彩钢板建筑聚集密度对城市热岛效应影响分析——以兰州市为例

张乃心， 杨树文,2,3*， 张萌生， 付昱凯

(1.兰州交通大学测绘与地理信息学院， 兰州 730070； 2.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心， 兰州 730070； 3.甘肃省地理国情监测工程实验室， 兰州 730070)

彩钢板建筑因其易于搭建、成本低廉及外观美观等特性在建筑行业得到广泛应用的同时，也带来了一系列城市问题，夏季阳光直射使得金属材质的建筑物表面温度高达70～80 ℃[1]，彩钢板建筑以带有有机涂层的钢板为主要材质，同时其在影像中的光谱值及亮度均较高[2]，故不仅会引发光污染、火灾风险[3]等安全隐患问题，还会加剧城市热岛效应。

彩钢板建筑的聚集密度是指在一定距离内彩钢板建筑基底总面积与该区域总面积之比[4]，反映了区域内彩钢板建筑聚集的程度。现今有关城市热环境影响因素的研究中，建筑物的密度过大是加剧城市热岛效应的主要原因之一，且建筑物密度相较于高度而言更适合作为研究地表温度(land surface temperature,LST)的影响指标[5-6]。因此研究彩钢板建筑的聚集密度及其不同尺度对城市热岛效应的影响于当今城市可持续发展至关重要。

目前已有大量学者针对城市热环境的影响因素展开了广泛研究[7-8]。如城市化带来的绿地和水体的不断减少以及不透水面的增多等变化，使得城市地区温度不断升高[9-10]，进而危害人类身体健康及生存环境。此外，人工建筑也会加剧城市热岛效应[11-12]，不同材质及几何特性的建筑物对城市热环境影响的不尽相同。如有学者发现，白天高层建筑物对气温的影响大于低层建筑[6]；就物理特性而言，夏季金属合金和混凝土、沥青材质的建筑表面因导热系数及热惯量较低，散热慢，从而造成夜间热岛效应[13-14]。

然而，中外现有城市热岛效应影响因素的相关研究大都围绕植被、水体、不透水面或建筑物整体等展开[15-16]，鲜有关于城市中某一具有代表性的功能性建筑物对城市热岛效应影响的研究。因此，现利用Landsat 8及GF-2遥感数据，结合单窗算法、距离加权密度算法以及相关关系分析，旨在研究兰州市彩钢板建筑聚集密度与地表温度的相关关系以及前者对热岛效应产生影响的最优尺度，以期为城市化建设发展提供决策参考。

1 研究区及数据

1.1 研究区概况

兰州坐落于甘肃省中部地区，是典型的河谷型城市，地理位置为35°53′N～37°04′N，102°35′E～104°37′E，属温带大陆性气候，夏季炎热，平均气温31 ℃，四季温差较大。研究区是兰州市的主城区，包括城关区、七里河区、安宁区、西固区，如图1所示。主城区分布有大量的彩钢板建筑，最小面积为3 m2，最大为36 701 m2，总面积约为6 181 780 m2，约占城市总面积的3.2%，如图2所示。

研究区内彩钢板建筑主要分布于产业园区、建筑工地、城市边缘及城中村等地，主要有蓝色、红色、白色3种颜色，其中以蓝色彩钢板建筑分布为主，如图3和图4所示。

图1 研究区概况Fig.1 Overview of the study area

图2 研究区内彩钢板建筑分布情况Fig.2 Distribution of color steel plate buildings in the study area

图3 研究区不同类型彩钢板建筑照片Fig.3 Photos of different types of color steel plate buildings in the study area

图4 研究区不同类型彩钢板建筑群局部影像(GF-2影像)Fig.4 Partial images of different types of color steel plate buildings in the study area (GF-2 images)

1.2 遥感数据及预处理

考虑到彩钢属于金属材质，夏季受光照后温度较高[4]，采用兰州市2017年8月3日的Landsat 8 OLI/TIRS影像，该日天气晴朗，含云量为6.33%，影像质量良好；彩钢板建筑群数据基于国产高分二号0.8 m的融合影像提取，该影像成像时间为2017年8月3日。

1.3 数据预处理

主要包括辐射定标、大气校正、影像融合、影像配准及裁剪等处理。其中，对Landsat 8影像进行辐射定标和大气校正是关键，以便获得准确的地表反射率。

2 研究方法

首先利用2017年8月3日GF-2影像提取得到的彩钢板建筑矢量数据，根据距离加权方法计算不同半径下彩钢板建筑的聚集密度，并分析其聚集分布特征。其次，利用2017年8月3日预处理后的Landsat 8影像数据，根据单窗算法将热红外波段的辐射亮温结合地表比辐射率以及大气剖面参数计算地表温度，并将地表温度按照均值-标准差方法进行分级处理，统计并分析不同温度等级区间内彩钢板建筑的分布情况，研究彩钢板建筑与地表温度之间的内在联系。最后利用SPSS软件进行回归分析，定量表达彩钢板建筑的聚集密度与地表温度的相关关系。如图5所示。

图5 实验流程Fig.5 Experimental process

2.1 彩钢板建筑聚集密度计算

根据调研发现，单一的彩钢板对于城市热岛效应的影响是有限的，彩钢板建筑连接成片将会增幅局部地表温度，且不同密集度的彩钢板建筑对热岛效应的影响程度不同。为此，通过距离加权方法计算彩钢板建筑的聚集密度，将一定半径范围内不同面积的彩钢板依据各自权重全部考虑在内，能较为准确地反映其在某一位置聚集的程度和状态，以及在不同聚集状态下所呈现出的某种具有代表性的城市发展特征。

文章最后，聂绀弩概括说：“我们常常说：鲁迅一生的历史就是战斗的历史，其实只说了一面，就另一面说，鲁迅的历史就是被‘社会’围剿的历史。”[2]66-67交代了鲁迅文章的写作背景，摆明了鲁迅“骂世”、“冷嘲”、“憎恨”的现实基础。即使在今天，我们依然可以说，聂绀弩的这段话，是理解鲁迅的“骂世”、“冷嘲”和“憎恨”的钥匙。

利用距离加权算法计算彩钢板建筑聚集密度的原理为：二值图像中彩钢板建筑的像元值为1，非彩钢板建筑的像元值为0，以某一像元点为中心，使用距离作为权重，计算其指定半径范围内的彩钢板像元值的平均值，作为该点附近的彩钢板建筑的聚集密度，计算公式[17]为

(1)

式(1)中：O为中心点像元；R为尺度半径；Pi为半径范围内第i个像元的值(0或1)；di为像元Pi与中心点像元O之间的欧式距离；m为半径R范围内的像元总数。

研究区内彩钢板建筑的最大面积为36 701 m2，依据上述方法以圆的方式进行搜索，故搜索半径上限为108 m。因此，研究分别以30、60、90 m为搜索半径，探究不同半径尺度下的彩钢板建筑的聚集密度。

2.2 地表温度反演

地表温度反演采用覃志豪等[18]的单窗算法，该算法计算简便，精度较高，考虑了大气影响因素。首先将像元亮度值(digital number ，DN)转换为热辐射强度值，并计算相应的亮度温度值；然后利用混合像元分解法计算地表比辐射率；根据经验公式(表1)选择中纬度夏季平均大气公式计算大气平均温度值[19]，最后结合大气剖面参数利用式(2)计算得到地表温度值。

表1 大气平均作用温度与地面附近气温的关系Table 1 The relationship between the average temperature of the atmosphere and the temperature near the ground

Ts={a(1-C-D)+[b(1-C-D)+C+D]Tsensor-DTa}/C

(2)

C=ετ

(3)

(4)

式中：Ts为地表温度，a、b为参考系数；C、D为中间常量；Tsensor为辐射亮温；Ta为大气平均作用温度；ε为地表比辐射率，根据混合像元分解法[20]求得；τ为大气透射率；K1、K2为常量。

2.3 温度等级划分

为了统计不同温度范围内彩钢板建筑的占比情况，揭示彩钢板建筑与地表温度之间存在的某种规律性联系，将地表温度进行规范化分级处理。采用均值-标准差方法将反演得到的地表温度划分为5个等级，详细分级如表2所示。

表2 均值-标准差法界定温度等级Table 2 Mean-standard deviation method to define temperature grades

3 结果与分析

3.1 彩钢板建筑聚集密度分析

计算得到的彩钢板建筑聚集密度如图6所示，将其按比例分为低、中、高3个等级，小于25%为低密度区，25%～50%为中密度区，大于50%为高密度区。同时以面积大于2 000 m2的彩钢板作为大型彩钢板建筑，面积小于200 m2的为小型彩钢板建筑。为了研究大小型彩钢板的空间分布与聚集密度的关系，统计了不同等级的密度区内大小型彩钢板建筑的分布比例，如表3所示。

由图6可知，3种搜索半径下的彩钢板建筑的密度分布相似，其特征主要为：以高密度区为中心，即安宁区中部、西固区东部以及城关区的东北、东南部，逐渐向外扩散分布。其中，聚集密度较高的彩钢板建筑主要分布在安宁区的刘家堡、安宁堡街道，城关区的雁兴路两侧以及雁南街道、西固区的奥体中心。由表3可知，高密度区主要以大型彩钢板建筑分布为主，其所占比例基本过半，并且总体数量相对较少，但面积较大，平均面积为6 300 m2。叠加谷歌影像后发现，以上地段大多分布有大量工厂、建筑工地、小型企业、物流产业园以及科技新城等，正处于蓬勃的发展建设阶段，因彩钢板建筑“即用即搭”、便于拆除的便捷性以及成本低廉、耐腐蚀性优等特点，故使得其在以上地区得到了广泛应用。此外，中低密度区的小型彩钢板建筑也广泛的分布在城市里的其他区域，诸如居民地、房屋楼顶、农家乐等地块，可见彩钢板建筑在城市中所涉用途之广，遍及城市的各个区域。

表3 3种半径下不同密度等级区内大/小型彩钢板建筑占比Table 3 Proportion of large/small color steel plate buildings in different density levels under three radii

图6 不同半径下的彩钢板建筑聚集密度分析Fig.6 Aggregation density analysis of color steel plate buildings with different radii

图7 兰州市地表温度反演结果Fig.7 Land surface temperature inversion results in Lanzhou

图8 温度等级图Fig.8 Temperature rating diagram

3.2 地表温度反演及分析

选取2017年8月3日的Landsat 8影像，以城市化进程较快的兰州市为例，探究了该时期下其温度的具体分布情况。地表温度反演结果如图7所示，结果表明，2017年夏季兰州市热岛效应显著，平均温度为39.09 ℃，靠近黄河一带温度较低，城市边缘地区温度较高，以安宁区中部、西北部、城关区南部、东部以及西固区北部尤为显著。

根据均值-标准差方法将地表温度反演结果分为5个等级，其结果如图8所示，将高温区及次高温区划定为热岛效应显著区，其中低温区以黄河一带为代表，热岛区则以安宁区中部、西固区东部及城关区北部、南部尤为明显，分级结果符合实际温度分布情况。同时统计了每一温度等级下彩钢板建筑的面积及其占该级城市用地总面积的百分比，由表4可知，彩钢板建筑在次高温区分布的面积最大，在低温区和次低温区的分布面积相对较小，然而其在高温区所占各类用地总面积的比例却是最大的，且占比随温度等级的降低而减少，即低温区彩钢板建筑占比最少，这说明彩钢板建筑与城市热岛效应有着密不可分的关系。

将30 m半径下的彩钢板建筑聚集密度图与地表温度分级图叠加后发现(图9)，彩钢板高聚集密度区大多分布于城市高温以及次高温区内，且二者的趋势走向非常相近，又因高密度区主要以大型彩钢板建筑分布为主，因此可以说明，大型彩钢板建筑的大量聚集是加剧城市热岛效应的一个关键因素。

表4 彩钢板建筑的面积在每一温度等级下所占比例Table 4 Proportion of color steel plate building area in each temperature class

图9 地温等级图与30 m半径的彩钢板聚集密度叠加图Fig.9 Overlaying map of surface temperature grade and 30 m radius color steel plate aggregation density

3.3 相关性及最优尺度分析

为了进一步探究彩钢板建筑与地表温度之间的相关关系以及彩钢板建筑聚集密度对城市热岛效应影响的最优尺度，利用SPSS软件分别统计了30、60、90 m 3种不同半径尺度下的彩钢板建筑的聚集密度与温度的相关关系并绘制成了散点图，定量分析了研究区内彩钢板建筑的聚集密度与地表温度之间的关系，其回归方程分别为：y=2.743x+39.753，y=3.416x+39.884，y=2.194x+40.297。结果如图10所示。从图10中可以明显看出，相比于其他两者，当半径为30 m时，彩钢板建筑的聚集密度与地表温度拟合效果最佳，此时R2为0.601。3种半径尺度下的聚集密度与地表温度均呈现出了显著的线性正相关性，且三组回归均在0.01水平上相关性显著，回归分析表明这种关系定量且清晰。

3种半径尺度下彩钢板建筑的聚集密度与地表温度的相关系数分别为：0.775、0.672、0.593，即R=30 m时，相关系数最高，此时彩钢板建筑对地温升高的影响最为显著。

图10 彩钢板建筑聚集密度与地表温度回归分析Fig.10 Regression analysis of surface temperature and aggregation density of color steel buildings

以半径为30 m的彩钢板建筑聚集密度与地表温度的回归方程为例，聚集密度每增加0.1，地表温度上升0.3 ℃，说明夏季彩钢板建筑的存在的确对城市热岛效应产生了一定的影响，即彩钢板建筑面积的不断增多显然导致了地表温度的上升，且聚集密度高的地区对地表温度的作用明显高于低密度区，因此，探究夏季彩钢板建筑对城市热岛效应的影响对于城市化进程的发展以及城市宜居都有着极其重要的意义。

4 结论

采用定量分析的方法，对兰州市彩钢板建筑在主城区的分布情况及其聚集密度与城市热岛效应的关系进行了研究，得出如下结论。

(1)大型彩钢板建筑高度聚集对城市热岛效应产生显著影响，它们多分布于城市高温区，即研究区的高新技术开发区、工厂聚集区等地块；小型彩钢板建筑在城市中总体数量较多，但总面积较小，以中低密度的聚集为主，遍布于整个兰州市，对城市热岛效应影响相对较小。

(2)基于距离权重计算得到的聚集密度将单一彩钢板及其周边一定范围内的彩钢板全部考虑在内，准确客观地反映了彩钢板建筑聚集的程度及其在城市中分布的特点，可以作为评价城市发展现状的指标之一。当半径为30 m时，彩钢板建筑聚集密度的分布特征与温度等级分布(图8)最为接近。

(3)兰州市夏季热岛效应显著，彩钢板建筑对其产生的影响不容忽视，回归分析表明：3种尺度半径下的彩钢板建筑聚集密度与地表温度均呈现出了较为明显的线性正相关关系，当半径为30 m时，彩钢板对地温的增效最为显著。

彩钢板建筑在城市中分布较广，其对城市热环境系统带来的影响不容小觑，虽然对彩钢板建筑与城市热岛效应的关系进行了初探，但仍有一些问题亟待解决：①需要增加研究区时间跨度及节点，以探究彩钢板建筑在城市中由数量稀少至广泛存在这一过程中同一季节的温度变化情况；②城市中多种因素的联合作用导致了热岛效应的发生，有必要将彩钢板建筑周围不同的景观特征如水体、植被及其他建筑物等因素考虑在内，探究不同因素作用于城市热岛效应的定量关系，从而更为客观地揭示彩钢板建筑给城市热环境系统带来的影响。