城市建筑三維精細(xì)化特征對地表熱環(huán)境的影響
——以山東省濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)區(qū)域?yàn)槔?/h1>
2022-06-20 07:06:36孫佳彬楊朝斌2a朱文浩徐新良
地域研究與開發(fā) 2022年3期
孫佳彬，楊朝斌,2a，朱文浩，徐新良
(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.中國科學(xué)院 a.生態(tài)環(huán)境研究中心,b.地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)
0 引言
隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市景觀格局發(fā)生劇烈變化，土地開發(fā)利用導(dǎo)致水體、植被等自然地表轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽斓乇砗徒ㄖ1]。地表覆被的變化使得城市與周邊農(nóng)村區(qū)域下墊面特征差異增大，城市建筑對太陽輻射的吸收和釋放、能源消耗、工業(yè)散熱、人為熱源的產(chǎn)生等導(dǎo)致了城市熱島效應(yīng)[2-6]。城市熱島效應(yīng)對區(qū)域環(huán)境和氣候、社會經(jīng)濟(jì)以及人類健康等方面產(chǎn)生嚴(yán)重危害，探究城市建筑作用于城市熱環(huán)境的影響機(jī)制對緩解城市熱島效應(yīng)具有重要意義。
19世紀(jì)20年代，英國學(xué)者L.Howard發(fā)現(xiàn)倫敦市中心溫度高于郊區(qū)溫度的現(xiàn)象[7]。從此，城市熱島效應(yīng)成為城市氣候研究的重要內(nèi)容。隨著地理信息系統(tǒng)和遙感等新興技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們開始探究引起城市熱島效應(yīng)的背后驅(qū)動因素[8-11]。然而，目前的研究大都聚焦于城市建筑水平特征對熱環(huán)境的研究，如葛亞寧等運(yùn)用Landsat 8數(shù)據(jù)分析了北京城市建筑密度分布對熱島效應(yīng)的影響[12]；蘇俊如等利用單窗算法探究了城市建筑水平特征對城市熱環(huán)境效應(yīng)的影響，但僅選擇了建筑密度單一指標(biāo)[13]。另有學(xué)者從整體的景觀格局角度出發(fā)，分析不同景觀城市熱島效應(yīng)，如管昱等利用Landsat 8數(shù)據(jù)分析了快速城市化地區(qū)景觀格局對地表熱環(huán)境的影響[14]；潘明慧等研究了景觀格局類型對熱島效應(yīng)的影響[15]。盡管已有研究取得了較大進(jìn)展，但仍缺乏城市建筑三維精細(xì)化特征對熱環(huán)境的影響研究。
本研究以山東省濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)區(qū)域?yàn)槔?，利用Landsat 8遙感影像反演地表溫度表征城市熱島效應(yīng)，選取6個(gè)二維和三維建筑指數(shù)對城市建筑空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化表征，通過空間分析和統(tǒng)計(jì)回歸方法探究城市建筑二維和三維特征對地表溫度的影響及其季節(jié)差異性，從而加深對城市熱島效應(yīng)相關(guān)驅(qū)動因素的進(jìn)一步理解，為緩解城市熱島效應(yīng)提供科學(xué)理論依據(jù)。
1 研究區(qū)域、研究方法與數(shù)據(jù)來源
1.1 研究區(qū)域
濟(jì)南市地處山東省中西部 ，屬暖溫帶季風(fēng)氣候 ，日照充分，四季分明 。2019年末濟(jì)南市常住人口890.87萬人。濟(jì)南是山東省的政治 、經(jīng)濟(jì) 、文化 、科技 、教育和金融中心 ，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)和京滬經(jīng)濟(jì)軸上的重要交匯點(diǎn) 。其中，二環(huán)以內(nèi)區(qū)域是濟(jì)南市歷史文化名城核心區(qū)和中央活動區(qū)，是濟(jì)南城市發(fā)展新規(guī)劃的“中優(yōu)”區(qū)域。區(qū)域面積161.87 km2，區(qū)內(nèi)人口密度和建筑密度相對較高，建筑類型多樣，受熱島效應(yīng)的影響較大。因此，選取二環(huán)交通路線所包含的核心城區(qū)為研究區(qū)域 (圖1)。
1.2 研究方法
1.2.1地表溫度反演。首先，將Landsat 8波段10的像素值轉(zhuǎn)換為大氣表層輻射值，計(jì)算公式為:
R=G×DN+O。
式中：R為大氣表層輻射值；G和O分別為各個(gè)波段的增益值和偏置值，均可通過影像頭文件獲??；DN為遙感影像的像元亮度值。其次，在假設(shè)地球是一個(gè)絕對黑體的前提下，大氣表層輻射值通過以下公式轉(zhuǎn)換為亮溫：
圖1 研究區(qū)域及建筑分布
Tb=K2/ln (K1/R+1) 。
式中：Tb為亮溫；K1和K2是衛(wèi)星發(fā)射前預(yù)設(shè)的常量，對于Landsat 8第10波段，K1=774.89 W/(m2·sr·μm)，K2=1 321.08 K。最后，地表溫度可以通過對不同地物的比輻射率的校正獲得，計(jì)算公式為：
LST=Tb/[1+(λTb/ρ)lnε] 。
式中：LST為地表溫度；λ和ρ分別為波長和波段頻率，對于Landsat 8第10波段，λ=10.9 μm，ρ=1.43×10-2mK;ε為不同地物比輻射率，可通過植被指數(shù)閾值來獲取[16-17]。地表溫度具體的計(jì)算過程參考C.Yang等的研究[18]。
1.2.2城市建筑2D/3D精細(xì)化特征表達(dá)。為了對城市建筑特征進(jìn)行精細(xì)化表達(dá)，選取建筑覆蓋率、建筑斑塊密度、建筑周長密度3個(gè)二維指標(biāo)以及建筑平均高度、建筑體積和建筑容積率3個(gè)三維指標(biāo)共6個(gè)指標(biāo)對城市的建筑特征進(jìn)行分析[19]。選擇的指標(biāo)能夠較全面地反映建筑特征，計(jì)算簡便，冗余度低。① 建筑覆蓋率反映城市在水平方向上建筑的密集程度。計(jì)算公式為：
式中：BCR為建筑覆蓋率；Ai為第i個(gè)建筑物的基底面積；A為街區(qū)面積。② 建筑斑塊密度反映單位面積上的斑塊數(shù)。計(jì)算公式為：
BPD=(n×10 000)/A。
式中：BPD為建筑斑塊密度(無量綱)；n為建筑數(shù)量；A為街區(qū)面積。③ 建筑周長密度反映建筑長度的密集程度。計(jì)算公式為：
式中：BED為建筑周長密度(無量綱)；Li為建筑i的周長；L為街區(qū)周長。④ 建筑平均高度反映城市樓房平均高度信息。計(jì)算公式為：
式中：BH為建筑平均高度；Hi為建筑i的高度。⑤ 建筑體積是城市建筑的三維形態(tài)描述。計(jì)算公式為：
式中：BV為建筑體積；Ai為建筑i的基底面積；Hi為建筑i的高度。⑥ 容積率反映一定用地內(nèi)的開發(fā)強(qiáng)度和人居舒適度。計(jì)算公式為：
式中：FAR為容積率；Ai為建筑i的基底面積；Fi為建筑i的樓層數(shù)；A為街區(qū)面積。
1.2.3空間分析與統(tǒng)計(jì)回歸。為了定量探究城市建筑三維空間結(jié)構(gòu)對熱環(huán)境的影響，利用濟(jì)南市路網(wǎng)將研究區(qū)劃分為253個(gè)街區(qū)，街區(qū)平均面積為63.98 hm2，將街區(qū)作為基本的分析單元。不同街區(qū)的建筑特征存在明顯的差異性，可以較好地區(qū)分不同建筑特征對地表熱環(huán)境的影響。此外，利用街區(qū)作為分析單元可以滿足統(tǒng)計(jì)回歸對樣本數(shù)量的要求。計(jì)算每一個(gè)街區(qū)對應(yīng)的6個(gè)二維/三維建筑指數(shù)和街區(qū)內(nèi)的平均地表溫度，利用GIS特有的空間分析功能將城市建筑的分布格局和二維/三維特征進(jìn)行空間化呈現(xiàn)，便于從空間上提供有效信息。利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析地表溫度與6個(gè)建筑指數(shù)之間的相關(guān)性，然后以街區(qū)的平均溫度作為因變量，以6個(gè)建筑指標(biāo)作為自變量，建立地表溫度與建筑指標(biāo)之間的線性回歸模型，定量分析單個(gè)不同建筑指標(biāo)對城市熱島效應(yīng)的影響差異。地表溫度不止受一個(gè)因素的影響，因此，使用多元逐步回歸模型分析不同建筑指標(biāo)對地表溫度變化的貢獻(xiàn)程度。
1.3 數(shù)據(jù)來源
研究數(shù)據(jù)主要包括遙感數(shù)據(jù)、濟(jì)南建筑矢量數(shù)據(jù)以及路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)以地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)獲取的2017年6月17日和12月22日兩景Landsat 8 (行列號為122/035)影像為主要數(shù)據(jù)源，當(dāng)日云量較少，透光率高，成像效果較清晰。利用ENVI軟件對數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)和大氣校正等預(yù)處理。建筑矢量數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，借助Google Earth等高分辨率影像，在ArcGIS軟件支持下對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量編輯、拓?fù)涮幚淼炔僮?，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足要求后進(jìn)行特征表達(dá)。參考《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50352—2019)，將建筑按高度劃分為低層建筑、多層建筑、高層建筑、超高層建筑4種類型。路網(wǎng)則以衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，同時(shí)以百度地圖等相關(guān)數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充，對濟(jì)南主城區(qū)道路進(jìn)行矢量化提取。
2 結(jié)果與分析
2.1 城市建筑空間分布特征
濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)核心城區(qū)建筑主要分布在北部和中部，南部由于分布較多的山地而建筑數(shù)量相對較少。從不同高度建筑的空間分布看，南部雖然建筑物數(shù)量較少，為了充分利用有限的土地資源，高層建筑卻相對較多。整體上，研究區(qū)內(nèi)低層建筑分布最為廣泛，且北部低層建筑更為密集。
建筑高度的統(tǒng)計(jì)分類結(jié)果(表1)表明，建筑高度與建筑的空間分布相一致，即濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)核心城區(qū)的建筑大多數(shù)為低層建筑，占60.58%。隨著建筑高度的增加，建筑數(shù)量呈逐漸減少的趨勢，其中超高層建筑最少，僅占0.02%。
表1 濟(jì)南市二環(huán)內(nèi)建筑信息統(tǒng)計(jì)Tab.1 Information statistics of builsings inside the second ring of Jinan City
2.2 城市建筑三維精細(xì)特征分析
將濟(jì)南市二環(huán)內(nèi)建筑的6個(gè)二維/三維指標(biāo)進(jìn)行空間化展示(圖2)。從建筑覆蓋率(BCR)和建筑斑塊密度(BPD)的空間分布(圖2a，圖2b)可以看出，濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)街區(qū)建筑覆蓋率較高的區(qū)域集中在東北部，且以低層和多層建筑為主，覆蓋率較低的區(qū)域集中在南部，且以高層和超高層建筑為主；斑塊密度分布狀態(tài)以橫向中心線為軸，南北差異較為顯著，呈現(xiàn)“南疏北密”的分布格局。從建筑周長密度(BED)的空間分布(圖2c)可以看出，濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)街區(qū)周長密度分布離散且無規(guī)則。從建筑平均高度(BH)的空間分布(圖2d)可以看出，濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)低層建筑街區(qū)和高層建筑街區(qū)所占面積近似，比例相近。超高層街區(qū)主要分布在中心地區(qū)，西北部區(qū)域建筑街區(qū)平均高度較低，東南部區(qū)域建筑街區(qū)平均高度較高。從建筑體積(BV)和建筑容積率(FAR)的空間分布(圖2e，圖2f)可以看出，南部區(qū)域建筑體積大于北部，市中心區(qū)域的建筑容積率則明顯大于南部和北部。南部雖然建筑數(shù)量較少，但高層建筑較多，因此，建筑體積較大，而大面積的山地區(qū)域又降低了建筑容積率。此外，區(qū)內(nèi)城市建筑二維特征與三維特征的空間分布差異明顯，兩者之間并沒有特定的相關(guān)性。
圖2 建筑二維/三維特征空間分布
2.3 城市熱島效應(yīng)冬夏時(shí)空分布特征
利用地表溫度反演方法計(jì)算地表溫度，采用自然間斷點(diǎn)分級法對溫度進(jìn)行重分類操作，按照溫度從高到低劃分為最高溫、較高溫、高溫、中溫、低溫、較低溫、最低溫7個(gè)等級，將最高溫、較高溫和高溫面積之和定義為“熱島效應(yīng)”區(qū)域，將冬夏兩季的溫度等級及對應(yīng)的具體溫度數(shù)值進(jìn)行可視化表達(dá)(圖3)。
圖3 濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)區(qū)域地表溫度空間分布
整體來看，高溫區(qū)域的空間分布與建筑有著較好的一致性。夏季地表溫度均值為41.26 ℃，熱島效應(yīng)主要集中在東北部居民區(qū)密集處，在城市中西部、部分工廠集中地以及南部的個(gè)別居民區(qū)也有零散的分布，該區(qū)域建筑分布相對密集，其地表溫度都高于44.0 ℃，最高處可達(dá)53.0 ℃。低溫主要分布在西南與東南部分地區(qū)，這些區(qū)域主要為林地以及風(fēng)景區(qū)。此外，城市內(nèi)部的河流、大明湖、濟(jì)南動物園以及濟(jì)南森林公園等非建筑區(qū)域溫度同樣普遍較低，介于29～38 ℃，其他區(qū)域溫度大多集中在38～44 ℃(圖3a)。冬季地表溫度平均值為7.71 ℃，其熱島效應(yīng)區(qū)域僅占33.05%，明顯小于夏季的46.19%(表2)，且空間分布相對于夏季較為分散。低溫區(qū)域在城市內(nèi)部幾乎均勻分布，甚至在夏季全部為高溫區(qū)域的東北部區(qū)域也有出現(xiàn)(圖3b)，可能與高層建筑物陰影有關(guān)。
表2 冬夏兩季各溫度等級所占面積比例 %
2.4 建筑三維精細(xì)化特征對熱環(huán)境的影響機(jī)制
為了定量分析城市建筑三維特征對城市熱島效應(yīng)的影響，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)回歸方法分析建筑二維/三維特征對地表溫度的影響程度。去除異常值后，回歸得到6個(gè)城市建筑指數(shù)與地表溫度之間的相關(guān)系數(shù)(表3)。結(jié)果表明，夏季地表溫度與建筑覆蓋率(BCR)、建筑斑塊密度(BPD)以及建筑周長密度(BED)之間具有正相關(guān)關(guān)系，且建筑物覆蓋率(BCR)與地表溫度的正相關(guān)強(qiáng)度最大；建筑平均高度(BH)和建筑體積(BV)與地表溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而建筑容積率(FAR)與地表溫度之間沒有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。冬季地表溫度與建筑物覆蓋率(BCR)和建筑周長密度(BED)之間呈正相關(guān)關(guān)系，與建筑平均高度(BH)和建筑容積率(FAR)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，與建筑斑塊密度(BPD)和建筑體積(BV)沒有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。
表3 建筑指標(biāo)與地表溫度之間的Pearson相關(guān)系數(shù)
夏冬季單個(gè)建筑指數(shù)與地表溫度的線性擬合模型(圖4，圖5)進(jìn)一步闡明了建筑指數(shù)對地表溫度的影響程度。在街區(qū)尺度上，建筑覆蓋率每增加10%，夏季和冬季的地表溫度分別可增高0.93 ℃，0.25 ℃。雖然建筑斑塊密度和建筑周長密度有增溫作用，但效果并不明顯。地表溫度隨著建筑平均高度增加而出現(xiàn)降低的趨勢，在建筑平均高度小于20 m時(shí)，街區(qū)的平均地表溫度有高值也有低值；當(dāng)建筑平均高度大于20 m時(shí)，夏季地表溫度大都小于43 ℃，高于44 ℃的街區(qū)相對較少；絕大多數(shù)街區(qū)對應(yīng)的冬季地表溫度則低于7.5 ℃。
進(jìn)一步采用逐步多元線性回歸模型探究各建筑指數(shù)對地表溫度變化貢獻(xiàn)程度的差異(表4)?？梢钥闯觯S指標(biāo)建筑覆蓋率(BCR)進(jìn)入夏季模型且對地表溫度有著顯著的正向影響作用(標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)為0.626)，三維指標(biāo)建筑平均體積(BV)和建筑容積率(FAR)進(jìn)入模型，兩者對地表溫度有著負(fù)面的影響，上述3個(gè)建筑指標(biāo)對地表溫度的影響作用在0.01水平上都是顯著的，R2為0.395，表明該模型綜合起來對地表溫度變化的解釋力可以達(dá)到39.5%，考慮到街區(qū)地表溫度除了受建筑的影響外，同時(shí)也受到林地、灌木、草地、水體以及社會經(jīng)濟(jì)活動的影響，因此，該模型在一定程度上能夠較好地解釋地表溫度的變化。在冬季，建筑覆蓋率(BCR)和建筑斑塊密度(BPD)是進(jìn)入模型的二維指標(biāo)且兩者都具有正向影響作用，即隨著建筑物覆蓋率和建筑斑塊密度的增加，冬季地表溫度呈現(xiàn)升高趨勢。建筑平均高度(BH)和建筑容積率(FAR)是進(jìn)入模型的三維指標(biāo)且兩者都具有負(fù)面作用，即隨著建筑物高度和建筑容積率的增加，冬季地表溫度呈現(xiàn)降低趨勢。
圖4 夏季城市建筑二維/三維特征與地表溫度的線性擬合模型
圖5 冬季城市建筑二維/三維特征與地表溫度的線性擬合模型
2.5 城市建筑二維/三維特征對地表溫度的影響
綜合城市建筑二維/三維精細(xì)化特征的多元線性回歸模型能夠較好地解釋地表溫度的變化，夏季能夠解釋39.5%，冬季為40.2%。建筑二維特征對城市地表熱環(huán)境的影響作用要大于三維特征，其中建筑覆蓋率(BCR)對地表溫度的影響最為顯著(夏季兩者相關(guān)系數(shù)為 0.69)，是影響地表熱島效應(yīng)最重要的驅(qū)動因素。地表溫度反映的是物體表面的溫度，與物體本身的材料性質(zhì)有著明顯的聯(lián)系。相比于自然地表，建筑等人造地物能夠存儲大量的太陽熱輻射并進(jìn)行再輻射，建筑覆蓋率(BCR)高表明建筑所占的面積大，減少了地表水分蒸發(fā)量和水分可用性，并能夠?qū)^(qū)域起到增溫作用，對地表溫度的影響作用最為顯著。本研究得到的建筑覆蓋率與地表溫度之間的高度正相關(guān)性與已有學(xué)者的研究有著較強(qiáng)的一致性[12-20]。多元線性回歸結(jié)果表明建筑斑塊密度對地表溫度的影響并不十分顯著，這與蘇俊如等[13]的研究結(jié)果不同，可能與研究區(qū)地理位置、研究區(qū)內(nèi)建筑物理形態(tài)大小差異等存在一定關(guān)聯(lián)。此外，建筑物斑塊密度僅僅反映建筑物的數(shù)量特征，建筑物斑塊密度高并不意味著整體建筑覆蓋面積大，有可能是數(shù)量較多的面積較小(或者較大)的建筑組成，因此，與地表溫度的關(guān)系并不十分緊密。
表4 地表溫度與建筑指數(shù)多元線性逐步回歸模型的擬合結(jié)果
城市建筑平均高度與地表溫度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著建筑平均高度的增加地表溫度出現(xiàn)降低，且這種現(xiàn)象在冬季更為突出(相關(guān)系數(shù)為-0.63)?？赡艿脑蚴歉邔咏ㄖ^(qū)建筑物之間的距離通常較大，有利于空氣通風(fēng)效率，更為重要的是冬季太陽高度角較低，高層建筑能夠大量增加地面陰影面積，使區(qū)域累積日照時(shí)間減少，減少了地表接受的太陽直接輻射，從而大幅降低街區(qū)的地表溫度[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，如果單純建立城市建筑容積率與地表溫度之間的線性模型，兩者之間的關(guān)系并不明顯；而在多元線性回歸模型中，建筑容積率(FAR)能夠進(jìn)入模型，冬夏兩季的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)分別為-0.323和-0.151，說明建筑容積率結(jié)合其他建筑指標(biāo)也對地表溫度的變化產(chǎn)生影響。
3 結(jié)論、啟示與討論
3.1 結(jié)論
濟(jì)南市二環(huán)區(qū)域內(nèi)城市建筑分布以橫向中心線為軸，南北差異較為顯著，呈現(xiàn)“南疏北密”的分布情況，建筑以低層建筑為主，占比高達(dá)60.58%。城市建筑二維特征空間分布與三維空間格局差異較為明顯，兩者空間格局并沒有明顯的相關(guān)性。
從空間上看，地表溫度空間格局與建筑空間分布有著良好的一致性，即高溫區(qū)域與建筑覆蓋率較高的區(qū)域相吻合，低溫區(qū)域主要出現(xiàn)在河流、湖泊和公園等建筑物相對較少的區(qū)域。
相關(guān)分析表明，地表溫度與二維建筑指標(biāo)呈正相關(guān)性，而與三維建筑指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)性，與建筑容積率并沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的明顯聯(lián)系。建筑覆蓋率與地表溫度相關(guān)系數(shù)最大(0.69)。建筑覆蓋率每增加10%，夏季地表溫度可增高0.93 ℃，冬季增高0.25 ℃；地表溫度隨著建筑平均高度的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢，當(dāng)建筑平均高度大于20 m時(shí)，降溫現(xiàn)象更為明顯。
建筑二維/三維特征相結(jié)合能夠有效解釋地表溫度的變化量，二維指標(biāo)對地表溫度的影響要大于三維特征的影響，建筑高度在冬季與地表溫度存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在未來城市規(guī)劃中可適當(dāng)考慮提高中高建筑物比例來緩解熱島效應(yīng)并節(jié)約城市用地。
3.2 啟示
城市熱島效應(yīng)給生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)帶來眾多負(fù)面影響，在城鎮(zhèn)化大背景下提出緩解城市熱島效應(yīng)的有效措施十分必要。隨著城市建筑覆蓋率的增加，城市熱島效應(yīng)呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢，但城市建筑的三維高度能夠在一定程度上增加陰影面積、增大樓間通風(fēng)進(jìn)而緩解了熱島效應(yīng)。因此，除傳統(tǒng)的增加綠地和水體覆蓋率降低地表溫度外，還可以在未來城市規(guī)劃中適當(dāng)考慮提高中高層建筑的比例，既能滿足城鎮(zhèn)居民的住房需求，也能節(jié)約土地利用，同時(shí)為增加樹木等降溫地表類型的面積提供了更大可能性[23-24]。
3.3 討論
受限于客觀建筑數(shù)據(jù)獲取的不足，研究范圍相對較小，研究結(jié)果有一定局限性?？紤]到目前地理大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，未來能夠獲取的豐富而又精細(xì)化的城市建筑數(shù)據(jù)和城市地表溫度數(shù)據(jù)，研究的時(shí)空尺度將會進(jìn)一步突破，城市三維空間結(jié)構(gòu)對熱島效應(yīng)的影響將會成為研究熱點(diǎn)[25]。
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孫佳彬，楊朝斌,2a，朱文浩，徐新良
(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.中國科學(xué)院 a.生態(tài)環(huán)境研究中心,b.地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)
0 引言
隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市景觀格局發(fā)生劇烈變化，土地開發(fā)利用導(dǎo)致水體、植被等自然地表轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽斓乇砗徒ㄖ1]。地表覆被的變化使得城市與周邊農(nóng)村區(qū)域下墊面特征差異增大，城市建筑對太陽輻射的吸收和釋放、能源消耗、工業(yè)散熱、人為熱源的產(chǎn)生等導(dǎo)致了城市熱島效應(yīng)[2-6]。城市熱島效應(yīng)對區(qū)域環(huán)境和氣候、社會經(jīng)濟(jì)以及人類健康等方面產(chǎn)生嚴(yán)重危害，探究城市建筑作用于城市熱環(huán)境的影響機(jī)制對緩解城市熱島效應(yīng)具有重要意義。
19世紀(jì)20年代，英國學(xué)者L.Howard發(fā)現(xiàn)倫敦市中心溫度高于郊區(qū)溫度的現(xiàn)象[7]。從此，城市熱島效應(yīng)成為城市氣候研究的重要內(nèi)容。隨著地理信息系統(tǒng)和遙感等新興技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們開始探究引起城市熱島效應(yīng)的背后驅(qū)動因素[8-11]。然而，目前的研究大都聚焦于城市建筑水平特征對熱環(huán)境的研究，如葛亞寧等運(yùn)用Landsat 8數(shù)據(jù)分析了北京城市建筑密度分布對熱島效應(yīng)的影響[12]；蘇俊如等利用單窗算法探究了城市建筑水平特征對城市熱環(huán)境效應(yīng)的影響，但僅選擇了建筑密度單一指標(biāo)[13]。另有學(xué)者從整體的景觀格局角度出發(fā)，分析不同景觀城市熱島效應(yīng)，如管昱等利用Landsat 8數(shù)據(jù)分析了快速城市化地區(qū)景觀格局對地表熱環(huán)境的影響[14]；潘明慧等研究了景觀格局類型對熱島效應(yīng)的影響[15]。盡管已有研究取得了較大進(jìn)展，但仍缺乏城市建筑三維精細(xì)化特征對熱環(huán)境的影響研究。
本研究以山東省濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)區(qū)域?yàn)槔?，利用Landsat 8遙感影像反演地表溫度表征城市熱島效應(yīng)，選取6個(gè)二維和三維建筑指數(shù)對城市建筑空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化表征，通過空間分析和統(tǒng)計(jì)回歸方法探究城市建筑二維和三維特征對地表溫度的影響及其季節(jié)差異性，從而加深對城市熱島效應(yīng)相關(guān)驅(qū)動因素的進(jìn)一步理解，為緩解城市熱島效應(yīng)提供科學(xué)理論依據(jù)。
1 研究區(qū)域、研究方法與數(shù)據(jù)來源
1.1 研究區(qū)域
濟(jì)南市地處山東省中西部 ，屬暖溫帶季風(fēng)氣候 ，日照充分，四季分明 。2019年末濟(jì)南市常住人口890.87萬人。濟(jì)南是山東省的政治 、經(jīng)濟(jì) 、文化 、科技 、教育和金融中心 ，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)和京滬經(jīng)濟(jì)軸上的重要交匯點(diǎn) 。其中，二環(huán)以內(nèi)區(qū)域是濟(jì)南市歷史文化名城核心區(qū)和中央活動區(qū)，是濟(jì)南城市發(fā)展新規(guī)劃的“中優(yōu)”區(qū)域。區(qū)域面積161.87 km2，區(qū)內(nèi)人口密度和建筑密度相對較高，建筑類型多樣，受熱島效應(yīng)的影響較大。因此，選取二環(huán)交通路線所包含的核心城區(qū)為研究區(qū)域 (圖1)。
1.2 研究方法
1.2.1地表溫度反演。首先，將Landsat 8波段10的像素值轉(zhuǎn)換為大氣表層輻射值，計(jì)算公式為:
R=G×DN+O。
式中：R為大氣表層輻射值；G和O分別為各個(gè)波段的增益值和偏置值，均可通過影像頭文件獲??；DN為遙感影像的像元亮度值。其次，在假設(shè)地球是一個(gè)絕對黑體的前提下，大氣表層輻射值通過以下公式轉(zhuǎn)換為亮溫：
圖1 研究區(qū)域及建筑分布
Tb=K2/ln (K1/R+1) 。
式中：Tb為亮溫；K1和K2是衛(wèi)星發(fā)射前預(yù)設(shè)的常量，對于Landsat 8第10波段，K1=774.89 W/(m2·sr·μm)，K2=1 321.08 K。最后，地表溫度可以通過對不同地物的比輻射率的校正獲得，計(jì)算公式為：
LST=Tb/[1+(λTb/ρ)lnε] 。
式中：LST為地表溫度；λ和ρ分別為波長和波段頻率，對于Landsat 8第10波段，λ=10.9 μm，ρ=1.43×10-2mK;ε為不同地物比輻射率，可通過植被指數(shù)閾值來獲取[16-17]。地表溫度具體的計(jì)算過程參考C.Yang等的研究[18]。
1.2.2城市建筑2D/3D精細(xì)化特征表達(dá)。為了對城市建筑特征進(jìn)行精細(xì)化表達(dá)，選取建筑覆蓋率、建筑斑塊密度、建筑周長密度3個(gè)二維指標(biāo)以及建筑平均高度、建筑體積和建筑容積率3個(gè)三維指標(biāo)共6個(gè)指標(biāo)對城市的建筑特征進(jìn)行分析[19]。選擇的指標(biāo)能夠較全面地反映建筑特征，計(jì)算簡便，冗余度低。① 建筑覆蓋率反映城市在水平方向上建筑的密集程度。計(jì)算公式為：
式中：BCR為建筑覆蓋率；Ai為第i個(gè)建筑物的基底面積；A為街區(qū)面積。② 建筑斑塊密度反映單位面積上的斑塊數(shù)。計(jì)算公式為：
BPD=(n×10 000)/A。
式中：BPD為建筑斑塊密度(無量綱)；n為建筑數(shù)量；A為街區(qū)面積。③ 建筑周長密度反映建筑長度的密集程度。計(jì)算公式為：
式中：BED為建筑周長密度(無量綱)；Li為建筑i的周長；L為街區(qū)周長。④ 建筑平均高度反映城市樓房平均高度信息。計(jì)算公式為：
式中：BH為建筑平均高度；Hi為建筑i的高度。⑤ 建筑體積是城市建筑的三維形態(tài)描述。計(jì)算公式為：
式中：BV為建筑體積；Ai為建筑i的基底面積；Hi為建筑i的高度。⑥ 容積率反映一定用地內(nèi)的開發(fā)強(qiáng)度和人居舒適度。計(jì)算公式為：
式中：FAR為容積率；Ai為建筑i的基底面積；Fi為建筑i的樓層數(shù)；A為街區(qū)面積。
1.2.3空間分析與統(tǒng)計(jì)回歸。為了定量探究城市建筑三維空間結(jié)構(gòu)對熱環(huán)境的影響，利用濟(jì)南市路網(wǎng)將研究區(qū)劃分為253個(gè)街區(qū)，街區(qū)平均面積為63.98 hm2，將街區(qū)作為基本的分析單元。不同街區(qū)的建筑特征存在明顯的差異性，可以較好地區(qū)分不同建筑特征對地表熱環(huán)境的影響。此外，利用街區(qū)作為分析單元可以滿足統(tǒng)計(jì)回歸對樣本數(shù)量的要求。計(jì)算每一個(gè)街區(qū)對應(yīng)的6個(gè)二維/三維建筑指數(shù)和街區(qū)內(nèi)的平均地表溫度，利用GIS特有的空間分析功能將城市建筑的分布格局和二維/三維特征進(jìn)行空間化呈現(xiàn)，便于從空間上提供有效信息。利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析地表溫度與6個(gè)建筑指數(shù)之間的相關(guān)性，然后以街區(qū)的平均溫度作為因變量，以6個(gè)建筑指標(biāo)作為自變量，建立地表溫度與建筑指標(biāo)之間的線性回歸模型，定量分析單個(gè)不同建筑指標(biāo)對城市熱島效應(yīng)的影響差異。地表溫度不止受一個(gè)因素的影響，因此，使用多元逐步回歸模型分析不同建筑指標(biāo)對地表溫度變化的貢獻(xiàn)程度。
1.3 數(shù)據(jù)來源
研究數(shù)據(jù)主要包括遙感數(shù)據(jù)、濟(jì)南建筑矢量數(shù)據(jù)以及路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)以地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)獲取的2017年6月17日和12月22日兩景Landsat 8 (行列號為122/035)影像為主要數(shù)據(jù)源，當(dāng)日云量較少，透光率高，成像效果較清晰。利用ENVI軟件對數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)和大氣校正等預(yù)處理。建筑矢量數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，借助Google Earth等高分辨率影像，在ArcGIS軟件支持下對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量編輯、拓?fù)涮幚淼炔僮?，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足要求后進(jìn)行特征表達(dá)。參考《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50352—2019)，將建筑按高度劃分為低層建筑、多層建筑、高層建筑、超高層建筑4種類型。路網(wǎng)則以衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，同時(shí)以百度地圖等相關(guān)數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充，對濟(jì)南主城區(qū)道路進(jìn)行矢量化提取。
2 結(jié)果與分析
2.1 城市建筑空間分布特征
濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)核心城區(qū)建筑主要分布在北部和中部，南部由于分布較多的山地而建筑數(shù)量相對較少。從不同高度建筑的空間分布看，南部雖然建筑物數(shù)量較少，為了充分利用有限的土地資源，高層建筑卻相對較多。整體上，研究區(qū)內(nèi)低層建筑分布最為廣泛，且北部低層建筑更為密集。
建筑高度的統(tǒng)計(jì)分類結(jié)果(表1)表明，建筑高度與建筑的空間分布相一致，即濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)核心城區(qū)的建筑大多數(shù)為低層建筑，占60.58%。隨著建筑高度的增加，建筑數(shù)量呈逐漸減少的趨勢，其中超高層建筑最少，僅占0.02%。
表1 濟(jì)南市二環(huán)內(nèi)建筑信息統(tǒng)計(jì)Tab.1 Information statistics of builsings inside the second ring of Jinan City
2.2 城市建筑三維精細(xì)特征分析
將濟(jì)南市二環(huán)內(nèi)建筑的6個(gè)二維/三維指標(biāo)進(jìn)行空間化展示(圖2)。從建筑覆蓋率(BCR)和建筑斑塊密度(BPD)的空間分布(圖2a，圖2b)可以看出，濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)街區(qū)建筑覆蓋率較高的區(qū)域集中在東北部，且以低層和多層建筑為主，覆蓋率較低的區(qū)域集中在南部，且以高層和超高層建筑為主；斑塊密度分布狀態(tài)以橫向中心線為軸，南北差異較為顯著，呈現(xiàn)“南疏北密”的分布格局。從建筑周長密度(BED)的空間分布(圖2c)可以看出，濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)街區(qū)周長密度分布離散且無規(guī)則。從建筑平均高度(BH)的空間分布(圖2d)可以看出，濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)低層建筑街區(qū)和高層建筑街區(qū)所占面積近似，比例相近。超高層街區(qū)主要分布在中心地區(qū)，西北部區(qū)域建筑街區(qū)平均高度較低，東南部區(qū)域建筑街區(qū)平均高度較高。從建筑體積(BV)和建筑容積率(FAR)的空間分布(圖2e，圖2f)可以看出，南部區(qū)域建筑體積大于北部，市中心區(qū)域的建筑容積率則明顯大于南部和北部。南部雖然建筑數(shù)量較少，但高層建筑較多，因此，建筑體積較大，而大面積的山地區(qū)域又降低了建筑容積率。此外，區(qū)內(nèi)城市建筑二維特征與三維特征的空間分布差異明顯，兩者之間并沒有特定的相關(guān)性。
圖2 建筑二維/三維特征空間分布
2.3 城市熱島效應(yīng)冬夏時(shí)空分布特征
利用地表溫度反演方法計(jì)算地表溫度，采用自然間斷點(diǎn)分級法對溫度進(jìn)行重分類操作，按照溫度從高到低劃分為最高溫、較高溫、高溫、中溫、低溫、較低溫、最低溫7個(gè)等級，將最高溫、較高溫和高溫面積之和定義為“熱島效應(yīng)”區(qū)域，將冬夏兩季的溫度等級及對應(yīng)的具體溫度數(shù)值進(jìn)行可視化表達(dá)(圖3)。
圖3 濟(jì)南市二環(huán)以內(nèi)區(qū)域地表溫度空間分布
整體來看，高溫區(qū)域的空間分布與建筑有著較好的一致性。夏季地表溫度均值為41.26 ℃，熱島效應(yīng)主要集中在東北部居民區(qū)密集處，在城市中西部、部分工廠集中地以及南部的個(gè)別居民區(qū)也有零散的分布，該區(qū)域建筑分布相對密集，其地表溫度都高于44.0 ℃，最高處可達(dá)53.0 ℃。低溫主要分布在西南與東南部分地區(qū)，這些區(qū)域主要為林地以及風(fēng)景區(qū)。此外，城市內(nèi)部的河流、大明湖、濟(jì)南動物園以及濟(jì)南森林公園等非建筑區(qū)域溫度同樣普遍較低，介于29～38 ℃，其他區(qū)域溫度大多集中在38～44 ℃(圖3a)。冬季地表溫度平均值為7.71 ℃，其熱島效應(yīng)區(qū)域僅占33.05%，明顯小于夏季的46.19%(表2)，且空間分布相對于夏季較為分散。低溫區(qū)域在城市內(nèi)部幾乎均勻分布，甚至在夏季全部為高溫區(qū)域的東北部區(qū)域也有出現(xiàn)(圖3b)，可能與高層建筑物陰影有關(guān)。
表2 冬夏兩季各溫度等級所占面積比例 %
2.4 建筑三維精細(xì)化特征對熱環(huán)境的影響機(jī)制
為了定量分析城市建筑三維特征對城市熱島效應(yīng)的影響，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)回歸方法分析建筑二維/三維特征對地表溫度的影響程度。去除異常值后，回歸得到6個(gè)城市建筑指數(shù)與地表溫度之間的相關(guān)系數(shù)(表3)。結(jié)果表明，夏季地表溫度與建筑覆蓋率(BCR)、建筑斑塊密度(BPD)以及建筑周長密度(BED)之間具有正相關(guān)關(guān)系，且建筑物覆蓋率(BCR)與地表溫度的正相關(guān)強(qiáng)度最大；建筑平均高度(BH)和建筑體積(BV)與地表溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而建筑容積率(FAR)與地表溫度之間沒有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。冬季地表溫度與建筑物覆蓋率(BCR)和建筑周長密度(BED)之間呈正相關(guān)關(guān)系，與建筑平均高度(BH)和建筑容積率(FAR)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，與建筑斑塊密度(BPD)和建筑體積(BV)沒有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。
表3 建筑指標(biāo)與地表溫度之間的Pearson相關(guān)系數(shù)
夏冬季單個(gè)建筑指數(shù)與地表溫度的線性擬合模型(圖4，圖5)進(jìn)一步闡明了建筑指數(shù)對地表溫度的影響程度。在街區(qū)尺度上，建筑覆蓋率每增加10%，夏季和冬季的地表溫度分別可增高0.93 ℃，0.25 ℃。雖然建筑斑塊密度和建筑周長密度有增溫作用，但效果并不明顯。地表溫度隨著建筑平均高度增加而出現(xiàn)降低的趨勢，在建筑平均高度小于20 m時(shí)，街區(qū)的平均地表溫度有高值也有低值；當(dāng)建筑平均高度大于20 m時(shí)，夏季地表溫度大都小于43 ℃，高于44 ℃的街區(qū)相對較少；絕大多數(shù)街區(qū)對應(yīng)的冬季地表溫度則低于7.5 ℃。
進(jìn)一步采用逐步多元線性回歸模型探究各建筑指數(shù)對地表溫度變化貢獻(xiàn)程度的差異(表4)?？梢钥闯觯S指標(biāo)建筑覆蓋率(BCR)進(jìn)入夏季模型且對地表溫度有著顯著的正向影響作用(標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)為0.626)，三維指標(biāo)建筑平均體積(BV)和建筑容積率(FAR)進(jìn)入模型，兩者對地表溫度有著負(fù)面的影響，上述3個(gè)建筑指標(biāo)對地表溫度的影響作用在0.01水平上都是顯著的，R2為0.395，表明該模型綜合起來對地表溫度變化的解釋力可以達(dá)到39.5%，考慮到街區(qū)地表溫度除了受建筑的影響外，同時(shí)也受到林地、灌木、草地、水體以及社會經(jīng)濟(jì)活動的影響，因此，該模型在一定程度上能夠較好地解釋地表溫度的變化。在冬季，建筑覆蓋率(BCR)和建筑斑塊密度(BPD)是進(jìn)入模型的二維指標(biāo)且兩者都具有正向影響作用，即隨著建筑物覆蓋率和建筑斑塊密度的增加，冬季地表溫度呈現(xiàn)升高趨勢。建筑平均高度(BH)和建筑容積率(FAR)是進(jìn)入模型的三維指標(biāo)且兩者都具有負(fù)面作用，即隨著建筑物高度和建筑容積率的增加，冬季地表溫度呈現(xiàn)降低趨勢。
圖4 夏季城市建筑二維/三維特征與地表溫度的線性擬合模型
圖5 冬季城市建筑二維/三維特征與地表溫度的線性擬合模型
2.5 城市建筑二維/三維特征對地表溫度的影響
綜合城市建筑二維/三維精細(xì)化特征的多元線性回歸模型能夠較好地解釋地表溫度的變化，夏季能夠解釋39.5%，冬季為40.2%。建筑二維特征對城市地表熱環(huán)境的影響作用要大于三維特征，其中建筑覆蓋率(BCR)對地表溫度的影響最為顯著(夏季兩者相關(guān)系數(shù)為 0.69)，是影響地表熱島效應(yīng)最重要的驅(qū)動因素。地表溫度反映的是物體表面的溫度，與物體本身的材料性質(zhì)有著明顯的聯(lián)系。相比于自然地表，建筑等人造地物能夠存儲大量的太陽熱輻射并進(jìn)行再輻射，建筑覆蓋率(BCR)高表明建筑所占的面積大，減少了地表水分蒸發(fā)量和水分可用性，并能夠?qū)^(qū)域起到增溫作用，對地表溫度的影響作用最為顯著。本研究得到的建筑覆蓋率與地表溫度之間的高度正相關(guān)性與已有學(xué)者的研究有著較強(qiáng)的一致性[12-20]。多元線性回歸結(jié)果表明建筑斑塊密度對地表溫度的影響并不十分顯著，這與蘇俊如等[13]的研究結(jié)果不同，可能與研究區(qū)地理位置、研究區(qū)內(nèi)建筑物理形態(tài)大小差異等存在一定關(guān)聯(lián)。此外，建筑物斑塊密度僅僅反映建筑物的數(shù)量特征，建筑物斑塊密度高并不意味著整體建筑覆蓋面積大，有可能是數(shù)量較多的面積較小(或者較大)的建筑組成，因此，與地表溫度的關(guān)系并不十分緊密。
表4 地表溫度與建筑指數(shù)多元線性逐步回歸模型的擬合結(jié)果
城市建筑平均高度與地表溫度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著建筑平均高度的增加地表溫度出現(xiàn)降低，且這種現(xiàn)象在冬季更為突出(相關(guān)系數(shù)為-0.63)?？赡艿脑蚴歉邔咏ㄖ^(qū)建筑物之間的距離通常較大，有利于空氣通風(fēng)效率，更為重要的是冬季太陽高度角較低，高層建筑能夠大量增加地面陰影面積，使區(qū)域累積日照時(shí)間減少，減少了地表接受的太陽直接輻射，從而大幅降低街區(qū)的地表溫度[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，如果單純建立城市建筑容積率與地表溫度之間的線性模型，兩者之間的關(guān)系并不明顯；而在多元線性回歸模型中，建筑容積率(FAR)能夠進(jìn)入模型，冬夏兩季的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)分別為-0.323和-0.151，說明建筑容積率結(jié)合其他建筑指標(biāo)也對地表溫度的變化產(chǎn)生影響。
3 結(jié)論、啟示與討論
3.1 結(jié)論
濟(jì)南市二環(huán)區(qū)域內(nèi)城市建筑分布以橫向中心線為軸，南北差異較為顯著，呈現(xiàn)“南疏北密”的分布情況，建筑以低層建筑為主，占比高達(dá)60.58%。城市建筑二維特征空間分布與三維空間格局差異較為明顯，兩者空間格局并沒有明顯的相關(guān)性。
從空間上看，地表溫度空間格局與建筑空間分布有著良好的一致性，即高溫區(qū)域與建筑覆蓋率較高的區(qū)域相吻合，低溫區(qū)域主要出現(xiàn)在河流、湖泊和公園等建筑物相對較少的區(qū)域。
相關(guān)分析表明，地表溫度與二維建筑指標(biāo)呈正相關(guān)性，而與三維建筑指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)性，與建筑容積率并沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的明顯聯(lián)系。建筑覆蓋率與地表溫度相關(guān)系數(shù)最大(0.69)。建筑覆蓋率每增加10%，夏季地表溫度可增高0.93 ℃，冬季增高0.25 ℃；地表溫度隨著建筑平均高度的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢，當(dāng)建筑平均高度大于20 m時(shí)，降溫現(xiàn)象更為明顯。
建筑二維/三維特征相結(jié)合能夠有效解釋地表溫度的變化量，二維指標(biāo)對地表溫度的影響要大于三維特征的影響，建筑高度在冬季與地表溫度存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在未來城市規(guī)劃中可適當(dāng)考慮提高中高建筑物比例來緩解熱島效應(yīng)并節(jié)約城市用地。
3.2 啟示
城市熱島效應(yīng)給生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)帶來眾多負(fù)面影響，在城鎮(zhèn)化大背景下提出緩解城市熱島效應(yīng)的有效措施十分必要。隨著城市建筑覆蓋率的增加，城市熱島效應(yīng)呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢，但城市建筑的三維高度能夠在一定程度上增加陰影面積、增大樓間通風(fēng)進(jìn)而緩解了熱島效應(yīng)。因此，除傳統(tǒng)的增加綠地和水體覆蓋率降低地表溫度外，還可以在未來城市規(guī)劃中適當(dāng)考慮提高中高層建筑的比例，既能滿足城鎮(zhèn)居民的住房需求，也能節(jié)約土地利用，同時(shí)為增加樹木等降溫地表類型的面積提供了更大可能性[23-24]。
3.3 討論
受限于客觀建筑數(shù)據(jù)獲取的不足，研究范圍相對較小，研究結(jié)果有一定局限性?？紤]到目前地理大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，未來能夠獲取的豐富而又精細(xì)化的城市建筑數(shù)據(jù)和城市地表溫度數(shù)據(jù)，研究的時(shí)空尺度將會進(jìn)一步突破，城市三維空間結(jié)構(gòu)對熱島效應(yīng)的影響將會成為研究熱點(diǎn)[25]。
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