重庆主城区不同类型公园对周边环境的降温效应

李婷婷, 谷达华*, 阎建忠, 郑云云2, 朱慧2



重庆主城区不同类型公园对周边环境的降温效应

李婷婷1, 谷达华1*, 阎建忠1, 郑云云2, 朱慧2

1. 西南大学资源环境学院, 重庆 400715 2. 重庆市国土资源与房屋勘测规划院, 重庆 400012

研究选取重庆主城区5种不同类型的10个公园为研究对象, 使用Landsat8遥感影像,采用TIRS 10单窗算法反演公园周边温度, 并运用三次模型的方法拟合分析不同类型的公园周边温度的分布情况, 以探究基于不同类型公园下对周边环境的降温差异研究。结果表明: ①一定范围内不同类型的公园周边温度随其距公园的距离增大而呈现不同的变化趋势, 但均近似于三次多项式函数; ②当公园面积和形状一定时, 研究区降温作用由强到弱依次为社区公园、生态公园、综合公园、文化遗址公园、游乐公园。面积介于50557.77—52687.74 m2之间时, 降温效应明显的为社区公园; ③当面积介于124236.62—126916.89 m2时, 以生态公园的降温效应最为显著; ④整体上, 公园对周边的降温效应在特定范围内随面积增大而增加, 在不同的面积范围内, 不同类型公园的降温效应呈现差异化。首次研究公园类型对公园降温效应的影响, 研究结果不仅对重庆市公园规划设计具有实际指导意义还为其他公园类型多样、气温高的城市进行公园规划涉及提供重要的理论依据。

公园类型; 城市公园; 遥感; 降温; 影响范围

城市“热岛效应”指城区温度明显高于郊区温度的现象[1], 是城市化发展的必然结果[2–3]。城市绿地是城市建设的重要组成部分, 不仅为城市提供美学价值和休憩功能, 还能通过植被、水体等光合与蒸腾作用降低城市地表温度, 缓解以“热岛效应”为主的生态环境问题。有研究表明城市热岛对居民的身体健康和生活存在大量危害, 容易诱发多种疾病[4–7]。利用城市绿地降温是缓解城市热岛效应的重要途径[8], 国内外学者对此开展了大量研究[9–14], 结果表明, 城市绿地中植被与水体均对对热岛效应具有明显削弱作用, 且削弱作用与绿地的植被指数、植被类型、水体面积存在密切关系。何介南[15]唐罗忠[16]陈辉[17]等研究了不同绿地类型和绿地形状的降温功能, 从而探究了不同土地利用类型与绿地的形状、结构对缓解城市热岛的作用。Chang[18]等发现公园降温效果与公园面积呈正相关关系, 在一定范围内公园周边的降温幅度为2一8 ℃, 其降温效果的影响范围与公园的宽度接近。

城市公园绿地形状、面积、功能各异且类型多样, 对于城市公园绿地类型对周边环境的降温影响范围及其变化规律, 至今少有学者展开确切研究。近年来, 利用遥感影像反演获取大范围内同一时空地表温度, 已成为当下城市温度监测的重要手段, 其具有实地采样快速准确, 温度获取精准度高等优势, 为研究大范围近地表气温的分布变化规律提供技术支持。因此, 本文以重庆市主城区10个不同类型的公园为研究对象, 应用Landsat影像反演地表温度, 分析不同类型的公园周边温度变化情况, 并建立公园周边温度与其距公园距离的定量模型, 为政府部门科学合理规划公园空间布局提供理论基础。

1 研究区概况

1.1 重庆主城区概况

重庆市主城区位于中国西南部、长江上游地区, 其地理位置为东经106°22′—106°37′、北纬29°26′—29°37′, 幅员面积5473 km2。平均气温18—20 ℃, 属亚热带季风性湿润气候。最热7月、8月份气温为27­—38 ℃, 全年日照总数1000—1400 h, 平均降水量为1000—1350 mL, 太阳辐射弱, 相对湿度大。主城区海拔高度在168—400 m之间, 属于典型的山地城区, 植被分布不均匀, 公园绿地成为重要的调温指标。据调查, 近年来由于“热岛效应”导致重庆主城区的气温不断攀升, 且气温分布不均。因此, 研究不同类型的公园对周边环境的降温作用, 对城市公园合理规划与布局以充分发挥城市公园降温作用并保持城市气温均匀分布具有理论借鉴意义。

1.2 公园分类依据及选取

《城市绿地分类标准》(CJJ/T 85一2002)按照功能规模、服务对象、服务半径将城市公园绿地划分为综合公园、社区公园、专类公园、带状公园四类, 陶晓丽等[20]通过借鉴美国、日本的分类系统, 对公园绿地分类调整文化遗址公园、游乐公园、综合性公园、社区公园、生态公园, 详细分类标准见表1。

表1 公园类型分类标准及依据

依据表1 的公园分类标准, 本文分别选取5种不同类型共计10个公园: 栋梁生态公园、雨台山公园、思源公园、溪韵社区公园、双山晋渝公园、重庆儿童公园、棕榈泉生态公园、沙坪坝公园、佛图关公园、江与城体育公园为研究对象。为排除面积的干扰, 本文分别将面积相近的公园分为2组进行对比分析(见表2)。

2 数据与研究方法

2.1 数据来源

本文使用两部分遥感数据, 一是分辨率为2 m的2015年国产高分数据提取公园绿地矢量文件, 二是采用同期的Landsat8-OLI、TIRs遥感数据和气象数据反演2015年重庆主城区地表温度; 遥感数据均选用夏季7月份, 且云量较少, 数据质量良好, 地面特征清晰。本文主要采用Landsat8的红、近红外第4、5波段, 热红外为第10、11波段。另外, 气象数据来源于2015年重庆市统计年鉴。本文数据处理借助遥感图像处理软件平台ENVI、ERDAS及地理信息系统软件平台ArcGIS10.1。

2.2 研究方法

2.2.1 Landsat数据反演地表温度原理

由于Landsat 8影像第11波段不稳定, 运用分窗算法反演效果不理想, 进而采用改进性的针对于Landsat第10波段的TIRS 10单窗算法, 其基本表达式为:

式中,1=1010、2=(1–)10[1+(1–10)10],10为TIRS 10的亮度温度,T为大气平均作用温度(K),2为常数1321.08。是中间量,=,=(1–)[1+ (1–)10]。

在反演地表温度之前须对热红外波段数据的灰度值进行辐射定标, 把灰度值转换为辐射强度值。辐射定标公式为:

Lλ=DN·gain+of fset

Gain=(Lmax–Lmin)/255

Of fset =Lmin

其中是辐射亮度值, 单位为W·m-2·sr-1·μ·m-1。其中和分别是增益校正系数和校正偏差量。

表2 选取的10个公园信息

图1 两种遥感影像数据

亮度温度值可通过下式计算得到:

其中,1、2为定标常数(K); Tsensor为热红外波段的像元亮度温度(K); L为热红外波段的辐射强度。

2.2.2 数据处理流程

本文采用ENVI软件, 将Landsat8影像的4、5、10、11波段进行反演得到重庆主城区的地表温度图, 再利用ERDAS和ArcGIS软件对GF1数据进行预处理后, 提取10个公园的矢量图, 然后利用地表温度图和面域图以公园边界向外生成800 m的多环缓冲区(图2), 依据提取的各缓冲区域内的平均温度, 以此来分析面积相近、形状相似不同类型的公园对周边环境的降温效果, 并与距公园的距离建立定量模型, 同时采用研究区的DEM影像分析不同类型公园间的降温影响范围及同类型公园受面积影响的变化规律。

3 结果分析

3.1 公园对周边环境降温的定量模型

由于公园类型多样, 不同类型公园对周边环境的温度影响随距离变化呈现不同的规律, 且公园的面积、形状均对周边温度变化产生影响, 需要排除这些因素才能精确分析公园类型对周边温度的影响规律。本文通过两组不同面积的公园对比分析以排除面积的干扰, 同时通过计算不同公园的形状指数, 选取形状指数相同或相近的公园作为研究对象, 如表3所示本文选取公园的形状指数介于0.0012—0.0014之间。本文采用圆形为参照物计算形状指数, 公式为:

图2 公园缓冲区示意图

式中为公园边界的总长度,为公园总面积。

因此, 本文结合Landsat遥感影像反演所得的地表温度图和缓冲区文件, 提取缓冲区内的平均温度为因变量与距公园边界的距离为自变量进行拟合分析, 拟合结果发现, 三次多项式能较好的反映两者间关系(图4), 拟合的R2均大于0.79, 拟合的表达式为:

T=mL+nL+pL+q(0< L≤800) (3)

式中分别为三次多项式中的拟合系数。10个公园的拟合结果如图3所示,随的增加而增加至一个基本稳定的常数后逐渐下降, 本文定义这一常数为L, 即公园降温的最大影响范围。同类型公园在一定范围内平均温度与距公园边界距离呈现相似的变化趋势, 整体上平均温度均随的增加而上升, 但其上升幅度、斜率及降温最大影响范围存在差异化, 不同类型公园间则呈现不同的变化规律。

表3 选取公园的形状指数

(注: 图中横轴为缓冲区到公园边界的距离L(m); 纵轴为各缓冲区内平均温度T(℃))

由图3可以看出, 不同类型的公园在一定范围内与存在图4所示的变化规律。生态类公园随的增加先呈大幅增涨后出现短暂的回落态势, 总体表现为温度变化大, 影响范围广的趋势和公园内部温度较低的特点, 符合生态公园的典型特征; 综合公园随的变化先出现短暂下降后增加到一个峰值逐渐趋于下降, 可能是因为综合公园功能定位广泛、活动主题丰富多样与配套设施齐全吸引和容纳大量游客, 因此导致公园内部及边界附近温度偏高, 但整体上对周边一定范围存在降温作用; 文化遗址公园随的增加急速增大到一个峰值后迅速下降, 公园自身温度偏低; 社区公园随的增加而增加到一定位置后缓慢下降, 其影响范围较广, 这一趋势与社区公园的修建宗旨吻合; 游乐公园由于以展现公园主题为主要宗旨, 其内部绿化及水体设施相对较少, 因此内部温度较其他类型的公园高, 且随的增加而短暂增加后缓慢下降, 如图4。

3.2 公园降温影响范围

基于导数求极值点理论, 对公式(5)求导数推导出L的计算公式为:

由公式可以看出, 公园对周边温度的最大影响距离Lmax可由三次拟合多项式的系数m、n、p计算得出。因此本文通过公式(7)计算10个公园对周边环境降温的最大影响范围Lmax, 并通过10个公园的T随L增加到最大值与公园边界温度的差值, 得到每个公园的平均降温影响范围Lmax和降温温差△T。

总体上, 每个公园的平均降温范围(238.75一583.65 m)以及平均降温温差(0.3一2.5 K)均不相同, 最大影响距离相差345 m左右, 降温温差也有接近2.2 K的差距。不同类型的公园对周边的降温作用范围也呈现差异化, 降温作用由强到弱依次为社区公园、生态公园、综合公园、文化遗址公园、游乐公园。第一组对象中公园的降温作用范围介于238.75一510.73 m之间, 其中栋梁生态公园、雨台山公园、思源公园的降温作用范围相近, 重庆儿童公园平均降温范围最小; 第2组对象中的降温作用范围在262.79—583.65 m之间, 相对于对象1组的公园均大幅增加, 棕榈泉生态公园的降温作用范围最大583.65 m, 其次为沙坪坝公园540.44 m, 最小的为江与城体育公园仅262.79 m, 详细统计见表4。为验证公式计算的准确性, 本文将公式推导的降温影响范围max与图像提供的实际数据对照(表5), 研究发现超过1/2公园的平均降温影响范围max均在图像实际显示范围内, 小部分存在小误差且误差介于0—17.62 m, 由此论证得出公式所推导的公园平均降温影响范围L精度较好。

3.3 不同类型的公园对温度的影响分析

综合表4、表6分析得出, 形状指数相似、面积相近时, 不同类型公园对周边的降温作用范围及降温温差△T均呈现不同的趋势。当公园面积介于50557.77—52687.74 m²之间时, 公园降温作用影响范围L最大的是社区公园, 为510.73 m, 最小的为游乐公园238.75 m, 降温温差ΔT最大的是社区公园2.43 K左右, 最小为游乐公园0.24 K, 社区公园主要供居民休憩、散步, 其功能主旨则主要是为居民提供“宜居”的环境, 其平均绿化率大于80%, 因此其对周边环境的降温作用也是最显著的, 游乐公园以展现公园主题为主, 在降温及休憩功能上相对较弱; 当公园面积介于124236.62—126916.89 m²之间时(重庆主城区目前不存在大于60000 m²的社区公园), 公园降温影响范围L最大的是生态公园达583.65 m, 与面积为50557.77—52687.74 m²的结论相同, 表明不论面积大小, 游乐公园的降温作用均为最弱。降温温差ΔT最大的为综合公园, 最小为游乐公园。调查发现生态公园与综合公园的平均绿化率高达70%—80%的, 水体面积也在40%左右, 因此综合公园与生态公园的降温作用较强, 与本文研究结论一致。

表4 10个公园的平均降温范围

表5 公园平均降温影响范围公式计算值与图像值对照

表6 10个公园的平均降温温差

本文进一步以公园面积为变量, 分析同类型公园的降温作用随面积变化的趋势。整体上, 公园对周边的降温效应在特定范围内随面积增大而增加。如表4所示, 同类型公园对周边降温的影响范围L均随着面积增加而增大, 其中以生态公园最为显著, 面积从51804.25 m²增加至125038.55 m², 降温影响范围L增加了192.53 m, 其次依次为综合公园138.63 m及文化遗址公园87.1 m, 游乐公园随面积增加的变化最小, 面积从51617.88 m²增至126916.79 m², 平均降温范围仅增加了24.04 m。降温温差ΔT也随着面积的变化而改变。对于绿化率比较高(>75%)的综合公园、生态公园的平均降温温差均随着公园绿地面积的增加而大幅增加(1.42—1.94 K), 同等条件下文化遗址公园降温温差无明显变化, 这可能与不同公园类型的绿化覆盖率、植被种类及游客容纳量有关, 绿化覆盖率高、植被种类多使得公园降温作用加强, 游乐公园的游客容纳量较高导致游客较多进而降温效益降低。因此, 在公园设计规划时, 应尽量考虑综合公园与生态公园, 这样在绿地面积增加时, 公园对周边环境的降温作用也会相应增加。

4 结论与讨论

本文基于Landsat遥感影像数据反演重庆市主城区地表温度的基础上, 结合同期GF1遥感影像对10个公园建立缓冲区, 以公园空间距离为自变量, 以公园周边不同距离范围内的平均温度为因变量, 分析了重庆主城区生态公园、综合公园、文化遗址公园、社区公园、游乐公园等5类10个公园对周边的降温作用及变化规律。本文建立了公园与周边环境的温度变化的定量模型, 模拟出不同类型公园的变化曲线, 发现三次多项式能较好地拟合出公园的与之间的变化规律, 且R均大于0.79。并推导出不同类型的公园的平均降温作用范围L的计算公式。另外, 不同类型公园对周边的降温效应随距离变化的趋势不同, 研究区降温作用最强的为生态公园, 呈缓慢上升至一个峰值后下降, 其降温平均作用范围L在391.12—583.65 m, 平均降温温差介于1.02—2.44 K左右; 最弱为游乐公园, 温度随短暂上升到固定值后迅速下降且上升趋势增加, 平均降温作用范围为238.75—262.79 m, 平均降温温差在0.24—0.85 K之间。

本文也进一步分析了面积、形状相近时, 不同类型的公园绿地的降温效应。(1)当公园面积介于50557.77—52687.74 m²之间时, 公园降温效应最明显的为社区公园, 最大影响范围L为510.73 m, 最大降温温差为2.43 K; 当公园面积增加至124236.62—126916.89 m²之间时, 公园降温效应最显著的为生态公园, 最大降温影响范围L为583.65 m, 最大降温温差为2.44 K。因此在公园规划与布局时, 若考虑公园对周边环境的降温作用, 应增加社区公园的分布; 当规划较大面积的公园时, 若从其对周边温度的影响时应选择生态公园。(2)同类型公园面积不同时对周边的降温作用不同, 总体上均随着面积增加而增大, 其中以生态公园最为显著, 面积从51804.25 m²增加至125038.55 m², 降温平均影响范围L增加了192.53 m, 其次依次为综合公园、文化遗址公园, 游乐公园随着面积增加的变化最小。

此外, 为了更好的发挥公园的作用, 充分利用公园对周边的降温功能, 应综合考虑公园的面积、形状和类型等多个因素对公园降温作用的影响, 陈辉[17], 苏泳娴[19]等研究了公园的形状、面积对公园降温作用的影响, 本文也通过对比分析得出相同的结论。但笔者认为公园类型应当作为首要考虑因素, 不同的公园类型对公园的降温效应不同, 类型相同时, 为增加降温作用可适当增加公园面积。使城市公园不再是单纯的休憩场所, 而是由不同类型、形状、面积构成的“降温系统”, 能够降低城市的整体温度水平, 改善城市“热岛效应”, 提高城市的生态宜居性。

本文就城市公园类型对周边环境的降温效应作了定量研究, 由于只选取了研究区内不同类型的部分公园, 未对结论进行严谨的统计验证, 缺乏全面性; 且本文仅采用了2015年的Landsat影像数据研究不同类型公园的降温作用, 未能采用多年数据研究公园降温作用随时间变化的规律。因此, 更全面、更深入的公园降温功能的研究有待进一步开展。

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The cooling effect of different parks on the surrounding environmentin the main city of Chongqing

LI Tingting1, GU Dahua1*, YAN Jianzhong1, ZHENG Yunyun2, ZHU Hui2

1. College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China 2. Chongqing Land Resources and Housing Survey and Planning Institute, Chongqing 400715, China

The study selects 5 different types of 10 parks in urban areas of Chongqing as the research object, uses the Landsat8 remote sensing image, utilizes TIRS 10 single window algorithm to retrieve the park surrounding temperature, and applies the distribution fitting model analysis method three times to explore how different the cooling effect of surrounding environment is based on different typed of parks. The results are as follows. ①The surrounding temperature of different types of parks varies with the distance away from the park and presents differently changing trends, but the trends is similar to three order polynomial function. ②When the park area and shape are steady, the cooling effect of study areas including community park, ecological park, comprehensive park, culture ruins park and amusement park is from strong to weak. When the area is between 50557.77 to 52687.74 square meters, the cooling effect of the community park is the most conspicuous.③When the area is between 124236.62 to 126916.89 square meters, the cooling effect of ecological park is the most remarkable.④On the whole, the cooling effect of the surrounding area in a certain range increass with the increase of the area, and the cooling effect of different types of parks is diverse within different areas. We study how different types of parks influence the cooling effect for the first time and the results not only have the practical guiding significance for Chongqing city park planning but also provide an important theoretical basis for other parks and high temperature cities to make a project.

park type; urban parks; remote sensing; cooling; sphere of influence

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.017

F301.2

A

1008-8873(2018)04-138-09

2017-08-07;

2017-09-24

国家自然科学基金重大国际合作项目(41161140325); 住房和城乡建设部科技项目(2016-k8-054); 重庆市国土房管局2016年科技计划项目(KJ-2016001)

李婷婷(1993—), 女, 四川巴中人, 硕士研究生, 主要从事不动产经营与发展的研究, E-mail: 305821674@qq.com

谷达华(1964—), 男, 重庆大足人, 教授, 主要从事土地调查评价、不动产经营与管理研究,E-mail: gdh-yt@163.com

李婷婷, 谷达华, 阎建忠, 等. 重庆主城区不同类型公园对周边环境的降温效应[J]. 生态科学, 2018, 37(4): 138-146.

LI Tingting, GU Dahua, YAN Jianzhong, et al. The cooling effect of different parks on the surrounding environment in the main city of Chongqing [J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 138-146.