王俊凝，單寶艷，劉洋洋，張智璇

山東建筑大學 測繪地理信息學院，濟南 250101

隨著全球城市化進程飛速提升，城市人口急劇增加，城市建筑用地短缺與人口劇增的矛盾日益顯著，城市發(fā)展不僅局限于二維平面擴張，在三維空間上也不斷拓展（Zheng et al，2017；Zhou et al，2017；賈琦，2018；Qian et al，2018）。由此諸多城市生態(tài)環(huán)境問題開始顯現(xiàn)，其中，城市熱島效應逐漸成為最明顯的城市生態(tài)環(huán)境問題之一（范晨璟等，2017）。由城市熱環(huán)境、風環(huán)境等組成的城市微環(huán)境較大程度地影響著人們的生產(chǎn)生活和居住舒適程度。盡管目前的相關研究還無法揭示城市二維形態(tài)和三維空間形態(tài)對城市熱場和微環(huán)境的具體影響程度（Srivanit and Kazunori，2011；Chun and Guldmann，2014；Berger et al，2017；Zheng et al，2019），但有研究表明三維空間形態(tài)對城市熱場和微環(huán)境的影響比較顯著（Oke，1981；Unger，2004；陳利頂?shù)龋?013）。

關于城市形態(tài)對城市微環(huán)境影響的研究由關注城市的二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向注重三維空間形態(tài)對城市生態(tài)健康的影響（周偉奇和田韞鈺，2020），通過分析城市三維空間結(jié)構(gòu)研究城市微環(huán)境逐漸成為研究熱點（丁沃沃等，2012）。有學者通過分析城市主城區(qū)建筑物的二維平面面積及三維高度、體積等特征總結(jié)了對熱環(huán)境影響最大的建筑物屬性（曾鵬和孫宗耀，2019）。城市景觀格局在空間分布上的差異也會較大程度地影響著城市地表溫度和空氣環(huán)境（尹昌應等，2015），目前與城市熱場等研究相關的景觀因子主要集中在植被覆蓋率、人口分布、土地利用類型、水域等方面（梁益同等，2010；岳文澤和徐麗華，2013）。除上述因子外，建筑物對于城市熱場的影響也不容忽視。已有研究多數(shù)從建筑物的單一屬性進行研究，如建筑密度、建筑容積率、建筑高度等，但因不同空間分布特征的建筑對于城市熱場的影響機制不同，影響的程度也會有較大差異。因此，基于多維度、多角度對建筑物及其三維空間分布與城市熱場的關系進行研究非常必要。

目前關于城市形態(tài)（空間結(jié)構(gòu)）對城市熱場影響的相關研究主要采用統(tǒng)計分析方法，采用較多的分別是相關分析法和多元回歸分析法（Scarano and Mancini，2017；Alavipanah et al，2018）。有學者采用多元回歸分析方法發(fā)現(xiàn)上海城市亮溫與建筑物的高度呈現(xiàn)負相關關系（芮建勛，2007）。較多的研究是通過建立合適的空間三維結(jié)構(gòu)指標體系，利用相關分析法探究其對城市熱場的影響（Berger et al，2017；周偉奇和田韞鈺，2020）。而研究城市空間結(jié)構(gòu)指標與其周圍區(qū)域熱場間相互作用的文獻極少。且在城市空間結(jié)構(gòu)與城市熱場相關性的研究過程中，空間單元大小的選擇十分重要?？臻g形態(tài)與熱場的相關性研究結(jié)果會由于空間研究單元尺度的不同而有所差異，空間依賴性較強（Berger et al，2017；周偉奇和田韞鈺，2020）?？臻g研究單元尺度過大就會無法詳細地反映城市內(nèi)部的空間三維結(jié)構(gòu)特征和氣溫的差異；若研究單元尺度過小，對于較大的建筑物而言，其空間三維結(jié)構(gòu)將會被分割到多個研究單元中，無法詳細地反映真實的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。而目前的研究尚未得出最為合適的研究空間尺度（陳愛蓮等，2012）。因此，根據(jù)研究區(qū)域的實際情況選擇合適的研究單元至關重要。伴隨著城市建設和經(jīng)濟發(fā)展，濟南中心城區(qū)建成區(qū)面積不斷擴大，城市熱島效應逐年加劇，熱島強度數(shù)值已從1988年的1.17 增加到2014年的4.36（王林申等，2019）。且中心城區(qū)建筑分布密集，隨著經(jīng)濟中心和高新技術產(chǎn)業(yè)的東移，東部地區(qū)的超高層建筑逐漸增多，以濟南市為例研究城市空間結(jié)構(gòu)對城市熱場的影響更具代表性。鑒于此，本文以濟南市中心城區(qū)（天橋區(qū)、槐蔭區(qū)、市中區(qū)、歷下區(qū)、歷城區(qū)）為研究對象，基于建筑和綠地水體共同構(gòu)建城市空間結(jié)構(gòu)指標體系，運用相關分析、雙變量空間自相關分析等方法，基于多維度、多尺度視角，既研究城市空間結(jié)構(gòu)指標對城市熱場的影響，又探索城市空間結(jié)構(gòu)指標對周邊區(qū)域熱場的影響作用，以期為城市建筑布局、城市規(guī)劃與建設提供參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

本文以濟南市中心城區(qū)為研究區(qū)域，包括槐蔭區(qū)、市中區(qū)、歷下區(qū)、歷城區(qū)和天橋區(qū)，總面積約為2094 km2。文中所用的濟南市行政邊界矢量數(shù)據(jù)來源于山東天地圖（http://www.sdmap.gov.cn/），DEM 數(shù)據(jù)來源于Google Earth，空間分辨率為9.55 m。濟南市中心城區(qū)的建筑矢量數(shù)據(jù)來源于百度大數(shù)據(jù)，共有12 余萬個建筑數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局官網(wǎng)（https://earthexplorer.usgs.gov/）Landsat 8 衛(wèi)星獲取的遙感影像，下載的遙感影像日期分別為2017年6月1日、2017年6月17日、2017年7月3日、2017年8月4日，云量分別為2.04%、1.55%、3.53%、19.19%。綠地和水體矢量數(shù)據(jù)通過對高分一號遙感衛(wèi)星影像進行解譯得到。對于濟南市中心城區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)、建筑矢量數(shù)據(jù)、綠地和水體矢量數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)和Landsat 8 遙感影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用2000 國家大地坐標系（CGCS2000），投影坐標為CGCS2000_3_Degree_GK_CM_117E，并以天地圖矢量數(shù)據(jù)為基準進行地理配準和空間校正。

根據(jù)濟南市中心城區(qū)地域面積、建筑物空間分布特點將濟南市劃分成兩種空間單元進行研究，大尺度的空間研究單元為2 km×2 km，小尺度的空間研究單元為1 km×1 km，利用ArcGIS 10.5 中的創(chuàng)建漁網(wǎng)功能實現(xiàn)。濟南市中心城區(qū)建筑矢量數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 The overview of the study region

1.2 研究方法

1.2.1 城市地表溫度遙感反演方法

地表溫度是城市熱場的重要指標，在區(qū)域氣候、全球變化等研究中得到廣泛應用（李召良等，2016）。使用熱紅外遙感獲取一個區(qū)域地表溫度的時空分布是較為可行的研究手段（Li et al，2013）。目前常用的地表溫度反演方法主要有三種：大氣校正法、分裂窗算法和單通道算法。其中，大氣校正法是最基本的地表溫度反演的方法，可適用于任何波段的熱紅外遙感（毛克彪等，2007），文章選用大氣校正法對濟南市中心城區(qū)的地表溫度進行反演。該法主要采用大氣模型估計大氣對于地表輻射的影響，并將此影響所觀察到的大氣對熱輻射的吸收量以及大氣自身上、下行的輻射量在衛(wèi)星高度傳感器所接受到的熱輻射總強度中減去，從而得到地表的熱輻射量，并將地表熱輻射量轉(zhuǎn)化為地表溫度。

大氣校正法中，地表溫度可根據(jù)普朗克函數(shù)計算（毛克彪等，2007）：

式(1)和(2)中：ε表示地表比輻射率，C↓為大氣向下的輻射亮度值，C↑為大氣向上的輻射亮度值，G(Ts) 表示黑體的熱輻射亮度，Cλ表示衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值，τ表示大氣在熱紅外波段中的透過率，TS為根據(jù)公式獲取的地表溫度（℃）。B1和B2通常在源文件中獲?。ㄎ貉┟返?，2019），本文所使用影像文件中B1=774.89 W·(m2·μm·sr)?1，B2=1321.08 K。大氣上、下行輻射亮度值及透過率均可通過NASA 大氣計算器獲取，其他值均通過影像數(shù)據(jù)獲取。

1.2.2 相關分析方法

相關分析方法是對要素之間的相關程度進行研究，相關系數(shù)法是最為常用的相關分析方法之一。由于研究對象不同，相關系數(shù)有多種定義方式，較為常用的是皮爾遜相關系數(shù)。該相關系數(shù)主要研究變量之間的線性相關程度。皮爾遜相關系數(shù)的取值為[?1,1]，數(shù)值趨近于1（或?1），兩個因子之間線性正相關（負相關）程度越強，數(shù)值趨近于0，表示兩個因子相關性越弱。其顯著性主要通過P值進行檢驗。皮爾遜相關系數(shù)計算公式如下：

式(3)中：R為相關系數(shù)值，n表示因子的樣本數(shù)量，為x變量的平均值，為y變量的平均值。文章中x為城市空間結(jié)構(gòu)指標，y為由大氣校正法反演得到的濟南市地表溫度。

1.2.3 雙變量局部空間自相關法

雙變量局部空間自相關是在空間自相關指數(shù)（Moran’sI指數(shù)）基礎上提出的，旨在解決多個變量的空間關聯(lián)性問題。該方法可以對多個變量之間的空間相關性進行探究與分析，可以揭示某個空間研究單元的一個屬性與鄰近的空間研究單元的另一個屬性的相關程度。具體計算如下所示（敖榮軍等，2018；方葉林等，2020）：

而公民性變量在此處我沒有列出，我將在最后給出公民性這一變量的因子分析的結(jié)果，并在最后幾個模型中加入公民性來比較城市居民公民性的強弱對于與外來遷移人口的社會距離大小的影響。

2 地表溫度反演與城市空間結(jié)構(gòu)指標體系構(gòu)建

2.1 濟南市中心城區(qū)地表溫度反演

城市熱場通常由城市地表溫度和氣溫共同反映（周偉奇和田韞鈺，2020）。氣溫與地表溫度相互作用，在兩者的共同作用下影響著居民的日常生活及舒適程度。氣溫主要是通過移動或固定的氣象監(jiān)測儀器進行獲取，但在實際操作中，氣溫獲取的值通常是離散的、不連續(xù)的點數(shù)據(jù)或者線性數(shù)據(jù)，在空間上不具有連續(xù)性。而經(jīng)過大氣校正等方法反演得到的地表溫度在空間上具有較強的連續(xù)性，且空間分辨率較高（陳愛蓮等，2012）。因此，文章采用經(jīng)過反演的地表輻射溫度表示城市熱場。

采用大氣校正法，利用ENVI 軟件經(jīng)過輻射定標、歸一化植被指數(shù)計算、植被覆蓋度計算、地表比輻射率計算、黑體輻射亮度的計算等步驟后得出濟南市中心城區(qū)的夏季地表溫度。為避免出現(xiàn)單次反演受云量等隨機因素的影響，較真實地反映城市熱場，分別選取了2017年6月1日、2017年6月17日、2017年7月3日 和2017年8月4日的Landsat 8 衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進行地表溫度反演，并將四次反演結(jié)果進行均值計算，得出濟南夏季的平均地表溫度，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 濟南市中心城區(qū)地表溫度分布圖Fig.2 Distribution map of surface temperature in the Jinan urban area

由圖2 可知：濟南市中心城區(qū)夏季地表溫度整體差異較大，差值約為18.6℃。濟南市地形特征為東高西低，南高北低，歷城區(qū)的中南部及市中區(qū)東部為山區(qū)，植被覆蓋茂密、水域較為密集，這些地方溫度較低。天橋區(qū)中部、槐蔭區(qū)西部、歷下區(qū)西部及歷城區(qū)東北部溫度較低的地方均為水域。天橋區(qū)南部、槐蔭區(qū)中西部、歷城區(qū)中北部、市中區(qū)中西部及整個歷下區(qū)溫度較高，并在此區(qū)域溫度達到了最高點。除地形因素和土地利用類型差異的影響外，由圖1 和圖2 可知，建筑物的分布特征與城市熱場的分布特征有著較強的關聯(lián)，建筑物越密集，地表溫度越高。整體而言，濟南市中心城區(qū)中心位置溫度最高，南北部溫度差距較大，北部地區(qū)的溫度高于南部地區(qū)，東西部溫度差距較小。

將反演得到的濟南市中心城區(qū)平均地表溫度的柵格數(shù)據(jù)，采用ArcGIS 10.5 的柵格分析工具箱中的“以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計功能”，分別在1 km×1 km、2 km×2 km 兩種空間尺度的格網(wǎng)內(nèi)對其求平均值，作為下一步相關性分析采用的地表溫度數(shù)據(jù)。

2.2 城市空間結(jié)構(gòu)指標體系

由于城市空間結(jié)構(gòu)與熱場的關系研究逐漸轉(zhuǎn)向三維空間結(jié)構(gòu)層面，城市三維空間結(jié)構(gòu)的定量化研究成為研究的前提和基礎（Unger，2004；Oke，1981）。由于城市建筑物增多，較大程度改變了城市下墊面性質(zhì)，加之城市建筑物在三維空間上的不斷延伸和擴展打破了城市空間上的連續(xù)性（曾鵬和孫宗耀，2019），導致地表能量失衡并阻礙了城市上空的空氣流動（王蕾等，2016），由此改變了城市熱場的分布，使城市熱島效應進一步加劇。在濟南中心城區(qū)內(nèi)，城市綠地和水域面積所占的比例較高，城市綠地和水域在一定程度上影響著城市地表溫度。因此，文章既選擇建筑物作為主要研究對象，又結(jié)合城市綠地和水體共同表達城市三維空間結(jié)構(gòu)。

三維空間結(jié)構(gòu)是二維空間結(jié)構(gòu)在高度上的延伸，但其并不只包括了高度信息，還包括了由高度延伸出的許多其他特征（周偉奇和田韞鈺，2020）。因此文章從城市地形、建筑平面分布、立體布局、多維空間組合等方面構(gòu)建城市三維空間結(jié)構(gòu)指標體系，主要包括三類：一維高度指標、二維平面指標、三維空間指標。同時結(jié)合城市生態(tài)綠化指標共同表達城市三維空間結(jié)構(gòu)。具體指標如表1 所示。

表1 城市空間結(jié)構(gòu)指標體系Tab.1 Quantitative expression indicators of urban threedimensional spatial structure

以上各指標的數(shù)值獲取均通過ArcGIS 10.5 的空間分析功能實現(xiàn)。對于柵格數(shù)據(jù)（x1、x2），采用ArcGIS 10.5 的柵格分析工具箱中的以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計功能，分別統(tǒng)計到1 km×1 km 和2 km×2 km 的相應格網(wǎng)中。對于矢量數(shù)據(jù)（x11）采用生成近鄰表功能實現(xiàn)；對于所有矢量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計指標（x3—x18），首先采用ArcGIS 10.5 疊加分析工具中的標識功能分別將1 km×1 km 和2 km×2 km 格網(wǎng)的ID 號賦值給相應建筑（水體、綠地），然后根據(jù)建筑（水體、綠地）新ID 號計算其面積、體積等指標。

3 結(jié)果與討論

3.1 城市空間結(jié)構(gòu)對城市地表溫度的影響

由表2 可知：在1 km×1 km 研究單元視角和2 km×2 km 研究單元視角下，與城市地表溫度呈正相關的一維高度指標有建筑高度標準差、建筑平均高度，二維平面指標有建筑密度、建筑基底面積總和、建筑基地面積標準差、平均建筑基地面積，所有的三維空間指標均與城市地表溫度呈正相關，且所有指標均達到了0.001 以上的置信水平。其中，建筑密度、建筑基底面積總和、容積率、占空比和建筑體積總和這五項指標與城市地表溫度在空間上的正相關程度極為顯著，城市地表溫度隨這五項指標的增大而提升的效果較為明顯。

表2 地表溫度與城市空間結(jié)構(gòu)指標的相關系數(shù)R 及其檢驗的P值Tab.2 The R value of the correlation coefficient between the land surface temperature and the urban spatial structure indicators and its tested P value

與城市地表溫度呈負相關的一維高度指標有建筑絕對高度標準差、DEM 標準差、建筑平均絕對高度和DEM 平均值，二維平面指標有建筑臨近距離均值和戶外活動面積比，城市綠化生態(tài)指標與地表溫度也呈現(xiàn)出一定的負相關性，且所有指標均達到了0.05 以上的置信水平。在這些指標中，建筑絕對高度標準差、DEM 標準差、建筑平均絕對高度、DEM 平均值和戶外活動面積比這五項指標與地表溫度的負相關性最為顯著，隨著這五項指標的增加，城市地表溫度降低的程度比較明顯。

綜合來看，與地表溫度呈顯著正相關關系的指標均為建筑的二維平面及三維空間指標。城市熱場改變，地表溫度提升的主要原因即建筑在二維平面上的不斷延伸及在空間上建筑體量的不斷增大。與地表溫度呈顯著負相關關系的指標主要為建筑的高度指標，表明地表溫度受地形影響最為明顯。但除去地形因素外，戶外活動面積比越大，即區(qū)域內(nèi)建筑基底面積越小，地表溫度越低。同樣，建筑在二維平面上的延伸越少，地表溫度越低。而不同空間研究單元結(jié)果的差別在于，1 km×1 km 研究單元城市空間結(jié)構(gòu)內(nèi)各項指標與地表溫度相關系數(shù)的顯著性均強于2 km×2 km 研究單元的結(jié)果。可見，城市空間結(jié)構(gòu)各指標與地表溫度在空間上相關性的顯著程度與選擇的研究單元尺度有關。在城市地表溫度與城市空間結(jié)構(gòu)的研究尺度上來說，研究單元越小，兩者的相關性越強。

3.2 城市地表溫度受相鄰區(qū)域空間結(jié)構(gòu)指標的影響

采用雙變量空間相關分析（公式(4)）研究城市地表溫度受周邊相鄰區(qū)域城市空間結(jié)構(gòu)指標的影響。運用GeoDa 軟件進行計算，使用其雙變量Moran’sI工具，以地表溫度為主變量（X1），以城市空間結(jié)構(gòu)指標分別作為周邊區(qū)域變量（X2），對地表溫度與城市空間結(jié)構(gòu)指標進行空間相關分析。計算的Moran’sI值及其檢驗的Z值如表3所示。

城市空間結(jié)構(gòu)指標與地表溫度的雙變量局部空間相關分析揭示了區(qū)域內(nèi)的地表溫度受其鄰近區(qū)域的城市空間結(jié)構(gòu)指標的影響程度。由表3 可知：城市地表溫度與城市空間結(jié)構(gòu)存在空間相關性。在1 km×1 km 的研究單元中，地表溫度與相鄰區(qū)域內(nèi)的建筑高度標準差、建筑平均高度、建筑密度、建筑基底面積總和、建筑基地面積標準差、平均建筑基地面積、容積率、建筑體積總和、占空比、建筑體積標準差和平均建筑體積等城市空間結(jié)構(gòu)指標呈正相關，且均達到了0.01 以上的置信水平。其中，地表溫度與相鄰區(qū)域內(nèi)的建筑密度、建筑基底面積總和、容積率、占空比、建筑體積總和這五項指標的空間正相關程度尤為顯著。地表溫度與相鄰區(qū)域內(nèi)的建筑絕對高度標準差、DEM標準差、建筑平均絕對高度和DEM 平均值、建筑臨近距離均值、戶外活動面積比和綠地水體總面積這七項空間結(jié)構(gòu)指標呈負相關關系。在這些指標中，地表溫度與相鄰區(qū)域內(nèi)的DEM 標準差、建筑平均絕對高度、DEM 平均值和戶外活動面積比這四項指標呈現(xiàn)出較為顯著的負相關性，即地表溫度較高的地區(qū)，其相鄰區(qū)域的內(nèi)的這四項指標值較低。

表3 地表溫度與城市空間結(jié)構(gòu)指標的雙變量空間自相關數(shù)據(jù)Tab.3 Bivariate spatial autocorrelation data of land surface temperature and urban spatial structure indicators

基于2 km×2 km 的研究單元視角，地表溫度與其相鄰區(qū)域的建筑絕對高度標準差、DEM 標準差、建筑平均絕對高度、DEM 均值、戶外活動面積比及綠地水體總面積這六項指標呈現(xiàn)出極為顯著的空間相關性（負相關）。除與建筑臨近距離均值指標相關性不顯著外，與其余指標的空間相關性均達到了0.01 以上的置信水平。

由此可知，地表溫度與相鄰區(qū)域內(nèi)建筑的覆蓋率、總建筑面積及總體積等因素的大小密切相關，這些建筑指標的增大會提升周圍區(qū)域的地表溫度。在較小的研究范圍內(nèi)，地表溫度不僅受周圍區(qū)域地形因素的影響較大，戶外活動面積比也是影響周圍區(qū)域地表溫度的重要指標。而在較大的研究范圍內(nèi)，相鄰區(qū)域的地形因素是地表溫度最為重要的影響因素，地形與建筑物高度所疊加的綜合因素對于地表溫度的影響最為明顯，地勢越高，地形起伏程度越大的區(qū)域其相鄰區(qū)域的地表溫度越低。綠地與水體也會在一定程度上緩解城市的熱效應。在1 km×1 km 的研究單元中，地表溫度與相鄰區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)指標的相關性較為顯著。

4 結(jié)論

（1）在探究不同尺度上城市空間結(jié)構(gòu)指標與地表溫度的相關性分析中，發(fā)現(xiàn)兩者的關系對于空間的依賴性較高，不同尺度的研究單元所得結(jié)果存在一定差異。較小的研究單元中空間結(jié)構(gòu)與城市熱場的相關性更為顯著。

（2）探究不同的城市空間指標對城市熱場的影響時，兩種分析方法均表明：建筑密度、建筑基底面積總和、容積率、占空比和建筑體積總和這五項指標與地表溫度的正相關性最為顯著，空間正相關程度最高。這五項指標綜合作用程度較高的市中心區(qū)域的地表溫度普遍高于周邊區(qū)域的地表溫度。

（3）兩種分析方法結(jié)果均表明：地表溫度與DEM 標準差、建筑平均絕對高度、DEM 平均值、建筑絕對高度標準差和戶外活動面積比這五項指標呈顯著負相關，空間相關性也極為顯著（負相關）。除去地形因素外，戶外活動區(qū)域所占比例較高、建筑物所占空間較少的區(qū)域地表溫度較低。