姚武韜，蔡丹路，張春燕，肖寒，張曉鑫，關(guān)燕寧*

1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

城市開敞空間的地表能量響應(yīng)初探
——以國際宜居城市為例

姚武韜1,2，蔡丹路1，張春燕1，肖寒1,2，張曉鑫1,2，關(guān)燕寧1*

1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

城市開敞空間是城市的重要組成部分，其構(gòu)成與分布影響城市遙感地表能量的平衡。本研究從城市生態(tài)系統(tǒng)層面，通過相對(duì)地表能量信息的定量分級(jí)方法，探討宜居城市開敞空間地表能量的綜合響應(yīng)特征、作用與影響關(guān)系特征。從開敞空間的屬性、體量、結(jié)構(gòu)方面，分析其對(duì)城市地表能量空間分布的格局、狀態(tài)、質(zhì)量及其時(shí)空變化的作用與影響。結(jié)果表明：(1) 在城市生態(tài)系統(tǒng)層面，城市開敞空間構(gòu)成的屬性、體量和結(jié)構(gòu)是影響城市地表能量變化的基礎(chǔ)；(2) 相對(duì)于城市的實(shí)體空間，城市開敞空間的地表能量閾值較寬，數(shù)值波動(dòng)幅度和頻率的改變受環(huán)境影響更明顯； (3)城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部及其與環(huán)境架構(gòu)的地表能量關(guān)系的平衡取決于一座城市開敞空間的格局、狀態(tài)和質(zhì)量。

城市開敞空間；遙感；地表能量；城市生態(tài)系統(tǒng)；宜居城市

引言

城市生態(tài)系統(tǒng)各要素的形態(tài)結(jié)構(gòu)，及其之間的物質(zhì)、能量、信息流動(dòng)所形成的格局和過程，是城市生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容[1]。城市生態(tài)系統(tǒng)由實(shí)體空間和開敞空間兩部分組成。城市實(shí)體空間以居住區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、公共設(shè)施、文體場(chǎng)所等城市內(nèi)部硬質(zhì)化表面的各類建筑為主，城市開敞空間位于城市內(nèi)部和邊緣地帶，以透水性表面的植被、水體為主[2]。

隨著城市的發(fā)展和擴(kuò)張，土壤、植被、水體等自然基質(zhì)要素覆蓋的城市開敞空間，逐漸被水泥、瀝青、玻璃、金屬等硬質(zhì)化地表所取代。硬質(zhì)化的實(shí)體空間與開敞空間具有完全不同物理特性，其較強(qiáng)的蓄熱能力和不透水性，以及高層建筑形成的特殊空間結(jié)構(gòu)，對(duì)城市局地氣候和能量流動(dòng)產(chǎn)生了重要的影響[3]。夏季，開敞空間地表能量數(shù)值整體較低，分布區(qū)間較寬；而實(shí)體空間地表能量數(shù)值普遍高于開敞空間，且集中分布在高數(shù)值的較窄區(qū)間，其能量調(diào)節(jié)作用主要通過硬質(zhì)化廣場(chǎng)、城市路網(wǎng)等開放空間網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，效果遠(yuǎn)不如開敞空間。

在國內(nèi)，由于城市化進(jìn)程的加快，城市開敞空間面積不斷減少，調(diào)溫作用逐漸下降，對(duì)城市地表能量分布的格局、狀態(tài)、質(zhì)量也產(chǎn)生了很大影響。歐美發(fā)達(dá)國家的大多數(shù)城市已經(jīng)完成了城市化進(jìn)程[4]，已經(jīng)開始更多的把生態(tài)理念融入到城市規(guī)劃過程中，考慮城市生態(tài)系統(tǒng)與自然關(guān)系的良性平衡，在空間上有序、漸進(jìn)地圍繞原生城市肌理，適度地改造擴(kuò)張[5]，保證了城市開敞空間的調(diào)溫作用效果維持在較高水平。尤其是國際宜居城市，在開敞空間與實(shí)體空間規(guī)劃方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)國內(nèi)城市的發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。

從熱紅外遙感數(shù)據(jù)中提取的地表能量信息，是城市要素綜合響應(yīng)特征的表現(xiàn)，它能夠反映各要素間的相互作用關(guān)系，體現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)要素的生態(tài)過程，為研究城市生態(tài)作用肌理提供了可靠的數(shù)據(jù)支持[6]。關(guān)燕寧等利用遙感熱紅外數(shù)據(jù)，建立了定量化的城市相對(duì)地表能量分級(jí)與評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析認(rèn)為城市實(shí)體空間的組團(tuán)方式、空間配置、實(shí)體與開放空間的組合方式及比例等是影響城市地表能量分布的重要原因；Tran[7]等分析了 2001-2003年間亞洲 18 個(gè)大城市城市熱環(huán)境的時(shí)空變化規(guī)律，認(rèn)為地表覆蓋特征的差異是影響城市熱量分布的主要原因；Onishi[8]等和 Sun[9]等對(duì)城市綠地覆蓋比例和地表溫度的數(shù)值做了具體分析，認(rèn)為城市內(nèi)部的歸一化植被指數(shù) NDVI 與地表輻射溫度 LST 之間存在著明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；Klok[10]等對(duì)鹿特丹城市熱量分布與下墊面類型做了對(duì)比分析，認(rèn)為不透水面蓋度高、低反照率地物集中的地區(qū)往往是城市地表熱量最為集中的區(qū)域；Deng[11]等利用基于光譜分解熱混合模型估算城市地表溫度，分析認(rèn)為暗不透水面的溫度高于亮不透水面；Okwen[12]等利用景觀格局指數(shù)計(jì)算了景觀大小、形狀、破碎度與地表溫度的關(guān)系，分析認(rèn)為在植被覆蓋度相當(dāng)?shù)那闆r下，大斑塊綠地的降溫作用較明顯，且綠地斑塊形狀也影響城市地表溫度。Zheng[13]等研究了人工地表組成的空間分布對(duì)城市熱環(huán)境的影響，分析認(rèn)為鋪砌路面的聚集或分散格局對(duì)地表溫度有顯著影響。這些研究多分析城市熱能量分布格局和城市下墊面特征的關(guān)系，如植被特征、不透水面等，或選取特定的城市要素類型，研究其在地表溫度上的時(shí)空變化規(guī)律。

本文利用遙感熱紅外數(shù)據(jù)，選取四個(gè)國際宜居城市為樣本，以開敞空間為主要研究對(duì)象，對(duì)比分析四個(gè)宜居城市開敞空間的空間分布及其地表能量響應(yīng)特征，以期在我國快速城市化進(jìn)程與大規(guī)模城市結(jié)構(gòu)、功能變化過程中，為城市綠地、水體等開敞空間的合理規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)選取

1.1 研究區(qū)概況

本文選擇美國的西雅圖 (47°30′54.89″N，122°16′49.67″W-47°37′44.73″N，122°24′37.00″W)、波特蘭 (45°28′34.47″N，122°35′59.03″W-45°35′23.13″N，122°43′31.65″W) ，以及歐洲的慕尼黑 (48°4′36.81″N，11°30′11.47″E- 48°11′34.20″N，11°37′51.28″E)、蘇黎世 (47°20′12.97″N，8°26′36.94″E-47°26′58.12″N，8°34′31.53″E) 四個(gè)生態(tài)宜居城市作為研究對(duì)象，研究區(qū)范圍是以城市中心建成區(qū)為中心點(diǎn)，選取的寬 9.9 km、高 12.6 km 的等大矩形。

西雅圖、波特蘭、慕尼黑、蘇黎世四個(gè)城市多次被評(píng)為世界“宜居城市”，在城市化、逆城市化、再城市化的發(fā)展歷程中，都曾經(jīng)歷污染、破壞、治理、修復(fù)，再到如今擁有平衡的開敞空間與實(shí)體空間配置。多樣的開敞空間內(nèi)涵已經(jīng)融入到城市格局當(dāng)中，為研究提供了基礎(chǔ)樣本。

1.2 信息源

本文采用的基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)為美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS) 陸地資源衛(wèi)星 Landsat 5 TM /Landsat 8 OLI 采集的系列遙感數(shù)據(jù)，城市的數(shù)據(jù)時(shí)相均為 7-9月的夏季同期數(shù)據(jù)。高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)為 Quick Bird 采集的亞米級(jí)數(shù)據(jù)，用于獲取開敞空間的幾何形態(tài)信息。

本文采用的地表能量信息包括絕對(duì)地表能量信息和相對(duì)地表能量信息。遙感熱紅外波段數(shù)據(jù)經(jīng)過運(yùn)算后獲得亮度溫度，經(jīng)過反演后得到絕對(duì)地表能量信息，是地物輻射溫度的表征，用以表達(dá)城市各要素的地表能量真實(shí)數(shù)值。但由于異常天氣、臨時(shí)性降水等自然因素影響，同一地區(qū)、不同年份的同期數(shù)據(jù)在絕對(duì)地表能量數(shù)值上可能存在較大差異；在不同城市的對(duì)比中，由于地理區(qū)位的差異，使得城市間絕對(duì)地表能量的閾值區(qū)間也不盡相同，這給對(duì)比分析帶來了不利影響。因此，本文把絕對(duì)地表能量進(jìn)一步分級(jí)，提取城市生態(tài)系統(tǒng)中客觀反映城市要素類型及其組團(tuán)綜合響應(yīng)特征和作用與影響關(guān)系的相對(duì)地表能量信息，通過相對(duì)等級(jí)的數(shù)值差異分析不同城市開敞空間地表能量響應(yīng)特征的區(qū)別[14,15]。綜合考慮選取研究區(qū)的面積大小及所涵蓋的要素類型，在去除極端值的影響后，通過等域 16 級(jí)的劃分方式即可把不同要素類型的地表能量差異較好的體現(xiàn)出來。

2 研究方法與技術(shù)流程

2.1 開敞空間提取

為分析不同開敞空間要素類型的地表能量響應(yīng)特征，本文提取位于城市內(nèi)部或與城市邊緣相鄰的，面積在 10 個(gè)像元以上的開敞空間矢量圖斑，并將其劃分至不同的類型。通過類別對(duì)比，最終利用高分辨率遙感影像以及數(shù)字化方式提開敞空間中的水系 (海水、河流、湖泊)、森林 (城市外圍)、城市濕地及公園綠地 (城市內(nèi)的公園、小面積草地、樹林) 四種開敞空間要素的矢量圖斑 (圖1)；通過歸一化建筑指數(shù)和植被指數(shù)，提取中心建成區(qū)的實(shí)體空間；其他空間為城市外圍的農(nóng)田、牧場(chǎng)，以及城市內(nèi)部的混合空間。

2.2 緩沖區(qū)分析

圖1 四城市不同類型城市要素分布Fig.1 Geographical setting of different urban elements in four cities

利用緩沖區(qū)分析開敞空間對(duì)周邊要素地表能量的影響[16]，緩沖區(qū)區(qū)間范圍為：0-150 米，150-300 米，300-600米，在后續(xù)討論中，分別把三個(gè)緩沖區(qū)范圍簡述為 150 米、300 米、600 米緩沖區(qū)。統(tǒng)計(jì)各類型要素圖斑內(nèi)部及三個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)的地表能量均值，分析地表能量均值差異、波動(dòng)幅度等與開敞空間要素類型的關(guān)系。

2.3 研究框架

圖2 為研究方案的實(shí)施流程。第一部分為遙感數(shù)據(jù)的信息標(biāo)準(zhǔn)化：包括輻射定標(biāo)、幾何校正、地表能量反演、波段運(yùn)算等處理，獲取研究區(qū)陸表景觀信息、地表能量信息和植被指數(shù)信息。

第二部分為普通遙感遙感信息到專業(yè)遙感信息細(xì)化提?。和ㄟ^陸表景觀和植被指數(shù)，提取城市實(shí)體空間和各類型開敞空間的矢量信息；通過地表能量分級(jí)，獲取城市相對(duì)地表能量信息。

第三部分為宜居城市的開敞空間響應(yīng)特征與規(guī)律評(píng)價(jià)：從開敞空間的屬性、體量、結(jié)構(gòu)方面，分析其對(duì)城市地表能量空間分布格局、狀態(tài)、質(zhì)量的影響，探討宜居城市在開敞空間地表能量的綜合響應(yīng)特征、作用與影響關(guān)系特征上的共性與個(gè)性規(guī)律。

3 開敞空間地表能量的空間分布特征

3.1 宜居城市開敞空間與實(shí)體空間分布格局

開敞空間面積占比和分布狀況是影響城市地表能量空間分布的重要因素。如圖1 所示，宜居城市 80%以上區(qū)域可基本保證每 2 km 范圍存在一處規(guī)模性開放空間，從城市邊緣向市中心呈現(xiàn)開敞空間-低建筑密度實(shí)體空間-高建筑密度實(shí)體空間的過渡形式。

四個(gè)宜居城市均覆蓋大面積的規(guī)模性開敞空間，實(shí)體空間的植被覆蓋率也較高。如表1 所示，四城市的規(guī)模性開敞空間面積全部超過 20 km2，且狀態(tài)穩(wěn)定，植被覆蓋率比例在 25年間變化不超過 2% (早期為 1987-1992年，中期為 2003-2004年，近期為 2015年-2016年)；城市實(shí)體空間的植被覆蓋率基本超過 35%，在最近期數(shù)據(jù)中，四個(gè)城市普遍達(dá)到 40% 以上，西雅圖、波特蘭兩城實(shí)體空間植被覆蓋率有增高趨勢(shì)，慕尼黑與蘇黎世實(shí)體空間植被覆蓋率有小幅波動(dòng)趨勢(shì)。

3.2 開敞空間地表能量的空間分布格局

在四個(gè)宜居城市中，開敞空間的地表能量基本處于數(shù)值較低的 8 個(gè)等級(jí)之中 (表2)，形成的低地表能量斑塊多處于建成區(qū)邊緣，或以帶狀或條狀形式，橫穿或縱貫整個(gè)建成區(qū)。西雅圖研究區(qū) (圖3 (c)、(d))最大面積的低地表能量斑塊為西北邊的普吉特海灣，貫穿城市的華盛頓湖運(yùn)河形成了城市內(nèi)部地表能量等級(jí)最低、單體面積最大的斑塊，此外，西部沿海和城市內(nèi)部的規(guī)模城市林地，形成了寬度200米以上的低能量帶。慕尼黑研究區(qū) (圖5 (c)、(d)) 中，斜穿城市的伊薩河及岸邊濕地組團(tuán)形成了城市內(nèi)部最大的低能量斑塊。蘇黎世城市規(guī)模最小，城市形成的高能量斑塊被東南部的蘇黎世湖和若干面積大于 2 平方公里的城市邊緣林地形成的低能量斑塊所圍繞，穿過城市的利馬特河體量雖然不大，但形成的低能量線條清晰可見 (圖6 (c)、(d))。

3.2 開敞空間地表能量的狀態(tài)

地表能量的狀態(tài)是指在不同年份的同期數(shù)據(jù)中城市各要素地表能量的閾值區(qū)間、分布區(qū)位的穩(wěn)定程度、變化趨勢(shì)，及其與周邊要素的能量過渡情況。在三期數(shù)據(jù)的對(duì)比中，四個(gè)城市的開敞空間低能量斑塊位置基本穩(wěn)定，面積沒有縮小，等級(jí)波動(dòng)幅度在 3 級(jí)以內(nèi)，向周邊要素的漸變性過渡方式基本不變。在低、中地表能量等級(jí)所占比例，除西雅圖 2016年略有波動(dòng)外，其余波動(dòng)幅度均在 1.5% 以內(nèi)，遠(yuǎn)低于實(shí)體空間的波動(dòng)程度 (表2)。部分地區(qū)甚至有所增加，比如在慕尼黑 (圖5 (c)、(d)) 研究區(qū)的西北角，2015年較 1991年多出一處面積1平方公里左右的綠地，在地表能量圖中明顯形成低能量斑塊；西雅圖城市內(nèi)部多處中、低能量斑塊面積有所擴(kuò)大，說明城市內(nèi)部開敞空間的調(diào)溫效果有所提升。

表1 開敞空間與實(shí)體空間植被覆蓋率Table 1 Vegetation coverage of urban open field and urban physical field

表2 開敞空間與實(shí)體空間低、中地表能量分布Table 2 Medium and low land surface energy proportion of urban open field and urban physical field

3.3 開敞空間地表能量的質(zhì)量

較為合理的分布格局、穩(wěn)定的狀態(tài)是城市要素地表能量響應(yīng)的外在表現(xiàn)，構(gòu)成能量斑塊的城市要素類型是地表能量質(zhì)量的表達(dá)。四個(gè)城市的開敞空間中，天然水體、規(guī)模林地、河流濕地單體體量較大，是城市低能量的主要組成成分，它們?cè)诤艽蟪潭壬蠜Q定了城市整體的地表能量分布格局；而人工的公園綠地斑塊分散于建成區(qū)各處，其主要功能是調(diào)節(jié)城市內(nèi)部小區(qū)域范圍的能量平衡。波特蘭 (圖4 (c)、(d)) 建成區(qū)的最大高能量斑塊被西南部的森林與威拉米特河包夾，作為研究區(qū)中最大的低能量斑塊，二者對(duì)建成區(qū)的調(diào)溫作用效果較好，自建成區(qū)邊緣向內(nèi)部形成超過200 米的能量過渡帶；在河流東側(cè)硬質(zhì)化程度較高的地區(qū)，也散布著面積較小的公園綠地，確保高地表能量斑塊的寬度限制在 1.5 公里以內(nèi)。

4 開敞空間地表能量的作用與影響

4.1 開敞空間地表能量差異

圖3 西雅圖陸表景觀 ((a)、(b)) 與地表能量構(gòu)成 ((c)、(d))Fig.3 Landscape((a)/(b)) and geographical setting of land surface energy((c)/(d)) in Seattle

圖4 波特蘭陸表景觀 ((a)、(b)) 與地表能量構(gòu)成 ((c)、(d))Fig.4 Landscape((a)/(b)) and geographical setting of land surface energy((c)/(d)) in Portland

圖5 慕尼黑陸表景觀 ((a)、(b)) 與地表能量構(gòu)成 ((c)、(d))Fig.5 Landscape((a)/(b)) and geographical setting of land surface energy((c)/(d)) in Munich

圖6 蘇黎世陸表景觀 ((a)、(b)) 與地表能量構(gòu)成 ((c)、(d))Fig.6 Landscape((a)/(b)) and geographical setting of land surface energy((c)/(d)) in Zurich

四個(gè)宜居城市中，不同類型開敞空間的地表能量均值及其隨時(shí)間的波動(dòng)程度存在差異。如表3 (左)所示，三期數(shù)據(jù)中，西雅圖海水地表能量均值低于河流和公園綠地，三期數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差為 1.82K，低于河流的 2.76K 和公園綠地的 3.22K，說明西雅圖研究區(qū)海水地表能量穩(wěn)定性相對(duì)最強(qiáng)。在表3 (右) 中，波特蘭水系地表能量均值低于森林 0.8-1.5K 左右，公園綠地高于森林 3.5K-4K；波特蘭水系地表能量均值波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為 1.99K，在三種開敞空間類型中最低，公園綠地略高于森林。表4 中，慕尼黑與蘇黎世的水系地表能量均值低于其他類型的開敞空間，三期中的波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差 (慕尼黑為 4.59K，蘇黎世為 2.78K) 也最??；河流濕地與森林的地表能量均值差異與標(biāo)準(zhǔn)差均相差不大，略高于水系；公園綠地的地表能量均值最高，波動(dòng)幅度大于水系。綜合上述分析可知，四個(gè)城市開敞空間地表能量均值和波動(dòng)幅度關(guān)系基本一致：水系最低，森林、河流濕地相近，公園綠地的地表能量均值最高，但波動(dòng)程度在不同城市中存在差異。

表3 西雅圖 (左)、波特蘭 (右) 開敞空間地表能量均值與標(biāo)準(zhǔn)差Table 3 Land surface energy’s mean value and standard deviation of different urban open field in Seattle (left) and Portland (right)

表4 西雅圖 (左)、波特蘭 (右) 開敞空間地表能量均值與標(biāo)準(zhǔn)差Table 4 Land surface energy’s mean value and standard deviation of different urban open field in Seattle (left) and Portland (right)

4.2 開敞空間對(duì)周邊要素地表能量的影響

開敞空間的類型是決定其對(duì)周邊要素影響程度與范圍的重要因素。水體開敞空間的調(diào)溫效果如圖7所示：在 600 米范圍內(nèi)，西雅圖海水緩沖區(qū)的地表能量隨距離增加逐漸升高，說明海水影響范圍在 300 米以上，且影響程度隨距離增加而逐漸降低；西雅圖與波特蘭河流 300 米緩沖區(qū)的地表能量數(shù)值已經(jīng)不低于 600 米緩沖區(qū)的地表能量數(shù)值，說明這兩條河流影響范圍在 150 米以內(nèi)；慕尼黑和蘇黎世水系影響程度略高于西雅圖與波特蘭，是因?yàn)槟侥岷诤恿髦車菨竦?，蘇黎世水系以湖泊為主，體量大于河流，且利馬特河周邊也存在規(guī)模性的濕地，湖泊、河流濕地的復(fù)合型開敞空間，其影響范圍要強(qiáng)于單一的河流。四城市森林的影響范圍基本在 150 米至 300 米之間 (圖8)，其中，波特蘭森林與城市中心建成區(qū)之間分布著低密度住宅，造成 300 米緩沖區(qū)的能量與150米緩沖區(qū)能量差異不大，而 600 米緩沖區(qū)能量出現(xiàn)階躍式提升。河流濕地的影響范圍與森林類似，在慕尼黑和蘇黎世均為 150 米至 300 米之間 (圖9)。公園綠地的影響范圍在四個(gè)城市中存在差異 (圖 10)，西雅圖、蘇黎世公園綠地的整體影響范圍在 150 米以內(nèi)，慕尼黑略高，在 150 米左右，波特蘭公園綠地的影響范圍超過150 米。

圖7 水系緩沖區(qū)分析Fig.7 Drainage buffer analysis

圖8 森林緩沖區(qū)分析Fig.8 Forest buffer analysis

圖9 河流濕地緩沖區(qū)分析Fig.9 Riverine wetland buffer analysis

圖10 公園綠地緩沖區(qū)分析Fig.10 Park green space buffer analysis

5 結(jié)論

本文探討了國際宜居城市開敞空間 7-9月遙感地表能量的響應(yīng)特征，首先從格局、狀態(tài)、質(zhì)量三個(gè)層次分析城市開敞空間地表能量的空間分布，而后對(duì)不同類型開敞空間地表能量的作用與影響差異進(jìn)行深入研究，所得結(jié)論如下：

(1) 在城市生態(tài)系統(tǒng)層面，城市開敞空間構(gòu)成的屬性、體量和結(jié)構(gòu)是影響城市地表能量變化的基礎(chǔ)。不同屬性的地表能量數(shù)值關(guān)系由低至高呈現(xiàn)海水、湖泊＞河流＞森林、河流濕地＞公園綠地的基本特征；在屬性相同情況下，隨著開敞空間單體體量增大，地表能量數(shù)值呈現(xiàn)均值逐漸降低、影響范圍逐漸增高的特征；開敞空間結(jié)構(gòu)取決于要素種類和空間配置方式，以及要素種類的多樣性和復(fù)合型，譬如濕地等，其作用與影響范圍高于單一結(jié)構(gòu)的開敞空間。

(2) 相對(duì)于城市的實(shí)體空間，城市開敞空間的地表能量閾值較寬，數(shù)值波動(dòng)幅度和頻率的改變受環(huán)境影響更明顯。從地表能量數(shù)值分布區(qū)間上看，開敞空間的地表能量主要集中在低、中地表能量數(shù)值量級(jí)，實(shí)體空間主要分布在高、中地表能量數(shù)值量級(jí)。從地表能量的波動(dòng)性上看，實(shí)體空間，尤其是高建筑密度、低植被覆蓋的實(shí)體空間類型，其地表能量數(shù)值量級(jí)一般呈現(xiàn)高數(shù)值端的波動(dòng)特征，且波動(dòng)程度低于開敞空間；開敞空間的地表能量則呈現(xiàn)在較低數(shù)值端波動(dòng)的特征，其波動(dòng)區(qū)間超過實(shí)體空間。開敞空間與實(shí)體空間地表能量相互影響的程度不同，呈現(xiàn)水平地帶性差異，二者交界線向開敞空間內(nèi)部形成的地表能量過渡帶寬度較大，數(shù)值變化的梯度小于向?qū)嶓w空間方向的過渡帶；實(shí)體空間與交界線距離越遠(yuǎn)，受開敞空間低地表能量的影響程度越小，且隨距離增加，影響程度下降速率逐漸趨緩，在折線圖上表現(xiàn)為：隨開敞空間外圍緩沖區(qū)數(shù)值增大，地表能量均值增幅逐漸降低。

(3) 城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部及其與環(huán)境架構(gòu)的地表能量關(guān)系的平衡取決于一座城市開敞空間的格局、狀態(tài)和質(zhì)量。宜居城市規(guī)模性開敞空間以天然水體、森林、濕地為主，人工林地、水體、公園綠地等為輔，在城市內(nèi)部分布相對(duì)均勻，形成每 2 公里范圍內(nèi)至少存在一處開敞空間的格局，總面積高于 20 平方千米；開敞空間面積的 85% 以上處于中、低地表能量等級(jí)，分布比例在近 25年間的波動(dòng)程度低于 2%，宜居城市實(shí)體空間夏季的植被覆蓋率普遍在 35% 以上，最高可達(dá) 60%；從城市邊緣向城市中心地區(qū)，由森林、農(nóng)田等開敞空間逐步過渡到低密度住宅、植被的混合空間，再過渡到市中心地區(qū)低植被覆蓋度的實(shí)體空間，地表能量呈波動(dòng)升高態(tài)勢(shì)。

宜居城市合理的城市開敞空間分布，對(duì)于疏解城市能量、降低城市高地表能量斑塊數(shù)量和單體面積、維持城市地表能量在空間上的平衡、時(shí)間上的穩(wěn)定具有重要意義。

6 討論與展望

本文在不同類型開敞空間作用與影響的討論中，把公園綠地做了整體性的描述與分析，但公園綠地選取的樣本數(shù)量很多，樣本間差異較大，其中要素的類型、面積、自身地表能量數(shù)值、周邊的要素類型等對(duì)綠地的調(diào)溫效果沒有做具體分析，在接下來的研究中仍需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步討論。

在緩沖區(qū)的劃分過程中，由于熱紅外數(shù)據(jù)分辨率的限制，僅選取 150 米、300 米、600 米三個(gè)緩沖區(qū)做了具體分析討論，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這樣的緩沖區(qū)設(shè)置對(duì)開敞空間的影響范圍可以做一個(gè)大致的區(qū)分，實(shí)現(xiàn)不同類型開敞空間影響范圍、程度的對(duì)比。但是如果能獲得更高分辨率的熱紅外數(shù)據(jù)，如十米以內(nèi)甚至亞米級(jí)的熱紅外數(shù)據(jù)，就可以把開敞空間的影響范圍誤差控制在 10 米以內(nèi)，通過更細(xì)致的緩沖區(qū)劃分方法進(jìn)行分析，繪制開敞空間影響與距離的關(guān)系曲線，在精細(xì)尺度上為城市規(guī)劃、綠地建設(shè)等提供科研成果支持。

[1] 吳慶書 楊.城市生態(tài)學(xué) [M].科學(xué)出版社, 2014.

[2] 關(guān)燕寧, 錢丹, 張春燕, 等.基于遙感信息的城市地表能量空間分布及特征研究——以國際宜居城市為例 [J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 16(05): 806-14.

[3] 周淑貞, 束炯.城市氣候?qū)W [M].氣象出版社, 1994.

[4] 段瑞君.歐美發(fā)達(dá)國家城市化進(jìn)程的經(jīng)驗(yàn)及其對(duì)我國的啟示 [J].城市, 2008, 10): 54-7.

[5] 康妮 · 小澤, CONNIEP.OZAWA, 小澤, 等.生態(tài)城市前沿:美國波特蘭成長的挑戰(zhàn)和經(jīng)驗(yàn) [M].東南大學(xué)出版社, 2010.

[6] 趙英時(shí).遙感應(yīng)用分析原理與方法 [M].科學(xué)出版社, 2013.

[7] Tran H, Uchihama D, Ochi S, et al.Assessment with satellite data of the urban heat island effects in Asian mega cities [J].International Journal of Applied Earth Observation & Geoinformation, 2006, 8(1): 34-48.

[8] Onishi A, Xin C, Ito T, et al.Evaluating the potential for urban heat-island mitigation by greening parking lots [J].Urban Forestry & Urban Greening, 2010, 9(4): 323-32.

[9] Sun R.How can urban water bodies be designed for climate adaptation? [J].Landscape and Urban Planning, 2012, 105(1-2): 27-33.

[10] Klok L, Zwart S, Verhagen H, et al.The surface heat island of Rotterdam and its relationship with urban surface characteristics [J].Resources Conservation & Recycling, 2012, 64(7): 23-9.

[11] Deng C, Wu C.Examining the impacts of urban biophysical compositions on surface urban heat island: A spectral unmixing and thermal mixing approach [J].Remote Sensing of Environment, 2013, 131(262-74.

[12] Okwen R, Pu R, Cunningham J.Remote sensing of temperature variations around major power plants as point sources of heat [J].International Journal of Remote Sensing, 2011, 5(1): 43-53.

[13] Zheng B, Myint S W, Fan C.Spatial configuration of anthropogenic land cover impacts on urban warming [J].Landscape & Urban Planning, 2014, 130(1): 104-11.

[14] 姚武韜, 關(guān)燕寧, 郭杉, 等.三亞熱帶雨林環(huán)境植被和地表能量空間分布特征 [J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 19(07): 950-61.

[15] 王蕾, 關(guān)燕寧, 郭杉, 等.城市地表要素的地表能量響應(yīng)特征及其關(guān)系研究 [J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 18(12): 1684-97.

[16] 馬妮莎.水體對(duì)城市熱環(huán)境影響的遙感和模擬分析 [D];華南理工大學(xué), 2016.

Research of the Responses Between Urban Open Field and the Remote Sensing Surface Energy—Take International Livable Cities for Example

Yao Wutao1,2, Cai Danlu1, Zhang Chunyan1, Xiao Han1,2, Zhang Xiaoxin1,2, Guan Yanning1*
1.Institute of Sensing and Digital Earth, Beijing 100101, China
2.University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China

Urban open fields are highly relevant regions in identifying the land surface energy balance in terms of their composition and distribution in urban ecology analysis.The characteristics, responses and interrelationships between land surface energy and the urban open fields in Yi Chun, China are quanti fied to discuss their in fluences on urban ecosystem.Attributes, volume element types and spatial structures of the urban open fields are selected to analyze the spatial temporal changes of land surface energy balance.The following results are noticed: 1) Compositing urban open fields by different attributes, volume element types and spatial structures in different way is the key factor for the land surface energy balance changes; 2) Urban open space, compared with urban physical field, shows more land surface energy variability in both amplitude and frequency due to environment changes with a relatively wider value range; 3) Both the urban ecology and the land surface energy balance in one city depend on the composition, distribution and quantity of the urban open fields.

urban open field; remote sensing; land surface energy; urban ecosystem; livable cities

10.11871/j.issn.1674-9480.2017.03.012

蘇州戰(zhàn)略規(guī)劃-遙感生態(tài)專題 (Y3H1630034)

2017年3月20日

姚武韜：中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，博士，主要研究方向?yàn)槌鞘协h(huán)境遙感。

E-mail:yaowt@radi.ac.cn

蔡丹路：中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，助理研究員，主要研究方向?yàn)闅夂蜃兓叭祟惢顒?dòng)對(duì)下墊面的影響模型。

E-mail:caidl@radi.ac.cn

張春燕：中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，助理研究員，主要研究方向?yàn)檫b感在生態(tài)環(huán)境方面的應(yīng)用。

E-mail:zhangcy@radi.ac.cn

肖 寒：中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，中國科學(xué)院大學(xué)，碩士，主要研究方向?yàn)榫值責(zé)岘h(huán)境對(duì)地表的多尺度響應(yīng)研究。

E-mail:xiaohan2015@radi.ac.cn

張曉鑫：中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，中國科學(xué)院大學(xué)，碩士，主要研究方向?yàn)檫b感應(yīng)用與生態(tài)環(huán)境變化研究。

E-mail:zhangxx@radi.ac.cn

關(guān)燕寧：中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，研究員，主要研究方向?yàn)闅夂蜃兓c人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。

E-mail:gan@irsa.ac.cn