岳曉蕾 林箐 楊宇翀

產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)的主要原因是城市下墊面的改變，增加城市綠地是緩解城市熱島效應(yīng)的重要措施。近些年，位于華北平原地區(qū)的保定市城市化發(fā)展呈現(xiàn)加速態(tài)勢，大量的綠地被興建的灰色設(shè)施取代，城市建成區(qū)面積不斷增加，導(dǎo)致保定市的植被覆蓋度逐年下降，城市的景觀、生態(tài)功能減弱，城市熱島效應(yīng)逐步加劇。同時，隨著國家“京津冀協(xié)同發(fā)展”的提出及推進，生態(tài)承載區(qū)功能成為保定市重要功能定位之一，這使得其生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護問題更加凸顯[1-2]，因而選取保定市中心城區(qū)作為研究對象具有一定的典型性。

1 研究空間范圍示意圖The scope of the research space

2 2007 2017年植被覆蓋度時空演變圖Spatio-temporal evolution of vegetation coverage (2007 2017)

目前，植被覆蓋度和地表溫度的相關(guān)研究是近年來學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點，并已積累較為豐富的研究成果[3-7]。對于城市綠地與城市熱島效應(yīng)之間的關(guān)系研究中，張昌順[8]從城市綠地降溫功能與綠地類型、綠地結(jié)構(gòu)及管理措施角度進行了研究分析；楊偉、馬騰耀[9]從綠地斑塊自身的屬性對綠地內(nèi)部溫度影響和綠地斑塊對周邊熱環(huán)境影響進行了研究分析；陳芳敏[10]從公園斑塊特征、綠地景觀類型和周邊用地結(jié)構(gòu)的差異等方面對熱島效應(yīng)的影響進行了分析等，除這些因素外，城市綠地的空間布局同樣影響城市的熱環(huán)境，應(yīng)在城市規(guī)劃時將其作為考慮因素，逐漸重視城市綠地緩解城市熱島效應(yīng)的功能。本文基于GIS和RS技術(shù)[11-12]，對保定市中心城區(qū)內(nèi)2007—2017年植被覆蓋度與地表溫度的相關(guān)性進行研究，定量分析城市綠地對城市熱島效應(yīng)的緩解作用，研究城市綠地面積對降溫范圍的影響，并在前人研究的基礎(chǔ)上，進一步探討如何利用城市綠地空間布局減弱城市熱島效應(yīng)的影響，所得結(jié)論可為保定市中心城區(qū)的城市規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究的空間范圍是保定市的中心城區(qū)，包括競秀區(qū)和蓮池區(qū)（圖1），研究區(qū)總面積約為346km2。區(qū)域地理坐標為東經(jīng)113°40′～116°20′，北緯 38°10′～40°00′。中心距北京140km。保定市屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，近些年的夏季高溫天氣頻繁，年高溫日數(shù)總體呈增加趨勢。

2 數(shù)據(jù)來源和方法

研究選取美國Landsat7 ETM衛(wèi)星的3幅遙感影像作為基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)，其成像時間分別為2007年9月3日、2012年8月16日、2017年9月7日，衛(wèi)星軌道號行號p124/r44，包括8個通用波段，其中第3、4波段用以提取研究區(qū)域的歸一化植被指數(shù)（NDVI）與植被覆蓋度信息，第6波段為熱紅外波段影像，用以研究區(qū)域的地表溫度。衛(wèi)星影像的空間分辨率除第6波段為60m×60m，其余均為30m×30m。衛(wèi)星過保定市上方的時間約為上午8：50，這3個時期的圖像時間段接近，具有可比性，遙感影像的質(zhì)量良好，精度滿足計算要求。

首先通過ENVI5.1對3個時期的影像數(shù)據(jù)作輻射定標和大氣校正處理，消除因大氣散射引起的輻射誤差，然后利用保定市中心城區(qū)矢量邊界裁剪圖像得到保定市中心城區(qū)的影像數(shù)據(jù)，再選擇相應(yīng)波段的遙感圖像進行歸一化植被指數(shù)計算和地表溫度的反演計算。最后利用ArcGIS10.2軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù)，比較與計算地表溫度和植被覆蓋度之間的相關(guān)性。

3 地表溫度與植被覆蓋度的相關(guān)性

3.1 植被覆蓋度演化特征

遙感測量已成為大中區(qū)域尺度植被覆蓋監(jiān)測的主要途徑[4,13]，利用遙感數(shù)據(jù)提取植被覆蓋度的方法主要有經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ā⒅脖恢笖?shù)法和混合像元分解法[14]，本文利用植被指數(shù)法對保定市中心城區(qū)植被覆蓋度進行提取。為了計算植被覆蓋度，首先需要對歸一化植被指數(shù)進行計算。歸一化植被指數(shù)應(yīng)用研究最為廣泛,常用于區(qū)域和全球性的植被動態(tài)監(jiān)測研究[15]。其表達式為：

在歸一化植被指數(shù)計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對植被覆蓋度進行計算。在植被覆蓋度的計算中，采用像元二分模型法，其表達式為：

式中，NDVIveg代表純植被的植被指數(shù)，NDVIsoil代表純土壤的植被指數(shù)，NDVI代表所求區(qū)域或像元的植被指數(shù)。式中，取NDVIveg值為0.7，取NDVIsoil值為0。當某像元的NDVI＞0.7時，其FV取值為1；當NDVI＜0時，其FV取值為0。

研究所用的Landsat 7衛(wèi)星影像中第3、4波段的影像分辨率為30m×30m，即繪制圖像中單個像素點代表30m×30m范圍內(nèi)的植被覆蓋度情況。研究通過ENVI5.1軟件計算出保定市中心城區(qū)的植被覆蓋度圖像，再將結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS10.2軟件進行統(tǒng)計處理，得出研究區(qū)范圍內(nèi)2007年、2012年、2017年的3幅植被覆蓋度圖像（圖2）。

由ArcGIS10.2軟件統(tǒng)計的2007、2012、2017年3年的植被覆蓋度的平均值0.709 5、0.673 8、0.666 4可以看出，2007—2017年間，保定市中心城區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度總體呈下降趨勢。結(jié)合保定市近些年發(fā)展可知，城市建設(shè)用地猛增，其中心城區(qū)的范圍逐漸向郊區(qū)擴張，城市逐漸侵占部分農(nóng)田與林地，導(dǎo)致2017年研究區(qū)的植被覆蓋度較2007年有了明顯的下降。

3.2 地表溫度演化特征

地表溫度是研究地表與大氣之間能量與物質(zhì)交換的重要參數(shù)[16]。目前，地表溫度反演算法大致有大氣校正法、單窗算法、劈窗算法和多通道多角度算法4種[17]，本文基于大氣校正法反演地表溫度。在計算地表溫度前，需要先計算地表比輻射率與黑體輻射亮度。其中，植被和建筑的比輻射率結(jié)合通過計算得出，水體的比輻射率取常量0.995，其表達式為：

上述公式中的εgreen代表植被的比輻射率，εbuilding代表建筑的比輻射率。FV為上文計算得出的植被覆蓋度。通過反演計算得到地表比輻射率。

基于地表比輻射率的結(jié)果，計算黑體在熱紅外波段的輻射亮度，其表達式為：

式中，Lλ為熱紅外的輻射亮度， L↑為大氣向上輻射亮度，L↓為大氣向下輻射到達地面后反射的能量，ε為地表比輻射率，B(TS)為由普朗克定律推導(dǎo)出的黑體的熱輻射亮度，τ為大氣在熱紅外波段的透過率。

在獲取溫度為TS的黑體在熱紅外波段的輻射亮度后，根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，求得真實的地表溫度，表達式為：

在Landsat7遙感影像中，K1取值666.09，K2取值 1 282.71。

研究所用的Landsat7衛(wèi)星影像中熱紅外波段（第6波段）的影像分辨率為60m×60m，即繪制圖像中單個像素點代表60m×60m范圍內(nèi)的地表溫度情況。研究通過ENVI5.1平臺對保定市中心城區(qū)的地表溫度進行反演計算，并導(dǎo)入ArcGIS10.2軟件進行統(tǒng)計處理，得到保定市中心城區(qū)的2007年、2012年、2017年的3幅地表溫度圖像（圖3）。

2007—2017年間，保定市中心城區(qū)的地表溫度總體呈上升趨勢，城市熱島效應(yīng)呈現(xiàn)出不斷升高的趨勢，從中心城區(qū)逐漸向外擴展蔓延。2007年，中心區(qū)域的熱島效應(yīng)較為明顯，此時的郊區(qū)土地利用類型主要是農(nóng)田和少量的村落，因此幾乎沒有表現(xiàn)出熱島效應(yīng)。2017年，隨著城市的快速發(fā)展，熱島效應(yīng)的影響范圍已經(jīng)由中心區(qū)域向郊區(qū)快速蔓延。保定市的建成區(qū)范圍逐漸擴大，郊區(qū)的大量土地利用類型由農(nóng)田逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，其下墊面的屬性發(fā)生改變，因此城市熱島效應(yīng)的覆蓋范圍逐步擴大。

3.3 不同時期地表溫度與植被覆蓋度相關(guān)性分析

3 2007 2017年地表溫度時空演變圖Spatiao-temporal evolution of land surface temperature(2007 2017)

4 2017年植被覆蓋度和地表溫度網(wǎng)格劃分圖Grid partition diagram of vegetation coverage and land surface temperature in 2017

為了全面提取數(shù)據(jù)信息，本文通過對研究區(qū)的植被覆蓋度圖像和地表溫度圖像的數(shù)據(jù)進行處理，用網(wǎng)格法取平均值對研究區(qū)進行詳細分析。

首先對研究區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格的邊長為900m×900m，共將研究區(qū)劃分為565個網(wǎng)格，滿足相關(guān)性分析的精度需求，網(wǎng)格覆蓋研究區(qū)內(nèi)所有地表溫度和植被覆蓋度的數(shù)據(jù)信息。植被覆蓋度圖像的空間分辨率30m×30m，因此其圖像中每個網(wǎng)格包含900個原始柵格數(shù)據(jù)；地表溫度圖像的空間分辨率60m×60m，因此其圖像中每個網(wǎng)格包含225個原始柵格數(shù)據(jù)。再通過ArcGIS10.2軟件計算網(wǎng)格中的柵格數(shù)據(jù)的平均值，得到植被覆蓋度和地表溫度的網(wǎng)格劃分圖像（圖4）。最后將所有網(wǎng)格的植被覆蓋度和地表溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel軟件，對兩者間進行相關(guān)性研究，從而得出2007、2012、2017年3個時期地表溫度和植被覆蓋度之間的回歸分析結(jié)果（圖5）。

研究區(qū)內(nèi)的地表溫度與植被覆蓋度兩者之間具有明顯的負相關(guān)關(guān)系，植被覆蓋度越高，相應(yīng)地點的地表溫度越低。2007年、2012年、2017年回歸方程的決定系數(shù)（R2），分別為0.877 084，0.612 018，0.823 626（圖5），且在5%顯著性水平上，3個總體模型均通過了檢驗，表明兩者之間具有較強的相關(guān)性。2007年、2012年、2017年回歸方程的斜率分別為-13.304，-8.984 6，-10.714，其絕對值范圍為8.984 6～13.304。從這些數(shù)據(jù)可知，植被覆蓋度的增加可有效改變區(qū)域的地表溫度，保定市中心城區(qū)植被覆蓋度指數(shù)每增加0.1，可使地表溫度降低0.9～1.3℃。

4 城市綠地對熱島效應(yīng)降溫范圍的影響

4.1 綠地面積對熱島效應(yīng)的影響

以2017年9月7日的數(shù)據(jù)為例，在區(qū)域尺度下將保定市中心城區(qū)范圍內(nèi)的植被覆蓋度高的城市綠地進行篩選，并用ArcGIS10.2軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。由于農(nóng)田與水體對周邊熱環(huán)境也有降溫效應(yīng)，故篩選綠地外圍的下墊面相同（即建筑與硬質(zhì)鋪裝）的8個城市綠地（圖6）。以8個綠地邊界為起點，以60m為步長，共設(shè)置10個緩沖帶，依次提取600m緩沖區(qū)范圍內(nèi)地表溫度及降溫范圍數(shù)據(jù)進行對比研究。利用梯度差方法依次求出各緩沖帶平均溫度值與相鄰的緩沖帶的平均溫度值的差（ΔT），將其對應(yīng)緩沖帶外圍距綠地邊界的距離（L），用Excel軟件進行曲線擬合分析，得出各綠地對周圍熱環(huán)境的降溫效應(yīng)曲線（圖7）。

綠地對周邊熱環(huán)境的降溫效應(yīng)隨著距離增大逐漸減?。▓D7），在距離綠地200m內(nèi)的降溫速率最大，之后隨距離增大，其降溫速率趨緩；不同面積綠地的降溫范圍存在較大差異，東湖公園（含周邊綠地）的降溫范圍最大，大約為420m，而祥和公園的降溫范圍最小，僅大約140m。從圖中讀出各個綠地的最大降溫范圍，列出表格（表1），將其與綠地面積之間的關(guān)系用Excel軟件進行曲線擬合分析（圖8）。

5 2007 2017年植被覆蓋度與地表溫度回歸關(guān)系分析Analysis of relations between vegetation coverage and land surface temperature regression(2007 2017)

6城市綠地位置Urban green space location

7 不同城市綠地對周圍熱環(huán)境的降溫范圍The cooling range of different city green areas to surrounding thermal environments

表1 不同城市綠地地表溫度相關(guān)數(shù)據(jù)對比Tab. 1 Comparison of surface temperatures of different urban green areas

城市綠地面積與降溫范圍呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，兩者之間回歸方程的決定系數(shù)R2為0.781 2（圖8），且在5%顯著性水平上其總體模型通過了檢驗，由此可知二者具有顯著的相關(guān)性，即綠地面積越大，其對應(yīng)的降溫范圍越大。但在一定范圍內(nèi)，增加單位面積的綠地，降溫范圍迅速擴大，而超過這一范圍，增加單位面積的綠地，降溫范圍擴大的增長速度趨于平緩。通過求曲線的二階導(dǎo)數(shù)，可得出此值為29hm2。當綠地面積大于29hm2時，擬合曲線的二階導(dǎo)數(shù)值保持在-0.10左右。因此，在綠地空間布局時，考慮到降低城市熱島效應(yīng)的因素，保定市中心城區(qū)的綠地建設(shè)面積的最佳數(shù)值在29hm2左右。

4.2 綠地布局對熱島效應(yīng)的影響

在保定市未來城市的發(fā)展過程中，要平衡城市熱島與城市發(fā)展兩者之間的關(guān)系。2017年保定市中心城區(qū)現(xiàn)有的植被覆蓋度為40%，若在未來建設(shè)中無節(jié)制地進行城市擴張，則每減少10%的植被覆蓋度，地表溫度就會升高1℃，局部區(qū)域甚至可以升高5℃以上。在實際應(yīng)用中，提高城市的綠化覆蓋率即增加植被覆蓋度，因此在城市發(fā)展中需要適當?shù)靥岣叱鞘械木G化覆蓋率，對保定市的生態(tài)環(huán)境建設(shè)做出貢獻。一方面，合理規(guī)劃與利用土地，嚴守耕地保護、生態(tài)保護“紅線”，控制城市發(fā)展邊界，對荒地或拆除后短期不建設(shè)的土地進行覆綠。另一方面，在城市建成區(qū)中，見縫插綠，利用垂直綠化和屋頂綠化來增加城市的綠化覆蓋率。

通過比對圖3和保定市的現(xiàn)狀谷歌衛(wèi)星圖可以得出，大面積的熱島效應(yīng)主要集中在保定市中心城區(qū)的西部和南部，重點高溫區(qū)域的用地性質(zhì)普遍為工業(yè)用地。結(jié)合現(xiàn)有綠地可知，保定市中心城區(qū)西部和南部的綠地較少，因此，建議在規(guī)劃時適量增加此區(qū)域的綠地面積來緩解熱島效應(yīng)。具體在增加綠地的過程中，結(jié)合保定市用地現(xiàn)狀和保定市城市總體規(guī)劃（2011—2020年）中心城區(qū)用地布局規(guī)劃圖[18]，筆者建議在現(xiàn)有綠地的基礎(chǔ)上增加部分綠地（圖9），使綠地的空間布局更為合理，降低城市熱島效應(yīng)的影響，提升城市小氣候舒適性，服務(wù)城市居民生活。其中，位于西北部的1號綠地面積約為10hm2，周邊規(guī)劃用地性質(zhì)為居住用地；位于西部2號綠地面積約為18hm2，周邊規(guī)劃用地性質(zhì)為居住用地和工業(yè)用地；位于西南部的3號綠地面積約為29hm2，周邊規(guī)劃用地性質(zhì)為工業(yè)用地和綠地；位于南部4號綠地面積約為29hm2，周邊規(guī)劃用地性質(zhì)為居住用地、商業(yè)用地和工業(yè)用地；位于南部5號綠地面積約為29hm2，周邊規(guī)劃用地性質(zhì)為居住用地。這5塊綠地的現(xiàn)狀均為城中村，建議將這些區(qū)域進行用地性質(zhì)的改變，在重點高溫區(qū)域或附近增加綠地面積。此外，根據(jù)上文研究可知，保定市綠地面積在29hm2左右為最佳數(shù)值，所以在有條件的情況下，盡量設(shè)置面積為29hm2的綠地。建議新增綠地和現(xiàn)有綠地的降溫范圍根據(jù)圖8得出。通過增加城市綠地，在區(qū)域尺度上控制近些年保定市中心城區(qū)地表溫度的持續(xù)升高，并且有針對性地降低重點高溫區(qū)域的熱島效應(yīng)，在減緩保定市中心城區(qū)的熱島效應(yīng)的同時，完善其城市綠地的布局和建設(shè)。

8綠地面積與降溫范圍的定量關(guān)系Quantitative relationship between green space and cooling range

9 建議綠地位置Proposed locations for green space

5 結(jié)論

根據(jù)以上研究，得到以下結(jié)論：

1）2007—2017年10年間，保定市中心城區(qū)的植被覆蓋度與地表溫度發(fā)生了較大變化。由于保定市城鄉(xiāng)建設(shè)用地不斷擴張，城市植被覆蓋區(qū)的面積總體呈減少趨勢，并使城市熱島效應(yīng)逐步加強。

2）研究區(qū)的地表溫度與植被覆蓋度之間存在著明顯的負相關(guān)關(guān)系，研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度每增加10%，其地表的平均溫度可降低0.9℃ ～1.3℃。

3）城市綠地對周邊熱環(huán)境的降溫效應(yīng)與距離呈負相關(guān)，即距離越大，降溫效應(yīng)越低，在距離綠地200m內(nèi)的降溫速率最大。

4）城市綠地面積與周邊熱環(huán)境的降溫效應(yīng)呈對數(shù)關(guān)系，當綠地面積小于29hm2時，隨著面積增加，降溫范圍迅速擴大，當綠地面積大于29hm2時，降溫范圍的擴大趨于穩(wěn)定。

5）建議在熱島效應(yīng)顯著的區(qū)域增加綠地布局，選擇現(xiàn)狀為臨時性建筑或城中村的區(qū)域進行用地性質(zhì)的改變，在減緩城市熱島效應(yīng)的同時，使城市綠地的布局更為合理。

注釋：

圖1～9均為作者自繪，其中圖4基于2017年植被覆蓋度和地表溫度數(shù)據(jù)繪制，圖6、9基于保定市中心城區(qū)的谷歌地圖繪制。