武汉市热岛强度分区与规划应对策略环境监测管理与技术

1、武汉市热岛强度分区与规划应对策略尹杰1,2，詹庆明2，梁婷3,3(1.三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002，中国；2.武汉大学城市设计学院，湖北武汉430072，中国；3.瑞典皇家理工kth，斯德哥尔摩 11416，瑞典)摘要:城市热岛强度分区是城市通风环境改善的前期准备工作。通过空间信息技术，提出了热岛强度分区的方法，并对武汉大城市的热岛格局展开实证研究：首先，将城市地表温度数据与土地利用分类数据进行比对，研究不同土地类型与城市地表温度的相关性；然后，根据土地利用图与热岛强度图对武汉市热岛及冷空气生成区进行划分，并提出建议和规划对策。结果表明：用地类型与地表温度存在联系，部分水域和绿

2、地热岛效应不存在或较弱，可以划定为冷空气生成区，建成区热岛强度分级则根据强度指数划分。摘要增加结果和结论关键词：城市热岛；冷空气生成区；遥感影像；gisa research on heating island and cold air area of wuhan and strategic planningyin jie1，2, zhan qingming2, liang ting2。3(1.college of civil engineering & architecture ,china three gorges university,443002, yichang, hubei,

3、 china；2.college of urban design, wuhan university, 430072, wuhan, hubei,china；3.kungliga tekniska högskolan, kth, 11416, stockholm, sweden)abstract: thermal environment study is a preliminary research for urban ventilation environment study. the paper describes a method of dividing urban heat

4、islands and cold air areas. firstly, we discuss the relationship between land use type and urban surface temperature. we use the map of urban surface temperature which is retrieved from thermal infrared data of wuhan in 19th august 2011. secondly, the urban heat islands and cold air areas in wuhan a

5、re based on wuhan land use map and urban heat island intensity map. finally, conclusions and suggestions are given in the end. it indicated that there is a relationship between land use and land surface temperature. the water and green area have not heat island as the cold air area. the heat island

6、classification map is based on the index. keywords：urban heat island; cold air area; remote sensing image; gis鸣谢：本课题研究得到国家自然科学基金项目基于gis和rs通风潜力分析的城市风道规划支持方法研究的支持,基金编号:51378399。作者简介：尹杰，1987年9月27日出生、男、汉族、湖北松滋、三峡大学 土木与建筑学院、讲师、博士、从事城乡规划和信息技术教学与实践工作。正文控制在4000字范围内，对图和表进行了整合。1.引言“城市中人工干扰强度剧烈，大量人工构筑物的建设改变了城市

7、下垫面的结构，加上全球气候的变化，使城市产生热岛效应之类的病态气候”1参考文献按顺序排列。改善城市热环境需将新鲜的冷空气引入城市热岛区域以缓解城市热岛效应。一方面，可以规划城市风道引导盛行风通过城市，将郊区新鲜冷空气带入城中；另一方面，可以利用城市内部的冷空气生成区和城市热岛的温差形成的局地环流，引冷空气入热岛。删掉“近年来各个领域越来越多的学者意识到城市热岛效应的严重性，对城市热环境的研究日益增多，也从各个层面上提出了许多缓解城市热岛的方法。”引言浓缩，删掉不必要的内容。武汉市是我国中部的区域中心城市，夏日炎热，有“火炉”之称，缓解城市热岛尤为重要。武汉市目前正在规划城市风道，希望通过引入自

8、然风缓解城市热岛效应。热岛强度分区作为城市通风环境改善的前期研究，可以挖掘出城市热岛和冷空气生成区，作为通风系统的作用空间和补偿空间，优化配置通风资源。2.城市通风廊道研究进展“城市环境气候图的研究”和“基于遥感影像的城市热环境研究”的趋势和进展进行合并，整合。 早在19世纪，对城市气候的研究便已经进入学者们的视野。1818年，霍华德首次对城市热岛现象展开探讨2参考文献按顺序排序。德国学者于20世纪70年代后期提出了城市环境气候图（urban climatic map）的概念，城市环境气候图主要分为两个部分：城市气候分析图以及城市气候规划建议图2，城市气候规划建议图在城市气候分析图的基础上，提

9、出城市物质环境的优化措施，改善城市气候条件。 城市下垫面与城市气候关系密切，德国城市风道规划的基础是将城市下垫面划分为三类空间3参考文献按顺序排序：作用空间（存在热污染或空气污染的待处理区域）、补偿空间（附属于某个毗邻作用空间，为作用空间带来新鲜冷空气的区域）与空气引导通道（位于作用空间和补偿空间之间，粗糙度低，不阻碍空气流通的条带状区域）4参考文献按顺序排序。依据以上定义构建城市内部通风系统，使得城市内部对污染地自净化，缓解热岛效应。 可见，城市热环境是城市风道研究的前期准备工作。依据热岛强度的分布格局，科学划定城市的通风廊道。遥感影像反演技术（rs）和地理信息系统技术（gis）成为城市热环

10、境研究的主要方法。国内外学者主要从以下三大方面开展研究：第一、地表温度反演研究。遥感影像地表温度反演利用热红外遥感影像，目前反演算法分为单通道、劈窗和多通道 5参考文献按顺序排序。第二、城市热岛的时空演变方面的研究，通过时间维度的量化分析，挖掘城市热环境演变特征；第三、城市热岛空间格局方面的研究，对城市热环境与城市空间分布的关联性进行探究，提出空间布局的优化策略。3.遥感影像地表温度反演方法删掉单窗算法反演模型的叙述，这部分内容尽量简化。地表温度（lst）是城市热环境研究的重要参考指标，城市热环境地表温度是城市近地表的地面温度。城市地表温度通过建立适当的数学模型，可以提取出遥感影像中隐含的地表

11、温度信息。本文选取武汉市地表温度进行反演，反演范围为武汉市建成区及周边部分郊区，遥感影像数据为2011年8月19日的etm+数据。本文采用谭志豪的单窗算法，利用tm6热波段影像反演，仅需要地表辐射率、大气透射率和大气平均温度3个参数，简单而准确率较高6,7参考文献按顺序排序。由于landsat 7 etm+自2003年5月以后出现扫描补偿器故障，影像两侧出现大量东西向条带，在使用影像之前需要进行去条带处理。envi软件中的去条带的方法包括两种（插值修复和回归修复），温度反演中相邻时相的影像具有差异性，为了尽量消除温度反演的不利影响，本文采用的是插值修复（即三角插值法）。该方法与arcgis里面

12、的tin类似，工作原理是将数据点之间连线以建立起若干个三角形，所有三角形的边都不能与另外的三角形相交，每一个三角形定义为一个覆盖该三角形内节点的面。把每个栅格的值当成是三角形每个角点的标高，当确定了三个角的高程，三角形的倾斜和节点的栅格值就确定了。对条带缺失的处理说明。4.土地利用类型与地表温度的关系（1）武汉市地表温度特征和后文的温度分级有重复，在这里删掉。（2）武汉市遥感信息指数的提取以及各个归一化指数图删掉，武汉市土地利用分类融合到现在的章节中。针对etm+影像提取三种遥感信息指数，分别为：归一化植被指数（ndvi），归一化建筑指数（ndbi）8参考文献按顺序排列和改进的归一化水体指数（

13、mndwi）9参考文献按顺序排序。地表温度与各归一化指数存在着一定的相关性，其与ndbi值成正相关，相关性系数高达0.798，ndbi值越高，则地表温度越高，一定程度上可以说明城市建设用地与城市热岛存在着正相关关系。而地表温度与ndvi及mndwi值具有负相关关系，地表温度与改进的归一化水体指数负相关系数高达-0.528，与归一化植被指数负相关系数为-0.222。城市内冷空气生成区可以通过植被覆盖及水域分布来寻找。 表1. 地表反演温度与各归一化指数相关性矩阵地表温度与各归一化指数关系图删掉，保留相关性矩阵。table 1 correlation matrix of land surface

14、temperature and normalized index图和表加入了英文。相关性指数ndvimndwindbitemperaturendvi1.00000-0.56981-0.30079-0.22150mndwi-0.569811.00000-0.56723-0.52843ndbi-0.30079-0.567231.000000.79795temperature-0.22150-0.528430.797951.00000武汉市地表温度分五级，高温区域集中在以下几个区域：长江与汉水交汇处的武昌老城区，武钢集团及红钢城区，江岸堤角都市工业园周边，汉口站周边，汉正街都市工业区附近，蔡甸武汉经

15、济开发区（见图1）。图中出现了分类取值范围，在这里删掉分类的取值范围。城市用地由水泥、沥青、砖瓦、钢材等导热性好的材料建成，比热容低，温度变化快，炎热的夏日易导致建成区的温度高于周边郊区。耕地、林草地由于有植被覆盖，温度变化慢，植被蒸腾作用给地表降温，耕地地表平均温度要略高于林草地。水域比热容大，温度变化慢，水域对城市热岛的缓解作用最明显。因此，武汉市建成区地表温度的平均值最高，而水域的地表温度平均值最低。图1. 武汉市2011年8月地表温度反演图文章出出现的地名，在图上进行了标注。fig. 1 land surface temperature map of wuhan city 图和表加入了

16、英文。采用监督分类（最大似然法）对土地利用类型进一步分类，监督分类是用已经确定了类别的样本像元，去推测未确定类别的遥感影像部分。遥感影像进行辐射定标，图像剪裁，大气矫正等预处理，采用envi软件中roi方法选取样本点，每种土地利用类型选取均匀分布的样本点（超过50个样本点）。在可分离度检验中，两者土地利用类型间的roi分离度（roi separability）均大于1.8（roi分离度取值为0到2之间，越接近2表示可分离度越大，样本的选取结果越好），用极大似然法进行监督分类，最终得到土地利用分类图，区分城市与郊区。分类后对结果进行精度评价，将分类结果与原始影像叠加，目视检验分类效果令人较为满意

17、。武汉市土地利用类型划分为4类：林草地（包括林地、园地和草地）、城市建设用地（包括城市建设用地及未开发和植被覆盖较少的区域）、水域（包括河流、湖泊和水库）及耕地。武汉市土地利用分类放在了这里，城市与郊区的边界根据监督分类进行，envi软件自动计算的，引出后面对不同用地类型的规模统计。图2. 武汉市土地利用遥感分类图fig. 2 remote sensing map of land use in wuhan city表2. 研究区不同土地利用类型的地表温度分析table 2 the surface temperature of different land use types in study

18、area图和表加入了英文。面积占比温度最小值温度最大值温度平均值温度方差水域12.28%22.9230.6927.091.2林草地9.16%24.6533.6229.211.18耕地38.96%24.9934.2629.681.1建成区39.60%15.7945.7132.872.09武汉市不同温度区间下土地面积统计中（见图3），大部分水域处于低温区及次低温区，而只有极小的一部分在中温区，次高温区及高温区内没有水域存在；而林草地主要位于中温区及次中温区，低温区及次高温区也仅有极少数目存在，高温区不存在林草地；耕地的分布与林草地类似，耕地总体面积多于林草地；城市建设用地在各个温度分级中均存在，主

19、要分布在中温区、次高温区及高温区内，极少数分布于低温区及次中温区内。图3. 研究区各温度等级下不同土地利用类型规模fig. 3 site area of different land use types at each temperature level 图和表加入了英文。5.热岛强度分区 热岛强度是城市热岛效应的一个重要指标，其反应的是城市中的一个区域气温高于周围区域气温的现象。热岛强度越高则相应区域内热岛效应越明显。提取武汉市周边相应规模郊区的平均亮度作为参考，计算热岛强度的公式如下10参考文献按顺序排序：h=(ts-tr)/tr （5.1）其中，h表示热岛强度；ts表示研究区内各点的亮度

20、温度；tr表示城市郊区平均亮度温度，得到热岛强度分布图（见图4）。热岛强度为无量纲指标，不存在负数，当强度小于零时，认为不存在热岛效应；当热岛强度小于0.005时热岛效应不存在或较弱；大于0.005而小于0.015时热岛效应较强；而大于0.015是热岛效应极强。对引用的表格进行了删除。文字进行了表述，表就删除了。热岛区域用地类型为建成区，将武汉市热岛强度分为三级：一级热岛内大部分地区热岛强度大于0.02；二级热岛内大部分地区热岛强度为0.015 - 0.02；三级热岛内大部分地区热岛强度为0.01 - 0.015。冷空气生成区根据用地类型来划分，包括林草地，耕地和水域，大部分地区热岛强度<

21、;0.005。对热岛强度指标进行了说明，后文三级划分是依据指数划分，冷空气生成区的划分是依据指数值和用地类型，说明了热岛划分的指数值的区间范围。图4. 武汉市热岛强度分区图对文章中的地名，在图中进行了标注。fig. 4 heat island intensity map of wuhan city 加入英文说明。 武汉市一、二级热岛区域呈斑块状分布在范围内，热岛占据主城区绝大部分区域，并持续向周围郊区蔓延扩张。而如长江、汉江、东湖、磨山等大面积自然水域和生态区域穿插其中，形成武汉市中心城区重要的冷空气生成区。一级热岛区域主要为工业区、经济开发区和高密度建成区。冷空气生成区主要为城市近郊区、城市

22、公园、大型水域、绿地等。增加了对武汉市大城市热岛强度格局进行了分析。 选取的热岛区域及冷空气生成区有：（1）冷空气集中带：长江和汉水交汇，形成了丁字形的冷空气集中带；（2）冷空气生成区：1、城市近郊；2、盘龙湖片区；3、金银湖片区；4、和平公园青山公园杨春湖片区；5、青山公园杨春湖片区；6、东湖片区；7、沙湖片区；8、严西湖片区；9、建洲村四新村片区；10、南湖片区；11、墨水湖片区；12、什湖片区；13、南太子湖片区；（3）一级热岛区域：14、汉口堤角都市工业区汉口站汉正街都市工业区；15、阳逻新城；16、红钢城片区；17、汉口老城；18、武昌老城光谷；19、江夏山川生物科技园片区；20、汉

23、阳老城区；21、蔡甸武汉经济开发区；22、江夏城区；（4）二级热岛区域：23、盘龙城片区；24、天河机场片区；25、王家墩周边片区；26、青山片区；27、武钢片区；28、武昌南站关山片区；29、汉阳沿汉江片区；（5）三级热岛区域主要位于建成区与城郊交界处。6.基于热岛强度分区的规划策略依据热岛强度等级进行策略性布局。一级热岛区域热岛效应十分明显，该类区域主要为工业用地、经济开发区或建筑密度高的建成区，人口密集，生态用地缺乏，还可能存在一定的空气污染。一级热岛区域的形态为块状，建成环境开发强度高，需以“开拓”为主，“保护”为辅：尽最大可能开拓通风廊道和块状公园绿地等生态空间，创造能为热岛区域提供

24、新鲜冷空气的冷空气生成区，同时要保护好现存的风道及生态区域，在进风口和平行于盛行风向的区域避免建设墙壁状的高层建筑，建筑密集区域降低建筑密度和容积率。另外，为防止污染气体扩散，需要考虑在污染源周边采取挡风防污的措施增加规划改善策略；二级热岛区域热岛效应较为明显，该类区域建筑密度较高，有一些城市公园、街头绿地等生态空间，但不足以很好地缓解热岛。二级热岛区域用地形态为带状或者块状，需“开拓”与“保护”同时进行：既要增加生态区域的面积，又要保护好现存的风道及生态区域。如增加具有生态功能的湿地公园，保护植被水体密集的绿地，同时优化建成环境的群体组合形态，促使通风增加规划措施。三级热岛区域热岛效应较弱，

25、该类用地主要位于城区边缘，建筑密度低，生态区域较多，能有效地缓解热岛效应。针对三级热岛区域，需以“保护”为主，“开拓”为辅：在城市建设的过程中，不能盲目开发，控制开发强度，避免产生新的热岛，保护好现存和有关键作用的生态区域和通风廊道，同时在一些局部热岛强度较高的区域内要开拓生态区域及通风廊道，避免在城市风口处建设挡风建筑和具有污染的工业建筑。增加规划措施武汉市中心城区普遍存在较强的热岛现象，部分地区热岛强度甚至在0.02以上，尤其是武钢红钢城片区，武汉老城区，蔡甸经济开发区，汉口堤角都市工业区，汉正街都市工业区等地区热岛效应剧烈。为缓解热岛效应，提出以下建议：    （1）

26、规划和保护热岛与相邻冷空气生成区之间的风道，使得两者间空气得以自由流通交换，从而将新鲜冷空气输入城市热岛，缓解热岛效应。同时通过风道的设置将热岛片区进行分割。如：从武汉南部郊区沿汤逊湖、南湖、东湖至天兴洲可以作为一条贯穿武汉市南北的风道，穿越武昌区多个热岛区域，为缓解热岛效应能起到很好的作用。    （2）要保护城市内的冷空气生成区，即保护现存的绿地及水域，同时在热岛效应较为严重的区域适当规划一些城市公园、绿地等以缓解热岛效应。如：在以红钢城片区为代表的工业用地及以汉口老城区为代表的老城区等，严重缺乏绿地水域等生态区域，需要开拓一些城市公园及绿地。   

27、 （3）减少热岛区域的热量集聚，可以多采用透水性、保水性地面铺装，建筑密度高的建筑可以进行垂直绿化，建筑色彩以浅色为主，防治对热量过度吸收，工业区内需提高工业热源和能源的利用率，减少热量散失。如：人行道可以将不透水材料换成透水砖、车行道可以采用透水沥青，不但可以预防雨季洪涝，亦可降低夏季晴日路面温度。增加规划措施7. 结论城市存在着热岛与冷空气生成区，不同的土地利用类型与城市局地气候有着很强的相关性。一般而言，水域的温度小于林草地的温度，林草地的温度小于耕地的温度，耕地的温度小于城市建设区域的温度。依据土地利用类型和城市热岛强度可以对城市热岛等级及冷空气生成区进行划分。将武汉大城市热岛强度划分

28、为三个等级，不同的热岛强度采取不同的规划措施。冷空气生成区主要包括城市近郊区、水域、绿地等生态区。将提取出的城市热岛和冷空气生成区作为风道划分的依据，在夏季盛行风的驱动下，构成循环可持续的气候环境。 在后续的研究中，可以采用landsat 8遥感影像进行温度反演。landsat 8于2013年2月11日成功发射，其影像定标参数经历不断调整而日益完善。其携带两个主要载荷：oli和tirs。其中oli是陆地成像仪，tirs为热红外传感器。比起etm+，tirs具有两个热红外通道，使用tirs数据进行地表温度反演理论上能获得更精确的结果。采用landsat 8，进行展望。参考文献对参考文献进行了重新

29、排序，按照文中出现的顺序排序，格式按照要求进行了修改。1朱亚斓,余莉莉,丁绍刚等.城市通风道在改善城市环境中的运用j.城市发展研究,2008, 15(1): 46-49.2任超.城市环境气候图:可持续城市规划辅助信息系统工具m.北京:中国建筑工业出版社,2012.3kress r. regionale luftaus tausc hprozesse und ihre bedeutung fur die raumliche planung m. dortmund: institut fur umweltschutz der universit at dortmund. 1979: 15-55.4

30、 刘姝宇,沈济黄.基于局地环流的城市通风道规划方法以德国斯图加特市为例j.浙江大学学报, 2010, 44(8):1985-1991.5孟鹏,胡勇,巩彩兰等.热红外遥感地表温度反演研究现状与发展趋势j.遥感信息, 2012, 27(6):118-123.6覃志豪.用陆地卫星tm6数据演算地表温度的单窗算法j.地理学报,2001,56(4):456-466.7z.qin, a.karnieli, p.berliner. a mono-window algorithm for retrieving land surface temperature from landsat tm data and its a