王文娟，鄧榮鑫

（1. 河南財經(jīng)政法大學 資源與環(huán)境學院,河南 鄭州 450002；2. 華北水利水電大學 資源與環(huán)境學院,河南 鄭州450011）

城市綠地對城市熱島緩解效應(yīng)研究

王文娟1，鄧榮鑫2

（1. 河南財經(jīng)政法大學 資源與環(huán)境學院,河南 鄭州 450002；2. 華北水利水電大學 資源與環(huán)境學院,河南 鄭州450011）

以鄭州市作為研究區(qū)域，運用Landsat5 TM遙感影像反演研究區(qū)地表溫度和提取綠地分布，從斑塊和景觀水平兩個尺度研究城市綠地對城市熱島效應(yīng)的緩解程度。結(jié)果表明，在斑塊尺度上，斑塊面積和斑塊形狀指數(shù)與城市地表溫度間均呈負相關(guān)關(guān)系；在景觀尺度上，綠地面積比和聚集度指數(shù)與城市地表溫度間呈負相關(guān)關(guān)系，景觀碎裂化指數(shù)與之呈正相關(guān)關(guān)系。

城市熱島；城市綠地；遙感

城市熱島是人類活動產(chǎn)生的最顯著的氣象異?，F(xiàn)象之一[1]，對城市公共健康、空氣質(zhì)量、能源消耗等有著深遠的影響[2,3]。早期的關(guān)于城市綠地特征的熱環(huán)境效應(yīng)研究主要是對傳統(tǒng)定點實驗數(shù)據(jù)進行分析[4,5]，雖然能夠較好地反映監(jiān)測點及其周邊情況，但無法表征城市綠地特征與城市熱環(huán)境之間的關(guān)系。本文運用定量遙感方法和地理信息系統(tǒng)空間分析技術(shù)，從斑塊和景觀水平兩個尺度上研究城市綠地對城市熱島效應(yīng)的緩解程度，并提出城市綠地的優(yōu)化和配置策略。

圖1　研究區(qū)位置圖

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況

鄭州市( 34°44’N, 113°37’E )地處河南省中部偏北的伏牛山脈向黃淮平原過渡地帶。鄭州市城市建設(shè)規(guī)模及其下墊面性質(zhì)對氣候已產(chǎn)生較明顯的影響，年季溫度場均以市中心溫度為高，向郊區(qū)逐漸降低，存在城市熱島現(xiàn)象。為分析市區(qū)內(nèi)城市綠地與地表溫度的關(guān)系，本文以鄭州市城區(qū)圖為參考，選擇北至連霍高速公路、南至南環(huán)路、西至繞城公路、東至中州大道-東風東路-107國道所在的城區(qū)范圍作為研究區(qū)，并按行政界線將研究區(qū)分為金水區(qū)、惠濟區(qū)、中原區(qū)、二七區(qū)、管城區(qū)、高新區(qū)、鄭東新區(qū)和經(jīng)開區(qū)等8個子區(qū)（如圖1）。

1.2地表溫度反演

采用Jiménez-Mu?oz等提出的普適性算法[6]，選擇2009-06-25獲取的Landsat5 TM遙感影像作為數(shù)據(jù)源，對研究區(qū)進行地表溫度的反演。計算公式為：

其中，

式中，w為大氣水汽含量, 單位為g /cm2。該指標可采用Kaufman等提出的算法[7]，利用同一時間段的MODIS數(shù)據(jù)第2、5、19波段的反射率值獲取。

1.3 城市綠地提取

運用2009-06-25獲取的Landsat5 TM遙感影像作為數(shù)據(jù)源，選擇歸一化植被指數(shù)（NDVI）作為綠地提取的主要指標。NDVI的計算公式為：

式中，NIR、R分別為TM紅波段和近紅外波段的反射率值。通過選擇訓練樣本，確定植被和非植被地物NDVI的變化范圍，并設(shè)定閾值，實現(xiàn)城市綠地信息的提取。

1.4城市綠地指標計算

在斑塊尺度上，選擇斑塊面積和斑塊形狀兩個指標分析綠地對城市熱島的緩沖效應(yīng)。其中，斑塊形狀的確定以形狀指數(shù)作為主要標準，其計算公式為[8]：

式中，I為形狀指數(shù)；S為圖斑面積；P為周長。

在研究區(qū)中，選擇形狀相似、面積不同的5個斑塊，分析斑塊面積對城市熱島的緩沖效應(yīng)；另外選擇面積相似、形狀不同的3個斑塊，分析斑塊形狀對城市熱島的緩沖效應(yīng)。在景觀尺度上，選擇斑塊面積比、聚集度、破碎度等表征綠地景觀空間分異特征的景觀格局指數(shù)，其中，聚集度指數(shù)反映景觀中不同斑塊類型的非隨機性或聚集程度；破碎度指數(shù)表征景觀被分割的破碎程度，反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復雜性[9]。這些指標的計算主要通過Fragststs軟件完成，然后將其與各子區(qū)平均熱島強度進行比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1基于斑塊尺度分析

選擇研究區(qū)內(nèi)形狀相似、面積不同的5個綠地斑塊，分別以60 m、60～120 m、120～180 m、180～240 m、240～300 m、300～360 m的距離向外進行緩沖，分析各緩沖區(qū)域內(nèi)平均地表溫度的變化趨勢，從斑塊尺度上定量分析綠地斑塊面積與城市熱島的響應(yīng)關(guān)系。從圖2可以看出，隨著斑塊面積的增加，地表溫度在各緩沖距離上均有降低，說明斑塊面積越大，對其周圍的降溫效果越好。從防護距離上看，不同斑塊面積的綠地呈現(xiàn)出相同的趨勢，即在180 m內(nèi)防護效果最好，180～240 m之間的防護效果尚可，大于240 m地表溫度無明顯變化，說明綠地斑塊在0～240 m的降溫效果最為顯著，隨著距離的增加，降溫效果有所降低。

選擇研究區(qū)內(nèi)面積相似、形狀不同的3個綠地斑塊，分別以60 m、60～120 m、120～180 m、180～240 m、240～300 m、300～360 m的距離向外進行緩沖，分析各緩沖區(qū)域內(nèi)平均地表溫度的變化趨勢，從斑塊尺度上定量分析綠地斑塊形狀與城市熱島的響應(yīng)關(guān)系。從圖3可以看出，隨著形狀指數(shù)的增加，地表溫度在各緩沖距離上均有降低，說明斑塊形狀越狹長，對其周圍的降溫效果越差。

圖2　斑塊面積與周圍地表溫度的關(guān)系圖

圖3　斑塊面積與周圍地表溫度的關(guān)系圖

2.2基于景觀尺度分析

選擇分區(qū)內(nèi)綠地面積比、聚集度指數(shù)和破碎度指數(shù)等能夠有效表征綠地景觀格局特征的景觀指數(shù)，將其計算結(jié)果與平均地表溫度進行比較，可以從景觀尺度上定量分析城市綠地景觀格局與城市熱島的響應(yīng)關(guān)系，如圖4。結(jié)果顯示，在所分析的3種景觀格局指數(shù)中，綠地面積比與城市地表溫度間呈顯著負相關(guān)（圖4a），即分區(qū)內(nèi)綠地面積越大，生物量積累量越大，地表溫度就越低。這一結(jié)果與前面關(guān)于綠地斑塊面積與地表溫度的關(guān)系相一致；聚集度指數(shù)與城市地表溫度呈負相關(guān)關(guān)系（圖4b），即城市綠地在分區(qū)內(nèi)的空間分布越集中，則地表降溫效果越顯著。與上述結(jié)果相反，景觀碎裂化指數(shù)與城市地表溫度之間呈正相關(guān)關(guān)系（圖4c），即分樣區(qū)內(nèi)綠地斑塊的碎裂化程度越高，則地表溫度越高。

3 結(jié) 語

本文研究結(jié)果對面向緩解熱島效應(yīng)的城市綠地建設(shè)和管理工作具有重要的參考價值。首先，綠地斑塊類型與城市熱島間的分析結(jié)果表明，面向城市熱島效應(yīng)調(diào)控的綠地建設(shè)需要進一步沿襲以往大力提高城市綠地率的策略，增加植被覆蓋和生物量積累，在條件允許的前提下盡量建設(shè)大斑塊、形狀規(guī)則（相對于狹長斑塊而言）的綠地，以強化城市綠地植被的溫度調(diào)控效果。其次，綠地景觀格局與熱島強度之間的關(guān)系表明，不同的綠地空間分異特征和結(jié)構(gòu)特征，會形成完全不同的地表溫度調(diào)控效果，綠地格局設(shè)計應(yīng)盡可能在空間上集中安排各類綠地斑塊，重視大型林地類支撐性城市綠地斑塊建設(shè)，提高不同綠地類型的功能。

圖4　景觀指數(shù)與地表溫度的關(guān)系圖

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P237.9

B

1672-4623（2014）04-0052-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.04.018

王文娟，博士，講師，主要從事遙感和GIS應(yīng)用研究。

2013-09-16。

項目來源：國家自然科學基金青年基金資助項目（40901133）；河南省教育廳科學技術(shù)研究指導計劃資助項目（12B170001）。