三维激光空地一体化在城市热岛研究中的应用——以上海延中绿地为例

孟 陈,卫炎豪,武彩燕,欧阳霖柯,李俊祥,朱 义,刘家霖,魏本胜,降瑞娇

(1. 景遥(上海)信息技术有限公司,上海 200240; 2. 上海交通大学设计学院,上海 200240; 3. 上海人工智能实验室,上海 200232; 4. 上海市园林科学规划研究院,上海 200232; 5. 上海勘测设计研究院有限公司,上海 200050; 6. 中国长江三峡集团有限公司长江生态环境工程研究中心,北京 100038)

在城市化和全球气候变化的双重背景下,城市热岛已成为城市地区最显著的生态环境后果之一[1-5]。诸多学者在热岛效应的相关研究与探索中发现,基于自然的解决方案(NBS)是一种缓解城市热岛效应有效措施[6-9]。城市公园作为城市中重要的自然要素之一,在缓解城市热岛效应中发挥着重要的作用[10-13]。以往研究表明,绿地的植被类型、其景观特征及其周边景观格局,均显著影响其降温效应[14-15]。有学者对重庆主城区中3个主要公园的冷岛效应进行分析后发现,建筑的基本形态构成和不同的地块功能是影响公园冷岛辐射范围的主要影响因子[14]。福州城市公园夏冬两季的热/冷岛空间关系研究表明,夏冬两季城市热/冷岛分布格局大致相似,公园的面积与热/冷岛分布格局有较强的相关性[15]。当公园趋于圆形或正方形时,其降温效应较显著[16]。

三维绿量是城市绿地质量及所在城市环境质量的综合性指标,是植物个体生长、群体发育及其区域生态系统服务功能发挥的外在空间的集中表现[17-18]。延中绿地的建设是上海“基于自然解决方案”,缓解中心城区热岛效应的重大举措。然而,延中绿地的降温作用,如其冷岛效应强度、冷岛有效距离、其不同方向的降温效应是否存在差异,仍有待进一步探索。此外,三维绿量空间格局是区域自然条件、城市规划布局及城市建设管理等因素相互作用的结果,但不同因子的主导性仍不明确[19]。因此,需要进一步明确影响延中绿地三维绿量的主要因素,从而为未来绿地质量的优化提升、碳汇监测提供重要参考。

本文基于延中绿地的无人机激光雷达与手持激光雷达数据,结合Landsat 8 数据集的温度反演数据,并以三维绿量作为绿色基础设施与温度之间的纽带,对延中绿地三维绿量分布格局及其与影响因子之间的关系进行探究,探索其在热岛效应缓解中可发挥的作用。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

延中绿地位于上海市静安、卢湾、黄浦三区交界处(如图1所示),始建于2000年2月,是上海市为改善城市生态环境,缓解中心城区热岛效应的关键项目,其建设是提高人居环境质量,推进社会、经济和生态协调发展的重大举措。研究区域面积约15.38 hm2,其用地类型包括水体、林地、草地、建筑等多种类型。

图1 研究区位置

1.2 研究数据

(1)无人机激光雷达数据,由飞马无人机D2000无人机搭载LiDAR3000采集。其测程为200 m,波长为905 nm,水平定位精度为0.02 m,高差定位精度为0.03 m,飞行高度为120 m,点云密度为14点/m2。

(2)手持激光雷达数据,虽然无人机激光雷达对树冠部分数据获取较为准确,但在林地郁闭度高的区域,激光点云难以到达地面[20-21],故选择飞马SLAM100手持激光雷达获取延中绿地内部的地面激光数据,激光最大测程为120 m,相对精度为0.02 m,点频为320 kpts/s,续航时间约2.5 h。

(3)温度数据,来源于Landsat 8 Collection 2 Level 2数据集中2022年8月22日的地表温度数据(地温最高值达50.95℃),分辨率为30 m,已在GEE(Google Earth Engine)中进行去云处理[22]。

(4)多光谱数据。2022年9月29日,采用无人机D2000获取了多光谱遥感数据,传感器采用D-MSPC2000,有效像素为120万(1280×960像素),焦距为5.2 mm,波段配置为450、555、660、720、750和840 nm,飞行高度为120 m,航带内重叠度为80%,航带间重叠度为60%,地面分辨率约为0.08 m。影像经PhotoMOD空三加密、正射纠正后,对延中绿地及200 m缓冲区内真彩色影像在ArcGIS中采用专家目视解译进行数字化,分为房屋、林地、水域、灌木、草地和道路等7种类型,并对这些不同类型在ArcGIS中进行欧式距离分析。图2为延中绿地内部和周边的土地利用类型分布。

图2 延中绿地土地利用类型分布

1.3 研究方法

1.3.1 延中绿地的降温作用分析

采用两个降温效应指标定量延中绿地的空间降温规律。

(1)局部冷岛强度(local cool island intensity,LCII)。冷岛强度是指公园内部与周边环境之间的温差[23],计算公式为

LCII=Ts-Ti

(1)

式中,Ts为延中绿地周围缓冲区的平均地表温度;Ti为延中绿地自身平均地表温度(℃)。最大局部冷岛强度(maximum local cool island intensity,MLCII)的计算有助于评估绿地的最大降温强度。当延中绿地周围缓冲区内的平均地表温度达到最大且稳定不变时,可获得其最大局部冷岛强度。以20 m为间隔,共设置了600 m的缓冲区进行分析。

(2)最大降温距离(maximum cooling distance,MCD)。绿地对周围环境温度的影响范围是有限的。将最大局部冷岛强度处对应的位置与绿地边界之间的距离设定为最大降温距离。理论上,随着降温距离的增加,局部冷岛强度会随之增加。然而受周边景观的影响,局部冷岛强度会随距离的增加出现波动,最终达到相对平衡状态。其中,第一个波动的转折点被视作最大降温距离的所在位置[24]。通过构建局部冷岛强度与降温距离之间的函数拟合关系,识别上述拐点。

为更好地识别延中绿地在不同方向上的降温作用,划分了西北、东北、东南和西南4个方向,并定量了各方向上的最大局部冷岛强度和降温距离,如图3所示。

图3 延中绿地的降温效应方向性划分

1.3.2 三维激光点云融合及数据提取

以LiDAR360软件对激光雷达数据进行整合分析,经重采样、去噪、点云归一化后,进行单木分割,获取延中绿地内部树木的树高、冠幅及树冠体积(三维绿量)等林分因子信息。数据基于R语言进行统计分析处理,部分分析过程基于ArcGIS软件进行出图。图4为经LiDAR360单木分割的点云数据及延中绿地树木分布情况,共识别分割出2613棵树,其属性文件包含每棵树的经纬度坐标及树高、胸径、冠幅、树冠体积等信息。

图4 激光点云树木分割及分布情况

2 结果分析

2.1 延中绿地的降温作用分析

在不同方向上延中绿地的降温效应存在显著差异,见表1。各方向上的最大降温距离从4.98 ～496.64 m不等,而最大局部冷岛强度则从1.79℃～3.38℃不等,说明延中绿地的降温作用具有方向性,这很大程度上是受延中绿地周边景观格局的影响所致。最大降温距离的排序依次是东南>西南>东北>西北。但最大局部冷岛强度是西南方向,最低值出现在东南方向。

表1 延中绿地4个方向上的降温效应

2.2 延中绿地三维绿量分布特征

基于点云数据树木三维绿量及坐标信息,在ArcGIS中进行插值处理得到延中绿地三维绿量分布情况,如图5所示。颜色越深表示三维绿量越高,可以看出,延中绿地内三维绿量高值区域基本分布在其西北部靠近公路一侧,其余各处皆有高值零星分布。中部大片低值区域为草地和水体,底图为延中绿地区域的真彩色遥感影像,可见三维绿量插值结果与延中绿地的本底基本一致。

图5 延中绿地三维绿量分布格局

2.3 延中绿地不同土地利用类型地面温度分布

无人机机载激光点云数据在LiDAR360中提取数字表面模型(DSM)和数字高程模型(DEM),在ArcGIS中通过DSM减去DEM获得冠层高度模型(CHM),依据高度对CHM进行植被分类,得到延中绿地不同植被类型分布情况,如图6所示。为了对延中绿地内不同植被类型的降温效果进行探究,根据图6的区块范围对延中绿地内2022年8月22日的地面温度提取平均值,得到延中绿地不同植被类型均温,分别是乔木均温48.20℃,草地均温48.69℃,灌木均温48.72℃。通过定量分析发现,延中绿地不同植被类型的降温效应具有显著差异性,降温效应从高到低依次为乔木>草地>灌木。

图6 延中绿地植被类型分布

2.4 延中绿地三维绿量与其格局影响因子相关性分析

在ArcGIS中对延中绿地周边的建筑、水体及道路分别做欧式距离计算,得到延中绿地区域与建筑、道路及水体的欧式距离分布情况,如图7所示。

图7 延中绿地与建筑、道路、水体距离分布情况

根据每棵树的经纬度信息,提取与之对应的与建筑、道路、水体距离。通过相关分析,得到三维绿量及其格局影响因子相关性,见表2。可以看出,三维绿量与距道路距离(Droad)呈显著负相关,即在延中绿地内,距离道路越近的地方,其三维绿量越高。三维绿量与距水体距离呈(Dwater)显著正相关,即延中绿地内距离水体越远的区域,其三维绿量越高。三维绿量与距建筑距离(Dfw)呈不显著负相关。

表2 三维绿量与影响因子的相关分析

2.5 延中绿地三维绿量格局影响因子分析

基于前文所得的每棵树木与建筑、道路、水体的距离值,将不同树木的三维绿量与不同类别的距离在R中建模分析。表3为排名前5的模型信息。最终选取AIC值最小的模型作为延中绿地三维绿量最优模型。

表3 三维绿量模型相关

根据最优模型分析结果,见表4,延中绿地三维绿量与距道路距离(Droad)(p<0.001)呈极显著负相关,与距水体距离(Dwater)(p<0.001)呈极显著正相关。延中绿地三维绿量格局最优模型为

表4 最优模型回归系数

VYanzhong=224.35-1.51Droad+0.41Dwater

3 讨 论

基于无人机及其相应传感器获取的空、地数据和Landsat 8 Collection 2 Level 2数据集,对延中绿地的降温效应及其内部三维绿量分布格局和影响因子进行分析。结果表明,延中绿地的降温作用具有方向性。其中,最大降温距离的排序是东南>西南>东北>西北。这主要是受周边景观格局的影响所致的,这与前人的研究结果具有相似性[25-27]。以往结果表明,绿地自身及其景观格局会影响其降温效应[7,28-29]。从延中绿地周边土地利用情况来看,东南方向紧靠上海市城隍庙老城区,城市化不透水面率最高,水域和绿地基础设施占比低,从而具有最远的降温距离。最大局部冷岛强度最高值出现在西南方向。说明在西南方向降温强度最高,通过延中绿地三维绿量分布分析,西南方向延中绿地三维绿量高于其他3个方向,因此该方向上具有更显著的降温效果。在对不同植被类型区域均温分析时,发现乔木区均温(48.20℃)<草地区均温(48.69℃)<灌木区均温(48.72℃),可能是由于乔木的蒸腾作用大于草地和灌木,因此具有更好的降温效应。

由于本文获取的温度数据分辨率为30 m,属中等分辨率数据。但相对于使用的激光雷达数据,其精度相对较低。为进一步提升研究结果的精度,在后续研究中,可以利用D2000无人机双光传感器对延中绿地进行热红外飞行,获取分辨率更高的温度数据,以便进行精细尺度的城市热岛/冷岛效应分析。

三维绿量是反映城市绿地质量及所在城市环境质量的综合性指标,是植物个体生长及其群体发育和其区域生态系统服务功能的外在空间集中的表现,因而,城市尺度的三维绿量空间格局是区域自然条件、城市规划布局及城市建设管理等因素相互作用的结果。延中绿地内三维绿量的高值区域集中在西北部靠近公路一侧,三维绿量与距水体距离呈显著正相关关系,与距道路距离呈显著负相关,与距建筑距离呈不显著负相关,这与以往的城市三维绿量分布格局及快速城市化对于城市绿地的研究结论有所差异[30-32],这可能与延中绿地初期的设计规划有关,乔木林的建设一般选在道路两侧,而草地和灌木布置于林地中间,既能营造良好的景观效果,又能方便市民休憩,发挥上海市中心延中绿地最大的生态价值和生态服务功能。

4 结 论

本文基于无人机及其相应传感器获取的空、地数据和Landsat 8 Collection 2 Level 2数据集,对延中绿地的降温作用及其内部三维绿量分布格局及影响因子进行分析,得出以下结论:

(1)延中绿地的降温作用具有方向性,主要是受周边景观格局的影响所致。其中,最大降温距离的排序是东南>西南>东北>西北,但最大局部冷岛强度最高值出现在西南方向,低值则是在东南方向。不同植被类型降温效应从高到低依次为乔木>草地>灌木。

(2)延中绿地内三维绿量高值区域基本分布在其西北部靠近公路一侧,其余各处皆有高值零星分布。延中绿地内三维绿量与距道路距离(Droad)呈显著负相关,与距水体距离(Dwater)呈显著正相关,与距建筑(Dfw)距离呈不显著关系。

本文的研究结果可优化提升未来延中绿地的生态系统服务功能,为城市公园的建设、规划、管理,以及城市热岛缓解提供有效借鉴和参考价值。