基于多空间统计模型地表温度场与精细景观要素的关系研究——以北京市奥运园区为例

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快速的人口增长与高强度的城市化进程引发城市建筑物的激增以及城市下垫面的巨大变化,显著改变着城市、区域乃至全球的生态环境。城市热环境作为衡量城市生态环境的重要指标,最显著的特征就是城市热岛效应。城市热岛不仅影响居民的健康和生活舒适度,同时也可能导致各种环境灾害的发生。如何有效缓解城市热岛是目前城市可持续发展规划亟待解决的问题。  影响城市热岛的因子复杂多样,以往研究关注较多的是地表覆盖等二维因子,而城市作为典型三维空间,城市空间结构等三维因子的影响也不容忽视。此外,过去研究倾向于宏观尺度的研究,在微观层面上对城市热岛刻画力度不足。随着国产高分遥感的发展,开展微观尺度下,多维度因子与城市热岛的关系研究更有价值,且微观精细化特性也更有利于直接与土地利用管理及城市规划实践结合。  为此,本文以奥运园区为研究区,以表征地表城市热岛(SUHI)的地表温度作为基础数据,结合高分辨率遥感数据与开放数据等,在微观多格网尺度下,运用多种空间统计模型定量刻画了土地景观组分、不同绿地景观配置与白天地表温度场的关系;运用增强二叉树模型,耦合建筑物三维结构因子与二维地表因子多维度要素,深入剖析复杂多维度要素在不同季节与地表温度的关系。文章构建的模型可为多微观尺度,不同景观分布情形下的地表温度预测模拟与景观规划提供科学依据。主要成果如下:  (1)奥运园区的地表温度与区域内的景观类型密切相关。自然生态系统及人工绿色生态系统(水体、植被等)相比建筑物(不透水层)的地表温度低。草地、树木、水体等自然或人工景观对城市地表温度呈现出负向作用,建筑物、不透水地面与道路对城市地表温度呈现出正向作用,建筑物阴影对于地表温度具有显著抑制作用。  (2)地表温度在微观尺度呈现出显著的空间相关性特征。常用的普通回归模型易忽略这一特性,而空间计量模型(SLM、SAC等)可有效消除这一影响。除线性关系外,地表温度与景观组分之间还存在非线性关系,包括二次项效应与不同景观的交叉效应,但交互效应只有在小尺度单元才能被捕捉到,尤其是草地、树木与水体的交叉效应尤为显著。即在三种景观中,一种景观类型对地表温度的作用一定程度受到其他两种景观类型的混合影响。  (3)奥运园区内,不同绿地景观(草地与树木)的空间格局配置对地表温度的影响不同。利用偏相关系数、SAC模型对比分析草地、树木景观配置要素与春季白天地表温度的关系,发现在奥运园区,树木种植越离散、斑块越小,相比集中种植树木,对区域的整体降温效果更好;大面积且集中种植草地比零散种植草地,拥有更强的蒸腾作用,对区域整体降温效果更佳。此外,树木景观配置要素对地表温度的影响较草地更为重要。  (4)影响地表温度的因素复杂多样,不但二维景观要素,三维城市空间结构对地表温度的影响也不容忽视;此外在不同季节各影响要素对地表温度的影响力度不同。NDBI、公园引力因子GPI、NDVI、建筑物高度、建筑物SVF、道路与不透水面组分,在不同季节均对地表温度有较大的影响力。其中,影响春季白天地表温度的因素主要是NDBI、GPI、NDVI和建筑物高度;建筑物密度越大、距离公园越远及周边公园面积越小、NDVI值小于0.2以及建筑物高度约小于60m范围内对城市地表温度影响较大。夏季白天地表温度的影响因素主要是NDVI、GPI、建筑物SVF和NDBI;植被盖度小于0.4、GPI因子约小于4、建筑物SVF小于0.6范围及NDBI大于0.1后对城市地表温度影响最大。影响秋季白天地表温度的主要因素是NDVI、GPI、NDBI、建筑物高度、道路与不透水面组分、建筑物体积和DSM SVF;植被盖度为0.1、GPI因子小于6、NDBI在-0.1-0.02范围内及建筑物高度小于60对地表城市热岛影响最大。冬季白天地表温度的主要影响因素是NDVI、建筑物高度、NDBI、建筑物SVF、GPI、DSM SVF和建筑物体积;植被盖度为0.1、建筑物高度约小于60米、NDBI在-0.1-0.02范围内及建筑物SVF大于0.8对地表城市热岛影响最大。
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