武漢市主城區公園景觀的熱環境效應

陳斌，徐尚昭，楊頂田，王宏志

(1.核工業二九○研究所 廣東省環境保護核輻射追蹤研究重點實驗，廣東 韶關 512029；2.廣東省放射性生態環境保護工程技術研究中心，廣東 韶關 512029；3.中國科學院南海海洋研究所 廣東省海洋遙感重點實驗室，廣州 510301；4.華中師范大學 城市與環境科學學院，武漢 430079)

0 引言

城市景觀格局分析是城市景觀生態學領域的重要研究內容，是正確認識城市景觀結構、有效保護和合理規劃城市景觀的前提條件，對于城市經濟發展和生態環境保護具有重要的基礎性作用[1]。近年來，隨著城鎮化進程的推進，城市地表結構和景觀格局均發生了不同程度的變化。同時，由于人類活動產生的大氣污染物及人工熱源的過度排放，使得城市下墊面熱力性質發生了顯著改變，導致城市中心城區地表氣溫明顯高于郊區，產生城市“熱島效應”[2]?！盁釐u效應”這一概念是由Luke Howard等于1818年首次提出的，隨后國內外眾多學者開始對這一現象進行了系統性探究[3]。文獻[4-5]研究發現，熱島效應是城市發展到一定階段的必然結果。城市熱島不僅會改變城市下墊面熱力性質差異、影響城市大氣降水及大氣環流過程，而且還會加大城市能源消耗[6-7]、加劇大氣污染[8-9]，甚至還會影響城市生態系統的穩定性和城市人居環境的舒適度[10-12]。

當前，國內外學者在公園布局、公園內部景觀格局與城市熱環境間的關系等方面進行了大量系統性研究，并取得了一系列研究成果。有學者從不同時間序列角度分析了城市公園景觀格局對周邊熱環境的影響，部分學者在不同空間尺度上探討了公園景觀格局的熱環境效應。研究的空間范圍也從公園內部延伸到公園周邊一定緩沖區范圍內，研究方法也呈現多種多樣，例如文獻[13-15]利用實地監測方法對公園景觀熱環境影響進行研究，文獻[16-17]利用溫度反演算法對城市公園景觀熱環境進行探究。溫度反演研究方法也從傳統IB算法(image-based method)，發展到后來的針對不同城市大氣水汽含量狀況提出的單窗及單通道算法。但現有研究多是立足于城市這一宏觀尺度層面，來探討公園景觀結構或者公園內部單一類型景觀對城市熱環境影響，而從城市公園整體分布格局和公園內部景觀結構特征對城市熱環境響應的研究尚不多見。鑒于此，本文選取武漢市主城區21個公園(面積>10 hm2)作為研究對象，基于Landsat-8 OLI遙感影像，采用基于遙感影像的溫度反演算法對武漢市主城區地表溫度進行了反演；并進一步對公園內部景觀構成、斑塊形態和空間布局與城市熱環境之間的關系進行系統性探究，以期能為城市公園規劃選址、公園內部景觀設計及有效緩解城市熱島效應提供決策和依據。

1 研究區概況和數據源

1.1 研究區概況

武漢市(29°58′N～31°22′N，113°41′E～115°05′E)地處江漢平原東部的長江中下游平原，東臨鄂州、西接孝感、南連咸寧、北通黃岡，長江和漢江貫穿而過，“兩江分三鎮”構成了武漢最基本的地理分布格局[18]。武漢市屬亞熱帶季風濕潤性氣候，氣候溫暖而濕潤，全年平均氣溫在15.6～17.5 ℃，年均降水量1 100～1 450 mm，且降水集中分布在夏季6—8月，植被類型以落葉闊葉林和常綠闊葉林為主，地勢整體呈現東高西低分布態勢，平原丘陵交錯分布，地貌類型主要以平原為主。區域內部水熱組合條件較好，河網密布，農業自然資源條件得天獨厚，享有“漁米之鄉”的美譽。

1.2 數據來源與數據預處理

1)公園矢量數據。利用武漢市人民政府網站提供的主城區綠地系統規劃和主要公園分布圖(http：//www.wuhan.gov.cn/)，將公園景觀劃分成不透水層、林地、草地和水體四種類型，采用人機交互解譯方法得到研究區21個公園的景觀分類結果(圖1)，并統計出各公園面積大小(表1)。

圖1 研究區公園景觀分類提取結果圖

表1 武漢市主城區公園統計表圖

2)遙感數據。選取2016年7月23日Landsat-8 OLI衛星影像((條編號：123，行編號：39)，來源于中國科學院資源與環境數據中心遙感影像數據庫，http：//www.resdc.cn/)。高分2號是我國自主研發的第一顆空間分辨突破1 m的民用衛星，擁有兩臺成像光譜相機：一臺為空間分辨率1 m的全色光譜相機，星下點空間分辨率達到了0.8 m；另一臺為空間分辨率4 m的多光譜相機，星下點空間分辨率為3.2 m[19]。隨著2015年高分2號正式投入使用，標志著我國遙感衛星正式進入到亞米級的“高分時代”[20]。

數據預處理主要包括：對研究區Landsat和高分遙感影像進行幾何校正、配準等工作，再利用矢量邊界數據裁剪高分影像得到研究區范圍；對精校正后的高分2號影像的多光譜和全色影像進行融合處理，得到研究區分辨率為0.8 m的高分遙感影像；對影像進行全方位、多尺度分割，并將分割后的影像進行統一標準化拉伸處理，得到待分類影像斑塊。

2 研究方法

2.1 高分遙感影像多尺度分割算法

面向對象多尺度分割算法是一種自下而上的區域生長分割方法[21-22]，主要根據地物光譜特征差異，通過設置不同分割參數(分割尺度、光譜均值、緊湊度及標準差等)大小，得到不同大小遙感影像地類斑塊。當分割尺度設置過大時，同質斑塊就會分割得過于零碎，不能真實反映出地物景觀空間分布；若參數設置過小，異質性地物斑塊就不能被完整分割開。因此，分割操作中如何設置合適的分割參數顯得至關重要。多尺度分割本質上是一個逐步調整分割參數大小的過程，即不斷合并同質性景觀斑塊、分割異質性景觀斑塊，直到最終異質性斑塊分割達到預期理想效果。

2.2 地表溫度反演算法

IB算法是Weng等[23]于2004年提出的，因其在反演地表溫度時只需要地表比輻射率這一參數，計算過程相對簡單，在實際應用中較為廣泛。IB算法溫度反演的方法如式(1)所示。

(1)

式中：Ts為地表溫度(K)；T為輻射亮度；ε為地表比輻射率；ρ=0.014 38 mK。針對本研究中選用的Landsat-8，熱紅外中心波長λ=12 μm。

輻射亮度T的計算分兩步：首先，將遙感影像的DN值轉化為輻射強度值；然后，根據輻射亮度計算地表亮度溫度值。計算方法如式(2)、式(3)所示。

Lλ=MI×Qdn+AI

(2)

(3)

式中：Lλ表示傳感器輻射強度大?。籑I表示增益；AI表示偏移量；Qdn為像元亮度值；T表示輻射亮溫；k1、k2為預設常量。在Landsat-8元文件中可以查詢到，MI=2.243×10-4，AI=0.1。對于Landsat-8影像，k1=480.89，k2=1 201.14。

地表比輻射率ε的計算相對復雜，而且受地表物質結構和傳感器波段區間影響較大。根據已有研究，將地表景觀分成城鎮、水體和自然地表三類，針對不同地表類型，地表比輻射率計算也有所差異[24]。具體計算方法如下。

當NDVI<0時，該像元被認定為水體，ε取值大小為0.995。

當0< NDVI<0.7時，該像元被認定為城鎮像元，ε的計算如式(4)所示。

εbuilding=0.958 9+0.086Fv-0.067 1Fv2

(4)

當NDVI≥0.7時，該像元被認定為自然地表，ε的計算如式(5)所示。

εsurface=0.962 5+0.061 4Fv-0.046 1Fv2

(5)

式中：εbuilding、εsurface分別表示城鎮和自然地表像元的比輻射率；Fv表示植被覆蓋度，其計算如式(6)所示。

(6)

式中：NDVI表示歸一化植被指數；NDVIs=0；NDVIv=0.7。當某一像元NDVI>0.7時，Fv取值為1；當像元NDVI<0時，Fv取值為0。

NDVI可以直觀反映出區域植被的生長狀況，NDVI取值范圍在0～1之間，數值越大，表示植被覆蓋度越高；反之，植被覆蓋度越低。

2.3 公園景觀類型熱環境定量評價方法

從公園內部景觀構成、斑塊形態以及景觀空間布局三個方面分析其對公園周邊熱環境的影響效應。景觀構成表示公園內部不同景觀類型面積大??；斑塊形態又稱景觀形狀指數，通常計算某一斑塊形狀與相同面積的圓或正方形之間的偏離程度來測量其形狀復雜程度；空間布局及聚合度指數表示同一斑塊類型像素間聚合成斑塊的鄰接關系。公園景觀定量分析評價指標如表2所示。

表2 武漢市公園景觀特征指標

3 結果與分析

3.1 武漢市主城區城市地表溫度反演

本文采用IB算法對主城區內部地表溫度進行反演，得到地表溫度分布結果，并進一步利用自然斷點法將結果分成五個等級(表3)，分級結果如圖2所示。由分級結果可知，低溫和中低溫區主要分布在長江、漢江以及湖泊中心和主城區東南部地區，而中溫區主要分布在灘涂以及中心城區外圍，而高溫、中高溫區主要分布在中心城區內部的核心區，如江漢區、江岸區和青山區等城區中心。

表3 地表溫度分級統計表 ℃

圖2 武漢市中心城區地表溫度反演結果圖

3.2 公園景觀特征對其內部熱環境影響

為分析公園景觀特征的熱環境效應，將研究區公園矢量數據與Landsat-8 OLI遙感影像反演得到的地表溫度結果進行空間疊加分析。由統計結果可知，主城區21個公園的平均溫度為28.25 ℃，比武漢市主城區內部平均溫度31.03 ℃低2.78 ℃，這表明公園在城市中心形成了明顯的“冷島區”，公園景觀能夠對城市周邊環境產生降溫調節作用。為進一步探討公園內部景觀組成與公園內部平均溫度之間的定量關系，本文選取公園內部不同景觀面積、不同景觀類型占比等量化指標以及公園內部平均溫度在SPSS統計分析軟件中進行相關性分析，分析結果如表4所示。其中：SI為公園形狀指數；AP為林地面積；Ag為草地面積；AW為水體面積；PI為不透水層比例；PC為公園周長；PA為公園面積；PAC為公園周長面積比。

表4 公園平均溫度與景觀特征指標之間的相關性分析

從城市公園景觀組成上看，公園內部植被(林地和草地)面積與其平均溫度之間呈現負相關性，即公園內部植被面積越大，公園平均溫度越低，這是由于綠色植物可以通過蒸騰作用，吸收地表大氣中的部分熱量，同時產生水汽，從而使得公園內部平均溫度低于周邊地區。此外，公園內部平均溫度與公園內部水體面積之間呈現顯著的負相關性，而與不透水層面積占比之間則呈現顯著的正相關性，相關性系數分別為-0.846(R2=0.716 1)、0.799(R2=0.638 9)。這表明公園內部水體面積越大，公園平均溫度越低，公園不透水層占比越高，公園平均溫度也越高。這是由于公園內部水體比熱容較大，而且能通過蒸發作用吸收了空氣中的部分熱量，使得公園地表溫度低于周邊，而公園內部不透水層多屬于人造硬質地表，比熱容小，透水性差，受熱時溫度上升較快，使得上層地表溫度明顯高于其他類型景觀。

通過建立研究區公園地表平均溫度與內部植被面積定量模型(圖3)可知，公園中植被面積大小從0增加到150 hm2時對溫度的影響相對顯著，即當公園內部植被面積大小增加到一定值時，面積變化對公園內部平均溫度的降溫影響將明顯減弱。因此，從城市公園景觀合理規劃建設角度上來看，城市公園內部植被面積可以控制在150 hm2范圍內。由水體面積和公園平均溫度回歸分析模型可知(圖3)，在一定閾值范圍內，公園平均溫度隨公園內部水體面積增加而下降，公園水體面積大小從0增大到200 hm2時對溫度的影響相對顯著。因此，從城市內部公園景觀合理規劃建設角度上來看，城市公園內部水體面積應該控制在200 hm2范圍內相對合理。由公園內部平均溫度與不透水層占比回歸分析結果(圖3)可知，公園內部平均溫度隨不透水層面積占比增加而增加，二者之間線性擬合斜率達到了13.565(R2=0.638 9)，即公園內部不透水層占比每增加10%，公園內部平均溫度將上升1.356 ℃。因此，在城市公園景觀規劃時，應該充分考慮不透水層景觀面積大小，在根據公園實際面積大小和合理規劃景觀類型構成的基礎上盡可能減少不透水層面積比重。

圖3 公園平均溫度與多指標因子回歸分析結果

從公園景觀斑塊形態特征上來看，公園內部平均溫度與公園周長、面積之間呈現出較強的負相關性，相關系數R2分別達到了0.505 4和0.669 8。為進一步探討公園周長及面積整體上對公園內部熱環境效應影響，本文在Wiens等[25]研究的基礎上，對公園內部平均溫度和周長面積比之間進行統計回歸分析。研究發現，公園平均溫度與公園周長面積比之間呈現顯著的負相關性(R2=0.709 5)，這與Wiens等的研究結果相吻合。由圖3可知，公園周長面積比值越大，公園形狀指數相對越復雜，公園內部物質能量交換越容易，所以公園內部平均溫度也就越高。即隨著公園斑塊形態越復雜，對應的平均溫度也就越高。從回歸分析模型擬合結果上來看，周長面積比與公園平均溫度的擬合結果明顯優于單一面積或周長和公園平均溫度的擬合結果。

3.3 公園對周邊環境降溫范圍及降溫幅度

已有研究表明，因公園形狀、大小以及公園內部景觀組成差異，公園對其周邊環境的影響范圍和降溫幅度存在一定差異，通常公園對其周邊環境溫度的影響輻射范圍從幾十米到上千米不等，但一般不會超過公園寬度的1.5倍[26]。由于武漢市主城區內部江河湖泊眾多，為減少水體對公園景觀熱環境效應研究產生的干擾，本文在剔除漢口江灘公園、青山江灘公園和漢水公園等受周邊環境影響較大的公園基礎上，對研究區21個公園進行多環緩沖區分析，同時剔除緩沖區內水體和不透水層面積較大的干擾區域。以研究區中山、四美塘、南湖幸福灣和楊春湖4個公園為例，建立公園緩沖區具體操作流程為：借助ArcGIS多環緩沖區分析工具，以公園的邊界向外以120 m為間隔做緩沖區分析，以公園寬度的1.5倍為最遠緩沖帶，剔除干擾區域后計算各個環緩沖環內的地表溫度平均值。4個公園剔除干擾區后建立的緩沖區結果如圖4所示。

圖4 案例公園緩沖區示意圖

為進一步探討研究區公園對周邊環境的降溫影響范圍和降溫幅度大小，對公園一定緩沖區內平均溫度和緩沖區距公園邊界的距離進行相關性分析。以緩沖區距公園外邊界距離大小L為自變量，以各緩沖區內的平均溫度T作為因變量，擬合出緩沖區距離L和緩沖區內平均溫度T的幾何曲線。根據已有研究成果，通過對緩沖區距離公園邊界長度和緩沖環內平均溫度進行擬合分析[27]，得到研究區21個公園對周圍環境的最大影響距離(Lmax)(表6)。由結果可知，在公園對周圍環境影響范圍達到最大值Lmax之前，溫度變化規律同擬合多項式上升階段變化相一致，當緩沖環最大距離達到Lmax之后，公園對周邊環境溫度的影響趨近平穩。綜上所述，本文通過三次多項式擬合得到研究區公園緩沖區距離L和緩沖環內平均溫度T的變化曲線，其中選取的墨水湖公園和湯湖公園周邊緩沖區內溫度與距離公園外邊界距離的溫度變化曲線如圖5所示，然后通過導數求極值法得到不同公園對周邊環境的最大影響范圍Lmax。研究表明，主城區21個公園向外作緩沖區，緩沖區距離L和緩沖環內平均溫度T之間存在較強的相關性，R2均大于0.6。研究區公園對周邊環境的降溫影響范圍Lmax、最大降溫幅度ΔTmax的統計結果如表5所示。

表5 公園對周圍環境的降溫影響范圍和幅度

圖5 案例公園緩沖區內溫度隨距離變化圖

3.4 公園景觀特征對周邊熱環境影響

為進一步探究公園景觀特征指標與公園降溫幅度、降溫范圍之間的定量關系，對研究區21個公園降溫影響范圍、降溫幅度與公園景觀特征指標之間開展相關性分析，如表6所示，其中：SI為公園形狀指數；AF為林地面積；AL為草地面積；AW為水體面積；AI為不透水層面積；AIF為林地聚集度；AIG為草地聚集度；AIW為水體聚集度；AII為不透水層聚集度。結果表明，公園對周邊環境的降溫距離L與公園內部林地、水體面積大小之間呈現出較強的正相關性，相關系數分別為0.678、0.732。這表明公園內部林地和水域面積越大，公園對周邊環境的降溫效果也越明顯。這是由于公園內部林地和水體分別通過蒸騰及蒸發作用吸收了公園內部地表的熱量，同時在地面水平氣壓梯度力的作用下形成了風，使公園便于和周邊環境在水平方向上進行熱量和水汽交換，從而使得公園周邊環境水平方向上的溫差減小，有效緩解了周圍硬質地表因比熱容低，在吸收大氣熱輻射時溫度急劇上升的影響。由公園景觀熱環境影響范圍與公園林地和水體面積的擬合結果(圖6)可知，水域面積大小對公園周邊熱環境影響比其他類型景觀更為顯著。植被對公園周邊環境影響程度呈現先急劇上升，當植被面積達到一定閾值后，公園對周邊環境溫度的影響程度又開始逐漸減小，最終趨于平緩。公園水體面積大小和公園對周邊熱環境影響范圍之間呈現出較強的相關性，相關性系數R2達到了0.510 6，且公園水域面積每增加10 hm2，公園對周邊環境的最大影響范圍就增加21 m。林地面積對公園周邊環境的影響效應主要表現為，公園影響范圍先隨林地面積增加而逐步擴大，當林地面積大小達到一定閾值時，公園對周邊環境溫度的影響范圍便不再繼續增加。

表6 公園內部景觀特征指標與Lmax、ΔTmax相關性分析

圖6 公園林地面積和水體面積與景觀熱環境影響范圍擬合結果

從公園對周邊環境的降溫幅度上來看，公園內部的景觀異質性是造成公園對周邊環境降溫幅度產生差異的主要原因之一。公園最大降溫幅度與水體面積之間存在顯著的正相關性，而與不透水層面積和聚集度指數之間呈現出顯著的負相關性。這表明公園中林地面積越大，不透水地表面積越小，公園對周邊環境的降溫效果越明顯。同時，公園地表不透水層越分散，公園對周邊環境的降溫幅度也越大。因此，從緩解城市熱島效應和提升城市人居環境適宜性角度上來看，城市公園在規劃設計時應當在保證植被和水體面積占比的前提下，嚴格控制不透水層地表面積占比，同時盡可能使得不透水層地表呈破碎狀分布。

4 結束語

本文選取武漢市主城區21個公園作為研究對象，采用人機交互方法對公園內部景觀進行遙感解譯，運用IB算法對主城區地表溫度進行反演，并在此基礎上進一步分析了城市公園及其內部景觀特征對周邊環境的熱效應影響。主要研究結論如下。

1)武漢市主城區地表溫度分布格局存在明顯的空間差異性，高溫區主要集中在多以建設用地為主的江岸區、江漢區和青山區等城市核心區附近，而低溫區則主要集中分布在以水體和綠色植被為主的洪山區周邊和主城區外圍，同時在長江、漢江及大型湖泊水體表面，形成明顯的“冷島”集聚區。

2)不同類型景觀的熱環境效應之間存在明顯差異，其中不透水層地表平均溫度最高，達到了36.19 ℃，而林地、草地和水體等景觀平均溫度相對較低，均在30 ℃以下，其中水體平均溫度最低，為27.57 ℃。這表明公園內部植被和水體能夠一定程度上緩解城市熱島效應。

3)林地、草地及水體面積大小與公園平均溫度之間存在明顯的負相關性，而不透水層面積大小和公園平均溫度之間存在顯著的正相關性。即在一定閾值范圍內，公園內部林草地和水體面積越大、不透水層面積越小，公園內部平均溫度也就越低；反之，公園內部平均溫度越高。由此可見，在公園內部林地、草地和水體上空容易形成低溫集聚區，而不透水層地表上空則易形成高溫集聚區。

4)不同公園因面積大小和內部景觀異質性對周邊環境溫度的影響范圍和降溫幅度也存在明顯差異，其中，月湖公園對周邊環境的降溫影響范圍最廣、降溫幅度最大，分別為1 106.25 m和4.80 ℃，而青山公園的降溫范圍最小，為287.5 m，王家墩公園的降溫幅度最小，僅為1.50 ℃。

5)公園降溫影響范圍和降溫幅度與公園中林草地面積、林草地景觀聚集度呈現明顯的正相關性，而與不透水層面積和景觀聚集度之間呈現明顯的負相關性。即公園內部林草地和水體面積越大，對周邊環境的降溫影響范圍越廣。同時，公園內部林草地斑塊越復雜，不透水層面積越小且斑塊越分散，公園對周邊環境的影響范圍和降溫幅度越大。

公園景觀作為城市景觀的重要組成部分，不僅為周邊居民提供了休閑娛樂場所，而且能在一定程度上調節區域氣候。武漢市素有“百湖之城”的美譽，其轄區內部河流湖泊眾多，長江和漢江貫穿全境，且分布有湯遜湖、牛山湖、魯湖、后官湖和東湖等湖泊，城市內部大氣中水汽含量較高。本文采用基于影像的溫度反演算法提取地表溫度，未考慮到空氣中水汽含量對溫度的影響。如何運用多種溫度反演算法對反演結果進行對比分析，將是今后研究的重要方向。