基于景观组成与构型的城市地表热岛空间分布预测研究文献综述

 2023-03-19 11:44:05

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本科生毕业设计（论文）文献综述

论文题目

基于景观组成与构型的城市地表热岛空间分布预测研究

一、文献综述

（一）国内外研究现状

1.1研究背景

近年，城市城镇化进程加快，大量农村人口向城市集聚，人口膨胀，城市面积加速扩张，城市下垫面发生急剧改变，导致城市热环境受到影响，产生热岛效应。城市的建筑体量、密度进一步增加，侵占生态绿地、水域面积，城市生态出现一系列环境问题，城市热岛效应逐渐成为影响城市发展的主要问题。

1.1.1城市热岛定义和强度

早在1833年英国Lake Howard就记载了伦敦城区的温度比郊区高1.1℃的现象[1]。现在普遍认为，城市热岛效应是指当城市发展到一定程度的时候，由于城市下垫面性质的改变、大气污染和人为热排放等使得城市温度明显高于郊区，从而形成类似高温孤岛的现象[2]。Oke[3]定义城市热岛强度为城区的最高温度与郊区温度的差值。

1.1.2城市热岛形成原因

关于城市热岛效应形成的原因机制，已有许多学者进行过研究，彭少麟等人认为城市热量平衡是热岛效应形成的能量基础[2]。研究认为城市热岛主要是由于城市人为废热的排放、下垫面性质改变、城市建设程度、地理条件等因素综合作用而形成的。

(a)人为废热排放和大气污染

城市人为废热主要来自工厂车间机械生产、机动车排放、空调运转和人们日常生活及建筑物，不停地向近地面大气排放大量人为废热和粉尘温室气体,使城市变成发热体。人为热排放对城市热岛的影响主要由2个途径实现:①人为热排放直接向近地层大气提供热量，气温升高;②城市人为热排放的同时，也大量排放温室气体，加剧城市热岛强度[4]。

(b)下垫面性质改变

随着城市化进程的加快，水泥、柏油路面和混凝土结构的硬质建筑物所占的面积比逐渐上升，约占城市下垫面面积的70%~80%以上，但绿地和水体面积相对郊区较少。而郊区下垫面则以植被、草地、农田和水体为主。城市和郊区的下垫面差异明显。主要表现为：城市反射率比绿地小，在相同的太阳辐射条件下，吸收的太阳辐射多于郊区下垫面，而城市下垫面的热容量比郊区下垫面大，导热率却比郊区的小，因此城市下垫面能够吸收更多热量[4]。同时，城市高楼林立，建筑物墙体与地面、墙体与墙体之间经过多次反射吸收热量，通过长波辐射，使城市近地空气温度维持在高值[5]。

1.1.3城市建成度

城市道路走向设计或几何形状不合理,风速小、热量不易散发,温室气体难以迅速扩散，引起局部地区气温过高。而且城市人口越多，规模越大，热岛效应越明显。

其他因素还包括局部的气候条件、地形地貌、海陆位置等，总之，城市热岛的影响因子很多，其中人类活动占主要地位，共同作用于城市大气环境。

1.2研究意义

城镇化进程加快为经济发展了提供动力，但同时也加剧了热岛效应。国家环保总局公布的《中国城市环境保护》报告中列举了城市环保工作面临的三大新问题，其中，城市热岛效应榜上有名[6]。党的十八大提出将生态文明建设作为统筹推进“五位一体”总体布局的重要内容，牢固树立新的发展理念，落实高质量发展要求。城市热岛是生态文明背景下亟需考虑的难题。热岛效应会引起城乡之间的气压差，形成空气环流，热空气上升，冷空气下降，郊区空气汇集到城市，会加重城市大气污染，恶化生活环境，还会增加地面臭氧浓度，更严重的甚至会提升城市人口死亡率，其对居民的健康危害表现为神经症、抑郁和记忆力减退等[7]。此外，城市热岛效应加剧了城市的电力消耗，导致能源的过度使用。据美国能源部的统计，为了缓解热岛效应带来的不适,美国政府每年都要多花100亿美元左右的巨额能源成本支出[8]。Fung等[9]研究表明，香港夏季月平均气温升高1℃，香港家庭电力消耗、商业电力消耗、工业电力消耗将分别增加9.2%，3.0%，2.4%，相应经济方面的影响达17亿港币。因此，如何有效地降低热岛效应及其对环境、经济发展的消极影响，一直是城市环境研究的主要问题之一。

在社会发展的过程中，人类活动增加，改变了土地利用的现状。由于构成景观的每一种土地覆盖类型都有其独特的辐射、热和湿度特性，影响着地表热辐射，影响程度一般是建筑用地gt;绿地gt;水体[10]，因此城市建设和景观格局的变化在一定程度上会破坏生态环境，直接影响着人类的生存，所以研究城市景观格局及其对热岛效应的定量关系，有利于合理规划城市土地资源，改善城市生态，而且对于了解区域乃至全球环境变化具有重要的意义。

（二）研究主要成果

2.1城市热岛效应测度

地表温度是研究城市热岛效应的重要参数。利用遥感监测，观测时相多，观测范围广，能够快速有效地获得大面积城市热场信息，观测周期和观测时间短，能长期连续观测，反映动态变化、受地面条件限制少，获得的信息量大，可以用图像直观显示，易于分析。反演地表温度的单波段的方法，主要包括辐射传导方程法、单窗算法、单通道算法[11]。辐射传导方程法要比较精确的大气剖面数据；单窗算法和单通道算法相比较更精确。这些算法都要进行地表比辐射率的计算。

2.1.1辐射传导方程法

辐射传导方程法，又称大气校正法，主要原理是根据大气探测数据、大气廓线数据来评估大气对地表热辐射的影响，并从卫星观测的热辐射总量中去除此部分大气影响，得到真实的地面热辐射强度，继而转换成相应的地表温度[12]。

卫星接收到的热红外辐射亮度值表达即辐射传导方程：

上式中，是地表辐射率，是地面真实温度单位为k；是大气在热红外波段的透过率。

假设地表、大气对热辐射都具有朗伯体性质，根据下列公式可得出黑体的辐射亮度。

上式中透过率、大气上行辐射亮度、大气下行辐射亮度参数可以通过NASA网站(http://atmcorr. gsfc. nasa. gov/)，输入影像的成像时间、中心经纬度等数据得到。

得到地表同温度下的黑体辐射亮度后，根据普朗克黑体辐射定律，计算出地面温度。

，为常数，对于landsat 8 TIRS B10的=774.8853，=1321.0789。

2.1.2单窗算法

辐射传导方程法由于对大气剖面数据、探空数据的依赖，覃志豪等[13-14]提出了一种基于TM数据的地表温度反演算法——单窗算法。公式如下：

上式中是地表反演温度（K），为亮度温度（K），为大气平均作用温度（K），a取-67.35535，b取0.45861；C、D为中间量。

公式中的为大气透射率，为近地气温（K）。

2.2预测土地利用变化

已有许多学者通过不同方法对土地利用空间模拟与预测进行研究，如元胞自动机模型、CLUE-S (Conversion of Land Use and its Effects at Small region extent)模型、FLUS（Future Land Use Simulation）模型、系统动力学模型等。杨俊等[15]用1998年、2004年和2009年的大连市经济技术开发区数据，基于元胞自动机开发模型模拟1998～2009年土地利用变化取得了较好的效果；阮俊杰等[16]基于CLUE-S模型，对上海青浦区2040年土地利用格局进行模拟，该模型具有良好的土地利用格局模拟能力；王明常等[17]基于FLUS模型对长春市土地利用动态变化进行研究，模拟效果较好。元胞自动机是一个离散的动力学模型，由个体之间局部的行为演化出时间和空间上全局的变化模式，所以它经常被用于土地利用变化、火灾模拟等许多方面[18]。CLUE-S模型是Verburg等科学家在其较早的CLUE（The Conversion of Land Use and its Effects）模型的基础上创建而成。CLUE-S模型包括非空间分析模块和空间分析模块两大部分。CLUE-S模型与其他模型的主要区别在于可以对全局土地利用类型进行空间配置，更适合中小尺度土地利用变化研究。FLUS模型是刘小平等基于元胞自动机模型构建的地理模拟与决策支持系统[19]，耦合了空间模拟和空间优化的模型，适用于土地利用变化模拟和土地利用分布格局变化等方面。该模型提出并应用自适应惯性竞争机制，有效解决多种土地利用类型在自然作用与人类活动共同影响下发生相互转化时的不确定性与复杂性，使其具有较高的模拟精度。

2.3景观格局与地表城市热岛

2.3.1景观格局

对城市绿地空间格局的研究主要包括空间组成和空间配置两大类。城市内部不同规模和属性的景观要素，以斑块、廊道和基质三个景观结构成分，重复地镶嵌在一起，形成一定的城市景观格局。景观格局分析方法包括景观指数法、空间统计法、景观模型模拟方法，其基础一般是详细的景观分类数据。对地表进行明确的土地利用与覆盖类型(LULC)划分是景观与城市热岛分析乃至景观生态学其他研究中最常见的做法，如监督、非监督分类、目标识别、决策树分类等。

对城市绿地格局的度量方法主要是借助景观指数。景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置等方面特征的简单定量指标[20]。景观格局指数包括斑块水平、类型水平和景观水平3个层次，景观水平指数是对研究范围内整体特征的描述，指数计算利用Fragstats软件可得到。

通过景观格局指数分析景观空间构型与热岛效应的关系，提取出影响热岛效应的关键空间构型指标。在识别景观组分与热岛效应关联特征基础上，国内主要研究以描述面积-周长、形状、集聚、多样性为主的数十个景观空间构型指标与热岛效应关联规律。斑块水平指数包括与单个斑块面积、形状、边界特征以及距其它斑块远近等系列的简单指数，此外还包括一些统计学指标，如斑块平均面积AREA_MN(Mean patch area)、平均形状指数SHAPE_MN(Mean shape index distribution)等。斑块类型指数代表了景观中单个斑块类型的空间分布和格局。在景观水平上除斑块类型水平上出现的相应指数之外，还计算各种多样性指数，如Shannon-Weaver多样性指数、Simpson多样性指数、均匀度指数等和聚集度指数AI(Aggregation index) [21]。

景观组成是指构成景观类型的气候、土壤、植被等特征组分。即各景观类型占比，其与太阳辐射的热量吸收、水分的蒸散吸热过程直接对应，决定了地表的热量传输关系，从而直接影响城市热岛强度[21]。其中，用来衡量热岛效应和景观组分的关系的指标主要有归一化差值植被指数(NDVI)、不透水地表面积(ISA)，还有土地利用类型及与之密切相关的归一化差值建筑指数(NDBI)、增强植被指数(EVI)、归一化差值水体指数(NDWI)等。相关文献表明，ISA、NDBI、NDWI、NDVI等指标与热岛效应相关性较强。然而，在统计尺度与季相的差异背景下，上述生物物理参数指标并非在任何条件下均与城市热岛效应显著相关。

研究表明，城市绿地的空间组成对城市热岛效应有显著的影响作用，具体表现为城市绿地的斑块所占景观面积的比例(PLAND）和斑块类型总面积(CA)指数与地表温度呈显著负相关，而不透水下垫面的PLAND和CA指数与地表温度呈显著正相关[22]。研究也表明，增加绿地面积能有效降低地表温度。在福州城市冷岛研究中，提出绿地的大小和形状会显著影响城市冷岛，其中绿地面积越大，降温效益越高[11]。

空间构型是指斑块在空间上的分布或特性，如形状、边界、位置和连接度等。多数研究都证实城市绿地的斑块密度（PD)和聚集度(AI)与地表温度呈显著的负相关性，而不透水表面的上述指数与地表温度呈显著的正相关性[23]，即城市绿地的斑块密度越高，聚集度越高，地表温度越低，而不透水表面与之相反。然而，也有一些研究结果互相矛盾，城市热岛强度与城市绿地的平均形状指数分布(SHAPE_MN)显著负相关，表明城市绿地的形状越复杂，热岛强度越低[24]。而Yu等人研究则发现，形状越简单的城市绿地，降温效果越好[11]。另外，也有研究对不同类型绿地的冷岛效应进行比较，结果表明楔形绿地的冷岛强度最大，其次为辐射状和点状绿地，带状绿地的冷岛强度最小[25]。

2.3.2缓解地表城市热岛的措施

人们认为缓解城市热岛最好的办法是要减少人为排放，通过改变建筑物、道路的材料和结构或城市冠层来优化土地利用和覆盖的格局。Oleson等模拟了增加“白色”屋顶所带来的效益，其研究称，若全世界的城市都用白色屋顶，则年平均热岛强度降低33%[26]。许多研究都证实了公园绿地的“冷效应”和不透水层“热效应”，在城区增加树木，不仅能增加潜热，还可以吸收以减缓温室效应，在降温方面有很大的作用。Shashua-Bar等在微小尺度上测量了分别由树木、草地、人工纤维遮蔽的院子的气温和地表温度，发现树木对地表温度的调节作用显著，对大气温度也有一定的调节作用[27]。另外很多研究可以证明绿地和水体(有时指湿度)对缓解热岛效应的作用，也就是从景观基质层面与城市热岛效应做了相关分析。

2.4土地利用与地表城市热岛测度

要研究两个要素之间的相关性，在统计学上一般采用皮尔逊、肯德尔和斯皮尔曼相关系数分析方法。

Pearson相关系数是用来衡量两个数据集合是否在一条线上面，它用来衡量定距变量间的线性关系。两个变量之间的皮尔逊相关系数定义为两个变量之间的协方差和标准差的商。它是最常用的相关系数，又称积差相关系数，取值-1到1，绝对值越大，说明相关性越强。

肯德尔(Kendall)W系数又称和谐系数，是表示多列等级变量相关程度的一种方法。适用这种方法的数据资料一般是采用等级评定的方法收集的；U系数又称一致性系数，是表示多列等级变量相关程度的一种方法。

斯皮尔曼相关系数是依据两列成对等级的各对等级数之差来进行计算的，所以又称为“等级差数法”。斯皮尔曼等级相关对数据条件的要求没有积差相关系数严格，只要两个变量的观测值是成对的等级评定资料，或者是由连续变量观测资料转化得到的等级资料，不论两个变量的总体分布形态、样本容量的大小如何，都可以用斯皮尔曼等级相关来进行研究。

（三）发展趋势

将来的研究不仅需要不断完善城市绿地、热岛效应的测度方法，还需要将问题与政策、规划实践相结合，提出针对性的研究方法。从根本上来讲，这些关系与影响都是人类规划建设活动的结果。即在对城市空间与绿地形态更完整认识的基础上，如何通过追求合理的城市绿地布局，最大可能减少城市热岛的影响，加强城市生态环境与城市绿地规划的结合，以提高研究成果的合理性，是今后一个重要的研究方向。

（四）存在的问题

总体而言，城市景观配置及组成对热岛效应的影响研究还在不断发展阶段，已有许多学者借用景观生态学中的景观指数方法对城市绿地格局进行量化分析，从格局的视角对城市绿地的降温机制进行分析。特别是近几年研究逐渐深入，包括不同城市、不同年份、不同类型的城市绿地对热岛效应缓解作用的比较。研究结果揭示了城市绿地格局与热岛效应之间的一些关系，例如：城市绿地的空间格局会显著影响热岛效应，增加绿地的面积、周长会在一定程度上改善热岛效应，但存在阈值；绿地的斑块密度和聚集度越高，对热岛效应的缓解作用越高。但是，针对绿地形状和边界等的景观指数与热岛效应相关性的研究结果存在不同结论，这可能是因为遥感数据分辨率以及热岛效应的计算方法不同导致的。

二、查阅中外文献资料目录

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资料编号：[595888]

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