武汉市主城区公园景观的热环境效应

陈斌，徐尚昭，杨顶田，王宏志

(1.核工业二九○研究所 广东省环境保护核辐射追踪研究重点实验，广东 韶关 512029；2.广东省放射性生态环境保护工程技术研究中心，广东 韶关 512029；3.中国科学院南海海洋研究所 广东省海洋遥感重点实验室，广州 510301；4.华中师范大学 城市与环境科学学院，武汉 430079)

0 引言

城市景观格局分析是城市景观生态学领域的重要研究内容，是正确认识城市景观结构、有效保护和合理规划城市景观的前提条件，对于城市经济发展和生态环境保护具有重要的基础性作用[1]。近年来，随着城镇化进程的推进，城市地表结构和景观格局均发生了不同程度的变化。同时，由于人类活动产生的大气污染物及人工热源的过度排放，使得城市下垫面热力性质发生了显著改变，导致城市中心城区地表气温明显高于郊区，产生城市“热岛效应”[2]。“热岛效应”这一概念是由Luke Howard等于1818年首次提出的，随后国内外众多学者开始对这一现象进行了系统性探究[3]。文献[4-5]研究发现，热岛效应是城市发展到一定阶段的必然结果。城市热岛不仅会改变城市下垫面热力性质差异、影响城市大气降水及大气环流过程，而且还会加大城市能源消耗[6-7]、加剧大气污染[8-9]，甚至还会影响城市生态系统的稳定性和城市人居环境的舒适度[10-12]。

当前，国内外学者在公园布局、公园内部景观格局与城市热环境间的关系等方面进行了大量系统性研究，并取得了一系列研究成果。有学者从不同时间序列角度分析了城市公园景观格局对周边热环境的影响，部分学者在不同空间尺度上探讨了公园景观格局的热环境效应。研究的空间范围也从公园内部延伸到公园周边一定缓冲区范围内，研究方法也呈现多种多样，例如文献[13-15]利用实地监测方法对公园景观热环境影响进行研究，文献[16-17]利用温度反演算法对城市公园景观热环境进行探究。温度反演研究方法也从传统IB算法(image-based method)，发展到后来的针对不同城市大气水汽含量状况提出的单窗及单通道算法。但现有研究多是立足于城市这一宏观尺度层面，来探讨公园景观结构或者公园内部单一类型景观对城市热环境影响，而从城市公园整体分布格局和公园内部景观结构特征对城市热环境响应的研究尚不多见。鉴于此，本文选取武汉市主城区21个公园(面积>10 hm2)作为研究对象，基于Landsat-8 OLI遥感影像，采用基于遥感影像的温度反演算法对武汉市主城区地表温度进行了反演；并进一步对公园内部景观构成、斑块形态和空间布局与城市热环境之间的关系进行系统性探究，以期能为城市公园规划选址、公园内部景观设计及有效缓解城市热岛效应提供决策和依据。

1 研究区概况和数据源

1.1 研究区概况

武汉市(29°58′N～31°22′N，113°41′E～115°05′E)地处江汉平原东部的长江中下游平原，东临鄂州、西接孝感、南连咸宁、北通黄冈，长江和汉江贯穿而过，“两江分三镇”构成了武汉最基本的地理分布格局[18]。武汉市属亚热带季风湿润性气候，气候温暖而湿润，全年平均气温在15.6～17.5 ℃，年均降水量1 100～1 450 mm，且降水集中分布在夏季6—8月，植被类型以落叶阔叶林和常绿阔叶林为主，地势整体呈现东高西低分布态势，平原丘陵交错分布，地貌类型主要以平原为主。区域内部水热组合条件较好，河网密布，农业自然资源条件得天独厚，享有“渔米之乡”的美誉。

1.2 数据来源与数据预处理

1)公园矢量数据。利用武汉市人民政府网站提供的主城区绿地系统规划和主要公园分布图(http：//www.wuhan.gov.cn/)，将公园景观划分成不透水层、林地、草地和水体四种类型，采用人机交互解译方法得到研究区21个公园的景观分类结果(图1)，并统计出各公园面积大小(表1)。

图1 研究区公园景观分类提取结果图

表1 武汉市主城区公园统计表图

2)遥感数据。选取2016年7月23日Landsat-8 OLI卫星影像((条编号：123，行编号：39)，来源于中国科学院资源与环境数据中心遥感影像数据库，http：//www.resdc.cn/)。高分2号是我国自主研发的第一颗空间分辨突破1 m的民用卫星，拥有两台成像光谱相机：一台为空间分辨率1 m的全色光谱相机，星下点空间分辨率达到了0.8 m；另一台为空间分辨率4 m的多光谱相机，星下点空间分辨率为3.2 m[19]。随着2015年高分2号正式投入使用，标志着我国遥感卫星正式进入到亚米级的“高分时代”[20]。

数据预处理主要包括：对研究区Landsat和高分遥感影像进行几何校正、配准等工作，再利用矢量边界数据裁剪高分影像得到研究区范围；对精校正后的高分2号影像的多光谱和全色影像进行融合处理，得到研究区分辨率为0.8 m的高分遥感影像；对影像进行全方位、多尺度分割，并将分割后的影像进行统一标准化拉伸处理，得到待分类影像斑块。

2 研究方法

2.1 高分遥感影像多尺度分割算法

面向对象多尺度分割算法是一种自下而上的区域生长分割方法[21-22]，主要根据地物光谱特征差异，通过设置不同分割参数(分割尺度、光谱均值、紧凑度及标准差等)大小，得到不同大小遥感影像地类斑块。当分割尺度设置过大时，同质斑块就会分割得过于零碎，不能真实反映出地物景观空间分布；若参数设置过小，异质性地物斑块就不能被完整分割开。因此，分割操作中如何设置合适的分割参数显得至关重要。多尺度分割本质上是一个逐步调整分割参数大小的过程，即不断合并同质性景观斑块、分割异质性景观斑块，直到最终异质性斑块分割达到预期理想效果。

2.2 地表温度反演算法

IB算法是Weng等[23]于2004年提出的，因其在反演地表温度时只需要地表比辐射率这一参数，计算过程相对简单，在实际应用中较为广泛。IB算法温度反演的方法如式(1)所示。

(1)

式中：Ts为地表温度(K)；T为辐射亮度；ε为地表比辐射率；ρ=0.014 38 mK。针对本研究中选用的Landsat-8，热红外中心波长λ=12 μm。

辐射亮度T的计算分两步：首先，将遥感影像的DN值转化为辐射强度值；然后，根据辐射亮度计算地表亮度温度值。计算方法如式(2)、式(3)所示。

Lλ=MI×Qdn+AI

(2)

(3)

式中：Lλ表示传感器辐射强度大小；MI表示增益；AI表示偏移量；Qdn为像元亮度值；T表示辐射亮温；k1、k2为预设常量。在Landsat-8元文件中可以查询到，MI=2.243×10-4，AI=0.1。对于Landsat-8影像，k1=480.89，k2=1 201.14。

地表比辐射率ε的计算相对复杂，而且受地表物质结构和传感器波段区间影响较大。根据已有研究，将地表景观分成城镇、水体和自然地表三类，针对不同地表类型，地表比辐射率计算也有所差异[24]。具体计算方法如下。

当NDVI<0时，该像元被认定为水体，ε取值大小为0.995。

当0< NDVI<0.7时，该像元被认定为城镇像元，ε的计算如式(4)所示。

εbuilding=0.958 9+0.086Fv-0.067 1Fv2

(4)

当NDVI≥0.7时，该像元被认定为自然地表，ε的计算如式(5)所示。

εsurface=0.962 5+0.061 4Fv-0.046 1Fv2

(5)

式中：εbuilding、εsurface分别表示城镇和自然地表像元的比辐射率；Fv表示植被覆盖度，其计算如式(6)所示。

(6)

式中：NDVI表示归一化植被指数；NDVIs=0；NDVIv=0.7。当某一像元NDVI>0.7时，Fv取值为1；当像元NDVI<0时，Fv取值为0。

NDVI可以直观反映出区域植被的生长状况，NDVI取值范围在0～1之间，数值越大，表示植被覆盖度越高；反之，植被覆盖度越低。

2.3 公园景观类型热环境定量评价方法

从公园内部景观构成、斑块形态以及景观空间布局三个方面分析其对公园周边热环境的影响效应。景观构成表示公园内部不同景观类型面积大小；斑块形态又称景观形状指数，通常计算某一斑块形状与相同面积的圆或正方形之间的偏离程度来测量其形状复杂程度；空间布局及聚合度指数表示同一斑块类型像素间聚合成斑块的邻接关系。公园景观定量分析评价指标如表2所示。

表2 武汉市公园景观特征指标

3 结果与分析

3.1 武汉市主城区城市地表温度反演

本文采用IB算法对主城区内部地表温度进行反演，得到地表温度分布结果，并进一步利用自然断点法将结果分成五个等级(表3)，分级结果如图2所示。由分级结果可知，低温和中低温区主要分布在长江、汉江以及湖泊中心和主城区东南部地区，而中温区主要分布在滩涂以及中心城区外围，而高温、中高温区主要分布在中心城区内部的核心区，如江汉区、江岸区和青山区等城区中心。

表3 地表温度分级统计表 ℃

图2 武汉市中心城区地表温度反演结果图

3.2 公园景观特征对其内部热环境影响

为分析公园景观特征的热环境效应，将研究区公园矢量数据与Landsat-8 OLI遥感影像反演得到的地表温度结果进行空间叠加分析。由统计结果可知，主城区21个公园的平均温度为28.25 ℃，比武汉市主城区内部平均温度31.03 ℃低2.78 ℃，这表明公园在城市中心形成了明显的“冷岛区”，公园景观能够对城市周边环境产生降温调节作用。为进一步探讨公园内部景观组成与公园内部平均温度之间的定量关系，本文选取公园内部不同景观面积、不同景观类型占比等量化指标以及公园内部平均温度在SPSS统计分析软件中进行相关性分析，分析结果如表4所示。其中：SI为公园形状指数；AP为林地面积；Ag为草地面积；AW为水体面积；PI为不透水层比例；PC为公园周长；PA为公园面积；PAC为公园周长面积比。

表4 公园平均温度与景观特征指标之间的相关性分析

从城市公园景观组成上看，公园内部植被(林地和草地)面积与其平均温度之间呈现负相关性，即公园内部植被面积越大，公园平均温度越低，这是由于绿色植物可以通过蒸腾作用，吸收地表大气中的部分热量，同时产生水汽，从而使得公园内部平均温度低于周边地区。此外，公园内部平均温度与公园内部水体面积之间呈现显著的负相关性，而与不透水层面积占比之间则呈现显著的正相关性，相关性系数分别为-0.846(R2=0.716 1)、0.799(R2=0.638 9)。这表明公园内部水体面积越大，公园平均温度越低，公园不透水层占比越高，公园平均温度也越高。这是由于公园内部水体比热容较大，而且能通过蒸发作用吸收了空气中的部分热量，使得公园地表温度低于周边，而公园内部不透水层多属于人造硬质地表，比热容小，透水性差，受热时温度上升较快，使得上层地表温度明显高于其他类型景观。

通过建立研究区公园地表平均温度与内部植被面积定量模型(图3)可知，公园中植被面积大小从0增加到150 hm2时对温度的影响相对显著，即当公园内部植被面积大小增加到一定值时，面积变化对公园内部平均温度的降温影响将明显减弱。因此，从城市公园景观合理规划建设角度上来看，城市公园内部植被面积可以控制在150 hm2范围内。由水体面积和公园平均温度回归分析模型可知(图3)，在一定阈值范围内，公园平均温度随公园内部水体面积增加而下降，公园水体面积大小从0增大到200 hm2时对温度的影响相对显著。因此，从城市内部公园景观合理规划建设角度上来看，城市公园内部水体面积应该控制在200 hm2范围内相对合理。由公园内部平均温度与不透水层占比回归分析结果(图3)可知，公园内部平均温度随不透水层面积占比增加而增加，二者之间线性拟合斜率达到了13.565(R2=0.638 9)，即公园内部不透水层占比每增加10%，公园内部平均温度将上升1.356 ℃。因此，在城市公园景观规划时，应该充分考虑不透水层景观面积大小，在根据公园实际面积大小和合理规划景观类型构成的基础上尽可能减少不透水层面积比重。

图3 公园平均温度与多指标因子回归分析结果

从公园景观斑块形态特征上来看，公园内部平均温度与公园周长、面积之间呈现出较强的负相关性，相关系数R2分别达到了0.505 4和0.669 8。为进一步探讨公园周长及面积整体上对公园内部热环境效应影响，本文在Wiens等[25]研究的基础上，对公园内部平均温度和周长面积比之间进行统计回归分析。研究发现，公园平均温度与公园周长面积比之间呈现显著的负相关性(R2=0.709 5)，这与Wiens等的研究结果相吻合。由图3可知，公园周长面积比值越大，公园形状指数相对越复杂，公园内部物质能量交换越容易，所以公园内部平均温度也就越高。即随着公园斑块形态越复杂，对应的平均温度也就越高。从回归分析模型拟合结果上来看，周长面积比与公园平均温度的拟合结果明显优于单一面积或周长和公园平均温度的拟合结果。

3.3 公园对周边环境降温范围及降温幅度

已有研究表明，因公园形状、大小以及公园内部景观组成差异，公园对其周边环境的影响范围和降温幅度存在一定差异，通常公园对其周边环境温度的影响辐射范围从几十米到上千米不等，但一般不会超过公园宽度的1.5倍[26]。由于武汉市主城区内部江河湖泊众多，为减少水体对公园景观热环境效应研究产生的干扰，本文在剔除汉口江滩公园、青山江滩公园和汉水公园等受周边环境影响较大的公园基础上，对研究区21个公园进行多环缓冲区分析，同时剔除缓冲区内水体和不透水层面积较大的干扰区域。以研究区中山、四美塘、南湖幸福湾和杨春湖4个公园为例，建立公园缓冲区具体操作流程为：借助ArcGIS多环缓冲区分析工具，以公园的边界向外以120 m为间隔做缓冲区分析，以公园宽度的1.5倍为最远缓冲带，剔除干扰区域后计算各个环缓冲环内的地表温度平均值。4个公园剔除干扰区后建立的缓冲区结果如图4所示。

图4 案例公园缓冲区示意图

为进一步探讨研究区公园对周边环境的降温影响范围和降温幅度大小，对公园一定缓冲区内平均温度和缓冲区距公园边界的距离进行相关性分析。以缓冲区距公园外边界距离大小L为自变量，以各缓冲区内的平均温度T作为因变量，拟合出缓冲区距离L和缓冲区内平均温度T的几何曲线。根据已有研究成果，通过对缓冲区距离公园边界长度和缓冲环内平均温度进行拟合分析[27]，得到研究区21个公园对周围环境的最大影响距离(Lmax)(表6)。由结果可知，在公园对周围环境影响范围达到最大值Lmax之前，温度变化规律同拟合多项式上升阶段变化相一致，当缓冲环最大距离达到Lmax之后，公园对周边环境温度的影响趋近平稳。综上所述，本文通过三次多项式拟合得到研究区公园缓冲区距离L和缓冲环内平均温度T的变化曲线，其中选取的墨水湖公园和汤湖公园周边缓冲区内温度与距离公园外边界距离的温度变化曲线如图5所示，然后通过导数求极值法得到不同公园对周边环境的最大影响范围Lmax。研究表明，主城区21个公园向外作缓冲区，缓冲区距离L和缓冲环内平均温度T之间存在较强的相关性，R2均大于0.6。研究区公园对周边环境的降温影响范围Lmax、最大降温幅度ΔTmax的统计结果如表5所示。

表5 公园对周围环境的降温影响范围和幅度

图5 案例公园缓冲区内温度随距离变化图

3.4 公园景观特征对周边热环境影响

为进一步探究公园景观特征指标与公园降温幅度、降温范围之间的定量关系，对研究区21个公园降温影响范围、降温幅度与公园景观特征指标之间开展相关性分析，如表6所示，其中：SI为公园形状指数；AF为林地面积；AL为草地面积；AW为水体面积；AI为不透水层面积；AIF为林地聚集度；AIG为草地聚集度；AIW为水体聚集度；AII为不透水层聚集度。结果表明，公园对周边环境的降温距离L与公园内部林地、水体面积大小之间呈现出较强的正相关性，相关系数分别为0.678、0.732。这表明公园内部林地和水域面积越大，公园对周边环境的降温效果也越明显。这是由于公园内部林地和水体分别通过蒸腾及蒸发作用吸收了公园内部地表的热量，同时在地面水平气压梯度力的作用下形成了风，使公园便于和周边环境在水平方向上进行热量和水汽交换，从而使得公园周边环境水平方向上的温差减小，有效缓解了周围硬质地表因比热容低，在吸收大气热辐射时温度急剧上升的影响。由公园景观热环境影响范围与公园林地和水体面积的拟合结果(图6)可知，水域面积大小对公园周边热环境影响比其他类型景观更为显著。植被对公园周边环境影响程度呈现先急剧上升，当植被面积达到一定阈值后，公园对周边环境温度的影响程度又开始逐渐减小，最终趋于平缓。公园水体面积大小和公园对周边热环境影响范围之间呈现出较强的相关性，相关性系数R2达到了0.510 6，且公园水域面积每增加10 hm2，公园对周边环境的最大影响范围就增加21 m。林地面积对公园周边环境的影响效应主要表现为，公园影响范围先随林地面积增加而逐步扩大，当林地面积大小达到一定阈值时，公园对周边环境温度的影响范围便不再继续增加。

表6 公园内部景观特征指标与Lmax、ΔTmax相关性分析

图6 公园林地面积和水体面积与景观热环境影响范围拟合结果

从公园对周边环境的降温幅度上来看，公园内部的景观异质性是造成公园对周边环境降温幅度产生差异的主要原因之一。公园最大降温幅度与水体面积之间存在显著的正相关性，而与不透水层面积和聚集度指数之间呈现出显著的负相关性。这表明公园中林地面积越大，不透水地表面积越小，公园对周边环境的降温效果越明显。同时，公园地表不透水层越分散，公园对周边环境的降温幅度也越大。因此，从缓解城市热岛效应和提升城市人居环境适宜性角度上来看，城市公园在规划设计时应当在保证植被和水体面积占比的前提下，严格控制不透水层地表面积占比，同时尽可能使得不透水层地表呈破碎状分布。

4 结束语

本文选取武汉市主城区21个公园作为研究对象，采用人机交互方法对公园内部景观进行遥感解译，运用IB算法对主城区地表温度进行反演，并在此基础上进一步分析了城市公园及其内部景观特征对周边环境的热效应影响。主要研究结论如下。

1)武汉市主城区地表温度分布格局存在明显的空间差异性，高温区主要集中在多以建设用地为主的江岸区、江汉区和青山区等城市核心区附近，而低温区则主要集中分布在以水体和绿色植被为主的洪山区周边和主城区外围，同时在长江、汉江及大型湖泊水体表面，形成明显的“冷岛”集聚区。

2)不同类型景观的热环境效应之间存在明显差异，其中不透水层地表平均温度最高，达到了36.19 ℃，而林地、草地和水体等景观平均温度相对较低，均在30 ℃以下，其中水体平均温度最低，为27.57 ℃。这表明公园内部植被和水体能够一定程度上缓解城市热岛效应。

3)林地、草地及水体面积大小与公园平均温度之间存在明显的负相关性，而不透水层面积大小和公园平均温度之间存在显著的正相关性。即在一定阈值范围内，公园内部林草地和水体面积越大、不透水层面积越小，公园内部平均温度也就越低；反之，公园内部平均温度越高。由此可见，在公园内部林地、草地和水体上空容易形成低温集聚区，而不透水层地表上空则易形成高温集聚区。

4)不同公园因面积大小和内部景观异质性对周边环境温度的影响范围和降温幅度也存在明显差异，其中，月湖公园对周边环境的降温影响范围最广、降温幅度最大，分别为1 106.25 m和4.80 ℃，而青山公园的降温范围最小，为287.5 m，王家墩公园的降温幅度最小，仅为1.50 ℃。

5)公园降温影响范围和降温幅度与公园中林草地面积、林草地景观聚集度呈现明显的正相关性，而与不透水层面积和景观聚集度之间呈现明显的负相关性。即公园内部林草地和水体面积越大，对周边环境的降温影响范围越广。同时，公园内部林草地斑块越复杂，不透水层面积越小且斑块越分散，公园对周边环境的影响范围和降温幅度越大。

公园景观作为城市景观的重要组成部分，不仅为周边居民提供了休闲娱乐场所，而且能在一定程度上调节区域气候。武汉市素有“百湖之城”的美誉，其辖区内部河流湖泊众多，长江和汉江贯穿全境，且分布有汤逊湖、牛山湖、鲁湖、后官湖和东湖等湖泊，城市内部大气中水汽含量较高。本文采用基于影像的温度反演算法提取地表温度，未考虑到空气中水汽含量对温度的影响。如何运用多种温度反演算法对反演结果进行对比分析，将是今后研究的重要方向。