城市道路绿带遥感绿量与地温相关性研究

尤美子，黄晓霞，徐伟涛，马红艳，赖日文*

(1.福建农林大学 林学院，福建 福州 350002；2.中国科学院 地球环境研究所，陕西 西安 710061)

随着城市化的快速发展，我国主要城市正面临着更加严重的气候变化问题，尤其是城市热岛现象[1]。由此引起的城市高温会加重城市空气污染，影响人们的健康，阻碍生活质量的提高[2]。城市绿地因其降温效应显著，在提高城市环境效应方面表现突出，成为解决城市热岛问题的研究重点。

研究表明，城市绿地的降温效应不仅与绿地面积、形状有关，还与绿地绿量有关。绿地绿量是指所有生长中的植物茎叶所占据的空间体积[3]，能够直接表征城市局部或整体的绿化水平，该指标的提出促使绿地及其生态效益定量化研究水平产生质的飞跃[4]。王云才[5]从太原城市生态系统修复案例中得出，绿量在达到一定规模后才具有削弱城市热岛效应的作用；李英汉等[6]研究深圳市居住区植物绿量与气温调控的关系，结果表明植物的降温能力与20 m×20 m范围内植物的绿化三维绿量显著相关。Feng Yang等[7]通过对上海市中心的10个高层住宅小区的研究，表明当居住区绿地率在30%～40%时，每100 m2绿地需具有3棵乔木才会有比较显著的调节气温作用。高占喜等[8]实测北京24个典型绿地样地的夏季降温增湿功能，得出三维绿量密度≥5 m3·m-2的乔灌草或乔草复层配置结构可以发挥最佳降温增湿功能；

上述研究主体多为绿地斑块，依靠实地测量地温研究绿量与降温效应的相关性，同时对绿量发挥显著降温效应的阈值进行了讨论，因为研究地域和样地大小的差别，导致结论存在些许差异。城市道路绿带是城市绿地系统的重要组成部分，但目前关于城市道路绿带与降温效应相关性的研究甚少，对于不同绿带面积下的绿量降温效应的探索也较少。因此本研究以福州市仓山区道路绿带为对象，探索不同道路绿带面积范围内绿量与地温的关系，以期为城市道路绿带的规划设计及提供科学的理论支撑与缓解城市热岛效应提供新思路。

1 研究区概况

福州市位于福建省中部偏北地区(25°15′-26°39′N，118°08′-120°31′E)，是海西经济区的核心城市，地形多为丘陵与平原，属南亚热带海洋性季风气候。本研究以福州市西南部仓山区为对象(图1)，区域面积142 km2，该区域四面临江，道路绿化带植物以乡土树种为主，乔灌草结构较为合理，其中乔木主要包括榕树(Ficusmicrocarpa)、杧果(Mangiferaindica)、白兰(Micheliaalba)、羊蹄甲(Bauhiniapurpurea)、香樟(Cinnamomumcamphora)、木棉(Bombaxmalabaricum)等。仓山区作为国家城乡融合发展试验区，产业园区众多，近年来快速的城市化发展取得卓越的经济发展成就。

图1 研究区域位置

2 数据收集与预处理

采用2019年9月22日的Landsat-8的遥感影像(图幅号为LC81190422019265LGN00)和2幅2019年12月11日的GF-1影像(图幅号为L1A1021515985、 L1A1021515986)，该影像无云，质量较好。Landsat-8载有陆地成像仪(OLI)和热红外传感器(TIRS)，其中TIRS包括有TIRS10和TIRS11热红外波段。地温反演所需的气象参数数据源自中国气象数据网(http：//data.cma.cn/)。研究区边界矢量图从全市行政区矢量图中提取，道路矢量图源自谷歌地球(http://earth.google.com/)。

数据预处理包括遥感影像预处理和研究对象分类两方面。遥感影像预处理主要包括辐射定标、大气校正、正射校正、图像配准、图像裁剪等。为获取研究区各道路绿带总绿量，需以GF-1影像为数据源，结合分层分类法[9]和面向对象分类法[10]对道路绿带树种分类。按照区内道路绿化群落类型将研究对象分为草本植物、灌木和乔木，并依据乔木占地面积大小划分出优势乔木(榕树、杧果、白兰、羊蹄甲及香樟)和其他乔木。对分类结果进行精度评价，在研究范围内生成362个随机点(图2)，通过GPS定点实地调查数据确定这些点的树种类型，建立分类精度矩阵，结果如表1显示，Kappa系数均>0.75、总体精度(overall accuracy)>80%，满足本研究的数据分析精度要求(图3)。

3 研究方法

3.1 地表温度反演与城市道路绿带温度计算

研究运用大气校正法(辐射传输方程法)进行地表温度反演，该方法主要是根据卫星热红外传感器接收到的热辐射能量的构成来推算地表温度。Landsat-8的TIRS11波段不稳定，反演精度较低，本研究选泽单波段TIRS10以辐射传输方程法进行演算[11],公式为：

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为卫星传感器所接收的波长λ的热辐射强度(W·m-2·μm-1)；ε为地表比辐射率；P(Ts)为地表物理温度Ts(单位为K)时的黑体热辐射强度(W·m-2·μm-1)；τ为大气在热红外波段的透过率；R↑和R↓分别为大气上行和下行辐射强度(W·m-2·μm-1);P(Ts)为在热红外波段的辐射强度;Ts(℃)为地表真实温度；K1、K2为常数，表示卫星发射前的预设常量，可以由元数据MTL文件查询获得。对于Landsat8 TIRS10波段，K1=774.885 3 W·m-2·μm-1，K2=1 321.078 9 K。

3.2 城市道路绿带温度与三维绿量计算

在ArcGIS10.5软件中根据仓山区遥感反演的地表温度图和研究区道路矢量图，提取出道路绿带的地表温度，并采用栅格数据分区统计(zonal statistics)的功能，统计出各道路绿带平均地温。

图2 研究区外业调查点分布

图3 道路绿地区域树种分类结果

国内外学者对于绿量的计算方法有很多种，目前的计算方法主要分为“以平面量模拟立体量”[12]和叶面积指数法[13]2大类。本研究主要是计算叶面积层面上的绿量，采用的绿量是指单位面积上绿色植物的总量，即各类树种的叶面积指数与其所占面积的乘积[14]。利用LAI-2000植物冠层分析仪对仓山区道路绿地区域乔木和灌木的叶面积指数进行实地测量，共测量6类树种(榕树、杧果、白兰、羊蹄甲、樟树和灌木)每类树种分别选择20个形态差异小且相对独立生长的植株，通过统计并分别取平均值得到研究区内乔木和灌木的叶面积指数。草本植物的叶面积指数、具体测定与校正方法参照王永杰[15]对福州市公园绿地主要树种的叶面积指数特征的研究，基于各树种叶面积指数，结合仓山区道路绿带的树种分类图和道路矢量图，利用栅格数据分区统计功能，分别计算出各道路绿带乔木、灌木和草本植物的绿地面积和绿量，进而统计出各道路绿带的总绿地面积和总绿量。

表1 各层次分类结果精度评价

3.3 城市道路绿带面积等级划分

许多研究表明，水体具有一定的降温作用，绿地面积大小是影响绿地发挥降温效应的因素之一[16-18]。故本研究在分析绿量与地温关系时，对临近水体的道路不做讨论。在ArcGIS中，按照道路绿地面积的分布情况将余下道路绿带分为6个等级，并为进一步减少面积带来的影响，在各等级内找到面积分布的众数值，作为该等级的代表值，划分结果如表2所示(等级6内绿带面积分布较分散，故未选取众数值，对该范围内所有道路绿带进行绿量与地温的回归分析)。

表2 研究区道路绿带面积等级划分

4 结果与分析

4.1 仓山区地温空间分布

研究区地温反演结果如图3所示，地表平均温度、最高温度和最低温度分别为(29.57±2.71)℃、38.07℃、23.56℃。地温分布差异比较明显，区内中心地带比外缘地带高，热岛效应显著，高温组团分别为金山创意园区、橘洲工业园区与万达商圈。仓山区道路绿带低温区位于闽江及乌龙江沿岸，三县洲大桥、闽江大桥、金山大桥、解放大桥、观音湖边路、南江滨休闲路和濂水路受水体影响地温低于周边环境。

4.2 绿量分析

从由表3可知，仓山区道路绿带的总绿量约为4 574.78 hm2，树种间绿量因LAI与占地面积不同而差异较大。从植被类型角度，绿量排序为乔木>灌木>草本，比例约为5∶3∶2，乔木层是绿带绿量的主要来源，但也不可忽视灌木层、草本层对绿量的贡献，可通过提高复层数，丰富植物群落，提升道路绿带的降温作用。从优势乔木类型角度，绿量排序为榕树>樟树>杧果>羊蹄甲>白兰，表明在乔木树种配置上可以选择一些LAI较大的观赏类树种，兼顾生态效益和美学价值。

图4 仓山区地表温度反演

4.3 城市道路绿带地表温度与绿量的关系

将道路绿带按照地温由低到高排序，由于道路数量较多，只列出前10条道路统计信息(表4)。道路绿带绿量与地温并非一直呈负相关性，即随着绿量的增大，地表温度并不一定降低，如牛眠山巷的绿量是亭下路的67倍，但是其地温却比亭下路高出0.1℃。这主要是因为绿地面积差异会对绿地的降温效应产生影响，与前人绿地降温效应受面积影响的研究结果一致。故本研究将根据前文划分出的道路绿地面积等级，分别讨论绿带绿量与地温的关系。

表3 仓山区道路绿带典型树种的绿量统计

表4 仓山区道路绿带统计结果

4.3.1 道路绿带面积<1 hm2(图5(a)) 在该绿带面积范围内，绿带绿量与地温几乎不存在相关性，地温不受绿量变化的影响，在27℃～34℃随机分布。其主要是因为绿地面积较小，边缘比大，容易受周边环境的影响，热交换作用强烈，对于周边小气候改善十分有限，需要增加绿地面积，才可能形成稳定的冷点。

4.3.2 1 hm2≤道路绿带面积<2 hm2(图5(b)) 绿量与地温呈负相关，地温随绿地绿量的增大而降低。绿量每增加1 hm2，道路绿带的地温平均可以降低0.373℃。其主要因为随着绿地面积的增大，绿地受周围环境影响程度减弱，降温效应增强。

4.3.3 2 hm2≤道路绿带面积<4 hm2(图5(c)) 绿量与地温二者负相关性增强，绿量每增加1 hm2，道路绿带地温平均可以降低0.343℃，且变化趋势与面积为1.3 hm2的绿地相似，表明在1～4 hm2面积的道路绿带的地表温度的调控作用基本相同。

4.3.4 4 hm2≤道路绿带面积<7 hm2(图5(d)) 绿带绿量与地温的回归曲线拟合程度更好，负相关性更强。此时，绿量每增加1 hm2，道路绿带的地表温度平均可以降低0.157 2℃，地表平均温度在28℃～33℃变化。其降温效率要低于1～4 hm2道路绿带。表明在城市道路绿带绿量本来就很大的情况下，增大绿量，道路的通风情况可能变差，降温的效果可能会减弱。

4.3.5 7 hm2≤道路绿带面积<10 hm2(图5(e)) 绿量与地温呈负相关，绿量每增加1 hm2，道路绿带的地温平均可以降低0.087 8℃，在28℃～32℃变化。当道路绿带面积在4～10 hm2时，绿量的降温效应和LST的分布范围上基本一致，说明该面积范围的绿地可以作为一类考虑，绿量的降温作用基本相同。

4.3.6 道路绿带面积≥10 hm2(图3(f)) 绿量与地温几乎不存在相关性，地温不随绿量的增加而减少，在26℃～30.5℃随机分布。表明相较于绿地面积较小时，绿地达到一定规模，自身的温度特性比较稳定，不会受绿地绿量的影响，对周边区域有显著的降温作用，可以形成恒定的冷源。

5 结论与讨论

过往对于缓解城市热岛现象的研究对象集中于城市公园、水体或绿色基础设施，在我国人地矛盾较严重的情况下，通过探究不同绿地面积范围内道路绿带绿量与地温的关系，以期为缓解热岛效应提供新研究思路，并为现代城市道路绿地规划提供理论指导。本研究以福州市仓山区道路绿带为对象，运用热辐射传输法进行地表温度反演，结合分层分类法与面向对象法，实现道路典型树种的分类并根据测定的LAI完成道路绿带绿量的计算，进而分析地温空间分布、道路绿带绿量，研究道路绿带绿量和地温之间规律，得到如下主要结论：

1)研究区地温分布差异明显，区内热岛效应显著，有多个热岛核心位于开发建设区的中心，下垫面介质以不透水材质为主，城市化水平较高，表明热岛空间分布主要与人类活动密切相关。低温区域出现在闽江及乌龙江沿岸，呈现沿江型分布。主要是因为水体比热容大、热辐射率低，能有效降低显热交换能力，在改善局部小气候缓解城市热岛效应发挥重要的作用。地温空间分布及成因的研究结果与前人结论基本一致，但现沿江干道未能有效地作为降温廊道，对区内热岛效应产生大幅度缓解作用。未来如何依托现有道路骨架，通过调整绿化结构，将江风引入岛内，打破热岛极核，增加高温斑块的景观破碎度，从而缓解城市热岛效应值得深入研究。

图5 城市道路绿带绿量与地温的关系

2)道路绿带绿量相等时，绿地面积差异会绿地的降温效应产生影响，与前人研究结果基本一致，在后续研究道路绿地其他结构的降温效应时，需控制绿地面积相等并剔除水体降温效应的干扰。

3)在不同面积范围内，道路绿带绿量与地温的关系不同。当绿带面积<1 hm2时，绿带的降温效应与绿量大小几乎无关，需要增加道路绿带面积二维增绿，以达到调节周边热环境的目的；当绿带面积为1～10 hm2，二者呈负相关，地温会随着绿带绿量的增大而减少，绿带可以对周边环境起到降温作用；当绿带面积>10 hm2，绿量大小不影响绿带发挥降温效应，绿带对周边区域降温作用显著。此时，应该注意道路绿带的三维绿量是否超出了阈值，降低了城市绿带降温效率，如：行道树冠层过密阻碍了城市通风导致绿带对周边地区的气温调节作用减弱。

4) 在道路绿带绿量与地温存在负相关性的面积范围内(1～10 hm2)，绿量在绿带面积为1～4 hm2的降温效率优于在4～10 hm2，单位绿量可分别平均降温0.343℃～0.373℃、0.087 8℃～0.157 2℃。绿带面积在1～4 hm2范围内，绿带绿量与地温的负相关程度较高，可以通过增加绿量进一步提高道路绿带的降温效应。建议在道路绿带规划中充分利用各种植物的功能特点，合理配置植物种类及生态位，选择LAI更大的树种，提高植物群落复合层数，从而提高三维绿量，使道路绿带发挥更强的降温作用和持续的生态效应；当绿带面积在4～10 hm2范围内，绿带已经成为周边地区的稳定冷源，但单位绿量的降温效率减弱。在规划中除考虑三维增绿外，应多关注道路绿带的区域降温廊道作用。构筑道路绿带林网化，发挥道路绿带的廊道功能，连接绿地斑块形成绿色网络，作为斑块间能量、物质和物种流动的重要通道，实现城市绿化整体功能优化。

本研究探索不同绿地面积范围内城市道路绿带绿量与地表温度的关系，但未将城郊型、远郊型道路绿带纳入研究。在城乡一体化的背景下，城乡道路绿带绿量与降温效应相关性研究对缓解区域热环境问题更富有指导意义。同时，研究未能将道路周边建成区的建筑密度、风向、风速的影响因素纳入考虑范围，若能更细致的控制研究区内的其他变量，减少其他因子对绿量与地温关系的影响，分析结果会更加具有说服性。