趙銀兵，倪忠云，郭善云，劉洋，魏云，周宇航

(1.成都理工大學(xué)旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，成都610059;2.四川省氣象局，成都610072)

綠心被稱為城市之肺，是城市綠地系統(tǒng)的一種特殊形式，具有提高城市(群)的景觀異質(zhì)性、調(diào)節(jié)城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、保護(hù)生物多樣性與動(dòng)物棲息地和生態(tài)旅游等多種價(jià)值[1]。綠心一詞最早出現(xiàn)在1958年制定的《荷蘭蘭斯塔德發(fā)展綱要》[2－3]。澳大利亞的阿德萊德城(Adelaide)、E霍華德提出的“田園城市”是“綠心”理論的先驅(qū)[4]，公園系統(tǒng)理論、景觀生態(tài)理論和綠色生態(tài)網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)其具有完善作用[5－11]。綠心在形態(tài)及功能上需要滿足5個(gè)條件:位于城市結(jié)構(gòu)中心位置;不同職能分工組團(tuán)圍合形成;構(gòu)成城市空間結(jié)構(gòu);規(guī)模閾值達(dá)到生態(tài)環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)值;服務(wù)對(duì)象為中心或中心城區(qū)[12－13]。四川省樂山市在1987年規(guī)劃了城市“綠心”，通過持續(xù)建設(shè)與管理，實(shí)現(xiàn)了“綠心環(huán)形城市”布局，形成了“山水中的城市，城市中的森林”[14－16]，樂山“綠心”已經(jīng)成為眾多城市規(guī)劃建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的學(xué)習(xí)典范。關(guān)于綠心的功能演替、構(gòu)建方式、應(yīng)用實(shí)踐等方面的研究不斷深入，綠心的降溫信息提取與分析成為研究重點(diǎn)之一，遙感和GIS是重要的研究技術(shù)手段。

1 研究區(qū)概況

為深入研究城市綠心與周圍環(huán)境的差異，按照由大到小、由外而內(nèi)、由簡(jiǎn)到精的原則，劃定樂山地區(qū)、建成區(qū)和綠心3個(gè)研究層次(圖1)。樂山地區(qū)的地理坐標(biāo):103°28'23″—103°56'07″E，29°15'36″—29°41'24″N，東西長(zhǎng)約45 km，南北寬約47 km。建成區(qū)整體呈現(xiàn)“人”字形，楊灣－蘇稽－水口、通江－柏楊壩－舊城－冠英等地主要沿青衣江和岷江呈近南北向展布，沙灣－沫東－安谷－車子等地則主要沿大渡河呈南西－北東東向延伸。據(jù)形態(tài)學(xué)計(jì)算方法[17]，應(yīng)用遙感影像提取建成區(qū)的空間形態(tài)指標(biāo):形狀比為0.19，延伸率為7.78，緊湊度為0.22，標(biāo)準(zhǔn)面積指數(shù)為0.42，整體反映建成區(qū)空間的非均質(zhì)、非緊湊擴(kuò)張?zhí)卣鳌３鞘芯G心位于中心城區(qū)，西鄰青衣江，南臨大渡河，東隔建成區(qū)朝向岷江，東西長(zhǎng)約4 km，南北寬約3 km，周長(zhǎng)約13 km，面積約8 km2，似“心”狀[14]。綠心具有不同空間尺度的自然地理環(huán)境多重屬性，地形地貌、氣象水文和植被蓋度等是影響其地溫和綠島效應(yīng)的重要因素。

圖1 樂山地區(qū)Landsat-5 TM3(R)2(G)1(B)彩色合成影像Fig.1 Landsat-5 TM 3(R)2(G)1(B)color composite image in Leshan area

1.1 地形地貌特征

樂山地區(qū)位于四川盆地向川西山地的過渡地帶，地貌涵蓋平原、丘陵、低山和中山4種類型，區(qū)內(nèi)最小高程323 m，最大高程2 016 m，平均高程480 m;建成區(qū)最小高程327 m，最大高程736 m，平均高程382 m;綠心最小高程360 m，最大高程445 m，平均高程390 m，整體高出建成區(qū)8 m，表現(xiàn)出其山“高”特征。地貌分維值反映地表連續(xù)變化特征，應(yīng)用滑動(dòng)窗口技術(shù)計(jì)算[18]:樂山地區(qū)平均分維值2.01，標(biāo)準(zhǔn)差0.050，處于低維度以及向中維度過渡的區(qū)域，具有平原及山地的雙重屬性;建成區(qū)平均分維值約2.00，標(biāo)準(zhǔn)差0.007;綠心平均分維值約2.00，標(biāo)準(zhǔn)差0.004，綠心內(nèi)部起伏較小，形成輕微凸起于建成區(qū)的下墊面，利于吸收南面及東西兩側(cè)來自江面的水汽，促進(jìn)植被生長(zhǎng)。從坡向分布來看，樂山地區(qū)北東、東、南東、南的坡向面積約占36.82%，臨近岷江西面、青衣江西面、大渡河南面，光照充足，植被發(fā)育;南西、西、北西的坡向面積約占34.54%，靠近岷江東面、青衣江東面、大渡河北面，光照強(qiáng)烈，植被較發(fā)育;北坡面積約占28.64%，與低山綠地毗鄰，濕度大，植被發(fā)育。綠心的陽坡及半陽坡吸收大量水汽，促進(jìn)植物光合作用和植物蒸騰作用;陰坡緊鄰低山綠地，利于形成較為完整的綠地空間。

1.2 氣象水文特征

樂山地區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均日照率約30%，年均氣溫約15℃，年降水量＞1 000 mm，年均相對(duì)濕度78%。綠心年降水量則高達(dá)1 360 mm，≥0.1 mm降水量的雨日174.9 d，年平均相對(duì)濕度81%[19];樂山地區(qū)處于氣壓梯度的緩變區(qū)，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，其次為西北風(fēng)，整體利于水汽流動(dòng)，對(duì)形成綠心的高植被覆蓋率具有積極作用。

受岷江水系控制，樂山地區(qū)的支水系發(fā)育。青衣江呈北西→正南流動(dòng)，河口年平均流量565 m3/s，河寬約200～600 m，徑流總量18億m3;大渡河呈南西→北東流動(dòng)，河口年平均流量1 510 m3/s，河寬約250～600 m，徑流總量473億m3;岷江呈正北→正南流動(dòng)，河口年平均流量2 840 m3/s，河寬約300～600 m，徑流總量為846億m3[20－22]。河流約占樂山地區(qū)面積的4%，水面約占建成區(qū)面積的12%，河面寬、河流深、流速快，河流的流向與主導(dǎo)風(fēng)向基本一致，與建成區(qū)南北延伸方向相同，良好的水文條件奠定了濱河地區(qū)及綠心的降溫增濕作用的基礎(chǔ)。

2 植被蓋度反演與分析

植被蓋度是決定綠心地溫的直接因素之一，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的可獲取性及數(shù)據(jù)質(zhì)量要求，選擇Landsat-5 TM遙感影像(Path 129，Row 40，成像時(shí)間:2011－05－17T11:23:03.558—11:23:38.590)作為數(shù)據(jù)源。選擇TM4波段(近紅外波段)和TM3波段(紅光波段)，在輻射定標(biāo)和大氣校正的基礎(chǔ)上作波段計(jì)算(TM4－TM3)/(TM4+TM3)，計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI)[23]，劃分水體、城鎮(zhèn)和自然表面三大地類，結(jié)合土地利用、植被蓋度調(diào)查成果，由NDVI推算植被覆蓋度，并將其劃分為高、較高、中、低4個(gè)級(jí)別(圖2)。

圖2 樂山地區(qū)植被蓋度(2011－05－17)Fig.2 Vegetation coverage of Leshan area(imaging time:May 17th，2011)

樂山地區(qū)的土地利用類型主要為耕地(水田、旱地)、園地(果園和其他園地)、林地(主要為亞熱帶常綠闊葉林)、草地(天然草地)、居住用地、水域、水利設(shè)施用地、城鎮(zhèn)、村莊及工礦用地等。非植被區(qū)(包括水面、道路、建筑等)占總面積的12.15%，低植被區(qū)(包括農(nóng)田和草地等)占總面積的21.22%，中植被區(qū)(包括農(nóng)田、草地、園地、林地等)約占總面積的35.38%，分布在平原、丘陵、低山與中山區(qū);較高植被區(qū)(包括園地、林地等)約占總面積的24.93%，分布在丘陵、低山區(qū)及中山區(qū);高植被區(qū)主要為林地和高覆蓋園地，約占總面積的6.31%，分布在樂山地區(qū)西部的山地，以及人工集中種植與綠化區(qū)。建成區(qū)植被蓋度較之樂山地區(qū)分異顯著:非植被區(qū)約占建成區(qū)總面積的41.72%，體現(xiàn)其城鎮(zhèn)用地的主體特性;植被覆蓋區(qū)總面積約為58.28%，反映城區(qū)較高的綠化水平;低植被覆蓋區(qū)約占建成區(qū)總面積的31.70%、中植被覆蓋占21.75%，較高和高植被覆蓋區(qū)約占4.83%;綠心位于建成區(qū)的高植被覆蓋區(qū)，主要為群落類型的黃櫸林、四川大頭茶林、馬尾松林等，另有喬木與草本植物分布[19]，平均植被蓋度達(dá)到85%以上，從邊緣向內(nèi)部過渡，植被蓋度呈遞增趨勢(shì)，最高達(dá)100%，高植被覆蓋度為綠心的增濕與降溫作用提供了豐富的媒介。

3 地溫反演及特征分析

3.1 地溫反演

城市綠心的作用集中表現(xiàn)在地溫與周圍區(qū)域的顯著差異，呈現(xiàn)出與城市“熱島”相反的“綠島”效應(yīng)。根據(jù)2011－05－17的Landsat-5衛(wèi)星的TM遙感數(shù)據(jù)的波譜特性，參照文獻(xiàn)[24－28]反演地表溫度的方法，在ENVI 5.1軟件平臺(tái)下完成下列操作:對(duì)熱紅外數(shù)據(jù)和可見光數(shù)據(jù)作輻射定標(biāo);對(duì)可見光數(shù)據(jù)作大氣校正;對(duì)近紅外波段和紅光波段作去負(fù)值處理，計(jì)算NDVI，結(jié)合Google Earth中影像，比對(duì)植被覆蓋率，將NDVI換算為植被覆蓋度;將遙感影像分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面3種類型，估算3種地類的比輻射率，計(jì)算地表比輻射率數(shù)據(jù);由熱紅外波段的輻射定標(biāo)值，以及可見光波段的地表比輻射率值，計(jì)算地表亮溫;根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，反演地表溫度;對(duì)比樂山城區(qū)(站點(diǎn)坐標(biāo):103°45'00″E，29°34'12″N)地溫監(jiān)測(cè)值(27.25℃)，該點(diǎn)的反演地表溫度為29.00℃，誤差+1.75℃，精度滿足研究要求;進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)裁剪，并作圖面整飾等處理(圖3)。

圖3 樂山地區(qū)TM6反演地溫平面圖Fig.3 Ground temperature map extracted by TM6 in Leshan area

3.2 城市綠心的降溫特征分析

從Landsat-5 TM數(shù)據(jù)反演的地溫平面分布(圖3)來看，樂山地區(qū)地溫的最大值58.55℃，最低溫度11.91℃，均值30.29℃，標(biāo)準(zhǔn)差3.30℃。建成區(qū)地溫的最大值53.11℃，最低溫度13.53℃，均值31.25℃，標(biāo)準(zhǔn)差4.84℃。地溫的高值區(qū)域分布在楊灣、蘇稽、水口、通江、柏楊壩、舊城的高密度建筑區(qū)、道路及其周圍(圖3)，主要原因在于道路與建筑等形成的不透水面對(duì)太陽輻射產(chǎn)生少量反射(反射率＜20%)和大量吸收作用，吸收的輻射多轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，導(dǎo)致地溫升高。地溫的低值區(qū)域主要為河面，河水降溫的梯度效應(yīng)明顯，在河面低溫區(qū)的外圍形成狹窄的低溫條帶，較之于不透水面的溫差普遍達(dá)5～6℃以上，比植被的降溫效應(yīng)更加強(qiáng)烈。從降溫的效果來看，流速快、水深大的大渡河較之于匯流前的岷江和青衣江更強(qiáng)。究其原因，水體除對(duì)太陽輻射的少量反射外(反射率為10%～20%)，主要產(chǎn)生透射及吸收作用，考慮到水體的清濁、深淺、動(dòng)靜及比熱容量差異，大渡河及岷江局部降溫效果最顯著。

綠心具有較好的閉合性，且與樂山地區(qū)西北部的成片綠地的低溫屬性趨同。綠心地溫的最大值39.24℃，最低溫25.42℃，均值28.81℃，均值較之樂山地區(qū)低1.48℃，較之建成區(qū)低3.30℃，綠心的邊緣地溫較之相鄰的城區(qū)地溫低1.10～1.60℃(平均低1.37℃)，綜合反映出綠心的“島”狀低溫特征。較之舊城、柏楊壩、蘇稽等地的公園和街頭綠地，綠心的地溫低1.00～2.50℃(平均低2.06℃)，反映出綠心降溫作用的“規(guī)模效應(yīng)”。綠心地溫的標(biāo)準(zhǔn)差為1.54℃，低于樂山地區(qū)的3.30℃，低于建成區(qū)的4.84℃，地溫差異最小，反映綠心內(nèi)部的物質(zhì)均勻程度高于樂山地區(qū)和建成區(qū)。

為刻畫綠心與周邊區(qū)域的地溫差異和線性波動(dòng)特征，由北至南作AB地溫剖面(圖3、圖4)。從剖面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看:綠心以北的通江、青江、柏楊壩城區(qū)，地溫的最大值38.40℃，最小值28.78℃(城區(qū)局部綠地)，平均值33.11℃;綠心地溫的最大值36.17℃(綠心的局部裸露地)，最小值26.25℃，平均值29.68℃，綠心內(nèi)部的地溫波動(dòng)1～3℃，綠心的中心區(qū)與邊緣的地溫差4～6℃，剖面經(jīng)綠心路時(shí)躍升至32.75℃;綠心以南的肖壩城區(qū)，地溫的最大值37.83℃，最小值29.17℃，平均值33.64℃，大渡河的地溫均值則低至17.13℃，最低溫達(dá)到15.07℃左右;大渡河以南的安谷城區(qū)，地溫的最大值42.47℃，最小值22.73℃，平均值36.30℃。綜合來看，南北剖面上的綠心與城區(qū)的地溫差達(dá)到3.43～6.62℃，綠心的低溫特征十分明顯。

垂直AB地溫剖面，跨城區(qū)、青衣江、綠心和岷江，由西至東作CD地溫剖面(圖3、圖5)。從剖面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看:蘇稽－水口城區(qū)，最大值38.09℃，最小值26.39℃，地溫均值31.88℃;青衣江，最大值23.12℃，最小值18.79℃，均值20.93℃;綠心地溫的最大值31.78℃(綠心路)，最小值26.25℃，平均值28.27℃，標(biāo)準(zhǔn)差1.34℃，綠心內(nèi)部的地溫波動(dòng)1～2℃，綠心的中心區(qū)與邊緣的地溫差3～4℃;綠心東側(cè)舊城區(qū)，地溫的最大值40.09℃，最小值31.52℃，平均值35.11℃;岷江，最大值21.10℃，最小值19.00℃，均值20.07℃;岷江東岸，地溫的最大值35.86℃，最小值30.11℃，平均值33.84℃。綜合來看，東西剖面上的綠心與城區(qū)的地溫差3.61～6.84℃，疊加青衣江與岷江的增濕與降溫作用，東西向剖面的低溫特征更加穩(wěn)定，而且比南北向剖面低溫特征更加顯著。

圖4 AB地溫剖面圖Fig.4 AB ground temperature profile

圖5 CD地溫剖面圖Fig.5 CD ground temperature profile

在AB剖面與CD剖面交點(diǎn)的東南側(cè)，分布有一條北東－南西向的“綠心路”(圖3、圖4、圖5)，因路面裸露，對(duì)綠心的完整性造成不利影響，導(dǎo)致路面地溫明顯升高，綠心路的平均地溫＞31.60℃，較之兩側(cè)綠地的地溫高出1.00～1.50℃以上。因此降低綠心路面的影響、恢復(fù)綠地系統(tǒng)的完整性對(duì)保持低溫系統(tǒng)的完整性至關(guān)重要。

3.3 城市綠心的多時(shí)相地溫特征分析

為了進(jìn)一步研究城市綠心在不同季節(jié)的地溫變化及與周圍區(qū)域的差異，在數(shù)據(jù)的可獲取原則下，增加2001－02－14、2009－03－24、2009－08－31、1992－09－01四個(gè)期次Landsat-5 TM數(shù)據(jù)，與2011－05－17的數(shù)據(jù)一同構(gòu)建春季、夏季、秋季和冬季的代表性數(shù)據(jù)序列，數(shù)據(jù)成像時(shí)間均在當(dāng)日的11:23，參照上述的數(shù)據(jù)處理方法，獲取不同期次的樂山地區(qū)、建成區(qū)與綠心的地溫特征數(shù)據(jù)(表1)，5個(gè)期次的反演地溫誤差在－0.90～+1.75℃，平均誤差+0.49℃，能夠客觀地反映對(duì)應(yīng)時(shí)段的地溫信息。

從反演的地溫?cái)?shù)據(jù)來看，綠心的各項(xiàng)地溫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布相對(duì)集中。綠心的地溫最大值從冬季的14.52℃，逐漸上升到春末、夏季的39.24和38.84℃，再降至秋季的32.17℃。地溫最小值從8.10℃，波動(dòng)上升到25.74℃。綠心的平均地溫11.16～29.71℃，夏季最高，冬季最低，較之建成區(qū)的平均地溫，在5個(gè)年份和5個(gè)月份均表現(xiàn)出穩(wěn)定的相對(duì)低值狀態(tài)，低于建成區(qū)0.22～2.44℃，平均低于建成區(qū)5%(1.29℃)。從地溫的標(biāo)準(zhǔn)差特征來看，總體低于建成區(qū)0.33～3.30℃，平均低于建成區(qū)2.01℃，反映出綠心內(nèi)部的均勻性遠(yuǎn)高于建成區(qū)。綠心也比建成區(qū)小規(guī)模綠地的地溫低2.0℃以上。

表1 多時(shí)相遙感影像反演地溫?cái)?shù)據(jù)Table 1 Ground temperature data extracted by multi-temporal remote sensed images℃

對(duì)5個(gè)期次的樂山地區(qū)、建成區(qū)、綠心3個(gè)層次的地溫特征數(shù)據(jù)(最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差)進(jìn)行模擬回歸分析，發(fā)現(xiàn)4個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)出低值先升為高值，高值再回降至低值的過程，指標(biāo)的波動(dòng)范圍滿足綠心＜建成區(qū)＜樂山地區(qū)的規(guī)律，綠心在四季均表現(xiàn)出相對(duì)的均勻性和低溫性。綠心在建成區(qū)和樂山地區(qū)處于地溫高值時(shí)，其與周圍城區(qū)的溫差更大，綠島效應(yīng)更加凸顯，其生態(tài)價(jià)值更為突出。

4 結(jié)論

樂山城市綠心因地勢(shì)高、臨江河、植被覆蓋度高、面積較大，決定了綠心其內(nèi)部的相對(duì)均勻性和與周圍環(huán)境的差異性，“島”狀的凸起綠地空間決定了其在亮溫與地溫方面的特殊性，與其所處的建成區(qū)相比，表現(xiàn)出較為明顯的低溫特征，在4個(gè)季節(jié)，平均比建成區(qū)地溫低1.29℃，平均比樂山地區(qū)低0.13℃，隨地溫的升高，綠心的降溫效應(yīng)遞增。

綠心的降溫效應(yīng)對(duì)城市規(guī)劃與建設(shè)的啟發(fā)意義在于:因地制宜，構(gòu)建滿足空間位置、面積、體積、蓋度、層次性等多種要素條件的綠地空間，有利于形成真正的綠心，達(dá)到降溫與增濕等功能;地溫是太陽輻射和地表響應(yīng)的結(jié)果，地溫的高低與濕度和氣溫等生態(tài)要素具有重要聯(lián)系，地溫的多重生態(tài)意義值得挖掘。

利用Landsat-5 TM的熱紅外波段和可見光波段，反演地溫，通過與實(shí)測(cè)地溫比對(duì)，平均誤差約+2.13%，證明單窗算法等地溫反演方法的可行性。限于地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的收集情況，研究區(qū)內(nèi)的反演地溫與觀測(cè)地溫僅能滿足單點(diǎn)驗(yàn)證關(guān)系，后續(xù)的相關(guān)研究可通過增加觀測(cè)數(shù)據(jù)的方式進(jìn)一步提高地溫反演的精度。

衷心感謝論文評(píng)審專家提出的修改建議!

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