城市道路綠帶遙感綠量與地溫相關性研究

尤美子，黃曉霞，徐偉濤，馬紅艷，賴日文*

(1.福建農林大學 林學院，福建 福州 350002；2.中國科學院 地球環境研究所，陜西 西安 710061)

隨著城市化的快速發展，我國主要城市正面臨著更加嚴重的氣候變化問題，尤其是城市熱島現象[1]。由此引起的城市高溫會加重城市空氣污染，影響人們的健康，阻礙生活質量的提高[2]。城市綠地因其降溫效應顯著，在提高城市環境效應方面表現突出，成為解決城市熱島問題的研究重點。

研究表明，城市綠地的降溫效應不僅與綠地面積、形狀有關，還與綠地綠量有關。綠地綠量是指所有生長中的植物莖葉所占據的空間體積[3]，能夠直接表征城市局部或整體的綠化水平，該指標的提出促使綠地及其生態效益定量化研究水平產生質的飛躍[4]。王云才[5]從太原城市生態系統修復案例中得出，綠量在達到一定規模后才具有削弱城市熱島效應的作用；李英漢等[6]研究深圳市居住區植物綠量與氣溫調控的關系，結果表明植物的降溫能力與20 m×20 m范圍內植物的綠化三維綠量顯著相關。Feng Yang等[7]通過對上海市中心的10個高層住宅小區的研究，表明當居住區綠地率在30%～40%時，每100 m2綠地需具有3棵喬木才會有比較顯著的調節氣溫作用。高占喜等[8]實測北京24個典型綠地樣地的夏季降溫增濕功能，得出三維綠量密度≥5 m3·m-2的喬灌草或喬草復層配置結構可以發揮最佳降溫增濕功能；

上述研究主體多為綠地斑塊，依靠實地測量地溫研究綠量與降溫效應的相關性，同時對綠量發揮顯著降溫效應的閾值進行了討論，因為研究地域和樣地大小的差別，導致結論存在些許差異。城市道路綠帶是城市綠地系統的重要組成部分，但目前關于城市道路綠帶與降溫效應相關性的研究甚少，對于不同綠帶面積下的綠量降溫效應的探索也較少。因此本研究以福州市倉山區道路綠帶為對象，探索不同道路綠帶面積范圍內綠量與地溫的關系，以期為城市道路綠帶的規劃設計及提供科學的理論支撐與緩解城市熱島效應提供新思路。

1 研究區概況

福州市位于福建省中部偏北地區(25°15′-26°39′N，118°08′-120°31′E)，是海西經濟區的核心城市，地形多為丘陵與平原，屬南亞熱帶海洋性季風氣候。本研究以福州市西南部倉山區為對象(圖1)，區域面積142 km2，該區域四面臨江，道路綠化帶植物以鄉土樹種為主，喬灌草結構較為合理，其中喬木主要包括榕樹(Ficusmicrocarpa)、杧果(Mangiferaindica)、白蘭(Micheliaalba)、羊蹄甲(Bauhiniapurpurea)、香樟(Cinnamomumcamphora)、木棉(Bombaxmalabaricum)等。倉山區作為國家城鄉融合發展試驗區，產業園區眾多，近年來快速的城市化發展取得卓越的經濟發展成就。

圖1 研究區域位置

2 數據收集與預處理

采用2019年9月22日的Landsat-8的遙感影像(圖幅號為LC81190422019265LGN00)和2幅2019年12月11日的GF-1影像(圖幅號為L1A1021515985、 L1A1021515986)，該影像無云，質量較好。Landsat-8載有陸地成像儀(OLI)和熱紅外傳感器(TIRS)，其中TIRS包括有TIRS10和TIRS11熱紅外波段。地溫反演所需的氣象參數數據源自中國氣象數據網(http：//data.cma.cn/)。研究區邊界矢量圖從全市行政區矢量圖中提取，道路矢量圖源自谷歌地球(http://earth.google.com/)。

數據預處理包括遙感影像預處理和研究對象分類兩方面。遙感影像預處理主要包括輻射定標、大氣校正、正射校正、圖像配準、圖像裁剪等。為獲取研究區各道路綠帶總綠量，需以GF-1影像為數據源，結合分層分類法[9]和面向對象分類法[10]對道路綠帶樹種分類。按照區內道路綠化群落類型將研究對象分為草本植物、灌木和喬木，并依據喬木占地面積大小劃分出優勢喬木(榕樹、杧果、白蘭、羊蹄甲及香樟)和其他喬木。對分類結果進行精度評價，在研究范圍內生成362個隨機點(圖2)，通過GPS定點實地調查數據確定這些點的樹種類型，建立分類精度矩陣，結果如表1顯示，Kappa系數均>0.75、總體精度(overall accuracy)>80%，滿足本研究的數據分析精度要求(圖3)。

3 研究方法

3.1 地表溫度反演與城市道路綠帶溫度計算

研究運用大氣校正法(輻射傳輸方程法)進行地表溫度反演，該方法主要是根據衛星熱紅外傳感器接收到的熱輻射能量的構成來推算地表溫度。Landsat-8的TIRS11波段不穩定，反演精度較低，本研究選澤單波段TIRS10以輻射傳輸方程法進行演算[11],公式為：

Rλ=[ε·P(Ts)+(1-ε)·R↓]·τ+R↑

(1)

P(Ts)=[Rλ-R↑-(1-ε)·R↓·τ]/(ε·τ)

(2)

Ts=K2/ln[K1/P(Ts)+1]-273

(3)

式中，Rλ為衛星傳感器所接收的波長λ的熱輻射強度(W·m-2·μm-1)；ε為地表比輻射率；P(Ts)為地表物理溫度Ts(單位為K)時的黑體熱輻射強度(W·m-2·μm-1)；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；R↑和R↓分別為大氣上行和下行輻射強度(W·m-2·μm-1);P(Ts)為在熱紅外波段的輻射強度;Ts(℃)為地表真實溫度；K1、K2為常數，表示衛星發射前的預設常量，可以由元數據MTL文件查詢獲得。對于Landsat8 TIRS10波段，K1=774.885 3 W·m-2·μm-1，K2=1 321.078 9 K。

3.2 城市道路綠帶溫度與三維綠量計算

在ArcGIS10.5軟件中根據倉山區遙感反演的地表溫度圖和研究區道路矢量圖，提取出道路綠帶的地表溫度，并采用柵格數據分區統計(zonal statistics)的功能，統計出各道路綠帶平均地溫。

圖2 研究區外業調查點分布

圖3 道路綠地區域樹種分類結果

國內外學者對于綠量的計算方法有很多種，目前的計算方法主要分為“以平面量模擬立體量”[12]和葉面積指數法[13]2大類。本研究主要是計算葉面積層面上的綠量，采用的綠量是指單位面積上綠色植物的總量，即各類樹種的葉面積指數與其所占面積的乘積[14]。利用LAI-2000植物冠層分析儀對倉山區道路綠地區域喬木和灌木的葉面積指數進行實地測量，共測量6類樹種(榕樹、杧果、白蘭、羊蹄甲、樟樹和灌木)每類樹種分別選擇20個形態差異小且相對獨立生長的植株，通過統計并分別取平均值得到研究區內喬木和灌木的葉面積指數。草本植物的葉面積指數、具體測定與校正方法參照王永杰[15]對福州市公園綠地主要樹種的葉面積指數特征的研究，基于各樹種葉面積指數，結合倉山區道路綠帶的樹種分類圖和道路矢量圖，利用柵格數據分區統計功能，分別計算出各道路綠帶喬木、灌木和草本植物的綠地面積和綠量，進而統計出各道路綠帶的總綠地面積和總綠量。

表1 各層次分類結果精度評價

3.3 城市道路綠帶面積等級劃分

許多研究表明，水體具有一定的降溫作用，綠地面積大小是影響綠地發揮降溫效應的因素之一[16-18]。故本研究在分析綠量與地溫關系時，對臨近水體的道路不做討論。在ArcGIS中，按照道路綠地面積的分布情況將余下道路綠帶分為6個等級，并為進一步減少面積帶來的影響，在各等級內找到面積分布的眾數值，作為該等級的代表值，劃分結果如表2所示(等級6內綠帶面積分布較分散，故未選取眾數值，對該范圍內所有道路綠帶進行綠量與地溫的回歸分析)。

表2 研究區道路綠帶面積等級劃分

4 結果與分析

4.1 倉山區地溫空間分布

研究區地溫反演結果如圖3所示，地表平均溫度、最高溫度和最低溫度分別為(29.57±2.71)℃、38.07℃、23.56℃。地溫分布差異比較明顯，區內中心地帶比外緣地帶高，熱島效應顯著，高溫組團分別為金山創意園區、橘洲工業園區與萬達商圈。倉山區道路綠帶低溫區位于閩江及烏龍江沿岸，三縣洲大橋、閩江大橋、金山大橋、解放大橋、觀音湖邊路、南江濱休閑路和濂水路受水體影響地溫低于周邊環境。

4.2 綠量分析

從由表3可知，倉山區道路綠帶的總綠量約為4 574.78 hm2，樹種間綠量因LAI與占地面積不同而差異較大。從植被類型角度，綠量排序為喬木>灌木>草本，比例約為5∶3∶2，喬木層是綠帶綠量的主要來源，但也不可忽視灌木層、草本層對綠量的貢獻，可通過提高復層數，豐富植物群落，提升道路綠帶的降溫作用。從優勢喬木類型角度，綠量排序為榕樹>樟樹>杧果>羊蹄甲>白蘭，表明在喬木樹種配置上可以選擇一些LAI較大的觀賞類樹種，兼顧生態效益和美學價值。

圖4 倉山區地表溫度反演

4.3 城市道路綠帶地表溫度與綠量的關系

將道路綠帶按照地溫由低到高排序，由于道路數量較多，只列出前10條道路統計信息(表4)。道路綠帶綠量與地溫并非一直呈負相關性，即隨著綠量的增大，地表溫度并不一定降低，如牛眠山巷的綠量是亭下路的67倍，但是其地溫卻比亭下路高出0.1℃。這主要是因為綠地面積差異會對綠地的降溫效應產生影響，與前人綠地降溫效應受面積影響的研究結果一致。故本研究將根據前文劃分出的道路綠地面積等級，分別討論綠帶綠量與地溫的關系。

表3 倉山區道路綠帶典型樹種的綠量統計

表4 倉山區道路綠帶統計結果

4.3.1 道路綠帶面積<1 hm2(圖5(a)) 在該綠帶面積范圍內，綠帶綠量與地溫幾乎不存在相關性，地溫不受綠量變化的影響，在27℃～34℃隨機分布。其主要是因為綠地面積較小，邊緣比大，容易受周邊環境的影響，熱交換作用強烈，對于周邊小氣候改善十分有限，需要增加綠地面積，才可能形成穩定的冷點。

4.3.2 1 hm2≤道路綠帶面積<2 hm2(圖5(b)) 綠量與地溫呈負相關，地溫隨綠地綠量的增大而降低。綠量每增加1 hm2，道路綠帶的地溫平均可以降低0.373℃。其主要因為隨著綠地面積的增大，綠地受周圍環境影響程度減弱，降溫效應增強。

4.3.3 2 hm2≤道路綠帶面積<4 hm2(圖5(c)) 綠量與地溫二者負相關性增強，綠量每增加1 hm2，道路綠帶地溫平均可以降低0.343℃，且變化趨勢與面積為1.3 hm2的綠地相似，表明在1～4 hm2面積的道路綠帶的地表溫度的調控作用基本相同。

4.3.4 4 hm2≤道路綠帶面積<7 hm2(圖5(d)) 綠帶綠量與地溫的回歸曲線擬合程度更好，負相關性更強。此時，綠量每增加1 hm2，道路綠帶的地表溫度平均可以降低0.157 2℃，地表平均溫度在28℃～33℃變化。其降溫效率要低于1～4 hm2道路綠帶。表明在城市道路綠帶綠量本來就很大的情況下，增大綠量，道路的通風情況可能變差，降溫的效果可能會減弱。

4.3.5 7 hm2≤道路綠帶面積<10 hm2(圖5(e)) 綠量與地溫呈負相關，綠量每增加1 hm2，道路綠帶的地溫平均可以降低0.087 8℃，在28℃～32℃變化。當道路綠帶面積在4～10 hm2時，綠量的降溫效應和LST的分布范圍上基本一致，說明該面積范圍的綠地可以作為一類考慮，綠量的降溫作用基本相同。

4.3.6 道路綠帶面積≥10 hm2(圖3(f)) 綠量與地溫幾乎不存在相關性，地溫不隨綠量的增加而減少，在26℃～30.5℃隨機分布。表明相較于綠地面積較小時，綠地達到一定規模，自身的溫度特性比較穩定，不會受綠地綠量的影響，對周邊區域有顯著的降溫作用，可以形成恒定的冷源。

5 結論與討論

過往對于緩解城市熱島現象的研究對象集中于城市公園、水體或綠色基礎設施，在我國人地矛盾較嚴重的情況下，通過探究不同綠地面積范圍內道路綠帶綠量與地溫的關系，以期為緩解熱島效應提供新研究思路，并為現代城市道路綠地規劃提供理論指導。本研究以福州市倉山區道路綠帶為對象，運用熱輻射傳輸法進行地表溫度反演，結合分層分類法與面向對象法，實現道路典型樹種的分類并根據測定的LAI完成道路綠帶綠量的計算，進而分析地溫空間分布、道路綠帶綠量，研究道路綠帶綠量和地溫之間規律，得到如下主要結論：

1)研究區地溫分布差異明顯，區內熱島效應顯著，有多個熱島核心位于開發建設區的中心，下墊面介質以不透水材質為主，城市化水平較高，表明熱島空間分布主要與人類活動密切相關。低溫區域出現在閩江及烏龍江沿岸，呈現沿江型分布。主要是因為水體比熱容大、熱輻射率低，能有效降低顯熱交換能力，在改善局部小氣候緩解城市熱島效應發揮重要的作用。地溫空間分布及成因的研究結果與前人結論基本一致，但現沿江干道未能有效地作為降溫廊道，對區內熱島效應產生大幅度緩解作用。未來如何依托現有道路骨架，通過調整綠化結構，將江風引入島內，打破熱島極核，增加高溫斑塊的景觀破碎度，從而緩解城市熱島效應值得深入研究。

圖5 城市道路綠帶綠量與地溫的關系

2)道路綠帶綠量相等時，綠地面積差異會綠地的降溫效應產生影響，與前人研究結果基本一致，在后續研究道路綠地其他結構的降溫效應時，需控制綠地面積相等并剔除水體降溫效應的干擾。

3)在不同面積范圍內，道路綠帶綠量與地溫的關系不同。當綠帶面積<1 hm2時，綠帶的降溫效應與綠量大小幾乎無關，需要增加道路綠帶面積二維增綠，以達到調節周邊熱環境的目的；當綠帶面積為1～10 hm2，二者呈負相關，地溫會隨著綠帶綠量的增大而減少，綠帶可以對周邊環境起到降溫作用；當綠帶面積>10 hm2，綠量大小不影響綠帶發揮降溫效應，綠帶對周邊區域降溫作用顯著。此時，應該注意道路綠帶的三維綠量是否超出了閾值，降低了城市綠帶降溫效率，如：行道樹冠層過密阻礙了城市通風導致綠帶對周邊地區的氣溫調節作用減弱。

4) 在道路綠帶綠量與地溫存在負相關性的面積范圍內(1～10 hm2)，綠量在綠帶面積為1～4 hm2的降溫效率優于在4～10 hm2，單位綠量可分別平均降溫0.343℃～0.373℃、0.087 8℃～0.157 2℃。綠帶面積在1～4 hm2范圍內，綠帶綠量與地溫的負相關程度較高，可以通過增加綠量進一步提高道路綠帶的降溫效應。建議在道路綠帶規劃中充分利用各種植物的功能特點，合理配置植物種類及生態位，選擇LAI更大的樹種，提高植物群落復合層數，從而提高三維綠量，使道路綠帶發揮更強的降溫作用和持續的生態效應；當綠帶面積在4～10 hm2范圍內，綠帶已經成為周邊地區的穩定冷源，但單位綠量的降溫效率減弱。在規劃中除考慮三維增綠外，應多關注道路綠帶的區域降溫廊道作用。構筑道路綠帶林網化，發揮道路綠帶的廊道功能，連接綠地斑塊形成綠色網絡，作為斑塊間能量、物質和物種流動的重要通道，實現城市綠化整體功能優化。

本研究探索不同綠地面積范圍內城市道路綠帶綠量與地表溫度的關系，但未將城郊型、遠郊型道路綠帶納入研究。在城鄉一體化的背景下，城鄉道路綠帶綠量與降溫效應相關性研究對緩解區域熱環境問題更富有指導意義。同時，研究未能將道路周邊建成區的建筑密度、風向、風速的影響因素納入考慮范圍，若能更細致的控制研究區內的其他變量，減少其他因子對綠量與地溫關系的影響，分析結果會更加具有說服性。