烏江大道、東聯(lián)絡(luò)線、川黔線等不透水面道路面也呈強(qiáng)熱島。

4）正常區(qū)面積占比最大，該區(qū)域具有較好的綠化覆蓋率，能調(diào)節(jié)局地氣溫，降低熱島效應(yīng)。該區(qū)域多為城中未開發(fā)建設(shè)的耕地、草地、較稀疏的灌木林地以及綠化覆蓋率較高的居住小區(qū)等。

5）鳳凰山國家森嶺公園、三閣公園、嶺南公園、天鵝湖公園、白鷺湖公園等公園區(qū)域以及湘江、白鷺湖、中鐵共青湖等河流湖泊水域呈現(xiàn)明顯的綠島和次綠島。大面積的高密度植被，能夠有效避免太陽對地面的直接輻射，降低地表溫度，對緩解城市熱島效應(yīng)具有顯著的作用；河流湖泊具有較大熱容量，在相同的太陽輻射量下，溫度升高較緩慢，能夠形成局地風(fēng)，降低環(huán)境溫度。

3.2 城市綠地覆蓋率與熱島效應(yīng)相關(guān)關(guān)系

通過fishnet 工具和Extract MultiValues To Points工具，共獲取152 組有效數(shù)據(jù)。利用SPSS 對該組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2 所示，LST 與NDVI的皮爾森相關(guān)系數(shù)為-0.577，其絕對值大于0.01，表明LST 與NDVI 之間具有顯著的相關(guān)性，且LST 與NDVI 之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于NDVI 與植被覆蓋率具有正相關(guān)關(guān)系，因此可以用NDVI 代表綠地斑塊的植被覆蓋率。通過對LST 與NDVI 的相關(guān)性分析，可知綠地斑塊的植被覆蓋率與熱島效應(yīng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明提高植被覆蓋率可以有效降低地表溫度，改善城市微氣候，達(dá)到緩解城市熱島效應(yīng)的目的。

表2 NDVI 與LST相關(guān)關(guān)系

4 綠地優(yōu)化對策

根據(jù)熱島效應(yīng)特征，結(jié)合遵義市城市空間特點(diǎn)，合理進(jìn)行綠地布局和空間規(guī)劃。提出以下幾點(diǎn)遵義市綠地系統(tǒng)規(guī)劃策略以改善城市熱環(huán)境，減弱熱島效應(yīng)強(qiáng)度。

1）增加綠地建設(shè)，提高植被覆蓋率。植被覆蓋率與地表溫度之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，提高植被覆蓋率有利于降低地表溫度[17]。有研究表明，當(dāng)城鎮(zhèn)綠化覆蓋率達(dá)到50%時(shí)，地表溫度下降約13 ℃，城市熱島效應(yīng)基本可消除[18]。根據(jù)遵義中心建成區(qū)熱島效應(yīng)空間分布情況和實(shí)際用地條件，發(fā)掘潛在綠地，著重在呈現(xiàn)極強(qiáng)熱島、強(qiáng)熱島的工業(yè)園區(qū)和商業(yè)區(qū)增建口袋公園、屋頂花園、社區(qū)小游園等形式綠地，彌補(bǔ)該區(qū)域綠地的不足，以改善局部區(qū)域熱環(huán)境。

2）加強(qiáng)垂直綠化，增加城市三維綠化量。垂直綠化和屋頂綠化能夠給建筑帶來良好的制冷保溫效果，很大程度減少了城市建筑儲熱并向大氣輻射熱量[19-20]。在寸土寸金城市中大面積地增加綠地的建設(shè)不切實(shí)際，因此在用地條件緊張的城市背景之下，垂直綠化成為低成本且快速有效增加城市綠化量的手段。應(yīng)充分利用植被的降溫增濕功能，積極為城市“披綠”。一方面，充分利用城市中邊坡、橋墩、建筑墻面等公共空間，增加垂直綠化的建設(shè)；另一方面，鼓勵(lì)引導(dǎo)市民進(jìn)行陽臺綠化、墻面綠化、屋頂綠化。

3）優(yōu)化植被空間結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)綠地降溫效益。不同的植物品種、植被空間結(jié)構(gòu)的降溫效益具有差異性[21]。在植被空間構(gòu)成中，喬-灌-草結(jié)構(gòu)型綠地降溫效果優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)型綠地[22-23]。應(yīng)對遵義市中心建成區(qū)內(nèi)植被空間結(jié)構(gòu)單一的綠地進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)先選用冠幅大、葉面積密度高的樹種進(jìn)行搭配，在有條件的區(qū)域多建設(shè)喬-灌-草結(jié)構(gòu)型綠地，以發(fā)揮城市綠地的最大降溫效益。

4）建立“一脈多廊”的城市綠色生態(tài)網(wǎng)絡(luò)?！耙幻}”是指以湘江為主體的城市濱水綠地，“多廊”是指以播州大道、新龍大道和湘江大道等市內(nèi)主要公路、鐵路交通干線構(gòu)建的城市道路綠廊。依托遵義市內(nèi)的主要交通干線和湘江及其支流的線性綠化景觀帶，搭建道路綠廊與水系廊道相互交織的城市綠色生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

5）構(gòu)建“綠色棋布，城綠交融”的綠地景觀格局。孤立的綠地斑塊降溫效益是有限的，構(gòu)建“點(diǎn)線面”聯(lián)動(dòng)的綠地格局，能夠增加綠地間的聯(lián)系，達(dá)到整體協(xié)同互補(bǔ)的降溫效果[24]。聯(lián)通遵義市中心建成區(qū)內(nèi)的道路和濱水綠帶，以線性綠色廊道串聯(lián)城市中的公園綠地、防護(hù)綠地等各級綠色斑塊，形成綠廊網(wǎng)絡(luò)覆蓋城市全域。綠色斑塊穿插于其間的“綠色棋布，城綠交融”綠地景觀格局，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供生態(tài)保障。

5 結(jié)語

本文以遵義市中心建成區(qū)為案例，利用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)對地表溫度進(jìn)行了反演，并分析了城市綠地與熱島效應(yīng)之間的相關(guān)關(guān)系。通過研究發(fā)現(xiàn)，遵義市中心建成區(qū)熱島效應(yīng)較為明顯，主要分布于植被覆蓋率較低、不透水面占比高且能耗高的工業(yè)園區(qū)、商業(yè)區(qū)、交通樞紐以及部分居住區(qū)和學(xué)校。通過對綠地與熱島效應(yīng)的相關(guān)性分析可知，熱島效應(yīng)與城市的植被覆蓋率具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此增加城市綠量，提高植被覆蓋率能有效減緩熱島效應(yīng)?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，本文提出了綠地系統(tǒng)優(yōu)化策略，以期為緩解遵義市中心建成區(qū)熱島效應(yīng)和城市綠地建設(shè)提供借鑒。

由于獲取的數(shù)據(jù)有限，僅對遵義市中心建成區(qū)熱島效應(yīng)的空間特征、植被覆蓋度與熱島效應(yīng)相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了簡單的探討，但熱島效應(yīng)的產(chǎn)生因素是較為復(fù)雜的，城市綠地降溫效應(yīng)的影響機(jī)制也是多面的。從景觀格局、植物空間配置等角度分析熱島效應(yīng)與城市綠地之間的響應(yīng)機(jī)制值得更為深入研究，充分論證兩者間的相關(guān)關(guān)系，才能為緩解城市熱島效應(yīng)、合理建設(shè)城市綠地提供更為科學(xué)的依據(jù)。