城市公园空间格局对热环境的影响研究＊——以常德市中心城区为例

乔玮洁，程奕菲，吕颜辰

（1.湖南文理学院芙蓉学院，湖南 常德 415000；2.苏州农业职业技术学院，江苏 苏州 215008）

0 引言

随着城市化进程的不断加快，大量灰色基础设施的建成导致城市下垫面发生改变，其中，道路、建筑等不透水硬质面逐渐增加，而植被与水体等生态要素不断减少，成为城市热环境恶化的主要原因[1]。为健全城市生态功能，创造人体舒适的热环境，增加城市绿地是改善城市热环境的重要措施[2]。如何在有限的城市区域中，通过布局绿地以及调整景观要素的占比，科学建立城市绿地景观格局，从而放大绿地系统的生态效应，改善城市热环境，成为城市设计中的重要问题[3]。

城市绿地和城市热岛效应之间的关系是近年来研究的热点，其中，植被覆盖度（FVC）成为影响地表温度的决定性因素[4]。成实等[5]通过分析深圳市中40个公园的遥感影像，从公园的植物覆盖率、公园水体与地表温度入手探寻相关性。李鹍[6]以武汉市夏季为例，分析不同的城市下垫面对热环境的影响以及城市绿地改进城市热环境的降温效率。LIN L[7]等以深圳为例，针对区域空间格局对城市热环境的改善幅度进行研究。综合而言，研究主要集中在探寻植被覆盖度、绿地空间格局以及与地表温度的关系。但除植被覆盖度外，对于其他地表特征参数研究较少，如归一化湿度指数（NDMI）与地表温度（LST）相关性更高，可作为附加研究指数[8]；此外，对于城市公园规划的空间格局对热环境影响的关注度较弱。在前人研究的基础上，本文通过对2017年常德市中心城区的夏季高温环境的遥感数据的分析，得出城市中心城区的地表特征参数间的关系，同时进一步探讨城市公园的降温效果，最终为城市中心城区的绿地系统规划设计建设提供相关策略。

1 研究区域及研究数据

1.1 研究区域

本研究范围为常德市中心城区，地理坐标为东经111°41'、北纬29°02'，由桃花源路、G207国道、紫缘路以及沅安路围合而成，总面积约29.53km2。针对研究内容，集中对中心城区及5个面积较大的城市公园内部参数进行探究分析，基于其空间属性特征，探讨城市下垫面以及城市公园与城市热环境间的关系。

1.2 研究数据

本次研究数据选取2017年8月18日包含热红外波段的Landsat 8卫星遥感数据。首先利用ENVI 5.4软件对常德市中心城区的整体数据以及城市公园的植被覆盖度、归一化湿度指数以及地表温度进行提取。此外，在每个公园周围设置间隔100m、总计宽500m的缓冲区，通过提取缓冲区的地表参数以及平均地表温度与公园内部地表温度进行对比，分析公园以及缓冲区的降温范围，研究其降温效率。

2 研究方法

2.1 地表特征参数提取

通过ENVI 5.3将遥感数据进行反演，分别对地表特征参数进行提取：①选择TM5和TM4波段得出归一化植被指数（NDVI），在此基础上进一步计算植被覆盖率（FVC）；②利用TM5和TM6波段进行归一化湿度（NDMI）地表特征参数的运算；③根据普朗克公式的反函数求得真实的地表温度（LST）。由于地表特征参数的提取方式已经趋于成熟，本研究采用的公式如表1所示。

表1 研究地表参数提取

2.2 分析方法

首先计算中心城区以及公园内部的植被覆盖度、归一化湿度指数、地表温度等地表特征参数ASCII数据的平均值，通过深入观察剖面线上各地表特征参数间的关系，对其进行相关性分析和线性回归计算，对比R2系数；采用皮尔逊相关系数分析；运用SPSS 20完成各参数的相关性分析；同时通过ArcGIS 10.2界定各公园的缓冲区范围，进一步计算公园的降温效率。

3 结果与分析

3.1 中心城区地表参数特征

统计表明，研究区域2017年的LST范围为31.44～57.44℃，平均温度为40.29℃，标准差为2.79℃；FVC范围在0～1，由于中心城区商业区、居住区较多，其建筑密度较大，平均植被覆盖度为0.475，标准差为0.28；而NDMI均值为0.106，标准差为0.138；标准差数据表明：NDMI变化较小，作为地表特征整体更为稳定，可作为研究城市地表参数的重要数据之一。

由于中心城区的城市公园呈散点式分布，为了更直观地观察不同空间格局的城市绿地在城市中的降温效率，以及公园内部地表温度、植被覆盖度与归一化湿度之间的关系，本文在研究区域中选取2条剖面线，分别穿过白马湖公园、丁玲公园、屈原公园一线与滨湖公园、诗墙公园一线，进一步对其剖面线的地表特征数值进行对比研究。

如图1所示，场地内植被覆盖度、归一化湿度指数与地表温度存在一定的镜像关系。由于剖面线穿过公园内的水体，故剖面值中的归一化湿度指数几处出现峰值，说明归一化湿度指数的高低受水体影响显著。通过分析发现，除植被覆盖度外，归一化湿度指数与地表温度呈明显的镜像关系。由此可见，在研究包含水体的绿地的热环境效应时，归一化湿度指数作为补充指数尤为重要。

图1 镜像关系曲线

3.2 中心城区公园地表特征参数的整体关系

通过中心城区的公园剖面线上的FVC、NDMI以及LST数值进行皮尔逊相关系数分析，可得FVC、NDMI与LST均呈显著的负相关性，分别为-0.356以及-0.495，即随着植被覆盖度与归一化湿度指数的增加，地表温度降低。

利用回归分析、曲线拟合分析对FVC、NDMI与LST之间的关系进行进一步研究。从结果分析，以屈原公园—白马湖公园一线为例，FVC与LST的线性回归方程为y＝-2.452x＋41.428，拟合的决定系数R2为0.051，斜率为-0.12，即若需地表温度降低1℃，植被覆盖度则需增加约0.4；NDMI与LST的线性回归方程式为y=-11.559x+41.088，其拟合决定系数R2＝0.215（见图2）。从拟合决定系数来看，相较而言，NDMI值与LST之间的负相关性更为显著，诗墙公园—滨湖公园一线的回归性分析也呈现同样的相关性趋势。

图2 屈原公园-丁玲公园一线剖切线LST与FVC、NDMI的回归分析

3.3 不同空间格局城市绿地的降温效率

如表2所示，通过计算公园内部温度与各缓冲区的平均温度的差值得出累计降温，并将500m缓冲区的累计降温与公园内部地表温度比值作为总降温幅度，结果分析表明，除屈原公园以及诗墙公园外，其余城市公园的降温幅度均为正值，而随着缓冲区距离增加，其地表温度逐渐上升，说明城市绿地在城市中充当“冷岛”的角色，对周边的城市环境起着一定的降温作用，可缓解城市热岛效应。

表2 城市公园对周边环境热环境的影响

4 结语

本文基于遥感数据，利用ENVI 5.3以及ArcGIS工具，以湖南省常德市中心城区为例，通过对城区整体的植被覆盖度、归一化湿度指数以及地表温度之间的相关性分析，得出不同的地表特征因子在研究城市热环境中的重要性。此外，基于城区内不同空间格局的公园，研究其对周边城市热环境的降温效应，基本结论如下。

1）植被覆盖度与归一化湿度指数是影响城市地表温度的重要因子，与地表温度呈显著负相关。其中，归一化湿度指数更为稳定，与地表温度的相关性更加密切，在研究城市热环境中是决定性因子。

2）归一化湿度指数与水体呈显著正相关，即场地中水体面积越大，归一化湿度指数越高；植被覆盖度与绿地面积同样呈正相关性，且当公园内部拥有大面积的绿地面积以及水体时，将加剧公园内部温度降低。

3）城市公园有缓解城市热岛效应的作用，是改善城市热环境的重要因素。中小型公园的降温效应与其总面积等属性特征相关性不显著，但其内部的水体面积是公园影响周边环境降温效率的主要因子，且与缓冲区内地表温度呈负相关。

由于方法所限，现有的数据分析结果存在一定的局限性，将来还需拓展至宏观层面，从整体城市绿地规划角度出发，用软件模拟等动态参数的方法对公园空间形态布局及其降温效应进行模拟测试，更直观、有效地研究城市格局的未来发展趋势。