城市河道及周临用地对地表热环境的影响研究.pdf

第 卷第 期自 然 资 源 遥 感.年 月 .:./.引用格式:冯晓刚赵毅李萌等.城市河道及周临用地对地表热环境的影响研究.自然资源遥感():.(.():.)城市河道及周临用地对地表热环境的影响研究冯晓刚 赵 毅 李 萌 周在辉 李凤霞 王 园 杨永佺(.西安建筑科技大学建筑学院西安 .中交城乡建设规划设计研究院有限公司武汉 .山东省冶金设计院股份有限公司济南)摘要:水体作为城市生态系统的重要组成部分对改善城市热岛效应和人居热环境具有重要的生态学意义 文章以多时相 和 为实验数据提出了一种针对混合像元的支持向量机最优端元子集构建原理的地表比辐射率确定方法采用单窗算法以灞河及周临用地为研究对象剖析了河道水体、周临用地与地表温度间的耦合关系 结果表明:支持向量机的混合像元最优端元子集构建方法提取地表比反射率结果与 产品误差小于.(.)表明该方法精度较高可用于地表比辐射率的提取 年 间灞河两岸用地类型与局地地表温度格局变化显著建设用地急剧增加变热趋势明显 不同时期河道周临用地类型对地表温度影响的幅度不同建设用地、草地、水体及林地为影响灞河两岸热环境的主要用地类型水体、林地、草地和耕地均表现为不同程度的降温效应降温幅度依次为:水体 林地 草地 耕地 同一时期灞河两岸用地类型对局地温度的影响存在空间差异 灞河以东水体、林地、草地和耕地降温效果显著而灞河以西则为水体、林地及草地 该研究有助于正确认知城市河道对局地热环境的影响特征能够为城市河道及其周临局地热环境改善提供科学参考关键词:地表比辐射率 热环境 城市热岛效应 水体 灞河中图法分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修订日期:基金项目:“十三五”国家重点研发计划子课题“建筑节能设计基础参数研究 海洋气候条件建筑节能基础气象参数”(编号:)、国家自然科学基金青年基金项目“黄土高原地区绿地景观格局时空变异特征及其对碳汇响应的机制研究”(编号:)、陕西省自然科学基金面上基金项目“基于大数据融合的一带一路地域性城镇热生态环境安全格局规划研究”(编号:)和西安建筑科技大学自然科学专项基金项目“面向区域地表热环境改善的城市多元景观要素结构配置模式与优化策略研究”(编号:)共同资助第一作者:冯晓刚()男博士副教授主要从事环境遥感及传统村落全息化保护方面的教学与科研工作:.引言全球气候变暖导致的城市热环境持续恶化可引发死亡、疾病和能源危机等诸多问题热环境已然成为学术界关注的热点命题 因此剖析与热环境密切相关的城市水体对城市热环境的影响特征、交互机理等对构建适宜城市人居热环境至关重要 研究发现全球和局地气候变暖的双重胁迫是导致城市热环境持续恶化的外在动因 快速城镇化导致的土地利用分异及人为热排放增加则是内在动因在自然地表转变为城市用地的过程中一方面地表物化性质显著改变热通量增大 另一方面人为热排放促使近地面热辐射交换过程变化剧烈城市逆温加剧 因此构建影响因素与城市热环境间的交互过程与机理认知解析城市河道水体及周临用地对局地热环境的降温效应对城市水资源规划与设计和改善城市局地人居热环境具有重要的现实意义研究表明城市水体具有降温、增湿等功效它能够吸收并存储热量促使水体周临的气温和地温降低从而形成“冷岛效应”其中水体结构、周临地形、土地利用方式、建筑物形态及空间布局等均影响水体对周临地表温度的缓冲效应 且因影响因素不同而普遍存在差异特征 等基于景观视角发现水体的形状指数与温度之间存在线性的冷岛效应 等发现冷岛效应的影响阈值介于.同时建议城市建设必须限制水体周边 范围内的建设开发强度增加 范围内的植被用地 就水体对周临气温影响的幅度与强度而言岳文泽等发现面状水体比线状水体具有更高的冷岛效率最大降温影响距离集第 期冯晓刚等:城市河道及周临用地对地表热环境的影响研究中在 之间 曾素平等发现湘江对长沙市热岛效应的平均缓冲距离为 水体的面积、覆盖率等是影响水体热效应的核心参数不同的面积比与覆盖率降温效果不同 梁保平等认为城市园林水体面积与地表温度显著负相关城市园林水体对外围一定区域的热环境产生影响影响距离为 等发现水体覆盖率增加城市地表热岛将降低.且在 范围内具有较强的冷却效应 关于最大降温影响距离和幅度结论不一多存在个体化差异 张伟等认为湖泊水体的降温作用在距离湖岸 范围内明显在 范围内均存在降温作用且降温幅度可达.等以西湖和玄武湖为例发现降温距离分别为 和 在周临几千米范围内仍具潜在降温效应而水体最远影响距离也因水体几何结构参数的不同而不同 然而综述发现在研究城市水体及其热环境效应时研究者更多关注水体本身的几何结构参数而对水体及其周临用地类型、格局特征及大气环流对局地热环境间的交互影响考虑不足 因此针对这一现实问题本文以水体及其周临用地类型为研究对象展开两者与局地热环境间的相关关系探索河道类型水体在现有用地参数背景下结合周临用地类型对灞河两岸的热缓冲及其影响机理陕西省西安市自 年经历了快速城镇化的初期和高速发展 个阶段原有耕地和绿地等不断转变为建设用地进而导致西安市热岛强度逐年增加 尽管已有研究针对西安市热岛效应、演化趋势、成因及其对策等进行了深入探讨 但将水体及周临用地参数相结合探讨其对城市局地热环境的缓冲影响作用还有待进一步深入 基于此本文以多时相遥感数据为基础采用定量反演、时空分析和地统计分析等方法以西安市灞河及周临用地为研究对象沿灞河东西两岸分别构建缓冲区以期探明灞河及周临用地类型对城市局地热环境的响应机理为缓解城市局地热环境和水体生态规划建设提供理论与实践依据 研究区概况与数据源.研究区概况本文以陕西省西安市灞河及周临用地为实验对象(图)灞河全长 流域面积为 地理位置介于 是渭河一级支流属温带季风气候全年平均气温为.分析区域主要集中在灞河流经的西安市主城区以东及东北角地区占地面积约.主要流经灞桥区和未央区并于高陵区南汇入渭河是西安市域范围内最大的城市水体区域中心以水体为主近河道两侧以草地、林地及耕地为主较远以建设用地为主用地类型复杂多样整体用地特征体现出了显著的空间异质性特征具有代表性()研究区范围()局部放大图 研究区位示意图.数据源与预处理以西安市 年、年、年及 年的 /数据结合 年高空间分辨率 数据为基础数据来自地理空间数据云(:/./)数据来源于 官网(:/./)过境时间 年 月 日与 过境时间基本吻合 辅助数据包括西安市 地形图、外业实际采样点数据、数字高程模型()及西安市范围内的 个气象站点自 然 资 源 遥 感 年 年间的历史数据 首先利用 大气校正模型对 数据进行大气校正 然后利用 地形图采用二次多项式变换模型利用最邻近算法对 期影像数据分别进行重采样及坐标变换校正误差控制在.个像元内 最后基于改进的单窗算法进行地表温度数据的反演并采用面向对象的分类方法对 和 数据进行土地利用类型及河道水体等信息的提取 研究方法.基于改进地表比辐射率的单窗算法反演地表温度研究发现针对仅有一个热红外波段遥感数据的地表温度反演算法主要有:辐射传输方程()、单通道算法和单窗算法 种 覃志豪等提出的单窗算法主要包括关键参数、辐射亮温和地表温度计算 个步骤 针对中尺度遥感影像中的混合像元分解问题为了提高地表比辐射率的计算精度本文提出了针对混合像元的支持向量机最优端元子集构建原理的地表比辐射率算法以提高地表比辐射率估计精度)针对混合像元的支持向量机最优端元子集构建方法的地表比辐射率确定 混合像元分解算法常认为单个像元往往包含全部端元但实际上多数混合像元仅由部分端元组合而成 因此直接对所有像元进行混合分解会导致丰度估计值偏差较大 因此本文采用了一种针对混合像元的支持向量机最优端元子集构建方法进行混合像元地表比辐射率的计算首先确定最优分类面 设分类面方程为:()式中:和 为待求参数 样本集为()其中 ()为第 个样本的解释变量为第 个样本的决策变量满足:()()且使(/)最小的分类面为最优分类面其次求解目标函数最大值 采用 乘子算法基于约束:和 条件下求解目标函数()的最大值即()()()再次最优决策解 通过求解以上不等式约束下二次函数寻优得到最优决策函数公式为:()()()最后混合像元的端元子集确定 通过综合考虑最小错分样本和最大分类间隔得到混合像元()中包含的全部端元 和 基于以上支持向量机的混合像元最优端元子集构建方法得到的端元结果进行地表比辐射率 参数计算公式为:()()式中:和 分别为植被和裸地比辐射率 为植被盖度 为地表几何分布和内散射效应)大气透过率和大气平均作用温度确定 大气透过率和大气平均作用温度较难获取 因此本文利用覃志豪等提出的针对中纬度夏季平均大气作用温度 公式进行估算(式()大气透过率 由式()计算获得公式为:.().()式中:为近地面高 处的大气温度 为大气水分含量本次实验在查阅历史气象资料的基础上确定 取值)辐射亮温计算 首先对 热红外波段进行辐射定标公式为:()()/()式中:为热辐射强度值 和 分别为传感器可探测的最大、最小辐射亮度值 为亮温温度()和()为热红外波段预设值(表)表 /热红外波段辐射常量值./辐射常量 波段波段波段波段/()./.)地表温度计算 在确定地表比辐射率、大气第 期冯晓刚等:城市河道及周临用地对地表热环境的影响研究透过率和大气作用平均温度 个核心参数基础上 进行地表温度计算公式为:()().()式中:为地表温度 分别为拟合系数通常取值.和.和 分别为中间变量 和 计算公式分别为:()()()().线性回归分析线性回归分析是根据一个或一组自变量的变化情况预测与其相关关系的随机变量未来值的一种方法 本次实验中利用线性回归方法构建不同用地类型与地表温度间的相关关系线性回归通过最佳拟合直线在因变量 和一个或多个自变量 之间建立联系公式为:()式中:为截距 为直线斜率 为误差项.皮尔逊()相关皮尔逊相关是一种计算直线相关的通用方法该模型主要用于度量 个变量之间的相关程度假设变量 和 当 个变量呈线性相关且满足正态分布时则它们的相关系数为:()()()()()()()()()式中:为数学期望 为协方差 结果与分析.灞河两岸土地利用时空变化分析采用监督分类中的最大似然法基于 年实地采样的 个先验数据利用.平台分类得到 年、年、年及 年的土地利用数据(图)整体分类精度分别为.和.系数分别为.和.经统计得到灞河两岸用地数据(表)()年()年()年()年图 灞河区域 年、年、年及 年土地利用类型.表 灞河两岸土地利用面积统计.()年份区位建设用地草地耕地林地裸地水体 年灞河以东.灞河以西.年灞河以东.灞河以西.年灞河以东.灞河以西.年灞河以东.灞河以西.结合图 与表 可知在以灞河为中心两岸 范围内东西两岸建设用地占比平均为.和.表明建设用地占主导地位 灞河两岸建设用地和林地累计增幅分别为.和.和 草地、耕地和裸地均表现为减少趋势其中草地减幅最大两岸累计减少.和.自 然 资 源 遥 感 年减少的草地主要流入建设用地 结合不同用地类型的时空变化及转移矩阵发现建设用地的流入区域主要集中在灞河两岸 之间 整体来看 年灞河以东建设用地和林地显著增加草地、耕地、裸地及水体减少 灞河以西草地、裸地和水体面积下降林地增加显著增加的建设用地主要分布在灞河以东的北部、南部及灞河以西靠近主城区的位置.灞河两岸地表温度时空变化分析基于提出的针对混合像元的支持向量机最优端元子集构建方法以 波段为例将反演结果经重采样()与 进行同尺度比对分析(表)结果表明该方法计算的地表比辐射率计算结果与 产品具有较高的一致性(.)精度可靠 因此该算法可用于 数据的地表比辐射率参数计算 在此基础上基本构建的地表温度反演软件.反演得到了研究区 年、年、年及 年地表温度数据(图)由于文中所选 幅影像数据对应的气象条件近似结果可直接对比分析因此针对反演结果未做进一步消差处理 最后统计得到灞河两岸地表温度变化情况(图)表 地表比辐射率对比分析.方法平均值标准差平均误差均方根误差相关系数结合支持向量机的混合像元最优端元子集模型.()年()年()年()年图 灞河区域 年、年、年及 年地表温度.图 年温度变化.图 表明 年灞河两岸热岛类型主要为强绿岛区、绿岛区、中间区 种其中以绿岛区为主占比.强绿岛区与中间区面积基本持平主要原因在于 年灞河两岸建设开发强度低原生态植被保存完好整体热环境良好 年中间区增速明显占比.热岛区出现占比.年强绿岛区和强热岛区变化显著占比.和.强绿岛区的出现主要是由于浐河生态治理该时间段内的强热岛主要为灞河的河床裸露所导致而热岛区域主要以点面结合的形式分布于灞河以西且接近主城区的地方 年灞河两岸地表热环境空间格局变化显著中间区占主导地位累计增加.热岛区和强热岛区累计增加.以片状斑块连续状分布于灞河两岸 同时灞河两岸强绿岛区逐渐消失这是浐灞生态区快速城镇化建设导致灞河两岸建设用地持续增加的结果.基于时间变化的用地类型与地表温度耦合特征分析基于灞河两岸不同时相土地利用与地表温度反演结果建立 大小的矢量格网利用 软件中 双侧显著性检测分析工具分析随时间变化灞河两岸不同用地类型与地表温度的相关关系.用地类型与地表温度相关性分析灞河两岸用地类型与地表温度相关性如图 所示 由图 可知:年灞河两岸建设用地面积占比与地表温度相关系数在 个时相内均最高呈现“降低升高”的变化趋势 草地、林地、水体面积占比与地表温度的相关系数逐渐升高 年、年和 年灞河两岸建设用地、耕地、草第 期冯晓刚等:城市河道及周临用地对地表热环境的影响研究地和裸地面积占比均与地表温度正相关为升温用地 水体、林地面积占比与地表温度负相关为降温用地 年灞河两岸建设用地和裸地面积占比与地表温度呈现正相关草地、林地、耕地和水体面积占比与地表温度呈负相关即水体、草地、林地和耕地有助于降低灞河两岸地表温度()灞河左岸()灞河右岸图 灞河两岸用地类型与地表温度的相关性.用地类型与地表温度线性特征分析采用线性回归模型对不同用地类型与地表温度的相关关系进行拟合分析(图)结果表明:在 尺度下水体面积占比每增加 地表温度平均降低.林地面积占比每增加 地表温度平均降低.草地面积占比每增加地表温度平均降低.耕地面积占比每增加 地表温度平均降低.因此不同土地利用类型面积占比的拟合结果进一步表明:不同土地利用方式的降温效果不同依次为:水体 林地 草地 耕地()林地()水体()草地()耕地图 不同时期各降温用地面积占比与地表温度的线性关系.基于空间变化的用地类型与地表温度耦合特征分析为了进一步分析灞河两岸用地类型与地表温度间的耦合关系以 为缓冲间距分别在灞河两岸构建 个缓冲区域去除灞河水体对其周临降温的影响以缓冲区用地平均温度与各缓冲区温度之差作为评价依据研究不同缓冲区内灞河两岸用地类型与地表温度的关系特征.缓冲区地表温度变化特征分析图 为不同年份灞河两岸各缓冲区内用地类型温度与缓冲区温度变化图 表明:年、年、年和 年灞河两岸不同缓冲区内各用()年灞河东岸()年灞河西岸()年灞河东岸图 不同年份灞河两岸各缓冲区内用地类型温度与缓冲区温度变化.自 然 资 源 遥 感 年()年灞河西岸()年灞河东岸()年灞河西岸()年灞河东岸()年灞河西岸图 不同年份灞河两岸各缓冲区内用地类型温度与缓冲区温度变化.地类型平均温度伴随缓冲区距离的增加呈现上升趋势其中建设用地温度最高水体最低 灞河两岸多级缓冲区平均温度在 和 范围内较低且变化缓慢表明灞河对两岸最大热环境改善距离分别为 和 同时灞河以东水体、林地、耕地和草地的平均温度整体低于各缓冲区平均温度降温效果依次为:水体 林地 草地 耕地灞河以西则是水体、林地和草地的平均温度低于各缓冲区平均温度降温效果为:水体 林地 草地且灞河以东草地的降温效果大于灞河以西灞河以西的水体和林地降温效果则优于灞河以东.缓冲区用地类型与 特征分析图 为不同时期灞河两岸各缓冲区用地类型的降温效果图表明:年、年、年和 年灞河两岸水体、林地、草地和耕地类型在不同时相、不同面积占比条件下缓冲区距灞河河道不()年灞河东岸()年灞河西岸()年灞河东岸()年灞河西岸()年灞河东岸()年灞河西岸()年灞河东岸()年灞河西岸图 不同时期灞河两岸各缓冲区用地类型的降温效果.第 期冯晓刚等:城市河道及周临用地对地表热环境的影响研究同距离的降温效果各异 灞河以西水体、林地和草地类型分别在缓冲区距离为 和 时当用地类型面积占比分别为.和.时上述用地类型降温效果较好 灞河以东水体、林地、草地和耕地类型分别在缓冲区距离为 和 时当用地类型面积占比分别为.和.时上述用地类型降温效果最好 因此灞河两侧在未来城镇建设时可以参考各降温用地面积占比参数以使降温用地效果最大化 讨论.河道周临用地类型及影响因素分析通过 年灞河流域土地利用变化发现该时段内灞河流域用地类型变化主要集中在近河道及其两岸 范围内 灞河的生态治理特别是 年浐灞生态区的设立使得灞河流域土地利用模式的转变经历了早期的无序化多模式转变后步入政策引导阶段特别是 年后开工建设的浐灞湿地公园和世博园等大型基建项目一定程度上加剧了灞河两岸土地利用方式的转变 分析结果表明土地利用变化密集区域主要集中在灞河中部灞河以东的北部及灞河以西的中南部且后者变化幅度小于前者造成这种变化的主要原因是政府大型基建项目的开工建设 且灞河西岸更靠近主城区导致西岸开发强度整体高于灞河东岸统计结果表明建设用地是除了水体与林地之外最大的用地类型该结论与王耀斌等研究相一致.用地类型与地表温度的相关性分析用地类型与地表温度相关性分析表明:建设用地的变化是导致灞河两岸地表温度不断升高的主要因素这一发现与王耀斌等和曾素平等结论相一致 但 年和 年草地表现为升温作用这一结论与 年不符原因在于 年以前该区域草地面积占比较大但纯草形式不利于热环境改善 之后草地面积持续减少草冠混合模式出现 年草地表现为降温作用该结论与岳文泽等和张晓东等研究结果一致 同时耕地、林地和水体表现为降温作用与类似研究结论相同.多级缓冲用地类型对地表温度的影响分析多级缓冲区分析表明灞河两岸用地类型随缓冲区距离的增大建设用地变化幅度呈现变小的趋势 年灞河两岸各缓冲区内地表温度均随缓冲距离的增加而升高其中 年变化幅度最大 灞河对东岸 范围内有明显降温效应灞河以东地区建设用地占主导地位年的 间累计增长.耕地变化呈现“增加 减少”的趋势草地呈现“增加 减少 增加”的变化趋势特别是林地与水体面积在 范围内增加显著且在 范围内面积均为最大占地面积分别为.和.灞河对以西 范围内降温影响显著 就河道水体对周临热环境的影响距离而言不同研究者所得结论略有差异 主要由于研究对象大小、形状、周临 地 表、建 筑 物 形 态 及 气 候 区 划 不 同 所 导致 进一步分析发现灞河以西建设用地与草地占主导地位建设用地和裸地均在距灞河 范围内占地面积最小而林地、草地和水体占比较大 同时灞河以西更加靠近浐河流域就浐河灞河相邻地带而言浐河水体辅助大范围绿地系统促使灞河西岸对周临温度的影响范围更广.不足与展望针对混合像元地表比辐射率提取的问题首先提出了结合支持向量机最优端元子集构建方法的混合像元分解算法以提高地表比辐射率的计算精度通过与传统混合像元分解结果对比分析验证了该方法的有效性运用改进的地表比辐射率方法采用单窗算法以灞河为例进行地表温度的反演分析深入剖析了灞河水体及其周临用地类型对局地温度的影响研究尽管取得了一些成果但仍然存在一些不足和局限性水体及其周临用地类型对周边环境的冷却效应受诸多因素如水体面积、形状、水量、周临地形、建筑物分布及气候区划等的综合影响 本研究以灞河及周临用地类型现状为基础展开分析并未深入考虑周临建筑物的三维时空特征因此下一步研究应当将周临环境由平面地形转化为三维实景空间精准参数设置以校正所得结论 同时由于该实验是在暖温带半湿润的季风气候区展开未能在不同的气候区划展开实验因此不同气候区划条件下的水体及其周临用地对局地热环境的影响需进一步分析 结论本文利用多源遥感数据在对地表比辐射率进行改正计算的基础上展开了灞河两岸缓冲带及周临用地与地表热环境的相关性分析得出以下结论:)本文针对混合像元地表比辐射率估计问题提出了支持向量机的最优端元子集构建的地表比辐自 然 资 源 遥 感 年射率方法并与传统的混合像元分解技术计算的丰度估计值相比较结果表明该算法计算的地表比辐射率精度较改进前可提高.(.)年间西安市灞河两岸用地和地表温度时空格局变化显著 建设用地因草地、林地和耕地的转入而增幅显著已经成为灞河两岸最主要的用地类型灞河以西较灞河以东变化剧烈 灞河两岸整体地表温度增幅明显强绿岛区和绿岛区面积大幅较少中间区、热岛区和强热岛区增加显著且热岛区以片状斑块分布于灞河两岸北部强热岛区以点状形态分布于灞河西岸靠近主城区位置)建设用地、林地、水体和草地是影响灞河两岸地表温度的主要用地类型其中建设用地影响幅度最大 建设用地、裸地、耕地与地表温度呈正相关关系对温度增加呈现正贡献 水体、林地、草地与地表温度呈现负相关对地表温度表现为负贡献灞河对东西两岸地表温度影响的最大缓冲距离分别为 和 东西两岸缓冲区内不同用地类型面积占比变化是导致两岸降温幅度不一的主要原因参考文献():姚 远陈 曦钱 静.城市地表热环境研究进展.生态学报():.():.冯晓刚周在辉李凤霞等.西咸一体化驱动的咸阳市热力景观格局时空分异分析.西安建筑科技大学学报(自然科学版)():.()():.岳文泽徐丽华.城市典型水域景观的热环境效应.生态学报():.():.冯悦怡胡潭高张力小.城市公园景观空间结构对其热环境效应的影响.生态学报():.():.:.:.:.梁保平马艺芳李 晖.桂林市典型园林绿地与水体的降温效应研究.生态环境学报():.():.:.:.:.曾素平时 琢赵梅芳等.城市水体对热岛的缓冲性能沿河岸距离的变化规律.生态学报():.():.张 伟王凯丽梁 胜等.基于计算力流体力学的城市近郊湖泊“冷岛效应”及其情景模拟研究 以长沙市同升湖为例.生态环境学报():.“”:.():.:.():.张晓东赵银鑫马风华等.基于遥感数据的银川市城市公园对城市热环境降温效应分析.水土保持通报():.():.王耀斌赵永华韩 磊等.西安市景观格局与城市热岛效应的耦合关系.应用生态学报():.():.胡李发谢元礼崔思颖等.关中平原城市群夏季城市热岛特征及驱动力.中国环境科学():.():.黄 路邵 浩张彩云等.用辐射传输方程改进算法反演 海表温度的效果检验和适用条件分析.应用海洋学学报():.():.段四波茹 晨李召良等.卫星热红外数据地表温度遥感反演研究进展.遥感学报():.():.覃志豪 等.用陆地卫星 数据演算地表温度的单窗算法.地理学报():.():.第 期冯晓刚等:城市河道及周临用地对地表热环境的影响研究 覃志豪李文娟徐 斌等.利用 反演地表温度所需地表辐射率参数的估计方法.海洋科学进展():.():.宋彩英覃志豪王 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