應對熱島效應的遵義市綠地系統優化策略*

伍肖肖

（貴州師范大學地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550025）

0 前言

當前，我國城市化進程不斷推進，城市建設得到快速發展的同時，城市面臨的生態環境問題愈發突出，其中，城市熱島效應成為廣受關注的熱點問題。城市熱島效應（Urban Heat Island Effect, UHI）是指在城市化發展過程中，由于城區下墊面性質及結構變化、人為熱源的排放、建筑及道路密集等導致的城區溫度明顯高于郊區，形成類似“高溫島嶼”的現象[1]。熱島效應改變了城市熱環境，加劇了能源消耗和環境污染，降低了生存舒適度，對人類身心健康和生活環境產生了嚴重影響，已成為21 世紀影響人類生存與發展的重要環境問題[2]。

城市綠地作為城市中的綠色空間，對改善城市熱島效應具有積極的作用，植被通過蒸騰作用、遮陰作用增加空氣濕度，減少太陽對地面的直接輻射，達到降低周圍環境溫度的效果。許多學者通過實地觀測、遙感技術和數值模擬等方法對綠地的降溫作用進行了研究，并取得了大量研究成果。如王蕾等[3]以長春市為例，探究了城市綠地的降溫效率，結果表明綠地降溫效率與其形狀、面積和植被覆蓋度具有較高的相關性。崔林林等[4]基于Landsat 8 TIRS 數據，對成都市中心城區熱島效應與下墊面的關系進行研究，結果發現夏季溫度與NDVI 呈現顯著負相關，說明了植被對減緩熱島效應具有一定的效果。李世隆等[5]以北京市為例，定量分析喬灌草型、喬草型、喬木型、灌草型這4 種植物群落的植被覆蓋率對溫度的影響，研究表明綠地溫度與4 種植物群落的植被覆蓋率均具有負相關性，其中喬灌草型植物群落對溫度的影響最明顯，覆蓋率達到50%～55%時其降溫效果最大。黃永霖等[6]以南寧市為例，定量分析了土地利用類型與地表溫度的關系，結果表明建設用地、裸地對地表溫度的升高貢獻相對較大，其次是草地、耕地，而林地和水體對地表溫度有明顯降溫作用。鐘秀惠等[7]選取杭州市10 個公園作為研究對象，結果表明公園的冷島效應由公園面積、水體面積和綠地面積共同影響，其面積與公園內部溫度呈負相關，當水體面積在20 hm2以上、綠地面積在30 hm2以上時，公園降溫明顯。彭明熙等[8]采用實測與理論分析相結合的方法，以重慶市3 種屋頂綠化植物為例，通過分析證明屋頂綠化對微氣候確有降溫增濕作用，且葉面指數越高，對城市熱島效應改善效果越好。

遙感技術的出現，使大范圍的對地觀測成為可能，為研究熱島效應及其與綠地間的耦合關系提供了新途徑，各種遙感數據產品被廣泛應用于熱島效應的研究中。其中，Landsat 8 衛星數據在反演地表溫度方面優勢明顯[9]。相比于其他衛星，Landsat 8不僅具有較高的空間分辨率，且搭載的熱紅外傳感器上首次引入了量子學紅外光子檢測技術，增強了TIRS 對熱紅外波段的敏感性，從而更有利于從大氣溫度中將地表溫度分離出來[10]。目前，針對Landsat 8 的地表溫度反演方法有單窗算法、單通道算法、大氣校正法（輻射傳輸方程算法）和劈窗算法等。美國地質調查局（USGS）采用新的定標參數對Landsat 8 進行處理，但TIRS11 波段仍具有不確定性[11]。

因此，本文以Landsat 8 OLI影像數據作為數據源，基于大氣校正法反演遵義市中心建成區地表溫度，對遵義市熱島效應空間特征及其與綠地相關關系進行研究分析，從綠地系統規劃的角度提出遵義市城市綠地的空間優化策略，以達到緩解城市熱島效應、改善城市小氣候以及提升遵義市城市環境質量等目標。

1 研究區概況

遵義市地處中國西南地區，貴州北部，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明。近些年，遵義市作為西南地區重要交通樞紐、成渝—黔中經濟區走廊的核心區，城市化穩步加快，市域范圍擴展明顯，下墊面變化顯著（自然下墊面被不透水面取代、建筑物規模持續增大），夏季高溫天氣頻繁出現，年平均氣溫整體上呈升高態勢，這預示著遵義市熱島效應的覆蓋范圍和強度均會發生變化，熱島效應問題逐漸引起人們的重視。

本文選取的研究范圍是遵義市中心建成區，區域地理坐標為東經106°51′～107°00′，北緯27°33′～27°44′，包括匯川區、紅花崗區和播州區，如圖1所示，總面積約為15.87 km2，居住人口1 467 408人。

2 數據與方法

2.1 數據來源

1）遵義市中心建成區范圍控制線。基于遵義市自然資源局提供的建成區范圍和《遵義市城市總體規劃（2008—2030 年）》，結合遙感影像現狀，對遵義市中心建成區范圍進行控制線的劃定。

2）地表溫度反演數據。遵義市Landsat 8 OLI 衛星影像通過地理空間數據云網站（www.gscloud.cn）下載，影像覆蓋研究區全境，軌道號為127-41，獲取時間為2019年8 月13日，含云量為0.03。

2.2 地表溫度反演

本文基于ENVI 平臺，針對Landsat 8 衛星數據，采用大氣校正法反演遵義市建城區地表溫度。大氣校正法[12]，也稱輻射傳輸方程法，基本原理是首先估計大氣對地表熱輻射的影響，然后將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，再將這一熱輻射強度轉化為相應的地表溫度[13]。需要植被覆蓋度、地表比輻射率和輻射亮度3個基本參數。處理流程如圖2所示。

圖2 處理流程

2.2.1影像預處理

預處理主要包括幾何校正、輻射定標、大氣校正、圖像融合、圖像拼接和圖像裁剪。目的是消除傳感器本身產生的誤差和大氣產生的影響，提高圖像質量，提高對地表溫度的反演精度。本文所使用的Landsat 8 OLI 數據屬于Level-1 級的數據，已經過幾何校正。因此，在ENVI 中對影像的預處理只做輻射定標、大氣校正和圖像裁剪。

2.2.2 NDVI（植被指數）和植被覆蓋度計算

植被覆蓋度計算公式如下[14]：

式中，NDVI 為歸一化植被指數，NDVIV和NDVIS分別是植被和裸地的N D V I 值，N D V IV=0.7 0，NDVIS=0.05。

其中，NDVI 計算公式為[15]：

式中，NDVI 為歸一化植被指數，NIR 為近紅外波段反射率，R為紅色波段處反射率。

2.2.3地表比輻射率計算

本文將影像分為水體、自然表面和城鎮區這3 種類型[16]。其中，水體像元比輻射率為固定值0.995。自然表面和城鎮區地表比輻射率按照如下公式計算：

式中，εsurface和εbuilding分別為自然表面像元比輻射率和城鎮區像元比輻射率，PV為植被覆蓋度。

2.2.4黑體輻射亮度計算

熱紅外輻射亮度值Lλ由地面真實輻射亮度經過大氣層后到達衛星傳感器的輻射亮度（TS）、大氣上行輻射亮度（Lu）、大氣下行輻射亮度（Ld）共3 部分組成。衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值公式為：

式中，ε 為地表比輻射率，TS為地表的真實溫度（K）。B(TS)為黑體熱輻射亮度，τ 為大氣透過率，則溫度為T 的黑體在熱紅外波段的黑體輻射亮度表達式為：

大氣上行輻射亮度值（Lu）、大氣下行輻射亮度值（Ld）和大氣透過率（τ）可以在NASA官網獲取。

2.2.5地表溫度計算

根據普朗克公式的反函數，可計算出地表溫度TS：

對于TIRS Band10，K1=774.89 W/(m2*μm*sr)，K2=1 321.08 K。

2.3 熱島強度分級及統計

在ArcGIS 10.2 軟件中使用自然間斷點分級法（Jenks）將經上述反演得到的地表溫度數據劃分為5個熱力等級區間（單位為℃）：綠島（28.59 ℃～33.40 ℃）、次綠島（33.40 ℃～36.17 ℃）、正常區（36.17 ℃～38.48 ℃）、強熱島（38.48 ℃～41.25 ℃）、極強熱島（41.25 ℃～52.15 ℃）。并對各區間熱力等級的像元數進行統計，得到遵義市全域各等級的熱力區間所占比例，具體如表1所示。

表1 遵義市熱島等級統計

2.4 城市綠地覆蓋率與熱島效應相關關系分析

在ArcGIS 10.2 軟件中使用fishnet 工具，按照1 km×1 km 的尺寸建立若干個網格，NDVI&LST 漁網圖如圖3 所示，通過Extract MultiValues To Points工具分別提取各網格區域內的LST（地表溫度）和NDVI（歸一化植被指數）數值，并使用clip 工具去除無效值，最后得到一組關于研究區域內的LST 和NDVI 數據。使用SPSS 22.0 軟件，對前述所獲取的數據進行相關性分析，探究城市綠地與熱島效應之間的相關關系。高，為32.67%；其次為次綠島、強熱島和綠島，分別為24.22%、24.00%和13.35%；極強熱島所占比例最小，為5.77%。

圖3 NDVI&LST漁網圖

3 結果與分析

3.1 遵義市熱島效應空間特征

將通過大氣校正法計算的地表溫度數據，在ArcGIS 10.2 軟件中進行可視化處理，得到遵義市熱島空間分布情況，具體如圖4所示。

圖4 遵義市熱島空間分布情況

由圖3 和表1 的分析發現遵義市熱島有以下幾點特征：

1）遵義市地表最低溫度為28.59 ℃，最高溫度為52.15 ℃，平均溫度為36.85 ℃。正常區所占比例最

2）極強熱島總體呈點狀零星散布，鑲嵌于強熱島之中，主要分布于貴州航天高新技術產業園、烤煙廠、盈田工谷產業園和坪橋工業園等高耗能區域以及遵義站、高鐵汽車客運站、南白客運城、遵義國際商貿城等人流量較高區域。該區域地表屬性以大面積的不透水層為主，且能源消耗大，向環境排入大量的熱量，加劇了熱島效應的形成，因而表現出極強的熱島效應。

3）與極強熱島相比，強熱島分布區域能耗較低，熱源排放較少，但該區域建筑密度較高，人口密集。主要分布于吳家壩小區、雙獅村樂村還房小區、羊馬還房小區等居住區和新世界建材市場、九五鋼材市場、南白商貿城等商業區，以及以遵義師范技術學院、遵義師范學院新浦校區、貴州航天職業技術學院、遵義醫科大學新浦校區為代表的大學城區域。另外，烏江大道、東聯絡線、川黔線等不透水面道路面也呈強熱島。

4）正常區面積占比最大，該區域具有較好的綠化覆蓋率，能調節局地氣溫，降低熱島效應。該區域多為城中未開發建設的耕地、草地、較稀疏的灌木林地以及綠化覆蓋率較高的居住小區等。

5）鳳凰山國家森嶺公園、三閣公園、嶺南公園、天鵝湖公園、白鷺湖公園等公園區域以及湘江、白鷺湖、中鐵共青湖等河流湖泊水域呈現明顯的綠島和次綠島。大面積的高密度植被，能夠有效避免太陽對地面的直接輻射，降低地表溫度，對緩解城市熱島效應具有顯著的作用；河流湖泊具有較大熱容量，在相同的太陽輻射量下，溫度升高較緩慢，能夠形成局地風，降低環境溫度。

3.2 城市綠地覆蓋率與熱島效應相關關系

通過fishnet 工具和Extract MultiValues To Points工具，共獲取152 組有效數據。利用SPSS 對該組數據進行相關性分析，結果如表2 所示，LST 與NDVI的皮爾森相關系數為-0.577，其絕對值大于0.01，表明LST 與NDVI 之間具有顯著的相關性，且LST 與NDVI 之間呈負相關關系。由于NDVI 與植被覆蓋率具有正相關關系，因此可以用NDVI 代表綠地斑塊的植被覆蓋率。通過對LST 與NDVI 的相關性分析，可知綠地斑塊的植被覆蓋率與熱島效應呈負相關關系，說明提高植被覆蓋率可以有效降低地表溫度，改善城市微氣候，達到緩解城市熱島效應的目的。

表2 NDVI 與LST相關關系

4 綠地優化對策

根據熱島效應特征，結合遵義市城市空間特點，合理進行綠地布局和空間規劃。提出以下幾點遵義市綠地系統規劃策略以改善城市熱環境，減弱熱島效應強度。

1）增加綠地建設，提高植被覆蓋率。植被覆蓋率與地表溫度之間具有負相關關系，提高植被覆蓋率有利于降低地表溫度[17]。有研究表明，當城鎮綠化覆蓋率達到50%時，地表溫度下降約13 ℃，城市熱島效應基本可消除[18]。根據遵義中心建成區熱島效應空間分布情況和實際用地條件，發掘潛在綠地，著重在呈現極強熱島、強熱島的工業園區和商業區增建口袋公園、屋頂花園、社區小游園等形式綠地，彌補該區域綠地的不足，以改善局部區域熱環境。

2）加強垂直綠化，增加城市三維綠化量。垂直綠化和屋頂綠化能夠給建筑帶來良好的制冷保溫效果，很大程度減少了城市建筑儲熱并向大氣輻射熱量[19-20]。在寸土寸金城市中大面積地增加綠地的建設不切實際，因此在用地條件緊張的城市背景之下，垂直綠化成為低成本且快速有效增加城市綠化量的手段。應充分利用植被的降溫增濕功能，積極為城市“披綠”。一方面，充分利用城市中邊坡、橋墩、建筑墻面等公共空間，增加垂直綠化的建設；另一方面，鼓勵引導市民進行陽臺綠化、墻面綠化、屋頂綠化。

3）優化植被空間結構，增強綠地降溫效益。不同的植物品種、植被空間結構的降溫效益具有差異性[21]。在植被空間構成中，喬-灌-草結構型綠地降溫效果優于其他結構型綠地[22-23]。應對遵義市中心建成區內植被空間結構單一的綠地進行優化，優先選用冠幅大、葉面積密度高的樹種進行搭配，在有條件的區域多建設喬-灌-草結構型綠地，以發揮城市綠地的最大降溫效益。

4）建立“一脈多廊”的城市綠色生態網絡。“一脈”是指以湘江為主體的城市濱水綠地，“多廊”是指以播州大道、新龍大道和湘江大道等市內主要公路、鐵路交通干線構建的城市道路綠廊。依托遵義市內的主要交通干線和湘江及其支流的線性綠化景觀帶，搭建道路綠廊與水系廊道相互交織的城市綠色生態網絡。

5）構建“綠色棋布，城綠交融”的綠地景觀格局。孤立的綠地斑塊降溫效益是有限的，構建“點線面”聯動的綠地格局，能夠增加綠地間的聯系，達到整體協同互補的降溫效果[24]。聯通遵義市中心建成區內的道路和濱水綠帶，以線性綠色廊道串聯城市中的公園綠地、防護綠地等各級綠色斑塊，形成綠廊網絡覆蓋城市全域。綠色斑塊穿插于其間的“綠色棋布，城綠交融”綠地景觀格局，為城市的可持續發展提供生態保障。

5 結語

本文以遵義市中心建成區為案例，利用Landsat 8 OLI數據對地表溫度進行了反演，并分析了城市綠地與熱島效應之間的相關關系。通過研究發現，遵義市中心建成區熱島效應較為明顯，主要分布于植被覆蓋率較低、不透水面占比高且能耗高的工業園區、商業區、交通樞紐以及部分居住區和學校。通過對綠地與熱島效應的相關性分析可知，熱島效應與城市的植被覆蓋率具有負相關關系，因此增加城市綠量，提高植被覆蓋率能有效減緩熱島效應。基于上述分析結果，本文提出了綠地系統優化策略，以期為緩解遵義市中心建成區熱島效應和城市綠地建設提供借鑒。

由于獲取的數據有限，僅對遵義市中心建成區熱島效應的空間特征、植被覆蓋度與熱島效應相關關系進行了簡單的探討，但熱島效應的產生因素是較為復雜的，城市綠地降溫效應的影響機制也是多面的。從景觀格局、植物空間配置等角度分析熱島效應與城市綠地之間的響應機制值得更為深入研究，充分論證兩者間的相關關系，才能為緩解城市熱島效應、合理建設城市綠地提供更為科學的依據。