基于高光谱的城市地面砖表面热环境特性的实验研究

杨雅君，邹振东，赵文利，李瑞利，邱国玉北京大学环境与能源学院，广东 深圳 518055



基于高光谱的城市地面砖表面热环境特性的实验研究

杨雅君，邹振东，赵文利，李瑞利，邱国玉
北京大学环境与能源学院，广东 深圳 518055

摘要：地面砖是城市重要的铺装材料，它的表面特性对城市地面热环境有重要影响，反射率是影响其表面热环境特性的重要因素。由于缺乏观测手段，关于地面砖的反射率特性及其对表面温度的影响还缺乏定量的系统研究。为此，该研究选取了城市铺装常用的混凝土地面砖作为研究对象，利用高光谱技术分别对不同表面颜色、不同粗糙度的地面砖在紫外波段（UV：350～380 nm）、可见光波段（VIS：380～780 nm）、近红外波段（NIR：780～2 500 nm）以及全波段（350～2 500 nm）的反射率特征进行系统观测，同时利用热红外成像技术观测其表面温度特征。结果表明，（1）不同颜色地面砖的全波段反射率SR差异很大，黄色最高（SR=34.28%），然后依次是红色（SR=31.58%）、绿色（SR=23.62%）、灰色（SR=14.06%）。黄色地面砖反射率约为灰色砖反射率的2.5倍，二者相差较大。（2）不同地面砖在不同波段的反射率特征不同。黄色、绿色、红色地面砖在近红外波段呈现出较高的反射率，处于30.08%～41.31%，高于其可见光波段反射率SRVIS和紫外波段反射率SRUV；灰色地面砖在3个不同波段反射率无明显差异。（3）粗糙度可影响近红外波段反射率SRNIR；颜色对全波段反射率SR的影响比粗糙度更加显著。（4）反射率对表面温度影响显著，反射率越高，表面温度越低。黄色砖的全波段反射率SR比灰色砖高出20%，在13:00时，二者的表面温度差值最高达7.64 ℃。研究结果可为城市铺装规划设计和改善城市热环境提供参考依据。

关键词：热环境；地面砖；高光谱；反射率；表面温度

引用格式：杨雅君， 邹振东， 赵文利， 李瑞利， 邱国玉. 基于高光谱的城市地面砖表面热环境特性的实验研究［J］. 生态环境学报， 2016， 25（5）: 835-841.

YANG Yajun， ZOU Zhendong， ZHAO Wenli， LI Ruili， QIU Guoyu. Experimental Study on the Surface Thermal Environment Characteristics of Urban Pavement Bricks Based on the Hyperspectral Technology ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016，25（5）: 835-841.

随着城市规模的不断扩大和人口的快速增长，城市热环境迅速恶化，对人们的生活质量和身体健康造成了严重的影响；同时由于城市环境温度的上升，空调的需求以及能源的消耗同步增加，产生量和排放了更多的污染物，更进一步导致城市热环境的恶化，形成恶性循环（Cartalis et al.，2001；Sarrat et al.，2006；Stathopoulou et al.，2008；Gobakis et al.，2011）。如何改善城市热环境是关系城市居民生活质量以及身心健康的重要民生问题。目前对城市热环境已经进行了许多研究（程好好等，2009；李翔泽等，2014；肖捷颖等，2014；郭秋萍等，2015），不少学者认为城市热环境的变化与城市下垫面性质的变化有着密切关系（王咏薇等，2006；刘霞等，2011；岳文泽等，2013；徐永明等，2013；买买提江·买提尼亚孜等，2015）。下垫面结构的改变会影响其表面性质，从而影响地表温度以及地表辐射能量分配，改变原有地-气之间物质、能量交换过程，最终导致城市热环境发生变化（王成刚等，2007；翟俊等，2013）。

就我国大多数城市而言，地面砖被广泛应用于城市下垫面铺装，具有典型的城市下垫面特征，它的表面特性对城市热环境有着显著影响，而反射率是影响其表面热环境特性的重要因素。城市下垫面铺装中常用的地面砖一般是水泥、混凝土材质，夏季炎热时我国大部分地区气温可达 35 ℃以上，此时地面砖的表面温度可高达60～65 ℃，严重影响城市人居生活舒适度。因此，在城市建设中，对地面砖的反射率特征进行测定分析，对于实现街区热环境精确模拟以及指导城市铺装规划设计有重要意义。由于缺乏观测手段，关于地面砖的反射率特性及其对表面温度的影响还缺乏定量的系统研究。高光谱技术能够获取物体表面在太阳光不同波段的反射率，近年来多用于植物叶片光合色素含量的遥感估算（冯伟等，2008；杨峰等，2010；王强等，2012；张永贺等，2013），而利用高光谱技术对地物表面反射率特征进行分析的研究较少。本研究选取了城市铺装常用到的混凝土地面砖作为研究对象，利用高光谱技术对不同颜色、不同粗糙度地面砖表面反射率进行测定，分析地面砖在太阳光不同波段的反射率特征，同时利用热红外成像仪对地面砖表面温度进行观测，以期为认识城市热环境以及城市生态规划提供科学的参考依据。

1　观测对象与研究方法

1.1 观测对象

观测对象选择的是最新浇筑完成的大小、厚度一致而表面颜色、粗糙度不同的地面砖，这些地面砖被广泛使用于城市街区道路和广场铺装。观测实验分两组：一组对比研究不同颜色地面砖的不同波段的反射率特征，实验选择了城市下垫面铺装中地面砖常用到的4种颜色，即灰色、绿色、黄色、红色；另一组对比研究不同粗糙度地面砖的不同波段的反射率特征，粗糙度分为3个等级：平整、中粗、粗糙（编号为A、B、C）。所有地面砖均陈列于同一个水平平台上，平台上方全天无遮挡。本研究主要探讨地面砖表面反射率特征及其对表面温度的影响，故在实验平台上放有绝缘材料聚苯乙烯泡沫板，目的是减少地面砖与实验平台之间的热交换。砖与砖之间保留一定距离，避免砖体之间产生导热和对流。表1描述了研究中所使用的地面砖的表面颜色以及表面粗糙度。观测实验于2015年6月4日进行，地点位于北京大学深圳研究生院热环境实验观测场地。

表1　地面砖的具体描述Table 1　Description of the studied bricks

1.2 研究方法

1.2.1 光谱反射率特征观测

应用美国ASD（Analytical Spectral Device）公司的野外光谱分析仪 FieldSpec 4对地面砖表面光谱反射率进行测定。该分析仪光谱测量范围为350～2500 nm，这部分光谱波段可以分为3个波段：紫外线波段（UV：350～380 nm）、可见光波段（VIS：380～780 nm）以及近红外波段（NIR：780～2500 nm），其中350～1000 nm光谱采样间隔是1.4 nm，1001～2500 nm光谱采样间隔是2 nm。700 nm波长下光谱分辨率为3 nm，而1400 nm或2100 nm波长下光谱分辨率均为10 nm。光谱反射率测定选择在无风无云或少云的天气进行，测定时间为 11:00 —15:00。光谱采样以10条光谱为光谱1个样本，即每次记录 10条光谱，以其平均值作为该地面砖的光谱反射率。

1.2.2 热红外图像观测

利用IR Flexcam Ti55 Thermal Imager热红外热像仪（Fluke Corp.，USA）在垂直于实验平台2 m高度向下进行拍摄，拍摄对象为地面砖。拍摄过程中，保证热成像仪垂直于实验平台，拍摄时间持续24 h，每隔1 h拍摄1次，每次拍摄重复3次。

Ti55型热红外成像仪的主要参数：VO×FPA探测器尺寸320 mm×240 mm；视场（FOV）23°水平×17°垂直；最小焦距0.15 m；热灵敏度（NETD）≤0.05 ℃；校准温度范围-20～600 ℃；准确度±2 ℃或2%；观测波段为8～14 μm，发射率设定为0.95。每张热红外图像包含320×240个表面温度数据。

1.2.3 气象观测

在热环境实验观测场地安置Davis Vantage Pro 2小型无线自动气象站，用于观测基本气象数据，包括空气温度、太阳辐射、风速等气象因子。

1.3 数据处理

由于光谱分析仪测量得到的是地面砖的光谱反射率，要比较分析地面砖在不同波段的反射率特征，需通过计算得到地面砖在不同波段的反射率。本研究依据美国材料标准ASTM E903-96提供的加权平均法，采用ASTM G159-98提供的标准太阳光谱辐照数据作为权重因子来计算反射率。具体公式如下：

其中，ρs为反射率均值；Eλi为对应波长的标准太阳辐照度，单位为W·m-2；ρ(λi)为对应波长的表面反射率；λi为第i段波长，单位为 nm；Δλi=（λi+1-λi-1)/2，且Δλ1=λ2-λ1，Δλn=λn-λn-1（n表示最后一个数值）。

2　结果与分析

2.1 不同颜色地面砖的反射率特征

不同颜色地面砖的光谱反射率特征曲线如图 1所示。由图 1可知，灰色地面砖在全波段范围（350～2500 nm）均表现较低的反射率特征，在光谱曲线形态上表现为低而平坦的谱线；而绿色、黄色、红色地面砖呈现出较高的反射率特征，在光谱曲线形态上，绿色、黄色、红色地面砖的反射率曲线变化波动明显，说明绿色、黄色、红色地面砖在3个不同波段的反射率差异较大。在可见光波段（VIS：380～780 nm），4种颜色地面砖的反射率曲线形态差异较大，这是因为在可见光波段地面砖的反射率与具体颜色有关。

图1　不同颜色地面砖的光谱反射率特征Fig. 1　Spectral reflectance of the studied bricks with different colors

为了进一步分析地面砖在不同波段的反射率特征，按照前文介绍的数据处理方法对不同颜色地面砖在全波段（350～2500 nm）、紫外波段（UV：350～380 nm）、可见光波段（VIS：380～780 nm）、近红外波段（NIR：780～2500 nm）的反射率进行计算，得到不同颜色地面砖的全波段反射率 SR、紫外波段反射率SRUV、可见光波段反射率SRVIS以及近红外波段反射率SRNIR，计算结果如表2所示。由表2可知，在全波段范围，4种不同颜色地面砖表面反射率的变化范围处于14.06%～34.28%之间，反射率从大到小依次是黄色（SR=34.28%）、红色（SR=31.58%）、绿色（SR=23.62%）、灰色（SR= 14.06%），其中，黄色地面砖的反射率约为灰色地面砖反射率的2.5倍，二者相差较大。在紫外波段范围，4种颜色地面砖均表现出较低的反射率SRUV，处于12.55%～12.90%之间。在可见光波段范围，黄色地面砖的反射率最大为30.76%，最低的是灰色地面砖，为14.68%。由图2及表2可知，除了灰色地面砖以外，黄色、红色、绿色地面砖在近红外波段范围均表现出较高的反射率，处于30.08%～41.31%之间，且高于相应地面砖的可见光波段反射率SRVIS以及紫外波段反射率SRUV，如绿色地面砖在近红外波段的反射率为30.08%，高于可见光波段反射率（SRVIS=17.50%）和紫外波段反射率（SRUV=12.90%）。

表2　不同颜色地面砖砖的全波段（350～2500 nm）反射率及其在3个不同波段UV（350～380 nm），VIS（380～780 nm）以及NIR（780～2500 nm）的反射率Table 2　Solar reflectance values （350～2500 nm） and solar reflectance values in the UV （350～380 nm），VIS （380～780 nm） and NIR （780～2 500 nm） part of the spectrum of the studied bricks with different colors

2.2 不同粗糙度地面砖的反射率特征

研究选择了3种不同粗糙度的黄色地面砖进行观测实验，得到不同粗糙度地面砖的光谱反射率特征曲线如图2所示。由图2可知，相同颜色不同粗糙度的地面砖在全波段（350～2500 nm）范围的反射率曲线变化规律相同，尤其是在可见光波段（VIS：380～780 nm）范围，3种不同粗糙度的地面砖反射率几乎一致。结合图1可知，地面砖表面颜色影响可见光波段反射率的曲线形态与大小。

3种不同粗糙度地面砖的全波段反射率SR、紫外波段反射率SRUV、可见光波段反射率SRVIS以及近红外波段反射率SRNIR的计算结果如表3所示。由表可知，在全波段范围，3种不同粗糙度的地面砖反射率SR结果为：黄色A（SR=35.13%）＞黄色B（SR= 34.28%）＞黄色C（SR=33.54%），这说明地面砖表面越粗糙，反射率就越低。分析不同波段的反射率，3种不同粗糙度地面砖的紫外波段反射率SRUV最低，近红外波段反射率SRNIR最高，与前文的分析结果相一致。在可见光波段范围，3种粗糙度的地面砖反射率差异并不明显，分别为31.37%（黄色C）、30.76%（黄色B），30.48%（黄色A）。

图2　不同粗糙度地面砖的光谱反射率特征Fig. 2　Spectral reflectance of the studied bricks with different roughness

表3　不同粗糙度地面砖的全波段（350～2 500 nm）反射率及其在3个不同波段UV（350～380 nm），VIS（380～780 nm）以及NIR（780～2 500 nm）的反射率Table 3　Solar reflectance values （350～2 500 nm） and solar reflectance values in the UV （350～380 nm）， VIS （380～780 nm） and NIR （780～2 500 nm） part of the spectrum of the studied bricks with different roughness

2.3 不同地面砖的表面温度特征

表面温度是下垫面能量平衡的核心，能够通过对流和辐射等方式加热上方空气，影响城市热环境，对于调节城市微气候有着重要作用（Synnefa et al.，2011）。表面反射率不同，表面温度也不同。研究使用热红外成像仪对地面砖进行观测，运用热红外成像仪自带的Fluke Smart View 3.1软件获取地面砖在不同时间点的表面温度数据。图3表示的即为4种不同颜色地面砖的24 h表面温度和空气温度变化特征。从不同颜色地面砖表面温度变化过程来看，在8:00—18:00期间，4种颜色地面砖的表面温度均高于空气温度，表面温度先升高后降低，呈单峰变化，在11:00—15:00之间，地面砖表面温度达到一天中的峰值；在0:00—7：00以及20:00—0:00期间，不同地面砖的表面温度无明显变化，且在夜晚地面砖的表面温度均低于空气温度。从不同颜色地面砖的表面温度差异来看，在8:00—18:00期间，4种颜色地面砖的表面温度从高到低依次是灰色、绿色、红色、黄色，结合前面的全波段反射率 SR特征可知，反射率越高，表面温度越低。由于反射率不同，随着太阳辐射的增强，4种不同颜色地面砖在中午时分（11:00—15:00）表现出明显的差异，该时段内4种不同颜色地面砖的表面温度均值分别为 57.79 ℃（灰色）、54.93 ℃（绿色）、54.27 ℃（红色）、52.08 ℃（黄色）。其中，灰色地面砖的全波段反射率 SR与黄色地面砖的全波段反射率 SR相差20%，在13:00时，灰色与黄色地面砖的表面温度差值最大达到 7.64 ℃。在晚上，不同地面砖之间的表面温度并无明显差异，这说明反射率在白天对表面温度的影响较大，这与前人的研究结果是一致的（Synnefa et al.，2007）。

不同粗糙度地面砖表面温度差异如图 4所示。从表面温度日变化曲线来看，不同粗糙度地面砖表面温度均呈现先升高后降低的单峰变化趋势，在11:00—15:00达到一天温度变化的峰值。不同粗糙度地面砖的表面温度高低顺序为黄色C＞黄色B＞黄色A，结合前面的全波段反射率SR特征，再次说明了反射率越高，表面温度越低。3种不同粗糙度地面砖11:00—15:00表面温度均值分别为49.84 ℃（黄色A），52.1 ℃（黄色B），53.04 ℃（黄色C），13:00时，黄色A地面砖与黄色C地面砖之间温度差值达4.29 ℃。

图3　不同颜色地面砖24 h表面温度变化及空气温度变化Fig. 3　24 h distribution of surface temperatures of the studied bricks with different colors and air temperature during the experimental period

3　讨论

反射率作为下垫面重要的物理性质之一，相关的研究已有许多（Santamouris et al.，2008；Karlessi et al.，2009）。本研究基于高光谱技术从表面颜色和粗糙度两个方面对地面砖在全波段（350～2500 nm）、紫外波段（UV：350～380 nm）、可见光波段（VIS：380～780 nm）、近红外波段（NIR：780～2500 nm）的反射率特征进行比较分析，同时利用热红外成像仪观测了地面砖表面温度特征。

结合表2可知，4种不同颜色地面砖反射率存在较大的差异，说明不同颜色对地面砖的反射率影响较大。进一步分析不同颜色地面砖在不同波段的反射率特征可知，在近红外波段（NIR：780～2500 nm），除了灰色地面砖，所有地面砖均呈现出较高的反射率，处于30.08%～41.31%之间，均高于相应地面砖在可见光波段的反射率。这是因为尽管太阳光在可见光范围比较密集，但是它仍然会在近红外波段发射大量能量，近乎一半的太阳能量以近红外辐射到达地球表面，这说明除了可见光波段反射率，近红外波段反射率对全波段反射率也具有重要影响。对比不同颜色地面砖与生长季草地和森林的表面反射率，除灰色外，其它3个颜色地面砖的全波段反射率在23.62%～34.28%之间，均高于生长季的草地和森林，说明这3种地面砖能够反射更多的太阳辐射，但是这并不意味着这3种地面砖相比于草地与森林具有更加优良的热环境缓解作用。这是因为除了反射率，植被对太阳辐射的吸收以及蒸腾作用也是影响热环境的重要因素。

图4　不同粗糙度地面砖表面温度变化比较Fig. 4　Distribution of surface temperatures of the studied bricks with different roughness

结合表3可知，粗糙度与反射率成反比，地面砖表面越粗糙，表面反射率就越低。进一步分析不同粗糙度地面砖在不同波段的反射率特征发现，粗糙度对近红外波段反射率SRNIR影响最大，对可见光波段反射率 SRVIS影响最小。由于太阳辐射能量在紫外波段的占比很小，因此可以得出粗糙度影响表面反射率主要是通过影响近红外波段反射率SRNIR起作用的，即在不改变表面颜色的前提下，可以通过增加表面粗糙度来降低近红外波段反射率SRNIR，从而提高全波段反射率SR。此外，根据表2和表3分析颜色变化以及粗糙度变化对反射率的影响发现：当颜色改变时，地面砖的全波段反射率SR在14.06%～34.28%之间变化；当粗糙度变化时，地面砖的全波段反射率SR在33.54%～33.13%之间变化。由此说明，颜色改变对全波段反射率SR的影响比粗糙度的影响更为显著。

对比不同地面砖的表面温度特征可知，地面砖的表面温度与全波段反射率SR成反比，反射率越高，表面温度越低。不同颜色地面砖的表面温度在白天有明显差异，中午时分差异最大，但在夜晚无明显差异，这说明反射率对表面温度的影响主要体现在白天。在白天，地面砖的反射率越低，对太阳辐射的反射越少，地表呈现的表面温度也越高。加上地面砖属于混凝土材质，其导热率比自然下垫面大，蓄热能力更强，能够吸收更多的太阳能量，到了夜间再将白天存储的热量以长波辐射的形式返回大气，加热空气从而导致气温的上升，影响城市近地热环境，造成人居生活环境质量的下降。由图3知，在晚上，不同颜色地面砖的表面温度低于空气温度，主要是因为在晚上太阳辐射强度为0，反射作用对地面砖表面温度的影响可以忽略不计，地面砖的材料辐射发射作用成为影响其热力性质的主要因素；加上地面砖具有较高的辐射发射率，能够在短时间内将白天吸收的热量释放出去，使自身温度降低，故低于空气温度（Synnefa et al.，2006）。

4　结论

本研究选择城市铺装中常用的地面砖作为研究对象，基于高光谱以及热红外成像技术对混凝土路面砖的反射率特征及其表面温度特征进行观测和分析，得出以下结论：

（1）不同颜色地面砖的全波段反射率差异较大，其全波段反射率由大到小为：黄色（SR= 34.28%）＞红色（SR=31.58%）＞绿色（SR=23.62%）＞灰色（SR=14.06%）。

（2）不同颜色地面砖在不同波段的反射率特征不同。黄色、绿色、红色地面砖在近红外波段呈现出较高反射率，处于30.08%～41.31%之间，高于可见光波段反射率SRVIS和紫外波段反射率SRUV；灰色地面砖在3个不同波段反射率无明显差异。

（3）3种不同粗糙度地面砖的全波段反射率SR由大到小为：黄色平整（SR=35.13%）＞黄色中粗（SR= 34.28%）＞黄色粗糙（SR=33.54%）。

（4）粗糙度对近红外波段反射率SRNIR影响最大，对可见光波段反射率 SRVIS影响最小；表面颜色对全波段反射率SR的影响比粗糙度的影响更加显著。

（5）地面砖的表面温度与全波段反射率SR成反比，反射率越高，表面温度越低。黄色地面砖的全波段反射率 SR比灰色地面砖的高出 20%，在13:00时，二者的表面温度差值最高达7.64 ℃。

根据实验结果可知，在实际地面砖铺装时，改变颜色对地表反射率具有显著影响，其中黄色地面砖反射率最高，对热环境的影响最小；在不改变地表颜色的前提下，改变粗糙度能够影响地表反射率，进而影响表面热环境。

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DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.05.016

中图分类号：X16

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）05-0835-07

基金项目：深圳市科技研发资金基础研究项目（JCYJ20140417144423187）；深圳市发改委未来产业发展专项“深圳市太阳能与风能海水淡化关键技术工程实验室”；深圳市知识创新计划（JCYJ20130331145022339）

作者简介：杨雅君（1989年生），女，硕士研究生，主要从事城市热环境方面的研究。E-mail: yangyajun1112@126.com

*通信作者：邱国玉（1963年生），男，教授，博士生导师，主要从事环境与能源信息工程方向的研究。E-mail: qiugy@pkusz.edu.cn

收稿日期：2016-03-23

Experimental Study on the Surface Thermal Environment Characteristics of Urban Pavement Bricks Based on the Hyperspectral Technology

YANG Yajun， ZOU Zhendong， ZHAO Wenli， LI Ruili， QIU Guoyu
School of Environment and Energy， Peking University， Shenzhen 518055， China

Abstract：Pavement brick serve as an important urban paving material， whose surface characteristic has a great influence on urban ground thermal environment， especially its reflectance which is regarded as a key factor closely related to its surface thermal environment characteristic. However， due to the lack of an effective observational method， the reflectance characteristic of pavement brick and its influence on the thermal temperature has not been studied systematically. In this work， some common urban pavement bricks， whose either color or surface roughness vary from each other， were studied with the hyperspectral technology to evaluate their reflectance characteristics among ultraviolet （UV: 350～380 nm）， visible （VIS: 380～780 nm）， near-infrared （NIR: 780～2 500 nm） and full spectrum （NIR: 350～2 500 nm）， as well as their surface temperature were measured with the infrared thermal imaging technology. It was found that: （1） Pavement bricks with different colors varied from each other in the full spectrum reflectance （SR）. The result showed that yellow pavement bricks had the highest reflectance （SR=34.28%）， followed by red （SR=31.58）， green （23.62%） and the lowest was grey （14.06%）， which was only half of the yellow； （2） Pavement bricks with different colors had different reflectance characteristics. Yellow， green and red bricks had higher reflectance （30.08%～41.31%） among NIR than those among visible SRVISand ultraviolet SRUV. Grey bricks had little difference in the reflectance among full spectrum； （3） Roughness of the bricks had an influence on SRNIRbut colors of the bricks had a far greater effect on full spectrum reflectance； And （4） reflectance greatly influenced surface temperatures of the bricks. A higher reflectance resulted in a lower surface temperature. The reflectance of yellow bricks is found 0.2 higher than grey ones， leading to a difference of 7.64 ℃ in the momentary surface temperature at 1 pm. The results shown above are significant to the urban paving planning and design as well as the modification of urban thermal environment.

Key words：thermal environment； pavement brick； hyperspectral technology； reflectance； surface temperature