城市公園空間格局對熱環境的影響研究＊
——以常德市中心城區為例

喬瑋潔，程奕菲，呂顏辰

（1.湖南文理學院芙蓉學院，湖南 常德 415000；2.蘇州農業職業技術學院，江蘇 蘇州 215008）

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快，大量灰色基礎設施的建成導致城市下墊面發生改變，其中，道路、建筑等不透水硬質面逐漸增加，而植被與水體等生態要素不斷減少，成為城市熱環境惡化的主要原因[1]。為健全城市生態功能，創造人體舒適的熱環境，增加城市綠地是改善城市熱環境的重要措施[2]。如何在有限的城市區域中，通過布局綠地以及調整景觀要素的占比，科學建立城市綠地景觀格局，從而放大綠地系統的生態效應，改善城市熱環境，成為城市設計中的重要問題[3]。

城市綠地和城市熱島效應之間的關系是近年來研究的熱點，其中，植被覆蓋度（FVC）成為影響地表溫度的決定性因素[4]。成實等[5]通過分析深圳市中40個公園的遙感影像，從公園的植物覆蓋率、公園水體與地表溫度入手探尋相關性。李鹍[6]以武漢市夏季為例，分析不同的城市下墊面對熱環境的影響以及城市綠地改進城市熱環境的降溫效率。LIN L[7]等以深圳為例，針對區域空間格局對城市熱環境的改善幅度進行研究。綜合而言，研究主要集中在探尋植被覆蓋度、綠地空間格局以及與地表溫度的關系。但除植被覆蓋度外，對于其他地表特征參數研究較少，如歸一化濕度指數（NDMI）與地表溫度（LST）相關性更高，可作為附加研究指數[8]；此外，對于城市公園規劃的空間格局對熱環境影響的關注度較弱。在前人研究的基礎上，本文通過對2017年常德市中心城區的夏季高溫環境的遙感數據的分析，得出城市中心城區的地表特征參數間的關系，同時進一步探討城市公園的降溫效果，最終為城市中心城區的綠地系統規劃設計建設提供相關策略。

1 研究區域及研究數據

1.1 研究區域

本研究范圍為常德市中心城區，地理坐標為東經111°41'、北緯29°02'，由桃花源路、G207國道、紫緣路以及沅安路圍合而成，總面積約29.53km2。針對研究內容，集中對中心城區及5個面積較大的城市公園內部參數進行探究分析，基于其空間屬性特征，探討城市下墊面以及城市公園與城市熱環境間的關系。

1.2 研究數據

本次研究數據選取2017年8月18日包含熱紅外波段的Landsat 8衛星遙感數據。首先利用ENVI 5.4軟件對常德市中心城區的整體數據以及城市公園的植被覆蓋度、歸一化濕度指數以及地表溫度進行提取。此外，在每個公園周圍設置間隔100m、總計寬500m的緩沖區，通過提取緩沖區的地表參數以及平均地表溫度與公園內部地表溫度進行對比，分析公園以及緩沖區的降溫范圍，研究其降溫效率。

2 研究方法

2.1 地表特征參數提取

通過ENVI 5.3將遙感數據進行反演，分別對地表特征參數進行提取：①選擇TM5和TM4波段得出歸一化植被指數（NDVI），在此基礎上進一步計算植被覆蓋率（FVC）；②利用TM5和TM6波段進行歸一化濕度（NDMI）地表特征參數的運算；③根據普朗克公式的反函數求得真實的地表溫度（LST）。由于地表特征參數的提取方式已經趨于成熟，本研究采用的公式如表1所示。

表1 研究地表參數提取

2.2 分析方法

首先計算中心城區以及公園內部的植被覆蓋度、歸一化濕度指數、地表溫度等地表特征參數ASCII數據的平均值，通過深入觀察剖面線上各地表特征參數間的關系，對其進行相關性分析和線性回歸計算，對比R2系數；采用皮爾遜相關系數分析；運用SPSS 20完成各參數的相關性分析；同時通過ArcGIS 10.2界定各公園的緩沖區范圍，進一步計算公園的降溫效率。

3 結果與分析

3.1 中心城區地表參數特征

統計表明，研究區域2017年的LST范圍為31.44～57.44℃，平均溫度為40.29℃，標準差為2.79℃；FVC范圍在0～1，由于中心城區商業區、居住區較多，其建筑密度較大，平均植被覆蓋度為0.475，標準差為0.28；而NDMI均值為0.106，標準差為0.138；標準差數據表明：NDMI變化較小，作為地表特征整體更為穩定，可作為研究城市地表參數的重要數據之一。

由于中心城區的城市公園呈散點式分布，為了更直觀地觀察不同空間格局的城市綠地在城市中的降溫效率，以及公園內部地表溫度、植被覆蓋度與歸一化濕度之間的關系，本文在研究區域中選取2條剖面線，分別穿過白馬湖公園、丁玲公園、屈原公園一線與濱湖公園、詩墻公園一線，進一步對其剖面線的地表特征數值進行對比研究。

如圖1所示，場地內植被覆蓋度、歸一化濕度指數與地表溫度存在一定的鏡像關系。由于剖面線穿過公園內的水體，故剖面值中的歸一化濕度指數幾處出現峰值，說明歸一化濕度指數的高低受水體影響顯著。通過分析發現，除植被覆蓋度外，歸一化濕度指數與地表溫度呈明顯的鏡像關系。由此可見，在研究包含水體的綠地的熱環境效應時，歸一化濕度指數作為補充指數尤為重要。

圖1 鏡像關系曲線

3.2 中心城區公園地表特征參數的整體關系

通過中心城區的公園剖面線上的FVC、NDMI以及LST數值進行皮爾遜相關系數分析，可得FVC、NDMI與LST均呈顯著的負相關性，分別為-0.356以及-0.495，即隨著植被覆蓋度與歸一化濕度指數的增加，地表溫度降低。

利用回歸分析、曲線擬合分析對FVC、NDMI與LST之間的關系進行進一步研究。從結果分析，以屈原公園—白馬湖公園一線為例，FVC與LST的線性回歸方程為y＝-2.452x＋41.428，擬合的決定系數R2為0.051，斜率為-0.12，即若需地表溫度降低1℃，植被覆蓋度則需增加約0.4；NDMI與LST的線性回歸方程式為y=-11.559x+41.088，其擬合決定系數R2＝0.215（見圖2）。從擬合決定系數來看，相較而言，NDMI值與LST之間的負相關性更為顯著，詩墻公園—濱湖公園一線的回歸性分析也呈現同樣的相關性趨勢。

圖2 屈原公園-丁玲公園一線剖切線LST與FVC、NDMI的回歸分析

3.3 不同空間格局城市綠地的降溫效率

如表2所示，通過計算公園內部溫度與各緩沖區的平均溫度的差值得出累計降溫，并將500m緩沖區的累計降溫與公園內部地表溫度比值作為總降溫幅度，結果分析表明，除屈原公園以及詩墻公園外，其余城市公園的降溫幅度均為正值，而隨著緩沖區距離增加，其地表溫度逐漸上升，說明城市綠地在城市中充當“冷島”的角色，對周邊的城市環境起著一定的降溫作用，可緩解城市熱島效應。

表2 城市公園對周邊環境熱環境的影響

4 結語

本文基于遙感數據，利用ENVI 5.3以及ArcGIS工具，以湖南省常德市中心城區為例，通過對城區整體的植被覆蓋度、歸一化濕度指數以及地表溫度之間的相關性分析，得出不同的地表特征因子在研究城市熱環境中的重要性。此外，基于城區內不同空間格局的公園，研究其對周邊城市熱環境的降溫效應，基本結論如下。

1）植被覆蓋度與歸一化濕度指數是影響城市地表溫度的重要因子，與地表溫度呈顯著負相關。其中，歸一化濕度指數更為穩定，與地表溫度的相關性更加密切，在研究城市熱環境中是決定性因子。

2）歸一化濕度指數與水體呈顯著正相關，即場地中水體面積越大，歸一化濕度指數越高；植被覆蓋度與綠地面積同樣呈正相關性，且當公園內部擁有大面積的綠地面積以及水體時，將加劇公園內部溫度降低。

3）城市公園有緩解城市熱島效應的作用，是改善城市熱環境的重要因素。中小型公園的降溫效應與其總面積等屬性特征相關性不顯著，但其內部的水體面積是公園影響周邊環境降溫效率的主要因子，且與緩沖區內地表溫度呈負相關。

由于方法所限，現有的數據分析結果存在一定的局限性，將來還需拓展至宏觀層面，從整體城市綠地規劃角度出發，用軟件模擬等動態參數的方法對公園空間形態布局及其降溫效應進行模擬測試，更直觀、有效地研究城市格局的未來發展趨勢。