应对热岛效应的遵义市绿地系统优化策略*

伍肖肖

（贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025）

0 前言

当前，我国城市化进程不断推进，城市建设得到快速发展的同时，城市面临的生态环境问题愈发突出，其中，城市热岛效应成为广受关注的热点问题。城市热岛效应（Urban Heat Island Effect, UHI）是指在城市化发展过程中，由于城区下垫面性质及结构变化、人为热源的排放、建筑及道路密集等导致的城区温度明显高于郊区，形成类似“高温岛屿”的现象[1]。热岛效应改变了城市热环境，加剧了能源消耗和环境污染，降低了生存舒适度，对人类身心健康和生活环境产生了严重影响，已成为21 世纪影响人类生存与发展的重要环境问题[2]。

城市绿地作为城市中的绿色空间，对改善城市热岛效应具有积极的作用，植被通过蒸腾作用、遮阴作用增加空气湿度，减少太阳对地面的直接辐射，达到降低周围环境温度的效果。许多学者通过实地观测、遥感技术和数值模拟等方法对绿地的降温作用进行了研究，并取得了大量研究成果。如王蕾等[3]以长春市为例，探究了城市绿地的降温效率，结果表明绿地降温效率与其形状、面积和植被覆盖度具有较高的相关性。崔林林等[4]基于Landsat 8 TIRS 数据，对成都市中心城区热岛效应与下垫面的关系进行研究，结果发现夏季温度与NDVI 呈现显著负相关，说明了植被对减缓热岛效应具有一定的效果。李世隆等[5]以北京市为例，定量分析乔灌草型、乔草型、乔木型、灌草型这4 种植物群落的植被覆盖率对温度的影响，研究表明绿地温度与4 种植物群落的植被覆盖率均具有负相关性，其中乔灌草型植物群落对温度的影响最明显，覆盖率达到50%～55%时其降温效果最大。黄永霖等[6]以南宁市为例，定量分析了土地利用类型与地表温度的关系，结果表明建设用地、裸地对地表温度的升高贡献相对较大，其次是草地、耕地，而林地和水体对地表温度有明显降温作用。钟秀惠等[7]选取杭州市10 个公园作为研究对象，结果表明公园的冷岛效应由公园面积、水体面积和绿地面积共同影响，其面积与公园内部温度呈负相关，当水体面积在20 hm2以上、绿地面积在30 hm2以上时，公园降温明显。彭明熙等[8]采用实测与理论分析相结合的方法，以重庆市3 种屋顶绿化植物为例，通过分析证明屋顶绿化对微气候确有降温增湿作用，且叶面指数越高，对城市热岛效应改善效果越好。

遥感技术的出现，使大范围的对地观测成为可能，为研究热岛效应及其与绿地间的耦合关系提供了新途径，各种遥感数据产品被广泛应用于热岛效应的研究中。其中，Landsat 8 卫星数据在反演地表温度方面优势明显[9]。相比于其他卫星，Landsat 8不仅具有较高的空间分辨率，且搭载的热红外传感器上首次引入了量子学红外光子检测技术，增强了TIRS 对热红外波段的敏感性，从而更有利于从大气温度中将地表温度分离出来[10]。目前，针对Landsat 8 的地表温度反演方法有单窗算法、单通道算法、大气校正法（辐射传输方程算法）和劈窗算法等。美国地质调查局（USGS）采用新的定标参数对Landsat 8 进行处理，但TIRS11 波段仍具有不确定性[11]。

因此，本文以Landsat 8 OLI影像数据作为数据源，基于大气校正法反演遵义市中心建成区地表温度，对遵义市热岛效应空间特征及其与绿地相关关系进行研究分析，从绿地系统规划的角度提出遵义市城市绿地的空间优化策略，以达到缓解城市热岛效应、改善城市小气候以及提升遵义市城市环境质量等目标。

1 研究区概况

遵义市地处中国西南地区，贵州北部，属于亚热带季风性湿润气候，四季分明。近些年，遵义市作为西南地区重要交通枢纽、成渝—黔中经济区走廊的核心区，城市化稳步加快，市域范围扩展明显，下垫面变化显著（自然下垫面被不透水面取代、建筑物规模持续增大），夏季高温天气频繁出现，年平均气温整体上呈升高态势，这预示着遵义市热岛效应的覆盖范围和强度均会发生变化，热岛效应问题逐渐引起人们的重视。

本文选取的研究范围是遵义市中心建成区，区域地理坐标为东经106°51′～107°00′，北纬27°33′～27°44′，包括汇川区、红花岗区和播州区，如图1所示，总面积约为15.87 km2，居住人口1 467 408人。

2 数据与方法

2.1 数据来源

1）遵义市中心建成区范围控制线。基于遵义市自然资源局提供的建成区范围和《遵义市城市总体规划（2008—2030 年）》，结合遥感影像现状，对遵义市中心建成区范围进行控制线的划定。

2）地表温度反演数据。遵义市Landsat 8 OLI 卫星影像通过地理空间数据云网站（www.gscloud.cn）下载，影像覆盖研究区全境，轨道号为127-41，获取时间为2019年8 月13日，含云量为0.03。

2.2 地表温度反演

本文基于ENVI 平台，针对Landsat 8 卫星数据，采用大气校正法反演遵义市建城区地表温度。大气校正法[12]，也称辐射传输方程法，基本原理是首先估计大气对地表热辐射的影响，然后将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，再将这一热辐射强度转化为相应的地表温度[13]。需要植被覆盖度、地表比辐射率和辐射亮度3个基本参数。处理流程如图2所示。

图2 处理流程

2.2.1影像预处理

预处理主要包括几何校正、辐射定标、大气校正、图像融合、图像拼接和图像裁剪。目的是消除传感器本身产生的误差和大气产生的影响，提高图像质量，提高对地表温度的反演精度。本文所使用的Landsat 8 OLI 数据属于Level-1 级的数据，已经过几何校正。因此，在ENVI 中对影像的预处理只做辐射定标、大气校正和图像裁剪。

2.2.2 NDVI（植被指数）和植被覆盖度计算

植被覆盖度计算公式如下[14]：

式中，NDVI 为归一化植被指数，NDVIV和NDVIS分别是植被和裸地的N D V I 值，N D V IV=0.7 0，NDVIS=0.05。

其中，NDVI 计算公式为[15]：

式中，NDVI 为归一化植被指数，NIR 为近红外波段反射率，R为红色波段处反射率。

2.2.3地表比辐射率计算

本文将影像分为水体、自然表面和城镇区这3 种类型[16]。其中，水体像元比辐射率为固定值0.995。自然表面和城镇区地表比辐射率按照如下公式计算：

式中，εsurface和εbuilding分别为自然表面像元比辐射率和城镇区像元比辐射率，PV为植被覆盖度。

2.2.4黑体辐射亮度计算

热红外辐射亮度值Lλ由地面真实辐射亮度经过大气层后到达卫星传感器的辐射亮度（TS）、大气上行辐射亮度（Lu）、大气下行辐射亮度（Ld）共3 部分组成。卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值公式为：

式中，ε 为地表比辐射率，TS为地表的真实温度（K）。B(TS)为黑体热辐射亮度，τ 为大气透过率，则温度为T 的黑体在热红外波段的黑体辐射亮度表达式为：

大气上行辐射亮度值（Lu）、大气下行辐射亮度值（Ld）和大气透过率（τ）可以在NASA官网获取。

2.2.5地表温度计算

根据普朗克公式的反函数，可计算出地表温度TS：

对于TIRS Band10，K1=774.89 W/(m2*µm*sr)，K2=1 321.08 K。

2.3 热岛强度分级及统计

在ArcGIS 10.2 软件中使用自然间断点分级法（Jenks）将经上述反演得到的地表温度数据划分为5个热力等级区间（单位为℃）：绿岛（28.59 ℃～33.40 ℃）、次绿岛（33.40 ℃～36.17 ℃）、正常区（36.17 ℃～38.48 ℃）、强热岛（38.48 ℃～41.25 ℃）、极强热岛（41.25 ℃～52.15 ℃）。并对各区间热力等级的像元数进行统计，得到遵义市全域各等级的热力区间所占比例，具体如表1所示。

表1 遵义市热岛等级统计

2.4 城市绿地覆盖率与热岛效应相关关系分析

在ArcGIS 10.2 软件中使用fishnet 工具，按照1 km×1 km 的尺寸建立若干个网格，NDVI&LST 渔网图如图3 所示，通过Extract MultiValues To Points工具分别提取各网格区域内的LST（地表温度）和NDVI（归一化植被指数）数值，并使用clip 工具去除无效值，最后得到一组关于研究区域内的LST 和NDVI 数据。使用SPSS 22.0 软件，对前述所获取的数据进行相关性分析，探究城市绿地与热岛效应之间的相关关系。高，为32.67%；其次为次绿岛、强热岛和绿岛，分别为24.22%、24.00%和13.35%；极强热岛所占比例最小，为5.77%。

图3 NDVI&LST渔网图

3 结果与分析

3.1 遵义市热岛效应空间特征

将通过大气校正法计算的地表温度数据，在ArcGIS 10.2 软件中进行可视化处理，得到遵义市热岛空间分布情况，具体如图4所示。

图4 遵义市热岛空间分布情况

由图3 和表1 的分析发现遵义市热岛有以下几点特征：

1）遵义市地表最低温度为28.59 ℃，最高温度为52.15 ℃，平均温度为36.85 ℃。正常区所占比例最

2）极强热岛总体呈点状零星散布，镶嵌于强热岛之中，主要分布于贵州航天高新技术产业园、烤烟厂、盈田工谷产业园和坪桥工业园等高耗能区域以及遵义站、高铁汽车客运站、南白客运城、遵义国际商贸城等人流量较高区域。该区域地表属性以大面积的不透水层为主，且能源消耗大，向环境排入大量的热量，加剧了热岛效应的形成，因而表现出极强的热岛效应。

3）与极强热岛相比，强热岛分布区域能耗较低，热源排放较少，但该区域建筑密度较高，人口密集。主要分布于吴家坝小区、双狮村乐村还房小区、羊马还房小区等居住区和新世界建材市场、九五钢材市场、南白商贸城等商业区，以及以遵义师范技术学院、遵义师范学院新浦校区、贵州航天职业技术学院、遵义医科大学新浦校区为代表的大学城区域。另外，乌江大道、东联络线、川黔线等不透水面道路面也呈强热岛。

4）正常区面积占比最大，该区域具有较好的绿化覆盖率，能调节局地气温，降低热岛效应。该区域多为城中未开发建设的耕地、草地、较稀疏的灌木林地以及绿化覆盖率较高的居住小区等。

5）凤凰山国家森岭公园、三阁公园、岭南公园、天鹅湖公园、白鹭湖公园等公园区域以及湘江、白鹭湖、中铁共青湖等河流湖泊水域呈现明显的绿岛和次绿岛。大面积的高密度植被，能够有效避免太阳对地面的直接辐射，降低地表温度，对缓解城市热岛效应具有显著的作用；河流湖泊具有较大热容量，在相同的太阳辐射量下，温度升高较缓慢，能够形成局地风，降低环境温度。

3.2 城市绿地覆盖率与热岛效应相关关系

通过fishnet 工具和Extract MultiValues To Points工具，共获取152 组有效数据。利用SPSS 对该组数据进行相关性分析，结果如表2 所示，LST 与NDVI的皮尔森相关系数为-0.577，其绝对值大于0.01，表明LST 与NDVI 之间具有显著的相关性，且LST 与NDVI 之间呈负相关关系。由于NDVI 与植被覆盖率具有正相关关系，因此可以用NDVI 代表绿地斑块的植被覆盖率。通过对LST 与NDVI 的相关性分析，可知绿地斑块的植被覆盖率与热岛效应呈负相关关系，说明提高植被覆盖率可以有效降低地表温度，改善城市微气候，达到缓解城市热岛效应的目的。

表2 NDVI 与LST相关关系

4 绿地优化对策

根据热岛效应特征，结合遵义市城市空间特点，合理进行绿地布局和空间规划。提出以下几点遵义市绿地系统规划策略以改善城市热环境，减弱热岛效应强度。

1）增加绿地建设，提高植被覆盖率。植被覆盖率与地表温度之间具有负相关关系，提高植被覆盖率有利于降低地表温度[17]。有研究表明，当城镇绿化覆盖率达到50%时，地表温度下降约13 ℃，城市热岛效应基本可消除[18]。根据遵义中心建成区热岛效应空间分布情况和实际用地条件，发掘潜在绿地，着重在呈现极强热岛、强热岛的工业园区和商业区增建口袋公园、屋顶花园、社区小游园等形式绿地，弥补该区域绿地的不足，以改善局部区域热环境。

2）加强垂直绿化，增加城市三维绿化量。垂直绿化和屋顶绿化能够给建筑带来良好的制冷保温效果，很大程度减少了城市建筑储热并向大气辐射热量[19-20]。在寸土寸金城市中大面积地增加绿地的建设不切实际，因此在用地条件紧张的城市背景之下，垂直绿化成为低成本且快速有效增加城市绿化量的手段。应充分利用植被的降温增湿功能，积极为城市“披绿”。一方面，充分利用城市中边坡、桥墩、建筑墙面等公共空间，增加垂直绿化的建设；另一方面，鼓励引导市民进行阳台绿化、墙面绿化、屋顶绿化。

3）优化植被空间结构，增强绿地降温效益。不同的植物品种、植被空间结构的降温效益具有差异性[21]。在植被空间构成中，乔-灌-草结构型绿地降温效果优于其他结构型绿地[22-23]。应对遵义市中心建成区内植被空间结构单一的绿地进行优化，优先选用冠幅大、叶面积密度高的树种进行搭配，在有条件的区域多建设乔-灌-草结构型绿地，以发挥城市绿地的最大降温效益。

4）建立“一脉多廊”的城市绿色生态网络。“一脉”是指以湘江为主体的城市滨水绿地，“多廊”是指以播州大道、新龙大道和湘江大道等市内主要公路、铁路交通干线构建的城市道路绿廊。依托遵义市内的主要交通干线和湘江及其支流的线性绿化景观带，搭建道路绿廊与水系廊道相互交织的城市绿色生态网络。

5）构建“绿色棋布，城绿交融”的绿地景观格局。孤立的绿地斑块降温效益是有限的，构建“点线面”联动的绿地格局，能够增加绿地间的联系，达到整体协同互补的降温效果[24]。联通遵义市中心建成区内的道路和滨水绿带，以线性绿色廊道串联城市中的公园绿地、防护绿地等各级绿色斑块，形成绿廊网络覆盖城市全域。绿色斑块穿插于其间的“绿色棋布，城绿交融”绿地景观格局，为城市的可持续发展提供生态保障。

5 结语

本文以遵义市中心建成区为案例，利用Landsat 8 OLI数据对地表温度进行了反演，并分析了城市绿地与热岛效应之间的相关关系。通过研究发现，遵义市中心建成区热岛效应较为明显，主要分布于植被覆盖率较低、不透水面占比高且能耗高的工业园区、商业区、交通枢纽以及部分居住区和学校。通过对绿地与热岛效应的相关性分析可知，热岛效应与城市的植被覆盖率具有负相关关系，因此增加城市绿量，提高植被覆盖率能有效减缓热岛效应。基于上述分析结果，本文提出了绿地系统优化策略，以期为缓解遵义市中心建成区热岛效应和城市绿地建设提供借鉴。

由于获取的数据有限，仅对遵义市中心建成区热岛效应的空间特征、植被覆盖度与热岛效应相关关系进行了简单的探讨，但热岛效应的产生因素是较为复杂的，城市绿地降温效应的影响机制也是多面的。从景观格局、植物空间配置等角度分析热岛效应与城市绿地之间的响应机制值得更为深入研究，充分论证两者间的相关关系，才能为缓解城市热岛效应、合理建设城市绿地提供更为科学的依据。