沈陽(yáng)前清建筑遺產(chǎn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境要素研究★

王 晶，王肖宇，韓志根，張可青

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110870; 2.沈陽(yáng)市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

1 概述

建筑遺產(chǎn)經(jīng)歷了由城市擴(kuò)張到城市更新的城市發(fā)展變化過(guò)程，其保護(hù)工作也由原有的單體修復(fù)性保護(hù)變化為區(qū)域整體性保護(hù)，明確其外部生態(tài)環(huán)境變化是研究建筑遺產(chǎn)保護(hù)和城市更新的重要前提和基礎(chǔ)。早在1933年8月的《雅典憲章》中就已提出建筑遺產(chǎn)所屬城市外部空間也應(yīng)得到尊重，尤其是建筑遺產(chǎn)周圍的環(huán)境應(yīng)特別重視[1]。1976年11月聯(lián)合國(guó)教育、科學(xué)及文化組織大會(huì)上通過(guò)《關(guān)于歷史地區(qū)的保護(hù)及其當(dāng)代作用的建議》，提出“歷史地區(qū)及其周邊環(huán)境”概念[2]。1985年3月，歐洲理事會(huì)通過(guò)的《歐洲建筑遺產(chǎn)保護(hù)公約》強(qiáng)調(diào)了文化遺產(chǎn)與自然環(huán)境的關(guān)聯(lián)性和有機(jī)聯(lián)系[3]。1999年10月，國(guó)際古跡遺址理事會(huì)通過(guò)的《鄉(xiāng)土建成遺產(chǎn)憲章》采用建成遺產(chǎn)的概念，更有利于關(guān)注建筑遺產(chǎn)環(huán)境特性[4]。

已有建成環(huán)境評(píng)價(jià)理論和方法經(jīng)幾十年發(fā)展，使其環(huán)境評(píng)價(jià)理論呈多元化發(fā)展態(tài)勢(shì)[5]，但量化研究建筑遺產(chǎn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境要素仍有待深入。沈陽(yáng)前清建筑遺產(chǎn)是遼寧省文化繼承的重要載體，本文基于長(zhǎng)期遙感影像監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了建筑遺產(chǎn)所在區(qū)域生態(tài)環(huán)境要素連續(xù)、漸變的過(guò)程，為維護(hù)建筑遺產(chǎn)區(qū)域生態(tài)空間的穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)域

沈陽(yáng)市作為遼寧省內(nèi)現(xiàn)存前清建筑遺產(chǎn)最多的城市，共有12處(見(jiàn)表1)，其中沈陽(yáng)市中心城區(qū)內(nèi)有11處，新民市有1處。

表1 沈陽(yáng)前清建筑遺產(chǎn)調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

本文以沈陽(yáng)市中心城區(qū)范圍內(nèi)的前清建筑遺產(chǎn)區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域(見(jiàn)圖1)。

2.1 地形地貌

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

2.2 河流水系

沈陽(yáng)市以渾河為界，渾河以北由哈達(dá)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(yáng)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(qū)，形成“西水”格局[6](見(jiàn)圖3)。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

本文選用1995年、2002年、2006年、2010年、2014年與2019年沈陽(yáng)市中心城區(qū)范圍內(nèi)9月Landsat遙感影像為基本數(shù)據(jù)源(見(jiàn)表2)，進(jìn)行沈陽(yáng)前清建筑遺產(chǎn)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況研究。6景遙感影像基本無(wú)云覆蓋，經(jīng)圖像校正后數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

表2 研究區(qū)遙感影像列表

本文主要運(yùn)用ENVI 5.1工作平臺(tái)完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、圖像預(yù)處理、目視判讀等系列工作，根據(jù)2019年9月22日的Landsat-8影像(如圖4所示)的OLI數(shù)據(jù)的沈陽(yáng)市中心城區(qū)范圍確定本研究區(qū)域范圍，經(jīng)圖像裁剪得到研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)投影變換后，均在相同坐標(biāo)系和投影下。所采用投影為橫軸墨卡托投影，中央經(jīng)線為東經(jīng)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(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系建立、面積統(tǒng)計(jì)和制圖等工作。

3.2 研究方法

2015年國(guó)家環(huán)境保護(hù)部頒布實(shí)施的HJ 192—2015生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范[7]采用城市熱島比例指數(shù)作為評(píng)價(jià)城市環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的指標(biāo)之一，評(píng)價(jià)城市發(fā)展過(guò)程中的環(huán)境質(zhì)量變化；同時(shí)采用綠地覆蓋率作為評(píng)價(jià)城市生態(tài)建設(shè)指數(shù)的指標(biāo)之一，評(píng)價(jià)城市生態(tài)建設(shè)情況。本文參考HJ 192—2015生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范，應(yīng)用空間信息技術(shù)對(duì)沈陽(yáng)前清建筑遺產(chǎn)所在區(qū)域長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用完全基于遙感信息的歸一化植被指數(shù)[8]和地表溫度反演結(jié)果，可視化表征建筑遺產(chǎn)區(qū)域外部生態(tài)環(huán)境狀況連續(xù)與漸變過(guò)程。

3.2.1 植被指數(shù)

對(duì)植被較敏感的可見(jiàn)光和近紅外波段反射光譜信息的植被指數(shù)，可直觀地反映出建筑遺產(chǎn)區(qū)域因城市更新等因素導(dǎo)致的植被覆蓋變化。為避免植被信息提取時(shí)像元不確定，采用歸一化植被指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)[9]來(lái)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(yuǎn)紅外波段反射率。為了更好的對(duì)不同時(shí)間獲得的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，標(biāo)準(zhǔn)化后NDVI值分布于0與1之間，數(shù)值越高，植被覆蓋、長(zhǎng)勢(shì)等狀況越好。

3.2.2 地表溫度

建筑遺產(chǎn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況中熱度指標(biāo)可采用地表溫度(LST)表征。經(jīng)與實(shí)際地表溫度對(duì)比，采用大氣校正法反演地表溫度[10]，其基本原理：首先估計(jì)大氣對(duì)地表熱輻射的影響,然后把這部分大氣影響從衛(wèi)星傳感器所觀測(cè)到的熱輻射總量中減去,從而得到地表熱輻射強(qiáng)度,再把這一熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)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(shù)可在NASA提供的網(wǎng)站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中，輸入成影時(shí)間以及中心經(jīng)緯度可以獲取。最后利用普朗克公式對(duì)地表溫度LST進(jìn)行求解：

(4)

其中，LST為地表真實(shí)溫度，K；K1，K2均為定標(biāo)參數(shù)[11]；ε為地表比輻射率，利用歸一化植被指數(shù)估算，將地表分為水體、自然表面和城鎮(zhèn)區(qū)域[12]。設(shè)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，F(xiàn)veg為植被覆蓋度;NDVImin,NDVImax分別為影像中對(duì)應(yīng)像元NDVI最小值與最大值。

由于影像季相差異，通常將不同時(shí)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(duì)應(yīng)像元的地表溫度值，地表溫度最小值與最大值，計(jì)算結(jié)果分級(jí)表示。

4 研究結(jié)果

4.1 植被覆蓋變化分析

表3分析了1995年—2019年沈陽(yáng)前清建筑遺產(chǎn)所在區(qū)域的植被覆蓋情況。清福陵所在區(qū)域歷年NDVI值皆為最高值；其次是清昭陵，所在區(qū)域也有一定面積的公園綠地；永安石橋NDVI值較其他遺產(chǎn)區(qū)域高；南塔、東塔、北塔法輪寺NDVI值為中等水平；沈陽(yáng)故宮和實(shí)勝寺NDVI值較??；清真南寺與盛京城址NDVI值最小。整體來(lái)看，各遺產(chǎn)區(qū)植被覆蓋變化呈增加趨勢(shì)，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(qū)中心位置的沈陽(yáng)故宮等建筑遺產(chǎn)群所在區(qū)域植被覆蓋趨于穩(wěn)定，變化幅度較小。

圖5顯示了1995年—2019年各遺產(chǎn)區(qū)植被覆蓋空間分異特征。綜合植被覆蓋整體變化與分級(jí)結(jié)果，1995年—2002年各遺產(chǎn)區(qū)域植被覆蓋減少主要體現(xiàn)在城市擴(kuò)張，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及城區(qū)周圍耕地減少等。2002年—2006年，除永安石橋無(wú)明顯變化外，其他遺產(chǎn)區(qū)域植被覆蓋顯著增加；2006年—2010年，永安石橋所在區(qū)域植被覆蓋減少，與城市建設(shè)等人為擾動(dòng)關(guān)系密切，其他遺產(chǎn)區(qū)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(qū)域變化不明顯；2014年—2019年，除清真南寺、盛京城址外，其他遺產(chǎn)區(qū)域皆呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

表3 1995年—2019年研究區(qū)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(chǎn)區(qū)域地表溫度變化情況。沈陽(yáng)故宮所在區(qū)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(qū)域；實(shí)勝寺、慈恩寺、北塔法輪寺地表溫度值略低于上述各區(qū)域；永安石橋、清昭陵、清福陵地表溫度最低。整體來(lái)看，除永安石橋、清福陵、清昭陵外，其余各前清遺產(chǎn)區(qū)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(qū)域歸一化地表溫度(LST)變化

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

5 結(jié)論

本文以沈陽(yáng)前清遺產(chǎn)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，可視化表征其生態(tài)環(huán)境要素時(shí)空變化特征與規(guī)律。結(jié)果表明：

1)1995年—2019年各遺產(chǎn)區(qū)域植被覆蓋值整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，2002年以后清昭陵與清福陵的植被覆蓋水平顯著提升，沈陽(yáng)故宮等位于城市中心區(qū)域的遺產(chǎn)區(qū)植被覆蓋相對(duì)較少，區(qū)域生態(tài)建設(shè)有待加強(qiáng)。2)近25年以來(lái)，建筑遺產(chǎn)所在區(qū)域地表溫度值升高與降低交替出現(xiàn)。伴隨城市更新不斷進(jìn)行，城市用地不斷擴(kuò)張，遺產(chǎn)所在區(qū)域下墊面的熱力屬性發(fā)生變化，導(dǎo)致東塔等遺產(chǎn)所在區(qū)域熱島效應(yīng)顯著增強(qiáng)；因城市生態(tài)建設(shè)力度加大，北塔、南塔等區(qū)域降溫效果明顯。3)從生態(tài)可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，融合城市更新、建筑遺產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境等理念，明確建筑遺產(chǎn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境要素連續(xù)漸變過(guò)程，進(jìn)而基于原有生態(tài)環(huán)境對(duì)建筑遺產(chǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用保護(hù)，最終創(chuàng)造出具有生命力的可持續(xù)發(fā)展生態(tài)保護(hù)系統(tǒng)。

本文選取生態(tài)環(huán)境要素量化指標(biāo)并不能完全代表建筑遺產(chǎn)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，完善生態(tài)環(huán)境要素指標(biāo)選取與評(píng)價(jià)仍需更深入的研究與探討。