城市三维空间与地表热环境定量关系研究——以济南为例.pdf

第 卷第 期 年 月 山 东 建 筑 大 学 学 报 .收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:孟飞()男教授博士主要从事环境遥感与 等方面的研究:.通讯作者:./.城市三维空间与地表热环境定量关系研究 以济南为例孟飞王加运赵媛媛(.山东建筑大学 测绘地理信息学院山东 济南.淄博市张店区应急管理局山东 淄博)摘要:城市三维空间形态通过改变空气循环流动以及太阳辐射的传输平衡影响城市热环境 地表温度是研究城市热环境的重要参数之一厘清城市三维空间形态影响地表温度的机制对缓解热岛效应具有重要意义 文章利用济南市 年夏季 热红外影像数据和建筑矢量数据通过 种回归分析模型探讨了城市三维空间形态与地表温度之间的相关性和空间尺度效应 结果表明:研究区域平均地表温度为.而中高温区域面积比例高达 城市三维空间形态与地表温度之间具有尺度依赖性选取 个基准尺度中 空间尺度是研究城市热环境的最佳分析尺度对地表温度影响较大的指标因子分别是空间拥挤度()、建筑物表面积()、平均高度()、平均体积()说明空间拥挤度较小、瘦高、三维空间上分布稀疏的建筑物有助于降低地表温度关键词:城市三维空间地表温度空间尺度回归分析中图分类号:文献标识码:文章编号:():(.):.().().()()()()第 期 孟飞等:城市三维空间与地表热环境定量关系研究 以济南为例 .:引言目前全球进入了快速城市化的发展阶段引发了各种环境问题如空气污染、生态环境恶化、城市热岛效应等 同时人口持续增长给城市发展带来了巨大的压力 为缓解城市水平用地的压力城市不得不在垂直方向上扩张建筑在空间上的快速扩张加剧了热岛效应增加了能源消耗和环境污染 同时热岛效应叠加高温热浪等极端天气事件易引发次生灾害天气影响人们的正常生活对城市可持续发展及热舒适性提出严峻的挑战 因此通过调整和优化城市形态可以改善地表热环境、提高居民热舒适性因而得到越来越多的关注关于地表温度()与二维城市形态之间的关系已有广泛的研究主要集中于城市二维景观格局(植被覆盖、景观破碎度等)对城市地表热环境的影响而城市三维空间形态与地表温度之间的关系研究尚不充分 有限的研究揭示了建筑覆盖率、高度、容积率、天空可视角等三维指标对地表温度的不同影响陈强等发现天空可视因子对地表温度影响呈显著正相关 等利用增强回归树分析发现建筑覆盖率、建筑平均高度对温度相对贡献值最大 建筑高度和密度对地表温度影响较为显著低层高密度区域由于空间密集、空气循环减少往往成为高温区域而高层低密度区域地表温度相对较低 天空可视度()综合了建筑高度、密度等信息较为全面地描述了城市三维特征一般来讲对地表温度的影响较为显著低 会使风速减小影响热量传递从而导致地表温度较高 但需要指出的是 不同于建筑物高度、容积率等可以直接应用于规划建设中其实践意义较小 除上述指标外 等在研究中国特大城市三维形态对地表热岛效应影响时基于一般性、通用性、代表性原则提出了一套全面的三维景观指标描述了建筑物的不同特征并兼顾生态和社会意义有着分析热岛效应的巨大潜力然而目前地表热环境研究仍存在一定的局限性 已有的研究多基于传统回归方法分析二维空间指标与 的定量关系无法准确描述三维指标与 之间的相关性容易忽略空间依赖性而导致结果发生偏差 大多数研究采用单一空间尺度而没有针对特定区域 开展多基准尺度上三维建筑物对 的影响研究 鉴于此文章利用城市建筑矢量数据及陆地卫星 热红外影像数据构建精细化三维空间指标体系在多空间尺度下采用多元线性回归模型、随机森林模型和空间误差模型研究城市三维形态对 的影响以及空间多尺度效应揭示城市三维景观指标对热环境的影响机制以期为指导城市规划和建设、缓解城市热环境、提高城市生活环境质量服务 研究区域及数据来源济南市地处鲁中南低山丘陵与鲁西北冲积平原的交接带上地势南高北低属暖温带大陆性季风气候四季明显夏季温热多雨冬季寒冷干燥年平均气温约为.济南二环内城区涵盖市中区、历下区、历 城 区、天 桥 区 和 槐 荫 区 其 面 积 约 为 区域内建筑结构组成复杂、人口密集具有很好的典型性与代表性研究区域和数据示例如图 所示 地表温度数据来源于 影像成像时间为年 月 日轨道号为/研究区内无云成像质量较好 通过水经微图软件下载了 年 月入库数据.中的建筑轮廓数据产品包括建筑物的轮廓和楼高信息 文章所用地图审图号为鲁()号 山 东 建 筑 大 学 学 报 年图 研究区域和数据示例 研究方法.地表温度反演建立辐射传输方程得到传感器所获得的辐射强度根据辐射强度计算与热辐射强度对应的亮度温度将亮度温度转换为地表的真实温度 卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值 由式()表示为()()()式中 为地表比辐射率为地表真实温度()为黑体辐射亮度/()为大气在热红外波段的透过率、分别为大气向上、向下的辐射亮度/()温度为 的黑体在热红外波段的辐射亮度()可由式()表示为()()()可以用普朗克公式计算由式()表示为/()()()对于 ./()、.上述算法需要地表比辐射率以及大气剖面参数在 软件中使用 工具计算.城市三维形态指标体系城市三维空间指标体系能够准确表征建筑物在三维空间中的景观格局信息反映其结构组成和空间配置目前常用的三维形态指标包括建筑物的高度、体积、容积率等 参考文献选取 类 项能充分反映建筑物高度、体积差异、空间拥挤程度、分布均匀度以及建筑物结构特征的空间指标(见表)研究城市三维空间形态对地表温度的影响 第 期 孟飞等:城市三维空间与地表热环境定量关系研究 以济南为例 表 城市建筑三维形态指标类别景观指标指标符号公式所含意义高度平均高度 建筑物平均高度高度变异系数 ()城市建筑高度差异建筑物起伏度 建筑高度起伏程度体积平均体积 建筑物平均体积分布分布均匀度 ()/建筑物在三维空间上的分布均匀程度表面积建筑物表面积 ()建筑物平均表面积密度空间拥挤度 建筑物在三维空间中的拥挤程度容积率 ()/建筑物的容纳能力体形建筑结构指数 建筑物的建筑结构特征 注:、为格网单元内第 个建筑物的高度、体积、建筑占地面积、周长 为网格单元内建筑物个数 为网格分析尺度单元的面积 为常数取值为 、分别为网格单元内建筑物最大、最小高度.网格多尺度分析地理学研究的一个重点问题就是“尺度效应”各城市的发展状况和自然环境不同每个城市的最佳分析尺度可能不同 因此有必要在研究区域内分析三维建筑与 多尺度效应以选择合适的分析尺度 根据研究区域的实际情况将区域分为、等 个基准空间尺度提取网格尺度单元内的平均温度及三维景观指数研究城市三维空间指标与 的多尺度效应.空间自相关性分析空间自相关分析的目的是确定某一变量是否在空间上相关采用莫兰指数()定量描述事物在空间上的依赖关系 空间自相关包括全局自相关和局部自相关由式()表示为 ()式中 为所有空间权重的聚合 和 为要素、的属性与其平均值()的偏差 为要素 和 之间的空间权重.定量关系分析()皮尔逊相关系数利用皮尔逊相关系数 确定热环境与城市空间形态参数之间的相关性由式()表示为 ()()()()()式中、分别为 和 样本的平均值 皮尔逊相关系数使用 软件分析()多元线形回归模型由多个自变量的最优组合共同预测或估计因变量多元线性回归的基本原理以及计算过程与一元线性回归相同可由式()表示为 .()式中 为因变量 为自变量三维空间指标 为系数 为误差项 多元线性回归分析在 软件中进行()空间误差模型空间误差模型()描述了空间扰动相关和空间总体相关考虑随机干扰项在空间上相关当因变量中存在空间自相关时模型更加适用 模型可由式()表示为 ()()式中 为因变量 矩阵 为空间指标自变量矩阵 为参数矩阵 为空间残差项的回归系数为基于 邻接空间权重矩阵 为空间误差项 山 东 建 筑 大 学 学 报 年的向量 空间误差模型分析在 软件中进行()随机森林随机森林是指利用多棵树对样本进行训练并预测的一种分类器并且其输出的类别是由个别树输出类别的众数而定主要参数包括最小叶节点样本数、剪枝方式及决策树的棵数等 随机森林分析在 软件中进行 结果与分析.地表温度空间分布特征 会对地表热平衡产生一定的影响从而影响人们对于近地表气温的感知 根据计算研究区域的平均 为.对区域内采用“自然断点法”将 分为 个等级依次为低温区(.)、次低温区(.)、中温区(.)、次高温区(.)、高温区(.)由表 可知研究区当日中高温区域面积超过 占比达 而低温区域面积为.仅占说明研究区域内高温集聚整体处于高温态势热环境较为恶劣 如图 所示济南市中心城区 与建筑绿地水体关系密切中心城区东北部、中西部地区的 高于其他地区这是由于区域内包括大量的工业厂房和低矮的密集建筑 东南部 明显低于其他地区主要由于该区域山区植被覆盖密集 植被水体(图()会对 产生显著的降温效应形成局部冷岛 对于低层(图()和中层建筑区域(图()由于其建筑密集、结构紧凑、植被覆盖率低不利于温度扩散易形成城市热岛 此外由于高层建筑可以产生更多的建筑阴影同时孤立或者开放的高层建筑(图()增加了表面粗糙度将高层冷空气偏转到地面加速了垂直和水平方向上的大气环流有利于温度快速扩散因此 低于中低层以及高密度建筑区域表 温度分区统计温度分区面积/比例/低温区.次低温区.中温区.次高温区.高温区.图 不同区域的地表温度分布 局部自相关结果表明城市热岛强度与邻域对象间的空间相关程度 不同尺度热岛强度局部自相关分布图如图 所示“”、“”为高、低城市热岛强度聚集区“”类型比例随着空间分析尺度的增加不断降低 尺度比例最高()尺度比例最低()不同尺度下局部自相关分布特征相似“”类型主要分布在二环西路东部、小清河北部、北园立交桥等工业园区、大明湖东部、济南站、腊山立交桥东北部等低层高密度建成区 可以看出城市热岛强度局部自相关性与 分布特征具有一定的相似性 第 期 孟飞等:城市三维空间与地表热环境定量关系研究 以济南为例 图 多尺度热岛强度局部自相关分布图.城市三维形态分析为研究济南中心城区规则格网三维形态空间指标的全局空间自相关性基于 分析整理得出 指数如图 所示 种三维空间指标全部具有空间正自相关性呈现出空间集聚分布的特征同时三维指标的空间相关性在不同空间尺度下具有一定的差异 其中、呈现明显的空间集聚特征(.)(.)、(.)、(.)、(.)、(.)、(.)在 空间尺度下自相关性程度最高(.)、(.)在 空间尺度下自相关性程度最高(.)在 空间尺度下自相关性程度最高 山 东 建 筑 大 学 学 报 年图 不同空间尺度下三维空间指标自相关性莫兰指数.城市三维形态对地表热环境的影响.空间尺度效应分析将研究单元划分为、等 个尺度在每种尺度采用多元线性回归模型、随机森林模型和空间误差模型探讨 个城市三维空间指标对 的综合影响结果如图 所示 通过回归分析的 可知城市三维空间结构对 具有显著的影响作用且在不同空间尺度下具有一定的差异模型在 空间尺度下回归分析效果最佳(.)随着空间尺度增加值呈现逐渐下降趋势这可能是由于建筑物面积占格网面积的比值随尺度增加而减小导致建筑物分布不均匀另一方面随着空间尺度增加绿地水体等其他因素可能对分析会造成一定的影响 随机森林模型在 空间尺度下回归分析效果最为理想(.)而多元线性回归模型效果较差(.)、在 尺度下相关性最高(.)、在 种尺度下与 相关性程度最低(.)多数三维建筑指标在 空间尺度下相关性程度最高这与 等在探索建筑物三维景观对 影响的适宜尺度结论类似.三维景观指标与 定量关系 在 尺度空间相关性最强三维空间指标在 处同样表现出较强的相关性而空间回归模型在 尺度下分析城市三维建筑对 影响具有最好的拟合效果同时还可以纠正空间依赖性问题解释特征变量的重要性 因此文章选用 空间尺度下的空间回归模型探讨三维空间指标对 的影响在 中利用 模型来定量分析不同三维空间指标对地表热环境的影响空间回归分析结果见表 所有三维空间指标都会影响(.)、(.)、(.)和(.)是对 影响程度最大的指标 和 对 具有增温效应(建筑物表面积)越大以不透水面为主要特征的建筑物具有较低的反照率易吸收更