成都市小区景观格局的热环境影响研究

江浏光艳 辜寄蓉 潘泓君

摘要：以2014年8月13日的GF-1遙感影像为主要数据源，获取了成都市典型城市小区的土地覆被数据以及相应的地表温度，从密度、形状、蔓延度和连接度分别提出类别水平的景观指数，分析了类别水平上城市小区景观格局与热环境的定量关系。结果表明，植被的斑块面积以及作为优势类型斑块占小区景观的面积百分比越大、植被斑块形状越复杂、边界连续性越好、分布越集中、连通性越高、破碎度越低时，有利于缓解城市小区热效应;水体斑块的形状越复杂，对小区的降温效果越明显;房屋建筑斑块破碎、形状复杂且分布密集，会使小区温度升高;相反，硬质地表斑块被分割得越小且分布分散，会使小区温度降低。因此，城市小区的设计中，应注意当小区由植被、房屋建筑与硬质地表3种土地覆被类型形成小区景观时，植被与房屋建筑斑块密集度增大，房屋建筑与硬质地表的斑块形状复杂度与房屋建筑斑块分布分散性增大，硬质地表景观百分比增加，小区热效应增强;植被与硬质地表斑块被分割程度增加，小区热环境效应减弱。

关键词：景观格局;城市热环境;遥感;城市小区;成都市

中图分类号：TU986         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）23-0079-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.23.019           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the effects of the landscape pattern on the thermal environment

in urban communities in Chengdu city

JIANG LIU Guang-yan，GU Ji-rong，PAN Hong-jun

（The Faculty Geography Resource Science of Sichuan Normal University，Chengdu 610101，China）

Abstract： Taking the GF-1 remote sensing image of August 13， 2014 as the main data source， the land cover data and the corresponding surface temperature of the typical urban district in Chengdu are obtained. The landscape index of the category level is put forward from the density， shape， spread and connectivity， respectively， and the quantitative relationship between the landscape pattern of the urban district and the thermal environment at the category level is analyzed. The results showed that the larger the patch area of vegetation and the percentage of patch in plot landscape， the more complex the shape of vegetation patch， the better the boundary continuity， the higher the concentration of distribution， the higher the connectivity and the lower the degree of fragmentation， which was beneficial to alleviate the thermal effect of urban district. The more complex the shape of water plaque， the more obvious the cooling effect of the community. The building plaque is broken， the shape is complex and the distribution is dense， which will cause the temperature of the community to rise. On the contrary， the smaller the hard surface plaque is divided and the distribution is dispersed， causing the temperature of the cell to decrease. Therefore， in the design of the urban community， it should be noted that when the urban residential quarters is formed by the vegetation， the building and the hard surface，the three types of land covered to form the cell landscape， the density of vegetation and building plaque is increased， the shape complexity of the plaque in the building and the hard surface and the distribution of the building patches are increased， the percentage of the hard surface landscape is increased， the thermal effect of the urban residential quarters is enhanced， the degree of the division of the vegetation and the hard surface patch is increased， and the thermal environmental effect of the urban residential quarters is reduced.

Key words： landscape pattern; urban thermal environment; remote sensing; urban communities; Chengdu city

城市是一个各种社会-生态现象相互作用的复杂系统[1]，在景观层面上，城市的发展促进了农地、森林等自然土地覆被类型向人工表面转变，如果对自然景观过快、缺乏合理规划的改造，会引发一系列的城市生态环境问题。其中，导致城市热环境异常高的热岛效应备受关注。城市热环境是指热力场在城市空间环境中的表现状态，它受到地表的物理性质及人类社会经济活动的综合影响[2]。景观格局包含景观组成和景观配置。土地覆被类型的反照率、发射率、热容量、热导率等物理性质，城市建筑和街道在平面和立体方向的空间配置与结构，这些都是影响城市热环境的重要因素。

目前，大量研究集中在对城市景观格局变化与热环境定量关系的探讨。城市化进程使建筑密度增大及工业生产集中，表现出不透水面增加，绿地和水体景观减少，景观破碎化、多样化和离散化等特征，这直接导致城市景观格局发生变化[3-5]。城市人口集聚和景观格局的变化是城市热岛效应最直接的原因，城市热岛将会影响城市生态系统功能和人居环境健康[5-7]。

从景观类型与地表温度的相关性角度，Tran等[8]对2001—2003年亚洲18个大城市的地表温度数据的研究，证明植被盖度与热岛效应存在相关关系;城市绿地的归一化植被指数与地表温度存在明显的负相关关系[9，10]。从景观比例与地表温度的相关性角度分析，城市绿地与水体具有“恒温效应”和“绿洲效应”，能对城市小气候进行调节，城市绿地覆盖率、水体比例与降温效果呈正相关，而不透水面比例的增加對城市热岛效应呈正向影响[11-13]。但绿地和水体对地表温度的调节作用存在一个阈值，只有当各景观所占比例在该阈值范围内才能发挥最大的调节作用[14，15]。陈康林等[16]基于广州市2014年10月landsat8遥感影像，分析绿色空间结构与热环境空间分布的关系，结果表明，只有当区域面积比重大于60%的绿色空间才能起到明显减缓升温的作用。从景观空间配置的状态与地表温度的关系角度分析，地表水体空间分布的离散会造成低温区分布的离散和高温区分布的集中，但植被覆盖区分布的离散型与温度分布的离散型不存在恒定的正相关或负相关关系[17];景观混合度与分裂度对地表温度有恒定的负向影响，区块的连通性与地表温度呈负相关关系[18];城市景观的空间位置及其邻接关系也会对城市热环境产生显著影响[5，19，20]。从景观比例与地表温度关系的稳定性角度，研究得出了土地覆盖比例与地表温度相关性存在空间非稳定性[21]。除此之外，绿地景观斑块的形状与大小对城市热岛的强弱产生影响[22-25]。

景观格局与热环境关系是存在尺度依赖的。Estoque等[26]分析了不同尺度下不透水面与绿色空间密度对城市平均地表温度的影响，结果表明不透水面、绿色空间与城市平均温度的关联程度存在尺度依赖，不透水面在较大尺度上对平均温度的空间分异产生强烈影响，而绿色空间相反。也有学者通过分析得到最佳的分析窗口，进而分析这一尺度下景观格局指数与热环境的关系[27]。目前，较少研究在城市中的居民小区尺度下，分析两者的关系。本研究以遥感影像为主要数据源，获取了成都市典型城市小区的土地覆被数据以及相应的地表温度，从面积/周长/密度、形状、蔓延度/分散度和连接度分别提出类别水平的景观指数，分析了类别水平上城市小区景观格局与热环境的定量关系，以期为这方面研究提供参考。

1  研究内容

基于2014年8月13日高分一号遥感影像，综合运用RS与GIS技术，选取42个分布于各区县的样区。基于高分一号遥感影像解译获得样区2 m分辨率的土地覆被分类结果。在类别水平上，分析景观格局相关性特征、景观格局与小区热环境的相关性和回归关系。研究技术路线如图1所示。

2  数据处理

选取了成都市GF-1号的PMS1/2号相机的数据。采用NND方法对2014年8月13日的16 m多光谱影像数据与2 m的全色影像进行融合，得到2 m空间分辨率的多光谱影像，为土地覆被分类做准备。

从MODIS网站（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/order/1）获得1 000 m分辨率的产品数据。研究区大部分区域的地势平坦，因此下垫面差异对大气中水气含量的影响相对较小，MODIS的大气水气产品能满足本研究的需要。基于单通道算法的成都市中心城区地表温度进行反演。

2.1  典型小区选取

采用抽样的方式选取小区样本开展统计分析研究。主要遵循以下几方面的原则：①以小区四周的道路为边界，尽量保证小区内景观的完整性;②由于温江区的建成区受云影响严重而未选取样本，此外研究区的每个行政区内必须保证至少有一个样区存在，且距天府广场的距离不同，使样区具有代表性;③高分融合影像在样区内的解译质量好，以保证结果的准确性;④样区的土地覆被类型必须包含林地、人工表面、湿地;⑤样区均温具有一定梯度。基于以上的原则，选取了城市中心城区内，保利公园198、保利康桥、北湖印象、比华利、东山国际、清泉花园、华侨城等42个居住小区为典型样本。

将土地利用分类重新归类，人工表面细分为房屋建筑、硬质地表，林地大多为乔、灌木与草地混合，统称为植被，样区内的湿地只有河流和人工湖泊，统称为水体。成都市的42个城市小区土地覆被分类结果如图2所示。由于温江区受云影响严重，因此，42个城市小区主要分布在锦江区、成华区、金牛区、青羊区、武侯区、新都区、龙泉驿区、双流区、郫都区、青白江区10个行政区内，城市小区个数在一、二圈层内的差别不大，一圈层内有19个，二圈层内有23个。其中，锦江区内有1个小区，成华区内有6个小区，金牛区内有5个小区，青羊区内有1个小区，武侯区内有6个小区，新都区内有7个小区，龙泉驿区内有11个小区，双流区内有2个小区，郫都区内有1个小区，青白江区内有2个小区。

2.2  城市小区的土地覆被状况

城市典型小区的总面积在5.25～26.40 hm2，符合景观格局与热环境关系的较佳分析尺度。其中，面积大小在0～10 hm2的有16个小区，10～20 hm2的有25个小区，大于20 hm2的有1个小区。从表1可以看出，小区的植被面积百分比范围为9.9%～81.0%，房屋建筑的面积百分比范围是12.0%～60.0%，硬质地表的面积百分比范围是1.5%～45.0%，水体的面积百分比在0～21.0%。其中，植被面积百分比大于50%的城市典型小区有20个;房屋建筑面积百分比大于50%的小区只有2个;硬质地表面积百分比小于30%的小区有37个;水体面积百分比较少，有18个小区没有水体，在剩余的24个小区中，有19个小区的水体面积百分比小于10.0%。综上可知，绝大多数的城市典型小区植被覆盖面积比重相对较大。

3  城市小区内部景观格局与热环境的定量关系

城市小区的景观规划关系到城市内部小气候的质量，在一定程度上影响城市生态环境的质量[28]。

3.1  城市小区景观格局特征

运用Fragstats 4.2软件计算城市小区各景观斑块类型的景观指数，选取的21个指数中，斑块类型的FRAC_AM指数、CLUMPY指数、NLSI指数，水体和房屋的MESH指数、DIVISION指数，硬质地表的DIVISION指数（表2）在各小区内差异显著，能较好地反映小区景观内各类型斑块的大小、比例、形状和空间配置特征。

植被：植被斑块类型的密度指数、形状指数在各城市小区内呈较明显的差异;连接度指数在各小区内的差异不大，绝大多数小区的植被斑块结合指数均在99左右，即连接性较好。小区内植被斑块表现出PLAND、AREA_AM、LPI越大，NP越少，SPLIT越低，总体形状越复杂的特征。

水体：小区内的CA、NP、SHAPE_AM值小，COHESION值大，表明典型小区的水体面积小，数量少，形状简单，连接性好。

房屋建筑：房屋的平均斑块面积相对植被斑块小，IJI指数在各小区内的差异明显，NP少的小区，房屋建筑相对分散。

硬质地表：硬质地表的平均斑块面积相对房屋建筑普遍较小。小区内硬质地表斑块表现出硬质地表景观百分比、平均斑块面积与最大斑块指数越大，斑块连接性越好，但形状越复杂的特征。

3.2  城市小区的热环境特征

城市典型小区的温度分布在23.53～34.63 ℃。研究区内的人工表面均温为30.10 ℃，林地的均温为23.60 ℃，湿地的均温为22.00 ℃。从表3可知，典型小区内温度大于研究区内人工表面均温的小区有8个，大于研究区内林地均温的小区有41个，所有小区的温度均大于研究区内湿地的均温，这表明小区内多种景观的组合对小区温度产生影响。小区的温度与距天府广场的距离没有明显的相关特征，二圈层内的城市小区（序号20～42）地表均温中，有的明显低于一圈层内的城市小区，如41号，也有高于一圈层内的城市小区，如35号，这说明了小区大小、景观类型及景观配置都可能影响小区地表均温。

3.3  典型小区景观格局指数与热环境的相关分析

采用皮尔森（Pearson）相关系数分析法探讨类别水平的景观指数单指标与热环境之间的相关性。根据表2中所选取的景观格局指数，统计分析各小区内景观格局指数与温度的相关性。

3.3.1  植被  由表4可知，密度指数（CA、PLAND、NP、PD、LPI、AREA_AM）、形状指数（SHAPE_AM、FRAC_AM），蔓延度指数（MESH、PLADJ、AI），连接度指数（COHESION），这些指数均与地表温度呈极显著或显著的相关关系。

从景观中的植被组分看，植被斑块的总面积越大，作为优势类型斑块占小区景观的面积百分比越大，其温度越低，体现了植被对热环境热效应的缓解作用;从景观中的植被形状与配置看，植被斑块形状越复杂，边界连续性好，植被斑块分布集中、连通性好、破碎度低、成片分布等特征对小区有降温作用。相反，NP、PD、DIVISION、SPLIT、IJI这些指数均与温度呈极显著或显著的正相关关系。从景观中的植被配置看，植被斑块越破碎、空间分布越分散，小区的温度越高。

3.3.2  水体  表征景观组分的景观格局指数与温度的相关性较弱。由表5可知，形状指数（FRAC_AM）、蔓延度指数（AI、CLUMPY、NLSI）与小区热环境存在极显著相关性。其中，FRAC_AM、NLSI与温度呈负相关，其余指数呈正相关。从水体形状与配置来看，水体斑块形状越复杂，水体斑块在空间表现越集聚，温度越高。

水体斑块集聚导致小区温度升高的现象，与常理不符，这是因为所选样区中，河流占水体的绝大多数，河流都是流经城区，受生产生活废水、人为热以及交通运输的影响严重。这说明在不同地区，水体受到人类活动影响的程度不同，对地表温度的影响也不同。因此，在研究城市景观热环境时，应充分考虑水体的不同。

3.3.3  房屋建筑  由表6可知，房屋斑块聚类指数（CLUMPY）与小区温度呈极显著负相关，而景观中的房屋建筑斑块的配置指数（ED、NP、PD、IJI、NLSI）均与小区温度呈极显著或显著正相关。这表明了房屋建筑斑块在空间上越密集，其周围存在较多其他斑块类型、斑块越破碎、形状越复杂，会导致小区温度的上升，而房屋建筑斑块周围的斑块类型少，集中程度越高，连续性越强，会相对缓解小区的热效应，这可能是因为建筑物空间上的紧凑、连续分布会减小太阳光照射面积，从而使建筑物表面温度不会過高。

3.3.4  硬质地表  由表7可知，除了分离度指数（DIVISION）与小区温度呈显著负相关外，其余景观指数均与温度呈极显著或显著正相关。密度指数（PLAND、CA、AREA_AM、TE、LPI、ED）与热环境呈极显著正相关，表明硬质地表斑块的面积越大，作为优势斑块类型在景观中所占面积比重越大，斑块边缘越复杂，小区的温度越高。

形狀指数（LSI、SHAPE_AM）与温度呈正相关，表明硬质地表斑块的形状越不规则，小区温度越高;蔓延度指数（IJI）、连接度指数（COHESION）与温度呈正相关，表明硬质地表斑块的周围其他斑块类型多，但其斑块连通性好时，会引起小区温度的升高;蔓延度指数中MESH与温度呈正相关，DIVISION与温度呈负相关，表明硬质地表斑块连通性越好，其成为优势景观的面积比重越大，小区温度越高，斑块越小且分布越分散，小区温度越低。因此，道路、街道以及植被廊道的穿过有助于温度的降低。

4  小结

通过计算小区内斑块类型水平上的景观指数，分析景观格局之间的相关性、景观格局与热环境之间的定量关系。

1）当植被的斑块面积以及作为优势类型斑块占小区景观的面积占比越大，植被斑块形状越复杂，边界连续性越好，分布越集中、连通性越高、破碎度越低时，小区温度相对低，有利于缓解城市小区热效应;相反，植被斑块越破碎、空间分布越分散，小区温度相对高，加剧城市小区热效应。

2）水体斑块的形状越复杂，对小区的降温效果越明显。水体对热环境的影响应充分考虑水体的差异，环绕小区的河流面积比重相对大，因此，水体斑块空间表现越集聚，对小区的增温效果越明显。

3）房屋建筑斑块越密集，斑块越破碎、形状越复杂，小区的温度越高，房屋建筑斑块的分布越集聚，会引起温度相对偏低。

4）当硬质地表斑块的面积及作为优势斑块类型在景观中所占面积比重大，斑块边缘越复杂，硬质地表斑块的周围存在较多其他斑块类型，但硬质地表斑块连通性好时，小区温度高;当硬质地表斑块被分割得越小且分布越分散，小区温度低。

合理的城市景观空间格局不仅决定了城市的社会经济发展潜能，也对城市的生态热环境产生重大影响。充分研究城市土地覆被的空间格局与热环境之间的关系，是实现城市景观合理规划和布局的必要条件，也是实现城市又快又好发展的关键因素。目前，景观格局理论研究的不断进步，GIS、RS等技术手段的日益成熟，将为科学合理地制定与调整城市规划及发展的策略，改善城市热环境奠定理论基础和提供关键的技术保障。研究成都市热环境特征及其与景观格局的关系，有利于对成都市的科学规划与生态修复提供辅助决策，对改善城市的热环境，提高居民宜居环境具有重大意义。

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