城市道路綠帶遙感綠量與地溫相關(guān)性研究

尤美子，黃曉霞，徐偉濤，馬紅艷，賴(lài)日文*

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002；2.中國(guó)科學(xué)院 地球環(huán)境研究所，陜西 西安 710061)

隨著城市化的快速發(fā)展，我國(guó)主要城市正面臨著更加嚴(yán)重的氣候變化問(wèn)題，尤其是城市熱島現(xiàn)象[1]。由此引起的城市高溫會(huì)加重城市空氣污染，影響人們的健康，阻礙生活質(zhì)量的提高[2]。城市綠地因其降溫效應(yīng)顯著，在提高城市環(huán)境效應(yīng)方面表現(xiàn)突出，成為解決城市熱島問(wèn)題的研究重點(diǎn)。

研究表明，城市綠地的降溫效應(yīng)不僅與綠地面積、形狀有關(guān)，還與綠地綠量有關(guān)。綠地綠量是指所有生長(zhǎng)中的植物莖葉所占據(jù)的空間體積[3]，能夠直接表征城市局部或整體的綠化水平，該指標(biāo)的提出促使綠地及其生態(tài)效益定量化研究水平產(chǎn)生質(zhì)的飛躍[4]。王云才[5]從太原城市生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)案例中得出，綠量在達(dá)到一定規(guī)模后才具有削弱城市熱島效應(yīng)的作用；李英漢等[6]研究深圳市居住區(qū)植物綠量與氣溫調(diào)控的關(guān)系，結(jié)果表明植物的降溫能力與20 m×20 m范圍內(nèi)植物的綠化三維綠量顯著相關(guān)。Feng Yang等[7]通過(guò)對(duì)上海市中心的10個(gè)高層住宅小區(qū)的研究，表明當(dāng)居住區(qū)綠地率在30%～40%時(shí)，每100 m2綠地需具有3棵喬木才會(huì)有比較顯著的調(diào)節(jié)氣溫作用。高占喜等[8]實(shí)測(cè)北京24個(gè)典型綠地樣地的夏季降溫增濕功能，得出三維綠量密度≥5 m3·m-2的喬灌草或喬草復(fù)層配置結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮最佳降溫增濕功能；

上述研究主體多為綠地斑塊，依靠實(shí)地測(cè)量地溫研究綠量與降溫效應(yīng)的相關(guān)性，同時(shí)對(duì)綠量發(fā)揮顯著降溫效應(yīng)的閾值進(jìn)行了討論，因?yàn)檠芯康赜蚝蜆拥卮笮〉牟顒e，導(dǎo)致結(jié)論存在些許差異。城市道路綠帶是城市綠地系統(tǒng)的重要組成部分，但目前關(guān)于城市道路綠帶與降溫效應(yīng)相關(guān)性的研究甚少，對(duì)于不同綠帶面積下的綠量降溫效應(yīng)的探索也較少。因此本研究以福州市倉(cāng)山區(qū)道路綠帶為對(duì)象，探索不同道路綠帶面積范圍內(nèi)綠量與地溫的關(guān)系，以期為城市道路綠帶的規(guī)劃設(shè)計(jì)及提供科學(xué)的理論支撐與緩解城市熱島效應(yīng)提供新思路。

1 研究區(qū)概況

福州市位于福建省中部偏北地區(qū)(25°15′-26°39′N(xiāo)，118°08′-120°31′E)，是海西經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心城市，地形多為丘陵與平原，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。本研究以福州市西南部倉(cāng)山區(qū)為對(duì)象(圖1)，區(qū)域面積142 km2，該區(qū)域四面臨江，道路綠化帶植物以鄉(xiāng)土樹(shù)種為主，喬灌草結(jié)構(gòu)較為合理，其中喬木主要包括榕樹(shù)(Ficusmicrocarpa)、杧果(Mangiferaindica)、白蘭(Micheliaalba)、羊蹄甲(Bauhiniapurpurea)、香樟(Cinnamomumcamphora)、木棉(Bombaxmalabaricum)等。倉(cāng)山區(qū)作為國(guó)家城鄉(xiāng)融合發(fā)展試驗(yàn)區(qū)，產(chǎn)業(yè)園區(qū)眾多，近年來(lái)快速的城市化發(fā)展取得卓越的經(jīng)濟(jì)發(fā)展成就。

圖1 研究區(qū)域位置

2 數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理

采用2019年9月22日的Landsat-8的遙感影像(圖幅號(hào)為L(zhǎng)C81190422019265LGN00)和2幅2019年12月11日的GF-1影像(圖幅號(hào)為L(zhǎng)1A1021515985、 L1A1021515986)，該影像無(wú)云，質(zhì)量較好。Landsat-8載有陸地成像儀(OLI)和熱紅外傳感器(TIRS)，其中TIRS包括有TIRS10和TIRS11熱紅外波段。地溫反演所需的氣象參數(shù)數(shù)據(jù)源自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn/)。研究區(qū)邊界矢量圖從全市行政區(qū)矢量圖中提取，道路矢量圖源自谷歌地球(http://earth.google.com/)。

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括遙感影像預(yù)處理和研究對(duì)象分類(lèi)兩方面。遙感影像預(yù)處理主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正、圖像配準(zhǔn)、圖像裁剪等。為獲取研究區(qū)各道路綠帶總綠量，需以GF-1影像為數(shù)據(jù)源，結(jié)合分層分類(lèi)法[9]和面向?qū)ο蠓诸?lèi)法[10]對(duì)道路綠帶樹(shù)種分類(lèi)。按照區(qū)內(nèi)道路綠化群落類(lèi)型將研究對(duì)象分為草本植物、灌木和喬木，并依據(jù)喬木占地面積大小劃分出優(yōu)勢(shì)喬木(榕樹(shù)、杧果、白蘭、羊蹄甲及香樟)和其他喬木。對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，在研究范圍內(nèi)生成362個(gè)隨機(jī)點(diǎn)(圖2)，通過(guò)GPS定點(diǎn)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)確定這些點(diǎn)的樹(shù)種類(lèi)型，建立分類(lèi)精度矩陣，結(jié)果如表1顯示，Kappa系數(shù)均>0.75、總體精度(overall accuracy)>80%，滿(mǎn)足本研究的數(shù)據(jù)分析精度要求(圖3)。

3 研究方法

3.1 地表溫度反演與城市道路綠帶溫度計(jì)算

研究運(yùn)用大氣校正法(輻射傳輸方程法)進(jìn)行地表溫度反演，該方法主要是根據(jù)衛(wèi)星熱紅外傳感器接收到的熱輻射能量的構(gòu)成來(lái)推算地表溫度。Landsat-8的TIRS11波段不穩(wěn)定，反演精度較低，本研究選澤單波段TIRS10以輻射傳輸方程法進(jìn)行演算[11],公式為：

Rλ=[ε·P(Ts)+(1-ε)·R↓]·τ+R↑

(1)

P(Ts)=[Rλ-R↑-(1-ε)·R↓·τ]/(ε·τ)

(2)

Ts=K2/ln[K1/P(Ts)+1]-273

(3)

式中，Rλ為衛(wèi)星傳感器所接收的波長(zhǎng)λ的熱輻射強(qiáng)度(W·m-2·μm-1)；ε為地表比輻射率；P(Ts)為地表物理溫度Ts(單位為K)時(shí)的黑體熱輻射強(qiáng)度(W·m-2·μm-1)；τ為大氣在熱紅外波段的透過(guò)率；R↑和R↓分別為大氣上行和下行輻射強(qiáng)度(W·m-2·μm-1);P(Ts)為在熱紅外波段的輻射強(qiáng)度;Ts(℃)為地表真實(shí)溫度；K1、K2為常數(shù)，表示衛(wèi)星發(fā)射前的預(yù)設(shè)常量，可以由元數(shù)據(jù)MTL文件查詢(xún)獲得。對(duì)于Landsat8 TIRS10波段，K1=774.885 3 W·m-2·μm-1，K2=1 321.078 9 K。

3.2 城市道路綠帶溫度與三維綠量計(jì)算

在ArcGIS10.5軟件中根據(jù)倉(cāng)山區(qū)遙感反演的地表溫度圖和研究區(qū)道路矢量圖，提取出道路綠帶的地表溫度，并采用柵格數(shù)據(jù)分區(qū)統(tǒng)計(jì)(zonal statistics)的功能，統(tǒng)計(jì)出各道路綠帶平均地溫。

圖2 研究區(qū)外業(yè)調(diào)查點(diǎn)分布

圖3 道路綠地區(qū)域樹(shù)種分類(lèi)結(jié)果

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于綠量的計(jì)算方法有很多種，目前的計(jì)算方法主要分為“以平面量模擬立體量”[12]和葉面積指數(shù)法[13]2大類(lèi)。本研究主要是計(jì)算葉面積層面上的綠量，采用的綠量是指單位面積上綠色植物的總量，即各類(lèi)樹(shù)種的葉面積指數(shù)與其所占面積的乘積[14]。利用LAI-2000植物冠層分析儀對(duì)倉(cāng)山區(qū)道路綠地區(qū)域喬木和灌木的葉面積指數(shù)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，共測(cè)量6類(lèi)樹(shù)種(榕樹(shù)、杧果、白蘭、羊蹄甲、樟樹(shù)和灌木)每類(lèi)樹(shù)種分別選擇20個(gè)形態(tài)差異小且相對(duì)獨(dú)立生長(zhǎng)的植株，通過(guò)統(tǒng)計(jì)并分別取平均值得到研究區(qū)內(nèi)喬木和灌木的葉面積指數(shù)。草本植物的葉面積指數(shù)、具體測(cè)定與校正方法參照王永杰[15]對(duì)福州市公園綠地主要樹(shù)種的葉面積指數(shù)特征的研究，基于各樹(shù)種葉面積指數(shù)，結(jié)合倉(cāng)山區(qū)道路綠帶的樹(shù)種分類(lèi)圖和道路矢量圖，利用柵格數(shù)據(jù)分區(qū)統(tǒng)計(jì)功能，分別計(jì)算出各道路綠帶喬木、灌木和草本植物的綠地面積和綠量，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出各道路綠帶的總綠地面積和總綠量。

表1 各層次分類(lèi)結(jié)果精度評(píng)價(jià)

3.3 城市道路綠帶面積等級(jí)劃分

許多研究表明，水體具有一定的降溫作用，綠地面積大小是影響綠地發(fā)揮降溫效應(yīng)的因素之一[16-18]。故本研究在分析綠量與地溫關(guān)系時(shí)，對(duì)臨近水體的道路不做討論。在ArcGIS中，按照道路綠地面積的分布情況將余下道路綠帶分為6個(gè)等級(jí)，并為進(jìn)一步減少面積帶來(lái)的影響，在各等級(jí)內(nèi)找到面積分布的眾數(shù)值，作為該等級(jí)的代表值，劃分結(jié)果如表2所示(等級(jí)6內(nèi)綠帶面積分布較分散，故未選取眾數(shù)值，對(duì)該范圍內(nèi)所有道路綠帶進(jìn)行綠量與地溫的回歸分析)。

表2 研究區(qū)道路綠帶面積等級(jí)劃分

4 結(jié)果與分析

4.1 倉(cāng)山區(qū)地溫空間分布

研究區(qū)地溫反演結(jié)果如圖3所示，地表平均溫度、最高溫度和最低溫度分別為(29.57±2.71)℃、38.07℃、23.56℃。地溫分布差異比較明顯，區(qū)內(nèi)中心地帶比外緣地帶高，熱島效應(yīng)顯著，高溫組團(tuán)分別為金山創(chuàng)意園區(qū)、橘洲工業(yè)園區(qū)與萬(wàn)達(dá)商圈。倉(cāng)山區(qū)道路綠帶低溫區(qū)位于閩江及烏龍江沿岸，三縣洲大橋、閩江大橋、金山大橋、解放大橋、觀音湖邊路、南江濱休閑路和濂水路受水體影響地溫低于周邊環(huán)境。

4.2 綠量分析

從由表3可知，倉(cāng)山區(qū)道路綠帶的總綠量約為4 574.78 hm2，樹(shù)種間綠量因LAI與占地面積不同而差異較大。從植被類(lèi)型角度，綠量排序?yàn)閱棠?灌木>草本，比例約為5∶3∶2，喬木層是綠帶綠量的主要來(lái)源，但也不可忽視灌木層、草本層對(duì)綠量的貢獻(xiàn)，可通過(guò)提高復(fù)層數(shù)，豐富植物群落，提升道路綠帶的降溫作用。從優(yōu)勢(shì)喬木類(lèi)型角度，綠量排序?yàn)殚艠?shù)>樟樹(shù)>杧果>羊蹄甲>白蘭，表明在喬木樹(shù)種配置上可以選擇一些LAI較大的觀賞類(lèi)樹(shù)種，兼顧生態(tài)效益和美學(xué)價(jià)值。

圖4 倉(cāng)山區(qū)地表溫度反演

4.3 城市道路綠帶地表溫度與綠量的關(guān)系

將道路綠帶按照地溫由低到高排序，由于道路數(shù)量較多，只列出前10條道路統(tǒng)計(jì)信息(表4)。道路綠帶綠量與地溫并非一直呈負(fù)相關(guān)性，即隨著綠量的增大，地表溫度并不一定降低，如牛眠山巷的綠量是亭下路的67倍，但是其地溫卻比亭下路高出0.1℃。這主要是因?yàn)榫G地面積差異會(huì)對(duì)綠地的降溫效應(yīng)產(chǎn)生影響，與前人綠地降溫效應(yīng)受面積影響的研究結(jié)果一致。故本研究將根據(jù)前文劃分出的道路綠地面積等級(jí)，分別討論綠帶綠量與地溫的關(guān)系。

表3 倉(cāng)山區(qū)道路綠帶典型樹(shù)種的綠量統(tǒng)計(jì)

表4 倉(cāng)山區(qū)道路綠帶統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.3.1 道路綠帶面積<1 hm2(圖5(a)) 在該綠帶面積范圍內(nèi)，綠帶綠量與地溫幾乎不存在相關(guān)性，地溫不受綠量變化的影響，在27℃～34℃隨機(jī)分布。其主要是因?yàn)榫G地面積較小，邊緣比大，容易受周邊環(huán)境的影響，熱交換作用強(qiáng)烈，對(duì)于周邊小氣候改善十分有限，需要增加綠地面積，才可能形成穩(wěn)定的冷點(diǎn)。

4.3.2 1 hm2≤道路綠帶面積<2 hm2(圖5(b)) 綠量與地溫呈負(fù)相關(guān)，地溫隨綠地綠量的增大而降低。綠量每增加1 hm2，道路綠帶的地溫平均可以降低0.373℃。其主要因?yàn)殡S著綠地面積的增大，綠地受周?chē)h(huán)境影響程度減弱，降溫效應(yīng)增強(qiáng)。

4.3.3 2 hm2≤道路綠帶面積<4 hm2(圖5(c)) 綠量與地溫二者負(fù)相關(guān)性增強(qiáng)，綠量每增加1 hm2，道路綠帶地溫平均可以降低0.343℃，且變化趨勢(shì)與面積為1.3 hm2的綠地相似，表明在1～4 hm2面積的道路綠帶的地表溫度的調(diào)控作用基本相同。

4.3.4 4 hm2≤道路綠帶面積<7 hm2(圖5(d)) 綠帶綠量與地溫的回歸曲線(xiàn)擬合程度更好，負(fù)相關(guān)性更強(qiáng)。此時(shí)，綠量每增加1 hm2，道路綠帶的地表溫度平均可以降低0.157 2℃，地表平均溫度在28℃～33℃變化。其降溫效率要低于1～4 hm2道路綠帶。表明在城市道路綠帶綠量本來(lái)就很大的情況下，增大綠量，道路的通風(fēng)情況可能變差，降溫的效果可能會(huì)減弱。

4.3.5 7 hm2≤道路綠帶面積<10 hm2(圖5(e)) 綠量與地溫呈負(fù)相關(guān)，綠量每增加1 hm2，道路綠帶的地溫平均可以降低0.087 8℃，在28℃～32℃變化。當(dāng)?shù)缆肪G帶面積在4～10 hm2時(shí)，綠量的降溫效應(yīng)和LST的分布范圍上基本一致，說(shuō)明該面積范圍的綠地可以作為一類(lèi)考慮，綠量的降溫作用基本相同。

4.3.6 道路綠帶面積≥10 hm2(圖3(f)) 綠量與地溫幾乎不存在相關(guān)性，地溫不隨綠量的增加而減少，在26℃～30.5℃隨機(jī)分布。表明相較于綠地面積較小時(shí)，綠地達(dá)到一定規(guī)模，自身的溫度特性比較穩(wěn)定，不會(huì)受綠地綠量的影響，對(duì)周邊區(qū)域有顯著的降溫作用，可以形成恒定的冷源。

5 結(jié)論與討論

過(guò)往對(duì)于緩解城市熱島現(xiàn)象的研究對(duì)象集中于城市公園、水體或綠色基礎(chǔ)設(shè)施，在我國(guó)人地矛盾較嚴(yán)重的情況下，通過(guò)探究不同綠地面積范圍內(nèi)道路綠帶綠量與地溫的關(guān)系，以期為緩解熱島效應(yīng)提供新研究思路，并為現(xiàn)代城市道路綠地規(guī)劃提供理論指導(dǎo)。本研究以福州市倉(cāng)山區(qū)道路綠帶為對(duì)象，運(yùn)用熱輻射傳輸法進(jìn)行地表溫度反演，結(jié)合分層分類(lèi)法與面向?qū)ο蠓?，?shí)現(xiàn)道路典型樹(shù)種的分類(lèi)并根據(jù)測(cè)定的LAI完成道路綠帶綠量的計(jì)算，進(jìn)而分析地溫空間分布、道路綠帶綠量，研究道路綠帶綠量和地溫之間規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：

1)研究區(qū)地溫分布差異明顯，區(qū)內(nèi)熱島效應(yīng)顯著，有多個(gè)熱島核心位于開(kāi)發(fā)建設(shè)區(qū)的中心，下墊面介質(zhì)以不透水材質(zhì)為主，城市化水平較高，表明熱島空間分布主要與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)。低溫區(qū)域出現(xiàn)在閩江及烏龍江沿岸，呈現(xiàn)沿江型分布。主要是因?yàn)樗w比熱容大、熱輻射率低，能有效降低顯熱交換能力，在改善局部小氣候緩解城市熱島效應(yīng)發(fā)揮重要的作用。地溫空間分布及成因的研究結(jié)果與前人結(jié)論基本一致，但現(xiàn)沿江干道未能有效地作為降溫廊道，對(duì)區(qū)內(nèi)熱島效應(yīng)產(chǎn)生大幅度緩解作用。未來(lái)如何依托現(xiàn)有道路骨架，通過(guò)調(diào)整綠化結(jié)構(gòu)，將江風(fēng)引入島內(nèi)，打破熱島極核，增加高溫斑塊的景觀破碎度，從而緩解城市熱島效應(yīng)值得深入研究。

圖5 城市道路綠帶綠量與地溫的關(guān)系

2)道路綠帶綠量相等時(shí)，綠地面積差異會(huì)綠地的降溫效應(yīng)產(chǎn)生影響，與前人研究結(jié)果基本一致，在后續(xù)研究道路綠地其他結(jié)構(gòu)的降溫效應(yīng)時(shí)，需控制綠地面積相等并剔除水體降溫效應(yīng)的干擾。

3)在不同面積范圍內(nèi)，道路綠帶綠量與地溫的關(guān)系不同。當(dāng)綠帶面積<1 hm2時(shí)，綠帶的降溫效應(yīng)與綠量大小幾乎無(wú)關(guān)，需要增加道路綠帶面積二維增綠，以達(dá)到調(diào)節(jié)周邊熱環(huán)境的目的；當(dāng)綠帶面積為1～10 hm2，二者呈負(fù)相關(guān)，地溫會(huì)隨著綠帶綠量的增大而減少，綠帶可以對(duì)周邊環(huán)境起到降溫作用；當(dāng)綠帶面積>10 hm2，綠量大小不影響綠帶發(fā)揮降溫效應(yīng)，綠帶對(duì)周邊區(qū)域降溫作用顯著。此時(shí)，應(yīng)該注意道路綠帶的三維綠量是否超出了閾值，降低了城市綠帶降溫效率，如：行道樹(shù)冠層過(guò)密阻礙了城市通風(fēng)導(dǎo)致綠帶對(duì)周邊地區(qū)的氣溫調(diào)節(jié)作用減弱。

4) 在道路綠帶綠量與地溫存在負(fù)相關(guān)性的面積范圍內(nèi)(1～10 hm2)，綠量在綠帶面積為1～4 hm2的降溫效率優(yōu)于在4～10 hm2，單位綠量可分別平均降溫0.343℃～0.373℃、0.087 8℃～0.157 2℃。綠帶面積在1～4 hm2范圍內(nèi)，綠帶綠量與地溫的負(fù)相關(guān)程度較高，可以通過(guò)增加綠量進(jìn)一步提高道路綠帶的降溫效應(yīng)。建議在道路綠帶規(guī)劃中充分利用各種植物的功能特點(diǎn)，合理配置植物種類(lèi)及生態(tài)位，選擇LAI更大的樹(shù)種，提高植物群落復(fù)合層數(shù)，從而提高三維綠量，使道路綠帶發(fā)揮更強(qiáng)的降溫作用和持續(xù)的生態(tài)效應(yīng)；當(dāng)綠帶面積在4～10 hm2范圍內(nèi)，綠帶已經(jīng)成為周邊地區(qū)的穩(wěn)定冷源，但單位綠量的降溫效率減弱。在規(guī)劃中除考慮三維增綠外，應(yīng)多關(guān)注道路綠帶的區(qū)域降溫廊道作用。構(gòu)筑道路綠帶林網(wǎng)化，發(fā)揮道路綠帶的廊道功能，連接綠地斑塊形成綠色網(wǎng)絡(luò)，作為斑塊間能量、物質(zhì)和物種流動(dòng)的重要通道，實(shí)現(xiàn)城市綠化整體功能優(yōu)化。

本研究探索不同綠地面積范圍內(nèi)城市道路綠帶綠量與地表溫度的關(guān)系，但未將城郊型、遠(yuǎn)郊型道路綠帶納入研究。在城鄉(xiāng)一體化的背景下，城鄉(xiāng)道路綠帶綠量與降溫效應(yīng)相關(guān)性研究對(duì)緩解區(qū)域熱環(huán)境問(wèn)題更富有指導(dǎo)意義。同時(shí)，研究未能將道路周邊建成區(qū)的建筑密度、風(fēng)向、風(fēng)速的影響因素納入考慮范圍，若能更細(xì)致的控制研究區(qū)內(nèi)的其他變量，減少其他因子對(duì)綠量與地溫關(guān)系的影響，分析結(jié)果會(huì)更加具有說(shuō)服性。