沈阳前清建筑遗产区域生态环境要素研究★

王 晶，王肖宇，韩志根，张可青

(1.沈阳工业大学,辽宁 沈阳 110870; 2.沈阳市规划设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110004)

1 概述

建筑遗产经历了由城市扩张到城市更新的城市发展变化过程，其保护工作也由原有的单体修复性保护变化为区域整体性保护，明确其外部生态环境变化是研究建筑遗产保护和城市更新的重要前提和基础。早在1933年8月的《雅典宪章》中就已提出建筑遗产所属城市外部空间也应得到尊重，尤其是建筑遗产周围的环境应特别重视[1]。1976年11月联合国教育、科学及文化组织大会上通过《关于历史地区的保护及其当代作用的建议》，提出“历史地区及其周边环境”概念[2]。1985年3月，欧洲理事会通过的《欧洲建筑遗产保护公约》强调了文化遗产与自然环境的关联性和有机联系[3]。1999年10月，国际古迹遗址理事会通过的《乡土建成遗产宪章》采用建成遗产的概念，更有利于关注建筑遗产环境特性[4]。

已有建成环境评价理论和方法经几十年发展，使其环境评价理论呈多元化发展态势[5]，但量化研究建筑遗产区域生态环境要素仍有待深入。沈阳前清建筑遗产是辽宁省文化继承的重要载体，本文基于长期遥感影像监测数据，系统分析了建筑遗产所在区域生态环境要素连续、渐变的过程，为维护建筑遗产区域生态空间的稳定性提供理论依据。

2 研究区域

沈阳市作为辽宁省内现存前清建筑遗产最多的城市，共有12处(见表1)，其中沈阳市中心城区内有11处，新民市有1处。

表1 沈阳前清建筑遗产调查统计表

本文以沈阳市中心城区范围内的前清建筑遗产区域为研究区域(见图1)。

2.1 地形地貌

沈阳市在地貌单元上处于辽东山地与下辽河平原过渡地带，地貌形态由东北部的低山丘陵区过渡到山前波状倾斜平原区，中西部为广阔平坦的下辽河平原，其间地貌形态多样，地形高差变化较大(见图2)。

2.2 河流水系

沈阳市以浑河为界，浑河以北由哈达岭东北向西南楔入城市，浑河以南由千山东南向西北楔入城市，形成“东山”格局。以辽河为界，辽河以北秀水河、柳河、绕阳河自北向南汇入辽河；辽河、蒲河、浑河自东向西汇集于城市西部地区，形成“西水”格局[6](见图3)。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据采集与处理

本文选用1995年、2002年、2006年、2010年、2014年与2019年沈阳市中心城区范围内9月Landsat遥感影像为基本数据源(见表2)，进行沈阳前清建筑遗产区域的生态环境状况研究。6景遥感影像基本无云覆盖，经图像校正后数据质量较好。

表2 研究区遥感影像列表

本文主要运用ENVI 5.1工作平台完成数据格式转换、图像预处理、目视判读等系列工作，根据2019年9月22日的Landsat-8影像(如图4所示)的OLI数据的沈阳市中心城区范围确定本研究区域范围，经图像裁剪得到研究区基础数据。数据经投影变换后，均在相同坐标系和投影下。所采用投影为横轴墨卡托投影，中央经线为东经123°，所采用的椭球体为WGS84椭球体。利用ArcGIS 10.5的工具箱完成矢量数据拓扑关系建立、面积统计和制图等工作。

3.2 研究方法

2015年国家环境保护部颁布实施的HJ 192—2015生态环境状况评价技术规范[7]采用城市热岛比例指数作为评价城市环境质量指数的指标之一，评价城市发展过程中的环境质量变化；同时采用绿地覆盖率作为评价城市生态建设指数的指标之一，评价城市生态建设情况。本文参考HJ 192—2015生态环境状况评价技术规范，应用空间信息技术对沈阳前清建筑遗产所在区域长期监测的遥感影像数据进行处理，采用完全基于遥感信息的归一化植被指数[8]和地表温度反演结果，可视化表征建筑遗产区域外部生态环境状况连续与渐变过程。

3.2.1 植被指数

对植被较敏感的可见光和近红外波段反射光谱信息的植被指数，可直观地反映出建筑遗产区域因城市更新等因素导致的植被覆盖变化。为避免植被信息提取时像元不确定，采用归一化植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)[9]来表征。公式如下：

NDVI=(Nir-Red)/(Nir+Red)

(1)

其中，Nir为近红外波段反射率；Red为远红外波段反射率。为了更好的对不同时间获得的影像数据进行分析，标准化后NDVI值分布于0与1之间，数值越高，植被覆盖、长势等状况越好。

3.2.2 地表温度

建筑遗产区域生态环境状况中热度指标可采用地表温度(LST)表征。经与实际地表温度对比，采用大气校正法反演地表温度[10]，其基本原理：首先估计大气对地表热辐射的影响,然后把这部分大气影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去,从而得到地表热辐射强度,再把这一热辐射强度转化为相应的地表温度。具体公式如下：

Lλ=GAINS×DN+BIASES

(2)

TB=[Lλ-L↓-τ(1-ε)L↑]/τε

(3)

其中，GAINS为增益值；BIASES为偏置值；Lλ为TM5/ETM+热红外6波段或OLI_TIRS热红外10波段的像元传感器辐射亮度；TB为温度LST的黑体在传感器接收到的辐射亮度；τ为大气热红外波段透射率；L↑，L↓分别为大气向上、向下辐射量度，以上大气剖面参数可在NASA提供的网站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中，输入成影时间以及中心经纬度可以获取。最后利用普朗克公式对地表温度LST进行求解：

(4)

其中，LST为地表真实温度，K；K1，K2均为定标参数[11]；ε为地表比辐射率，利用归一化植被指数估算，将地表分为水体、自然表面和城镇区域[12]。设水体像元地表比辐射率εwater为0.995，公式如下：

εbuilding=0.958 9+0.086×Fveg-0.067 1×Fveg2

(5)

εnatural=0.962 5+0.061 4×Fveg-0.046 1×Fveg2

(6)

(7)

其中，Fveg为植被覆盖度;NDVImin,NDVImax分别为影像中对应像元NDVI最小值与最大值。

由于影像季相差异，通常将不同时相反演求得地表温度值归一化处理[13]，其取值范围在(0，1)之间，公式如下：

LST′=(LSTi-LSTmin)/(LSTmax-LSTmin)

(8)

其中，LST′为归一化地表温度；LSTi，LSTmin，LSTmax分别为影像中对应像元的地表温度值，地表温度最小值与最大值，计算结果分级表示。

4 研究结果

4.1 植被覆盖变化分析

表3分析了1995年—2019年沈阳前清建筑遗产所在区域的植被覆盖情况。清福陵所在区域历年NDVI值皆为最高值；其次是清昭陵，所在区域也有一定面积的公园绿地；永安石桥NDVI值较其他遗产区域高；南塔、东塔、北塔法轮寺NDVI值为中等水平；沈阳故宫和实胜寺NDVI值较小；清真南寺与盛京城址NDVI值最小。整体来看，各遗产区植被覆盖变化呈增加趋势，尤其2002年以后清昭陵与清福陵植被覆盖水平显著提升，位于城区中心位置的沈阳故宫等建筑遗产群所在区域植被覆盖趋于稳定，变化幅度较小。

图5显示了1995年—2019年各遗产区植被覆盖空间分异特征。综合植被覆盖整体变化与分级结果，1995年—2002年各遗产区域植被覆盖减少主要体现在城市扩张，基础设施建设及城区周围耕地减少等。2002年—2006年，除永安石桥无明显变化外，其他遗产区域植被覆盖显著增加；2006年—2010年，永安石桥所在区域植被覆盖减少，与城市建设等人为扰动关系密切，其他遗产区植被覆盖略有增加；2010年—2014年，除东塔、慈恩寺和清福陵植被覆盖略有减少外，其余区域变化不明显；2014年—2019年，除清真南寺、盛京城址外，其他遗产区域皆呈现增加趋势。

表3 1995年—2019年研究区域植被覆盖(NDVI)变化

4.2 地表温度变化分析

表4为1995年—2019年不同建筑遗产区域地表温度变化情况。沈阳故宫所在区域地表温度为高值；其次是清真南寺、南塔、东塔、盛京城址所在区域；实胜寺、慈恩寺、北塔法轮寺地表温度值略低于上述各区域；永安石桥、清昭陵、清福陵地表温度最低。整体来看，除永安石桥、清福陵、清昭陵外，其余各前清遗产区域地表温度各年份变化不显著,且皆为高值。

表4 1995年—2019年研究区域归一化地表温度(LST)变化

图6显示了各遗产区地表温度空间分异特征。综合地表温度变化与分级结果，沈阳故宫区域历年地表温度为高值且变化不明显。1995年—2002年，各遗产区域地表温度值均表现为略有降低；2002年—2006年，除北塔法轮寺、南塔外，各遗产区域地表温度值略有升高；2006年—2010年，除东塔外，各遗产区域表现为略有降低；2010年—2014年，各遗产区域地表温度值表现为不同程度的升高趋势，2014年—2019年，除沈阳故宫、东塔、盛京城址温度值略有升高外，各遗产区表现为不同程度的降低趋势。

5 结论

本文以沈阳前清遗产区域为研究对象，可视化表征其生态环境要素时空变化特征与规律。结果表明：

1)1995年—2019年各遗产区域植被覆盖值整体呈现增加趋势，2002年以后清昭陵与清福陵的植被覆盖水平显著提升，沈阳故宫等位于城市中心区域的遗产区植被覆盖相对较少，区域生态建设有待加强。2)近25年以来，建筑遗产所在区域地表温度值升高与降低交替出现。伴随城市更新不断进行，城市用地不断扩张，遗产所在区域下垫面的热力属性发生变化，导致东塔等遗产所在区域热岛效应显著增强；因城市生态建设力度加大，北塔、南塔等区域降温效果明显。3)从生态可持续发展角度出发，融合城市更新、建筑遗产、生态环境等理念，明确建筑遗产区域生态环境要素连续渐变过程，进而基于原有生态环境对建筑遗产进行开发利用保护，最终创造出具有生命力的可持续发展生态保护系统。

本文选取生态环境要素量化指标并不能完全代表建筑遗产区域的生态环境质量，完善生态环境要素指标选取与评价仍需更深入的研究与探讨。