梅丹英，宋恬恬，張敏霞，鮑沁星，高偉俊

（1.浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300；2.日本北九州市立大學國際環(huán)境工學部，日本 808-0135；3.不列顛哥倫比亞大學 景觀合作實驗室，加拿大 V6T 1Z4）

城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來大規(guī)模建設，顯著改變城市景觀格局[1]，進而導致城市熱環(huán)境惡化[2]，極大降低了城市居民生活環(huán)境的舒適程度。園林場地與居民日常生活、戶外休閑娛樂息息相關，提升其熱環(huán)境設計對提高居民生活幸福感，保障居民身體健康，促進人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要價值。2015 年7 月，住房城鄉(xiāng)建設部印發(fā)《海綿城市建設績效評價與考核辦法（試行）》，其中將“熱島強度得到緩解”納入定量考核，建成場地的熱環(huán)境評價不僅是我國規(guī)劃建設評估標準，更是人居環(huán)境科學研究的熱點問題。在當前城市用地緊張，城市規(guī)劃從增量發(fā)展轉向存量發(fā)展的背景下，園林場地熱環(huán)境評價研究將為改善城市局部熱環(huán)境提供新思路。

園林場地熱環(huán)境評價旨在通過評估園林場地要素對熱環(huán)境的影響，探究小尺度范圍內運用園林場地要素對熱環(huán)境優(yōu)化的應對措施。當下，輕小型無人機技術憑借其低成本、高時效、高精度等特性，在各大領域嶄露頭角，為快速有效地評價城市園林熱環(huán)境，指導不同氣候環(huán)境下的園林場地設計提供了新方法。本文系統(tǒng)梳理了國內外對園林場地熱環(huán)境的研究內容，整理發(fā)現從場地使用者角度和環(huán)境本身出發(fā)的兩種熱環(huán)境評價路徑，并探討園林場地熱環(huán)境評價的多種方法。在此基礎上，引入輕小型無人機技術，分析其在熱環(huán)境評價領域運用的優(yōu)弊與應用前景，以期指導園林設計實踐并對其熱環(huán)境定量化研究提供新視角。

1 園林場地熱環(huán)境構成要素

園林場地熱環(huán)境研究關注使用者所處街道[3]、廣場[4]、公園[5]、庭院[6]等場地的熱環(huán)境評價，并探索各園林要素與微氣候因子之間存在的復雜相互關系，強調通過水體類型，植物物種與結構，構筑物高度與方向，疊石空間特征的調整來改善空間熱環(huán)境。例如劉濱誼等[7]對步行街中典型的園林空間進行實測及人體熱舒適調查，分析了不同頂面遮蔽對小氣候的影響。陳睿智等[8]從游客的角度探討濕熱地區(qū)不同的景觀要素和空間組合下，微氣候舒適度與休憩行為的關系。

1.1 水體

園林空間內水體往往具有降溫增濕的微氣候效應。薛思寒等[9]通過對余蔭山房夏季水體周邊熱環(huán)境的研究，表明白天水體可以在一定程度上降低近地面空氣溫度。熊瑤等[10]通過對南京瞻園進行了微氣候現場實測，表明水體在夏季具有降溫、增濕、增加風速、收集雨水等作用。水體的微氣候效應也受到其表現形式和規(guī)模的影響。楊凱等[11]對上海中心城區(qū)太平橋綠地人工湖進行了實地監(jiān)測，研究結果表明噴泉景觀設施可以強化水體的微氣候效應。Syafii 等[12]利用室外比例模型評估了人工水池的不同規(guī)模布局對城市熱環(huán)境的改善作用，證實較大的水體表面積具有更好的降溫作用，且水體順風處具有較低的氣溫。紀鵬等[13]對北京市7 條不同寬度的河流進行了氣候觀測，證明較大的河流寬度使其周圍綠地的降溫增濕效益明顯，且這種溫濕效益存在四季差異。

1.2 植被

植被對微氣候的調節(jié)作用主要體現在遮擋太陽光線、擋風導風、增加濕度這三方面。不同植被群落類型[14]、冠層結構[15]、樹種選擇[16]等對環(huán)境微氣候影響效益不同。張明娟等[17]調查和分析了南京市所選樣地中存在的5種植物群落結構與場地微氣候之間的相關關系，結果表明林地降溫增濕效應顯著地高于草地。李英漢等[18]在深圳市三個典型居住小區(qū)內進行樣地微氣候觀測，研究表明植物冠層結構對其溫濕效益具有顯著影響，調節(jié)作用主要來自喬木樹種。

1.3 山石

山石的使用和營造對于環(huán)境微氣候具有不容小覷的作用。通過假山、山谷、石洞、隧道擋風導風，阻擋太陽照射以及石材的熱惰性特征使空間內達到冬暖夏涼的效果。張冬冬等[19]研究指出清可軒巧妙利用天然半圍合的巖壁構建而成，在炎熱的夏季具有極佳的降溫效果。鮑沁星等[20]通過對傳統(tǒng)園林避暑營造歷史的探索，挖掘古代利用山石避暑的文獻記載，并結合古畫所描繪的避暑圖梳理出利用山石營造舒適微氣候的景觀模式。

1.4 構筑物與建筑物

建筑物與構筑物的空間布局和結構特性也影響著園林空間微氣候。洪波和林波榮研究[21-22]利用室外熱環(huán)境仿真平臺SPOTE 發(fā)現建筑布局模式對室外風環(huán)境和行人熱舒適度有顯著影響，建筑的長立面與主導風向平行，可加速邊緣水平渦流氣流，在行人層面獲得較好的熱舒適和風環(huán)境。林琳等[23]對嶺南鄉(xiāng)村的村落、建筑組團、建筑單體進行了VIRVIL 模擬，模擬結果顯示傳統(tǒng)坡屋頂的隔熱效果優(yōu)于現代平屋頂，山墻形成的遮陽可以減少墻體輻射熱從而降低室內能耗，并總結歸納了傳統(tǒng)聚落梳式布局的營造智慧。

2 園林場地熱環(huán)境評價方法

場地熱環(huán)境評價是指導風景園林氣候適應性設計的關鍵步驟。通過已建成園林場地的熱環(huán)境評價和使用者的熱舒適度分析，可讓風景園林師掌握不同設計要素對園林空間熱環(huán)境和人體熱舒適度的影響機制，從而能夠在城市不同環(huán)境中營建環(huán)境優(yōu)美、氣候適宜的園林空間。孟慶林等[24]將城市熱環(huán)境的評價方法總結為觀測法和模擬法，并探討在不同研究尺度宜采用的評價方法；吳志豐等[25]以人體熱感受為中心，總結熱舒適度評價工作，提出熱環(huán)境改善措施；莊曉林等[26]論述了風景園林小氣候評價指標及其國內外研究現狀，為我國風景園林小氣候研究發(fā)展提出了建議與展望。本文將熱環(huán)境評價方法概括為從場地使用者角度和從環(huán)境本身出發(fā)的兩個方面。

2.1 從場地使用者的角度

從場地使用者的角度評價，即人體熱舒適度，綜合人、園林空間、氣候條件三方面之間的關系（如圖1），通過生物氣象學、場地設計、園林微氣候的相關原理，解答如何營造高質量的園林空間。

圖1 園林場地熱環(huán)境三要素Figure 1 Three elements of landscape thermal environment

以人體熱舒適度作為熱環(huán)境評價方法，國內外專家學者提出了多種評價指標，目前常用包括生理等效溫度（physiological equivalent temperature，PET）、室外標準有效溫度（outdoor standard effective temperature，OUT-SET*）、預測平均投票（predicted mean vote，PMV）和通用熱氣候指數（universal thermal climate，UTCI）[27]。PMV[28]代表同一環(huán)境中多數人的平均舒適程度，通過結合氣溫、風速、平均輻射溫度和相對濕度四個物理變量以及服裝絕緣、活動水平兩種個人變量來預測一個數值指標，衡量對外界熱環(huán)境的感受。但PMV 主要適用于室內或較穩(wěn)定空間內的熱環(huán)境，在室外園林空間內往往數據不夠準確。OUT-SET*在SET*基礎上考慮太陽輻射強度而得到，用于戶外熱環(huán)境舒適度評價，指將人體對外環(huán)境的熱舒適感受等效為相應氣象條件下的氣溫，要注意的是對于不同氣候條件舒適溫度值需要進行調整。UTCI 是國際通用的熱氣候指數[29]，為達到相同舒適水平的標準室內環(huán)境所對應的氣溫，對于復雜天氣和不同氣候區(qū)的熱環(huán)境評價更為準確[30]。PET[31]基于人體能量平衡模型，為某一環(huán)境下人體皮膚溫度和體內溫度達到與典型室內環(huán)境同等的熱狀態(tài)所對應的空氣溫度。目前最常用的室外熱環(huán)境舒適度評價指數是PET，因為其適合評估不同氣候類型區(qū)的熱環(huán)境，單位為攝氏度（℃）更易于理解。

目前使用熱舒適度進行場地熱環(huán)境評價已經被國內外學者廣泛采用，但采取的具體評價途徑和指標選擇不盡相同。熱舒適度的計算依靠在相應的模型中輸入場地的氣候數據及環(huán)境數據，因此為了得到較為準確的場地熱舒適度評價，現場實測數據的獲取與應用是必不可少的。這種定量的實驗方法具有較高的可信度，但由于模型并不適用于所有地區(qū)氣候條件和場地環(huán)境，且不同地區(qū)人群存在差異的熱適應性，往往需要研究人員通過大量熱舒適度調查訪問后對模型進行修正?？梢?，單一的研究方法都存在一定的適用性和局限性，通過結合定性與定量的研究方法，即結合場地氣候實測、模型計算、調查訪問等多種方法，可以獲得更為可靠的研究結果。張德順等[5]基于3 個公園使用者熱舒適度問卷調查，并對每個公園進行小氣候實測以量化人體熱舒適度，揭示不同設計要素對環(huán)境舒適度的影響。Lin 等[32]對臺灣一所大學校園進行了12 個現場實驗，并使用RayMan 模型以PET 作為熱舒適指標預測長期的環(huán)境熱舒適度，以先前調查中獲得的臺灣居民的熱舒適范圍作為確定熱環(huán)境是否舒適的標準，分析遮陽狀況對室外活動空間熱環(huán)境的影響，結果表明夏季較低的遮陽面積引起熱不舒適，而冬季反之。

2.2 從環(huán)境本身角度

即從園林場地設計要素出發(fā)，以場地熱環(huán)境相關的各項氣象要素為評價指標（如圖2），包括溫度、濕度、風速、太陽輻射等。目前場地熱環(huán)境氣象指標獲取的方式主要為場地氣象實測、軟件模擬和熱紅外成像技術。

圖2 園林場地設計要素與微氣候因子的關系Figure 2 Relationship between landscape elements and microclimate factors

場地氣象實測指利用氣象儀器對近地面的空氣溫度、風速、相對濕度、太陽輻射等熱環(huán)境參數進行連續(xù)、系統(tǒng)的測量，然后利用對比分析和數理統(tǒng)計方法量化場地熱環(huán)境的客觀變化規(guī)律，是場地熱環(huán)境定量評價最直接、傳統(tǒng)的技術手段，主要分為定點觀測和移動觀測。雖然場地氣象實測具有較強的靈活性和較高的精度，但是定點實測只能以“點”的形式獲取氣象數據，而園林場地內部環(huán)境異質性強，各園林要素都可能對熱環(huán)境造成較大的影響，要想獲得場地內各方位更詳細的氣象數據，則需要非常大的實驗儀器投入量和耗費較多的人力。移動觀測對儀器和人力的投入需求不高，為定點觀測提供了有效補充，但該方法也存在一定局限性，一是移動觀測獲取的熱環(huán)境數據具有非同時性，在分析時需要對數據進行校正，因校正精度的限制，流動觀測的時間不宜太長，二是流動觀測容易受到周圍環(huán)境變化的影響。

軟件模擬指以氣象實測數據與建成環(huán)境數據為基礎，應用數值模式對場地熱環(huán)境及其形成條件進行定量研究。近年來流體動力學模型在小尺度場地熱環(huán)境研究中發(fā)揮了重要作用，主要軟件包括ENVI-met，PHOENICS，FLUENT 等。但該技術需要使用者有較高的專業(yè)素養(yǎng)，掌握流體力學原理和軟件操作技巧。為保證獲得場地熱環(huán)境精細且長期的預測，模擬計算量大、耗時長。此外，由于其模塊化設計無法再現真實環(huán)境，對于園林場地小尺度的精細化設計指導仍然不足。

熱紅外成像技術指將傳感器收集的地物熱紅外信號轉換成可供視覺分辨的圖像，并可進一步計算溫度值來反映表面溫度分布狀況。目前城市研究領域最為直觀和常用的是通過該技術獲取的表面溫度分布圖來反映區(qū)域的熱環(huán)境情況。隨著傳感器設備的發(fā)展，熱像圖主要有三種獲取途徑和應用范圍（如圖3）。園林場地設計尺度的熱像圖可以通過微小型或手持式熱像儀獲取，具有超高分辨率，通常為亞米級，可清楚識別園林場地內各要素及特征，對指導園林場地熱環(huán)境設計具有較大的應用前景。該技術可用于探索園林設計場地表面材料與熱特性，各要素布局與表面溫度的關系，通過園林空間內的表面溫度梯度分布反映空間內的冷熱源分布。Lee 等[33]研究考察了韓國首爾的三條主要商業(yè)街道熱環(huán)境，使用熱成像相機分析城市街道上各種物理元素的熱特性，并提出改善行人熱舒適性的策略。

圖3 三種尺度熱像圖的獲取與應用Figure 3 Thermal imaging and their application

3 園林場地熱環(huán)境評價技術展望

基于以上園林場地設計熱環(huán)境特殊性與評價方法的論述，發(fā)現基于輕小型無人機遙感的平臺特性、數據獲取的多樣性和優(yōu)勢，可以為快速直觀有效地評價城市園林熱環(huán)境研究提供新的方式和視角。

3.1 輕小型無人機平臺

無人機系統(tǒng)主要由三部分組成：無人駕駛飛行器，地面控制站和由地面控制站負責指揮和控制無人機的數據傳輸系統(tǒng)。依據無人機的機身質量分為戰(zhàn)術型（＜150 kg）、小型（＜30 kg）和輕小型（＜5 kg）[34]。近年來隨著科學技術的發(fā)展，無人機與傳感器設備朝著小型化發(fā)展，在方便科研活動的同時又保證了較好的穩(wěn)定性。適合輕小型無人機平臺搭載的輕量級熱紅外成像儀產品為城市園林熱環(huán)境研究提供了一種高效和低成本的解決途徑，可以作為地面遙感、衛(wèi)星遙感和航空遙感的補充。本文列出了目前科研領域常見的可供輕小型無人機搭載的熱像儀產品（表1）及其技術參數。

表1 輕小型無人機載熱像儀產品型號與參數Table 1 Types and parameter of thermal cameras for light UAV

3.2 數據獲取與應用

無人機平臺可以搭載不同的傳感器與攝像設備[35]，其獲取的數據具有多樣性。為拓展輕小型無人機在熱環(huán)境評價的運用，依據輕小型無人機飛行范圍和獲取數據性質差異，將其運用空間分為林冠上層與林冠下層（圖4）。

3.2.1 林冠上層 當無人機位于林冠上層時，由于飛行軌跡高，觀察對象廣、種類多，其獲得數據主要是物質空間數據，例如綠地率、綠植高度、水域面積、亭臺布置、地形、表面溫度分布等園林場地各要素物理空間信息。通過無人機在場地上空拍攝的超高分辨率圖像可以幫助研究者獲得詳細的土地覆蓋信息。Feng 等[36]利用無人機技術來精確區(qū)分城市植被區(qū)域的土地覆蓋，有助于提高不同植被類型的可分性，從而提高分類精度。通過對植被種類組成和熱成像研究，揭示了某些樹種降溫效益的優(yōu)勢和局限性，在城市植被研究中具有很大的應用潛力。如Kazantsev 等[37]以烏克蘭基輔市A.V.Fomin 植物園為研究區(qū)域，利用無人機對不同植物的樹木面積、高度、體積和光敏潛力等進行評估，對比發(fā)現該區(qū)域緩解城市熱島效應最有潛力的樹種（氈毛槭Acer velutinum，尖頭木蘭Magnolia acuminata，玉蘭Magnolia denudata）。通過無人機攝影測量技術和激光雷達技術還可以實現場地三維建模和地形建模[38]，獲得園林空間內的豎向數據，可高效指導風景園林設計實踐。通過林冠上層拍攝的熱像圖可以反映下墊面表面溫度分布。

林冠上層無人機獲得的園林場地的物質空間數據，能夠直接評價場地熱環(huán)境物理溫度，同時對熱環(huán)境實測的園林場地要素相關數據進行分析，能夠為其研究者和設計師找出有效降溫措施和模式，實現場地熱環(huán)境優(yōu)化。

3.2.2 林冠下層 當無人機位于林冠下層時，由于飛行軌跡低，觀察對象以園林使用者為主，其獲得數據目標應為使用者社會活動數據，如園林場地與休閑設施使用率，使用者空間分布特征，通道擁堵情況等社會活動信息。如Park[39]使用無人機收集的公園使用數據，根據公園屬性和鄰近條件來考慮公園使用情況，以提供鄰域緊湊性和混合土地利用作用的理論依據。傳統(tǒng)方法對行人活動的監(jiān)測具有挑戰(zhàn)性，但無人機能以可靠和有效的方式對行人行為和分布進行記錄和繪圖[40]。

通過無人機獲得園林場地使用者的社會活動數據，不僅在一定程度反映出使用者對園林熱環(huán)境的舒適程度和滿意程度，佐證其物理溫度；也能通過結合園林空間的物理空間數據，為探究園林場地造景提供現實參照，進一步提供熱環(huán)境優(yōu)化與評估方案。

3.3 優(yōu)勢與局限

輕小型無人機遙感具有高時效、高分辨率、云下低空飛行、高機動性等優(yōu)勢，對于研究氣候適應性視角下的當代景觀設計具有重要意義。從實際效益看，輕小型無人機熱紅外遙感提供數據的空間尺度與園林場地設計實踐的空間尺度匹配度較高，可以實時獲取空間內熱環(huán)境變化特征，且精度較高可有效反映地表溫度環(huán)境；通過對垂直表面的影響因素分析，能有效促進園林空間的三維熱分析，為指導設計實踐的城市園林熱環(huán)境理論建構提高新視角。此外，利用無人機可以監(jiān)測綠地內使用者的分布與行為活動，與綠地熱環(huán)境研究相輔相成。而且以往的研究都是從某一特定空間類型特征出發(fā)，而無人機熱像圖使得空間熱環(huán)境統(tǒng)一化呈現，將研究空間作無差別考慮。

無人機熱紅外遙感也存在一定的局限性。輕小型無人機平臺的荷載和續(xù)航時間的限制是短板。無人機影像也存在數據量大，圖像處理難度大，時間同步性不足等問題，對于數據的量化分析依舊存在巨大的挑戰(zhàn)，此外還需要考慮在城市環(huán)境中無人機飛行的合法性規(guī)定。

4 結語

從古代傳統(tǒng)園林的生態(tài)智慧到當代景觀的氣候適應性設計，越來越多的園林工作者開始關注如何基于人們日常生活和游憩行為營造局部氣候適宜的園林空間。從各園林要素分析，水體、植被、山石、構筑物等具有對微氣候的調節(jié)作用，其功效與設計手法已經被研究人員所掌握，并廣泛運用于當前園林設計中。

就場地熱環(huán)境評價而言，盡管國內外對熱環(huán)境的研究廣泛開展，但仍存在一些不足。許多研究采用同一種熱舒適評價模型，而忽視了地區(qū)氣候與人熱感知的差別；園林場地設計的熱環(huán)境評價體系尚未建立，研究多在于驗證場地設計要素與微氣候因子、人體熱舒適度之間的相關關系；在場地熱舒適性評價方面多采用數值模擬、場地實測和調查問卷，場地實測和調查問卷不僅耗時耗力，呈現點數據并不能完整表現空間內的熱環(huán)境狀況，數值模擬構建的場地模型則存在與實際場地環(huán)境相差較大的問題。

通過梳理場地熱環(huán)境研究的評價指標和方法，探索出評價園林場地設計熱環(huán)境新的技術方法，從輕小型無人機熱像圖可以反映園林空間內的真實表面溫度分布，這種方法適用于不同類型的園林空間。輕小型無人機平臺還可以獲得使用者行為特征、園林設計要素的空間形態(tài)特征、場地三維模型等數據，對其進行的理論與應用研究有助于開展相關研究工作，指導當代園林場地設計。未來需要構建基于該技術的園林空間熱環(huán)境評價體系，探索如何利用熱像圖來評價園林空間范圍內的人體熱舒適度的研究方法。