沈陽前清建筑遺產區域生態環境要素研究★

王 晶，王肖宇，韓志根，張可青

(1.沈陽工業大學,遼寧 沈陽 110870; 2.沈陽市規劃設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110004)

1 概述

建筑遺產經歷了由城市擴張到城市更新的城市發展變化過程，其保護工作也由原有的單體修復性保護變化為區域整體性保護，明確其外部生態環境變化是研究建筑遺產保護和城市更新的重要前提和基礎。早在1933年8月的《雅典憲章》中就已提出建筑遺產所屬城市外部空間也應得到尊重，尤其是建筑遺產周圍的環境應特別重視[1]。1976年11月聯合國教育、科學及文化組織大會上通過《關于歷史地區的保護及其當代作用的建議》，提出“歷史地區及其周邊環境”概念[2]。1985年3月，歐洲理事會通過的《歐洲建筑遺產保護公約》強調了文化遺產與自然環境的關聯性和有機聯系[3]。1999年10月，國際古跡遺址理事會通過的《鄉土建成遺產憲章》采用建成遺產的概念，更有利于關注建筑遺產環境特性[4]。

已有建成環境評價理論和方法經幾十年發展，使其環境評價理論呈多元化發展態勢[5]，但量化研究建筑遺產區域生態環境要素仍有待深入。沈陽前清建筑遺產是遼寧省文化繼承的重要載體，本文基于長期遙感影像監測數據，系統分析了建筑遺產所在區域生態環境要素連續、漸變的過程，為維護建筑遺產區域生態空間的穩定性提供理論依據。

2 研究區域

沈陽市作為遼寧省內現存前清建筑遺產最多的城市，共有12處(見表1)，其中沈陽市中心城區內有11處，新民市有1處。

表1 沈陽前清建筑遺產調查統計表

本文以沈陽市中心城區范圍內的前清建筑遺產區域為研究區域(見圖1)。

2.1 地形地貌

沈陽市在地貌單元上處于遼東山地與下遼河平原過渡地帶，地貌形態由東北部的低山丘陵區過渡到山前波狀傾斜平原區，中西部為廣闊平坦的下遼河平原，其間地貌形態多樣，地形高差變化較大(見圖2)。

2.2 河流水系

沈陽市以渾河為界，渾河以北由哈達嶺東北向西南楔入城市，渾河以南由千山東南向西北楔入城市，形成“東山”格局。以遼河為界，遼河以北秀水河、柳河、繞陽河自北向南匯入遼河；遼河、蒲河、渾河自東向西匯集于城市西部地區，形成“西水”格局[6](見圖3)。

3 數據來源與研究方法

3.1 數據采集與處理

本文選用1995年、2002年、2006年、2010年、2014年與2019年沈陽市中心城區范圍內9月Landsat遙感影像為基本數據源(見表2)，進行沈陽前清建筑遺產區域的生態環境狀況研究。6景遙感影像基本無云覆蓋，經圖像校正后數據質量較好。

表2 研究區遙感影像列表

本文主要運用ENVI 5.1工作平臺完成數據格式轉換、圖像預處理、目視判讀等系列工作，根據2019年9月22日的Landsat-8影像(如圖4所示)的OLI數據的沈陽市中心城區范圍確定本研究區域范圍，經圖像裁剪得到研究區基礎數據。數據經投影變換后，均在相同坐標系和投影下。所采用投影為橫軸墨卡托投影，中央經線為東經123°，所采用的橢球體為WGS84橢球體。利用ArcGIS 10.5的工具箱完成矢量數據拓撲關系建立、面積統計和制圖等工作。

3.2 研究方法

2015年國家環境保護部頒布實施的HJ 192—2015生態環境狀況評價技術規范[7]采用城市熱島比例指數作為評價城市環境質量指數的指標之一，評價城市發展過程中的環境質量變化；同時采用綠地覆蓋率作為評價城市生態建設指數的指標之一，評價城市生態建設情況。本文參考HJ 192—2015生態環境狀況評價技術規范，應用空間信息技術對沈陽前清建筑遺產所在區域長期監測的遙感影像數據進行處理，采用完全基于遙感信息的歸一化植被指數[8]和地表溫度反演結果，可視化表征建筑遺產區域外部生態環境狀況連續與漸變過程。

3.2.1 植被指數

對植被較敏感的可見光和近紅外波段反射光譜信息的植被指數，可直觀地反映出建筑遺產區域因城市更新等因素導致的植被覆蓋變化。為避免植被信息提取時像元不確定，采用歸一化植被指數NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)[9]來表征。公式如下：

NDVI=(Nir-Red)/(Nir+Red)

(1)

其中，Nir為近紅外波段反射率；Red為遠紅外波段反射率。為了更好的對不同時間獲得的影像數據進行分析，標準化后NDVI值分布于0與1之間，數值越高，植被覆蓋、長勢等狀況越好。

3.2.2 地表溫度

建筑遺產區域生態環境狀況中熱度指標可采用地表溫度(LST)表征。經與實際地表溫度對比，采用大氣校正法反演地表溫度[10]，其基本原理：首先估計大氣對地表熱輻射的影響,然后把這部分大氣影響從衛星傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去,從而得到地表熱輻射強度,再把這一熱輻射強度轉化為相應的地表溫度。具體公式如下：

Lλ=GAINS×DN+BIASES

(2)

TB=[Lλ-L↓-τ(1-ε)L↑]/τε

(3)

其中，GAINS為增益值；BIASES為偏置值；Lλ為TM5/ETM+熱紅外6波段或OLI_TIRS熱紅外10波段的像元傳感器輻射亮度；TB為溫度LST的黑體在傳感器接收到的輻射亮度；τ為大氣熱紅外波段透射率；L↑，L↓分別為大氣向上、向下輻射量度，以上大氣剖面參數可在NASA提供的網站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中，輸入成影時間以及中心經緯度可以獲取。最后利用普朗克公式對地表溫度LST進行求解：

(4)

其中，LST為地表真實溫度，K；K1，K2均為定標參數[11]；ε為地表比輻射率，利用歸一化植被指數估算，將地表分為水體、自然表面和城鎮區域[12]。設水體像元地表比輻射率εwater為0.995，公式如下：

εbuilding=0.958 9+0.086×Fveg-0.067 1×Fveg2

(5)

εnatural=0.962 5+0.061 4×Fveg-0.046 1×Fveg2

(6)

(7)

其中，Fveg為植被覆蓋度;NDVImin,NDVImax分別為影像中對應像元NDVI最小值與最大值。

由于影像季相差異，通常將不同時相反演求得地表溫度值歸一化處理[13]，其取值范圍在(0，1)之間，公式如下：

LST′=(LSTi-LSTmin)/(LSTmax-LSTmin)

(8)

其中，LST′為歸一化地表溫度；LSTi，LSTmin，LSTmax分別為影像中對應像元的地表溫度值，地表溫度最小值與最大值，計算結果分級表示。

4 研究結果

4.1 植被覆蓋變化分析

表3分析了1995年—2019年沈陽前清建筑遺產所在區域的植被覆蓋情況。清福陵所在區域歷年NDVI值皆為最高值；其次是清昭陵，所在區域也有一定面積的公園綠地；永安石橋NDVI值較其他遺產區域高；南塔、東塔、北塔法輪寺NDVI值為中等水平；沈陽故宮和實勝寺NDVI值較小；清真南寺與盛京城址NDVI值最小。整體來看，各遺產區植被覆蓋變化呈增加趨勢，尤其2002年以后清昭陵與清福陵植被覆蓋水平顯著提升，位于城區中心位置的沈陽故宮等建筑遺產群所在區域植被覆蓋趨于穩定，變化幅度較小。

圖5顯示了1995年—2019年各遺產區植被覆蓋空間分異特征。綜合植被覆蓋整體變化與分級結果，1995年—2002年各遺產區域植被覆蓋減少主要體現在城市擴張，基礎設施建設及城區周圍耕地減少等。2002年—2006年，除永安石橋無明顯變化外，其他遺產區域植被覆蓋顯著增加；2006年—2010年，永安石橋所在區域植被覆蓋減少，與城市建設等人為擾動關系密切，其他遺產區植被覆蓋略有增加；2010年—2014年，除東塔、慈恩寺和清福陵植被覆蓋略有減少外，其余區域變化不明顯；2014年—2019年，除清真南寺、盛京城址外，其他遺產區域皆呈現增加趨勢。

表3 1995年—2019年研究區域植被覆蓋(NDVI)變化

4.2 地表溫度變化分析

表4為1995年—2019年不同建筑遺產區域地表溫度變化情況。沈陽故宮所在區域地表溫度為高值；其次是清真南寺、南塔、東塔、盛京城址所在區域；實勝寺、慈恩寺、北塔法輪寺地表溫度值略低于上述各區域；永安石橋、清昭陵、清福陵地表溫度最低。整體來看，除永安石橋、清福陵、清昭陵外，其余各前清遺產區域地表溫度各年份變化不顯著,且皆為高值。

表4 1995年—2019年研究區域歸一化地表溫度(LST)變化

圖6顯示了各遺產區地表溫度空間分異特征。綜合地表溫度變化與分級結果，沈陽故宮區域歷年地表溫度為高值且變化不明顯。1995年—2002年，各遺產區域地表溫度值均表現為略有降低；2002年—2006年，除北塔法輪寺、南塔外，各遺產區域地表溫度值略有升高；2006年—2010年，除東塔外，各遺產區域表現為略有降低；2010年—2014年，各遺產區域地表溫度值表現為不同程度的升高趨勢，2014年—2019年，除沈陽故宮、東塔、盛京城址溫度值略有升高外，各遺產區表現為不同程度的降低趨勢。

5 結論

本文以沈陽前清遺產區域為研究對象，可視化表征其生態環境要素時空變化特征與規律。結果表明：

1)1995年—2019年各遺產區域植被覆蓋值整體呈現增加趨勢，2002年以后清昭陵與清福陵的植被覆蓋水平顯著提升，沈陽故宮等位于城市中心區域的遺產區植被覆蓋相對較少，區域生態建設有待加強。2)近25年以來，建筑遺產所在區域地表溫度值升高與降低交替出現。伴隨城市更新不斷進行，城市用地不斷擴張，遺產所在區域下墊面的熱力屬性發生變化，導致東塔等遺產所在區域熱島效應顯著增強；因城市生態建設力度加大，北塔、南塔等區域降溫效果明顯。3)從生態可持續發展角度出發，融合城市更新、建筑遺產、生態環境等理念，明確建筑遺產區域生態環境要素連續漸變過程，進而基于原有生態環境對建筑遺產進行開發利用保護，最終創造出具有生命力的可持續發展生態保護系統。

本文選取生態環境要素量化指標并不能完全代表建筑遺產區域的生態環境質量，完善生態環境要素指標選取與評價仍需更深入的研究與探討。