高密度建成區城市生態空間的熱環境緩釋效應
——以廣州市中心城區為例

◎ 張棋斐 吳志峰 郭冠華

高密度建成區城市生態空間的熱環境緩釋效應
——以廣州市中心城區為例

◎ 張棋斐 吳志峰 郭冠華

隨著全球城市化進程的推進，城市熱島效應已成為當下嚴重的環境問題之一，嚴重制約人類健康與城市的可持續發展。城市生態空間對城市熱島效應的緩解具有重大意義，而目前，從局地效應角度研究城市生態空間對熱環境影響還比較缺乏，影響城市生態空間降溫效應的因素還未明了。因此，本文基于多源遙感數據，對廣州市中心區生態空間進行識別并反演地表溫度，定量刻畫城市核心區內部生態空間的降溫強度，以探討廣州市生態空間斑塊結構特征和空間布局對周邊環境溫度的影響。結果表明：⑴生態空間與地表溫度的空間分布具有明顯的高低值耦合分布趨勢，生態空間越集中連片分布，越有利于促進局地熱量擴散，以緩解城市的熱島效應；⑵生態空間對周邊環境降溫強度主要由其空間結構特征和空間位置共同決定，當生態空間的空間結構特性保持一定時，其所處的空間位置不同對緩解周圍城市熱環境的作用也有所差異。本研究揭示城市生態空間的結構特征及其周圍環境對冷卻效應強度的影響機制，為促進城市的可持續發展提供有益的建議。

生態空間 城市熱島 緩釋效應 降溫強度 廣州市中心區

一、引言

城市生態用地作為城市生態空間的基石，主要是指城市中具有重要生態功能、提供生態產品和生態服務為主的區域[1,2]，城市生態用地單元所占據的物理空間共同組合成城市生態空間。城市生態空間所具備的生態環境調節、孕育、生物支持功能對社會環境和自然環境均起著舉足輕重的作用，同時也是城市復合生態系統的重要組成要素之一[3]。目前，國內主要從生態功能和生態要素兩種視角對城市生態空間這一概念進行界定。其中第一種觀點認為城市生態空間是指林地、綠地、耕地、灘涂濕地、坑塘水面等提供城市生態服務功能的自然或半自然地域空間[4]；而第二類觀點認為城市生態空間是指城市生態系統中各自然因子的空間載體（如土壤、水體、動植物等）[5]。城市生態空間承擔著保障城市社會經濟持續發展、提高居民生活水平、維護城市生態環境健康的重要任務，是城市中不可或缺的物質空間[6]，但同時也是受人類活動干擾最為強烈的地帶。

隨著全球城市化進程的加速，建設用地需求日益增加，城市生態空間不斷遭受侵占，城市生態系統的服務功能被嚴重削弱，導致城市熱島、水文循環中斷、大氣污染等諸多環境問題[7～9]。其中，由城市熱島效應引發的城市熱環境問題嚴重制約人類健康與城市的可持續發展。隨著遙感技術的發展，眾多學者利用遙感熱紅外數據對城市熱島變化以及成因機制進行大量的研究，得出在城市各種下墊面中，具有較大熱慣性和熱容量的園林、綠地、濕地等生態用地被人工不透水面（水泥、瀝青）所取代，改變了城市內部的能量平衡，在同等的太陽輻射下，其溫度增長幅度遠高于其他自然地表，導致城市熱島效應迅速加強[10]。因此，如何最大程度發揮城市內部遺存生態空間的降溫效應，對城市熱島效應的緩解具有十分重要的意義。

在前人的研究中，城市生態用地中的綠地、水體和濕地均證明具有降溫增濕作用，能夠有效調節城市局地小氣候，形成城市中的“冷島”[11～13]。在中國的城市化進程中，城市的生態空間一直處于被掠奪開發的狀態，如何最大程度的發揮城市生態空間的降溫效應是目前面臨的主要問題之一。此外，目前從局地效應角度研究城市生態空間對熱環境影響還比較缺乏，影響城市生態空間降溫效應的因素還未明了。因此，本文在前人的研究基礎上，利用Landsat8-TIRS衛星數據反演廣州市地表溫度(LST)，選取廣州市中心城區內的生態空間作為研究對象，結合3S技術與景觀格局指數方法，定量刻畫城市核心區內部生態空間的降溫強度，尤其針對生態空間的空間結構特征及其周圍環境配置對生態空間降溫效應的影響進行深入的研究，以期為獲取更大的城市熱環境改善效益，促進城市的可持續發展提供有益的建議。

二、研究區概況與數據來源

（一）研究區概況

廣州市(112°57′ —114°3′ E, 22°26′ —23°56′ N）位于廣東省的中南部，是廣東省的省會以及政治、經濟與文化中心，也是珠三角大都市區的核心城市，有中國“南大門”之稱。廣州市地處亞熱帶季風氣候，年平均降水量1700mm，年平均氣溫22℃，地勢上東北向西南傾斜，東北部為中低山地，南部為平坦的沖積平原，全市面積約7434.40km2。自上世紀改革開放以來，廣州經歷了快速城市化和城市擴張，其高密度的建成區、高強度的經濟活動導致嚴重的熱島效應。因此，本文選擇廣州市的中心城區（荔灣區、越秀區、天河區、海珠區、白云區、黃埔區）作為研究對象（圖1），面積大約為1166.37km2。該地區面臨最為嚴重的城市熱島效應，在該地區探討城市生態空間的降溫效應具有一定的代表性和意義。

（二）數據處理

1.數據來源。隨著遙感技術的發展，各種對地觀測衛星源源不斷地提供不同空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率的遙感影像。本研究運用多種遙感數據源對廣州市生態空間和地表溫度進行識別和反演。其中，多源遙感數據主要來自：①空間分辨率為2m的高分一號衛星，該衛星搭載著了2臺2m分辨率全色和8m分辨率多光譜相機，可以很好地識別地表各種生態用地類型；②利用無云或少云，圖像質量良好的Landsat8-TRIS衛星數據（行列號：122-44，時相為2015年10月18日上午10:52分）對地表溫度進行反演；③空間分辨率優于1m的無人機數據作為輔助數據，對提取的生態用地進行精度驗證，以保障所提取生態空間的準確性。

2.城市生態空間提取。本文參照國土資源部頒布的《全國土地分類》方案將土地覆蓋類型分為建設用地、林地、灌草地、耕地以及水體坑塘，共五大類；同時，結合城市生態空間概念[14]，本研究將城市生態空間界定為提供生態系統服務為主的林地、灌草地、耕地以及水體坑塘等用地類型所占據的空間。

在遙感數據處理軟件平臺ENVI的支持下，以2m分辨率的高分一號衛星數據作為基礎數據源，采用面向對象與貝葉斯光譜分析相結合的方法，提取廣州市中心城區生態空間（圖2a）。通過隨機取樣方法對分類結果進行精度評價，得出整體分類精度和Kappa系數分別為86.25%與0.91，因此可以認為廣州市中心城區的生態空間分布是基本正確的。

圖1 研究區位置示意圖

3.地表溫度反演。為保障反演地表溫度的準確性，在反演地表溫度之前，先對Landsat8-TRIS數據進行大氣校正與幾何校正。然后，運用Landsat8-TRIS數據中的熱紅外波段（band 10），結合衛星過境當天的氣象數據，使用覃志豪提出的單窗算法[15,16]反演得出廣州市地表溫度分布圖（圖2b）。

圖2 廣州市中心城區土地覆蓋類型(a)與地表溫度圖(b)

三、研究方法

（一）生態空間景觀特征計算

本研究利用ArcGIS與Fragstats 工具定量描述城市生態空間景觀的空間特征，分別選取面積（AREA）、景觀面積比例（PLAND）、斑塊破碎度（PD）、最大斑塊指數（LPI）、形狀指數（LSI）、生態空間周邊的景觀組分（建設用地比例）以及距離市中心距離（DIST）共七個指數。其中，面積（AREA）反映的是某一景觀面積的大小；景觀面積比例（PLAND）反映斑塊所占景觀面積比例；PD為斑塊密度，其值越高反映斑塊越破碎；最大斑塊指數（LPI）反映最大斑塊的面積；形狀指數通過計算生態空間邊界得到，表征景觀斑塊形狀的復雜程度，理論上來說形狀指數越大，斑塊形狀越不規則；生態空間的位置定義為它的距離從市中心的距離；建設用地比例用來衡量城市生態空間周圍的景觀構成對水體冷卻效果的影響。

（二）降溫強度分析

為了分析生態空間對周圍環境的影響強度，本研究將生態空間的降溫強度（Cooling Effect Intensity）定義為生態空間自身溫度與距離生態空間邊界500m距離之間的溫差。因此，運用ArcGIS空間分析模塊根據生態空間邊界建立距離為500m的緩沖區，并且對每個生態空間的緩沖區進行鑒別，剔除包含較大面積綠地、水體的區域，以更科學地刻畫城市生態空間對周圍環境溫度的降溫強度（式-1）。

Tb為500m緩沖區處地表溫度，Te為生態空間自身溫度。

（三）生態空間與地表溫度聚類分析

為分析生態空間與地表溫度在空間上的分布模式，本研究借助ArcGIS空間分析模塊中的Create Fishnet工具創建500m×500m格網，并將其疊置于生態空間分布圖與地表溫度分布圖上，利用Zonal Statistics工具分別統計出每個單元格網內生態空間的面積比例（PLAND）、形狀指數（LSI）以及格網內平均溫度（圖3）。

空間自相關分析能夠識別探索空間要素非隨機性空間分布情況，在地理、經濟等諸多學科得到應用[17,18]。本研究采用空間自相關分析中的Getis-G統計量，進行城市生態空間分布和地表溫度對象的空間聚集度識別，該統計量能夠很好地識別空間集聚的高值模式（Hot Spots）和低值模式（Cold Spots），能夠對集聚的整體趨勢進行判別。計算公式如下：

式中，ω(i,j)為空間權重矩陣，xi和xj分別為第i, j個變量的屬性值。計算結果主要為六種聚集類型，分別為90%、95%以及99%置信水平的高/低值集聚，如圖4所示。

四、結果與分析

（一）城市生態空間與地表溫度空間格局

1.城市生態用地空間結構。在廣州市中心城區范圍內，城市生態空間總面積大約395.72km2，占研究區總面積的33.92%；其中林地、灌草地、耕地與水體坑塘分別占據了21.41%、4.73%、2.26%與5.52%，城市生態空間具體分布如圖2a所示；結合各區生態空間的景觀格局指數（表1）。可以發現，白云區與黃埔區的AREA及PLAND數值較高，表明這兩個區城市生態空間占據面積較大，而且較大的最大斑塊指數（LPI）與較小的斑塊破碎度（PD）進一步表明白云區與黃浦區生態空間連片分布，一定程度上反映白云、黃埔兩區的生態環境狀況良好。相反，對于荔灣、越秀、海珠等城區，其AREA、PLAND、LPI指數都較小，而PD值比較大，表明這四個城區呈現出以小型斑塊為主導的破碎化格局。這可能是這四個城區受人類經濟活動影響較大，導致其生態空間面積較小，斑塊的破碎程度嚴重。

圖3 500×500m格網疊置分析示意圖

2.地表溫度空間分異特征。根據衛星過境時間（2015-10-18），查詢廣州市當天天氣狀況，可知當天氣溫在19～31℃之間，風速2.3m/s，氣壓166hPa。通常情況下，地表溫度會稍高于氣溫[19]，結合本研究的地表溫度反演結果（圖2b），可大致認為地表溫度反演結果是可信的。

從圖2b可以看出，廣州市中心城區東北部和中部的山區地表溫度相對較低，形成城市“熱環境”中的“冷島”，正好與城市生態空間的位置相耦合。其中，最為明顯的是白云山風景區、火爐山森林公園、天鹿湖森林公園以及越秀山；大面積的城市生態空間，能夠有效地促進了局地熱量擴散，緩解城市的熱島效應。地表溫度的高溫區域大多與城市建成區相對應，尤其是廣州市老城區（荔灣、越秀），其內部高密度集中連片分布的建筑景觀，導致城市熱島效應的集聚。

3.空間聚集度分析。從圖4可以看出，城市生態空間高值聚集區位于中部與東北部地區，低值聚集區位于西部一帶；而地表溫度的高值聚集區主要分布于西部與南部的荔灣、越秀、天河等城區，低值區主要集中于中部與東北部地區。其中，東北部地區的生態空間與地表溫度聚集值均在95%置信水平以上。可以發現城市生態空間的高低值聚集區與地表溫度的高低值聚集區呈現出高低值相互耦合的趨勢，進一步說明了城市生態空間是城市熱島中的低溫區，集聚的城市生態空間能夠有效地減緩地表溫度上升的幅度。

表1 生態空間景觀格局指數

（二）城市生態空間的熱環境效應

將生態空間分布圖層與地表溫度圖進行疊置分析，統計發現，中心城區內城市生態用地平均溫度為25.96℃，較廣州市中心城區平均地表溫度30.80℃低4.84℃，說明城市生態空間是城市熱島中的低溫區。為進一步確定生態空間對熱環境的影響，本研究在引入每個500m×500m格網內生態空間的面積比例以及形狀指數來描述生態空間的形態與格網內部平均地表溫度之間的關系，并繪制出散點圖（圖5）。從圖5a中我們可以發現，格網內部生態空間面積比例與該格網內地表溫度均值存在線性的負相關關系，相關系數R2為0.55；這意味著，隨著生態空間面積的增大，城市生態空間對周邊環境溫度的影響程度逐漸增強，導致格網內部的均溫逐漸下降，這也進一步驗證了前人所得到“面積是影響綠色空間降溫效應的主要因子”的結論[7]。雖然生態空間與地表溫度之間也存在著負相關關系，但是存在著一部分地表高溫離群點，說明了生態空間的降溫效應不只受面積比例這單一因子影響，還存在著空間不一致性問題。

圖4 城市生態空間(a)與地表溫度(b)高值/低值聚集分布特征

從生態空間形狀指數來看（圖5b），格網內生態空間形狀指數與格網內部地表均溫存在正相關關系，決定系數R2為0.47，這可能是由于斑塊的形狀越復雜，其內部的能量越容易與外部環境進行交流[20]。因此，當格網內的生態空間邊界越復雜，其內部能量于周圍環境交換得越強烈，其內部能量更容易受到外界干擾，城市生態空間對周邊環境溫度的影響程度減弱，從而導致具有較大形狀指數的格網其溫度較高。

（三）生態空間景觀特征對周邊熱環境的影響

圖5 生態空間的面積百分比(a)與形狀指數(b)的地表溫度散點圖

為了定量刻畫生態空間的斑塊結構特征（AREA、LSI、LPI、PD）、生態空間周圍景觀組分（PB）以及生態空間的具體空間位置（DIST）對生態空間降溫強度的影響，本研究對廣州市中心城區生態空間的空間景觀特征進行多元回歸分析，結果如表2所示。從表中我們可以發現，回歸模型的決定系數R2為0.71，其中面積比例、形狀指數、建設用地比例和距市中心距離，共四個指標在0.05置信水平以內。對于獨立變量來說，標準化系數（Std.coefficient）能用于確定哪些自變量對因變量的貢獻更大。因此，模型中自變量的重要性依次為生態空間面積（1.415）、形狀指數（-0.429）、建設用地面積比例（0.316）以及距離市中心距離（-0.273）；其中生態空間面積和周圍建設用地面積比例與生態空間冷卻強度（CE Intensity）呈正相關關系，而形狀指數和距離市中心距離與冷卻強度呈負相關關系。這表明了城市生態空間的面積越大以及生態空間周圍建設用地面積比例越高，城市生態空間的降溫效應越明顯。與此相反，更不規則的幾何形狀的水體和更遠的距離從市中心中心往往有較小的冷卻強度。

表2 生態空間降溫效應與生態空間景觀特征的多元回歸分析

五、討論與結論

研究發現，廣州市中心城區生態空間景觀主要集中分布于白云、黃埔兩區，而荔灣、越秀、天河等城區生態空間破碎化嚴重。通過ArcGIS的Getis-G指數聚類分析，可以發現地表溫度與生態空間的空間分布上具有很強的一致性，地表溫度的低值區主要對應著生態空間分布的高值區并且置信水平均在90%以上，一定程度說明了城市生態空間能有效減緩同等太陽輻射下地表的升溫效果。前人的研究發現，城市綠地的空間特征（如面積和幾何形狀）對城市熱島效應的緩解有著重要的作用[21,22]，本文對廣州市中心城區的生態空間的熱環境效應研究也得出了相類似的結論。通過以500m×500m格網為分析單元，分析生態空間的景觀特征（面積比例與形狀指數）與地表均溫的關系，雖然發現生態空間的面積大小與邊界復雜程度均會影響格網內部的溫度，但是均存在著明顯的空間不一致性的問題，表明城市生態空間的降溫效應受多種因素的影響。在今后的研究中，對生態空間斑塊的大小、何種分布組合才能使得降溫效應的最大化還需進一步的探討。

對于生態空間景觀特征對周邊熱環境的影響，通過多元回歸分析發現，生態空間的面積標準化系數最大，因此生態空間對周圍環境的降溫幅度主要受生態空間的面積影響。生態空間的邊界復雜程度對降溫效應有負面的影響，這意味著邊界較為規則的生態空間有利于增強其降溫效應，進一步耦合了前人的研究結果[22]。此外，本研究還發現了一個有趣的現象，即生態空間的冷卻強度還受到生態空間的分布位置和周圍建設用地的影響，生態空間周圍建設用地比例越高、越密集的建成區能夠大幅增加生態空間周圍的地表溫度，從而導致更高的冷卻強度。此外，越接近市中心的生態空間降溫幅度更大，證實了即使生態空間具有相同的結構特性，但在不同的空間位置卻有不同的能力緩解城市熱環境。這一發現，對城市生態系統服務有著舉足輕重的作用。目前在城市生態環境管理規劃中，城市生態空間被侵占后，往往利用城市郊區的生態用地來填補城市內部的生態空間的損失，雖然這一做法表面上保證了城市生態空間面積不會減少，但是由于生態空間的位置與形狀均發生了變化，很可能導致城市生態服務功能的損失；在這個空間位置的置換過程中，導致中心城區所需要生態效益（如降溫效應）的缺失。因此，為提高特定的城市生態空間的生態效益，需進一步增強生態系統服務的空間理解。

本文以廣州市中心城區為例，探討了城市生態空間的熱環境效應，發現城市生態空間對應的熱環境溫度明顯低于城市建成區，形成了城市熱環境中的“冷島效應”，對改善城市熱環境具有積極的意義。同時，本研究還發現城市生態空間的降溫效應具有一定的空間依賴性，為獲取城市熱環境改善效益及城市生態系統服務功能評價提供了有益的啟示。

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Thermal Environment Effect of Urban Ecological Space in High Density Urban Builtup Areas: A Case Study of the Central Urban District of Guangzhou

Zhang Qifei, Wu Zhifeng, Guo Guanhua

In the global process of rapid urbanization, one of the world’s most phenomenal environmental problems is the urban heat island (UHI) effect. This effect seriously hampers human health and the sustainable development of cities. Urban ecological space is one of significance factors to alleviate the UHI effect. Less attention, however, has been directed to the effects of urban ecological space patterns on their own thermal environment effect at patch level.Moreover, the factors that affect the cooling effect of urban ecological space are still unknown.Therefore, in this study, we focused on the effects of spatial patterns of urban ecological space on their own thermal environment effect and the cooling intensity of the ecological space in the urban core area was quantitatively described. Results indicate that: ⑴ The spatial distribution of ecological space and land surface temperature has an obvious trend of high and low value coupling distribution, the more concentrated distribution of ecological space, the more conducive to the promotion of local heat diffusion. ⑵The cooling intensity of ecological environment to thesurrounding environment is mainly determined by its spatial patterns and spatial location. Further, when the spatial structure characteristics of the ecological space are maintained, the spatial location of the ecological environment has different effects on the mitigation of the urban thermal environment. The results of this study suggest that the spatial patterns of urban ecological space and the influence mechanism of the surrounding environment on urban ecological space cooling effect intensity, which can provide some useful suggestions for the sustainable development of the city.

ecological space; urban heat island; urban thermal environment release effect;cooling intensity; urban area of Guangzhou

P237

10.3969/j.issn.1674-7178.2017.03.004

張棋斐，碩士研究生，廣州大學地理科學學院、廣東省地理國情監測與綜合分析工程技術研究中心，主要研究方向為城市生態環境遙感。吳志峰，教授、博導，廣州大學地理學院院長、廣東省地理國情監測與綜合分析工程技術研究中心主任、國際景觀生態學會中國分會副理事長、廣東省遙感與GIS學會副理事長，主要研究方向為城市生態與人居環境、城市遙感與空間分析等。郭冠華，博士后，廣州大學地理科學學院、廣東省地理國情監測與綜合分析工程技術研究中心，主要研究方向為城市環境遙感。

（責任編輯：李鈞）

國家自然科學基金項目“基于多源遙感信息的城市邊緣區空間測度與景觀感知”，項目批準號：41671430。