三維激光空地一體化在城市熱島研究中的應用
——以上海延中綠地為例

孟 陳,衛炎豪,武彩燕,歐陽霖柯,李俊祥,朱 義,劉家霖,魏本勝,降瑞嬌

(1. 景遙(上海)信息技術有限公司,上海 200240; 2. 上海交通大學設計學院,上海 200240; 3. 上海人工智能實驗室,上海 200232; 4. 上海市園林科學規劃研究院,上海 200232; 5. 上海勘測設計研究院有限公司,上海 200050; 6. 中國長江三峽集團有限公司長江生態環境工程研究中心,北京 100038)

在城市化和全球氣候變化的雙重背景下,城市熱島已成為城市地區最顯著的生態環境后果之一[1-5]。諸多學者在熱島效應的相關研究與探索中發現,基于自然的解決方案(NBS)是一種緩解城市熱島效應有效措施[6-9]。城市公園作為城市中重要的自然要素之一,在緩解城市熱島效應中發揮著重要的作用[10-13]。以往研究表明,綠地的植被類型、其景觀特征及其周邊景觀格局,均顯著影響其降溫效應[14-15]。有學者對重慶主城區中3個主要公園的冷島效應進行分析后發現,建筑的基本形態構成和不同的地塊功能是影響公園冷島輻射范圍的主要影響因子[14]。福州城市公園夏冬兩季的熱/冷島空間關系研究表明,夏冬兩季城市熱/冷島分布格局大致相似,公園的面積與熱/冷島分布格局有較強的相關性[15]。當公園趨于圓形或正方形時,其降溫效應較顯著[16]。

三維綠量是城市綠地質量及所在城市環境質量的綜合性指標,是植物個體生長、群體發育及其區域生態系統服務功能發揮的外在空間的集中表現[17-18]。延中綠地的建設是上?！盎谧匀唤鉀Q方案”,緩解中心城區熱島效應的重大舉措。然而,延中綠地的降溫作用,如其冷島效應強度、冷島有效距離、其不同方向的降溫效應是否存在差異,仍有待進一步探索。此外,三維綠量空間格局是區域自然條件、城市規劃布局及城市建設管理等因素相互作用的結果,但不同因子的主導性仍不明確[19]。因此,需要進一步明確影響延中綠地三維綠量的主要因素,從而為未來綠地質量的優化提升、碳匯監測提供重要參考。

本文基于延中綠地的無人機激光雷達與手持激光雷達數據,結合Landsat 8 數據集的溫度反演數據,并以三維綠量作為綠色基礎設施與溫度之間的紐帶,對延中綠地三維綠量分布格局及其與影響因子之間的關系進行探究,探索其在熱島效應緩解中可發揮的作用。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

延中綠地位于上海市靜安、盧灣、黃浦三區交界處(如圖1所示),始建于2000年2月,是上海市為改善城市生態環境,緩解中心城區熱島效應的關鍵項目,其建設是提高人居環境質量,推進社會、經濟和生態協調發展的重大舉措。研究區域面積約15.38 hm2,其用地類型包括水體、林地、草地、建筑等多種類型。

圖1 研究區位置

1.2 研究數據

(1)無人機激光雷達數據,由飛馬無人機D2000無人機搭載LiDAR3000采集。其測程為200 m,波長為905 nm,水平定位精度為0.02 m,高差定位精度為0.03 m,飛行高度為120 m,點云密度為14點/m2。

(2)手持激光雷達數據,雖然無人機激光雷達對樹冠部分數據獲取較為準確,但在林地郁閉度高的區域,激光點云難以到達地面[20-21],故選擇飛馬SLAM100手持激光雷達獲取延中綠地內部的地面激光數據,激光最大測程為120 m,相對精度為0.02 m,點頻為320 kpts/s,續航時間約2.5 h。

(3)溫度數據,來源于Landsat 8 Collection 2 Level 2數據集中2022年8月22日的地表溫度數據(地溫最高值達50.95℃),分辨率為30 m,已在GEE(Google Earth Engine)中進行去云處理[22]。

(4)多光譜數據。2022年9月29日,采用無人機D2000獲取了多光譜遙感數據,傳感器采用D-MSPC2000,有效像素為120萬(1280×960像素),焦距為5.2 mm,波段配置為450、555、660、720、750和840 nm,飛行高度為120 m,航帶內重疊度為80%,航帶間重疊度為60%,地面分辨率約為0.08 m。影像經PhotoMOD空三加密、正射糾正后,對延中綠地及200 m緩沖區內真彩色影像在ArcGIS中采用專家目視解譯進行數字化,分為房屋、林地、水域、灌木、草地和道路等7種類型,并對這些不同類型在ArcGIS中進行歐式距離分析。圖2為延中綠地內部和周邊的土地利用類型分布。

圖2 延中綠地土地利用類型分布

1.3 研究方法

1.3.1 延中綠地的降溫作用分析

采用兩個降溫效應指標定量延中綠地的空間降溫規律。

(1)局部冷島強度(local cool island intensity,LCII)。冷島強度是指公園內部與周邊環境之間的溫差[23],計算公式為

LCII=Ts-Ti

(1)

式中,Ts為延中綠地周圍緩沖區的平均地表溫度;Ti為延中綠地自身平均地表溫度(℃)。最大局部冷島強度(maximum local cool island intensity,MLCII)的計算有助于評估綠地的最大降溫強度。當延中綠地周圍緩沖區內的平均地表溫度達到最大且穩定不變時,可獲得其最大局部冷島強度。以20 m為間隔,共設置了600 m的緩沖區進行分析。

(2)最大降溫距離(maximum cooling distance,MCD)。綠地對周圍環境溫度的影響范圍是有限的。將最大局部冷島強度處對應的位置與綠地邊界之間的距離設定為最大降溫距離。理論上,隨著降溫距離的增加,局部冷島強度會隨之增加。然而受周邊景觀的影響,局部冷島強度會隨距離的增加出現波動,最終達到相對平衡狀態。其中,第一個波動的轉折點被視作最大降溫距離的所在位置[24]。通過構建局部冷島強度與降溫距離之間的函數擬合關系,識別上述拐點。

為更好地識別延中綠地在不同方向上的降溫作用,劃分了西北、東北、東南和西南4個方向,并定量了各方向上的最大局部冷島強度和降溫距離,如圖3所示。

圖3 延中綠地的降溫效應方向性劃分

1.3.2 三維激光點云融合及數據提取

以LiDAR360軟件對激光雷達數據進行整合分析,經重采樣、去噪、點云歸一化后,進行單木分割,獲取延中綠地內部樹木的樹高、冠幅及樹冠體積(三維綠量)等林分因子信息。數據基于R語言進行統計分析處理,部分分析過程基于ArcGIS軟件進行出圖。圖4為經LiDAR360單木分割的點云數據及延中綠地樹木分布情況,共識別分割出2613棵樹,其屬性文件包含每棵樹的經緯度坐標及樹高、胸徑、冠幅、樹冠體積等信息。

圖4 激光點云樹木分割及分布情況

2 結果分析

2.1 延中綠地的降溫作用分析

在不同方向上延中綠地的降溫效應存在顯著差異,見表1。各方向上的最大降溫距離從4.98 ～496.64 m不等,而最大局部冷島強度則從1.79℃～3.38℃不等,說明延中綠地的降溫作用具有方向性,這很大程度上是受延中綠地周邊景觀格局的影響所致。最大降溫距離的排序依次是東南>西南>東北>西北。但最大局部冷島強度是西南方向,最低值出現在東南方向。

表1 延中綠地4個方向上的降溫效應

2.2 延中綠地三維綠量分布特征

基于點云數據樹木三維綠量及坐標信息,在ArcGIS中進行插值處理得到延中綠地三維綠量分布情況,如圖5所示。顏色越深表示三維綠量越高,可以看出,延中綠地內三維綠量高值區域基本分布在其西北部靠近公路一側,其余各處皆有高值零星分布。中部大片低值區域為草地和水體,底圖為延中綠地區域的真彩色遙感影像,可見三維綠量插值結果與延中綠地的本底基本一致。

圖5 延中綠地三維綠量分布格局

2.3 延中綠地不同土地利用類型地面溫度分布

無人機機載激光點云數據在LiDAR360中提取數字表面模型(DSM)和數字高程模型(DEM),在ArcGIS中通過DSM減去DEM獲得冠層高度模型(CHM),依據高度對CHM進行植被分類,得到延中綠地不同植被類型分布情況,如圖6所示。為了對延中綠地內不同植被類型的降溫效果進行探究,根據圖6的區塊范圍對延中綠地內2022年8月22日的地面溫度提取平均值,得到延中綠地不同植被類型均溫,分別是喬木均溫48.20℃,草地均溫48.69℃,灌木均溫48.72℃。通過定量分析發現,延中綠地不同植被類型的降溫效應具有顯著差異性,降溫效應從高到低依次為喬木>草地>灌木。

圖6 延中綠地植被類型分布

2.4 延中綠地三維綠量與其格局影響因子相關性分析

在ArcGIS中對延中綠地周邊的建筑、水體及道路分別做歐式距離計算,得到延中綠地區域與建筑、道路及水體的歐式距離分布情況,如圖7所示。

圖7 延中綠地與建筑、道路、水體距離分布情況

根據每棵樹的經緯度信息,提取與之對應的與建筑、道路、水體距離。通過相關分析,得到三維綠量及其格局影響因子相關性,見表2。可以看出,三維綠量與距道路距離(Droad)呈顯著負相關,即在延中綠地內,距離道路越近的地方,其三維綠量越高。三維綠量與距水體距離呈(Dwater)顯著正相關,即延中綠地內距離水體越遠的區域,其三維綠量越高。三維綠量與距建筑距離(Dfw)呈不顯著負相關。

表2 三維綠量與影響因子的相關分析

2.5 延中綠地三維綠量格局影響因子分析

基于前文所得的每棵樹木與建筑、道路、水體的距離值,將不同樹木的三維綠量與不同類別的距離在R中建模分析。表3為排名前5的模型信息。最終選取AIC值最小的模型作為延中綠地三維綠量最優模型。

表3 三維綠量模型相關

根據最優模型分析結果,見表4,延中綠地三維綠量與距道路距離(Droad)(p<0.001)呈極顯著負相關,與距水體距離(Dwater)(p<0.001)呈極顯著正相關。延中綠地三維綠量格局最優模型為

表4 最優模型回歸系數

VYanzhong=224.35-1.51Droad+0.41Dwater

3 討 論

基于無人機及其相應傳感器獲取的空、地數據和Landsat 8 Collection 2 Level 2數據集,對延中綠地的降溫效應及其內部三維綠量分布格局和影響因子進行分析。結果表明,延中綠地的降溫作用具有方向性。其中,最大降溫距離的排序是東南>西南>東北>西北。這主要是受周邊景觀格局的影響所致的,這與前人的研究結果具有相似性[25-27]。以往結果表明,綠地自身及其景觀格局會影響其降溫效應[7,28-29]。從延中綠地周邊土地利用情況來看,東南方向緊靠上海市城隍廟老城區,城市化不透水面率最高,水域和綠地基礎設施占比低,從而具有最遠的降溫距離。最大局部冷島強度最高值出現在西南方向。說明在西南方向降溫強度最高,通過延中綠地三維綠量分布分析,西南方向延中綠地三維綠量高于其他3個方向,因此該方向上具有更顯著的降溫效果。在對不同植被類型區域均溫分析時,發現喬木區均溫(48.20℃)<草地區均溫(48.69℃)<灌木區均溫(48.72℃),可能是由于喬木的蒸騰作用大于草地和灌木,因此具有更好的降溫效應。

由于本文獲取的溫度數據分辨率為30 m,屬中等分辨率數據。但相對于使用的激光雷達數據,其精度相對較低。為進一步提升研究結果的精度,在后續研究中,可以利用D2000無人機雙光傳感器對延中綠地進行熱紅外飛行,獲取分辨率更高的溫度數據,以便進行精細尺度的城市熱島/冷島效應分析。

三維綠量是反映城市綠地質量及所在城市環境質量的綜合性指標,是植物個體生長及其群體發育和其區域生態系統服務功能的外在空間集中的表現,因而,城市尺度的三維綠量空間格局是區域自然條件、城市規劃布局及城市建設管理等因素相互作用的結果。延中綠地內三維綠量的高值區域集中在西北部靠近公路一側,三維綠量與距水體距離呈顯著正相關關系,與距道路距離呈顯著負相關,與距建筑距離呈不顯著負相關,這與以往的城市三維綠量分布格局及快速城市化對于城市綠地的研究結論有所差異[30-32],這可能與延中綠地初期的設計規劃有關,喬木林的建設一般選在道路兩側,而草地和灌木布置于林地中間,既能營造良好的景觀效果,又能方便市民休憩,發揮上海市中心延中綠地最大的生態價值和生態服務功能。

4 結 論

本文基于無人機及其相應傳感器獲取的空、地數據和Landsat 8 Collection 2 Level 2數據集,對延中綠地的降溫作用及其內部三維綠量分布格局及影響因子進行分析,得出以下結論:

(1)延中綠地的降溫作用具有方向性,主要是受周邊景觀格局的影響所致。其中,最大降溫距離的排序是東南>西南>東北>西北,但最大局部冷島強度最高值出現在西南方向,低值則是在東南方向。不同植被類型降溫效應從高到低依次為喬木>草地>灌木。

(2)延中綠地內三維綠量高值區域基本分布在其西北部靠近公路一側,其余各處皆有高值零星分布。延中綠地內三維綠量與距道路距離(Droad)呈顯著負相關,與距水體距離(Dwater)呈顯著正相關,與距建筑(Dfw)距離呈不顯著關系。

本文的研究結果可優化提升未來延中綠地的生態系統服務功能,為城市公園的建設、規劃、管理,以及城市熱島緩解提供有效借鑒和參考價值。