一种探究建筑物二维及三维景观对城市热环境影响机制的方法

本发明属于城市热岛效应监测，涉及一种用于探究建筑物二维及三维景观对城市热环境的影响机制的方法。

背景技术：

1、中国城市化进程加快的同时，城市建筑物不断增多，交通基础设施、住宅等建筑迅速扩张。城市化进程中产生的城市热岛效应会对城市生态环境以及人类身体健康带来不良影响。城市热岛效应对城市人居环境的舒适程度产生最为直接的影响，使得大部分低纬度城市产生更多的极端炎热天气情况。极端炎热天气使夏季城市温度提高、高温天数增加，严寒期减少。更高的温度以及持续时间更长的极端炎热气象条件导致人们患心脏、皮肤系统和呼吸系统相关疾病的概率明显增加。城市化过速发展使得城市区域下垫面性质产生变化，更容易聚集热量，最终导致城市内部温度升高，甚至对陆地全域温度水平产生影响。城市尺度的相关研究表明，城市规模扩张对城市地区温度升高产生了极大影响，其影响比重高达27.30％。

2、城市区域的快速扩张，对土地资源威胁严重，若不加以干涉，任凭其无节制扩张，势必会造成更严重的资源及生态环境问题。目前，大部分城市政府及规划部门应对城市过速扩张的应对措施多为划定生态控制区及城市开发边界，在不触及生态红线和基本农田控制底限的前提下，对城市二维空间横向拓展边界进行划定。通过此种方式控制建设规模，遏制城区规模的无限制扩张，从而改善城市环境。北京市于2019年4月印发了《北京市生态控制线和城市开发边界管理办法》并提出，对生态保护红线实施最严格的管控，原则上禁止城镇化和工业化活动，严禁不符合主体功能的各类开发活动；优先推动位于规划绿地和生态廊道上现状低效建设用地、集体产业用地腾退，鼓励向集中建设区内布局。因此，在遏制城区范围扩张的大背景之下，城市为容纳更多人口，减轻土地资源的压力，实现继续发展，纵向发展已是大势所趋。城市的纵向发展主要体现为城市建筑物高度的提升，以最小的占地面积，达到最大的容纳水平。如今的城市规模扩张逐渐向立体化、三维化发展，而城市建筑的三维结构是否会对城市热环境产生影响，其三维结构同二维结构相比，影响又有何差异，不同城市的建筑三维结构对热环境影响有何异同，这些均是当下亟待解决的问题。因此，总结出我国城市三维结构对热环境的影响情况及耦合关系，以此来指导城市规划和城市建设，减轻城市热岛效应对城市的危害，对于优化城市热环境调控策略，有着较强的理论研究价值及指导意义。

3、目前对城市结构和城市热环境的研究仍然存在一定的困难与不足，如对典型区域城市研究较少，相关案例的缺乏等等。因此，了解城市三维建筑结构对城市热岛效应的影响机理，采取相应的城市规划手段来遏制城市热环境继续恶化已经是箭在弦上，刻不容缓。系统地研究城市建筑三维结构对城市热环境的升温效应并找到缓解城市热岛效应的最优城市建筑三维空间结构分布，并基于此对城市进行合理规划，是解决城市热岛效应相关问题的研究重点。

技术实现思路

1、本发明是为了补充上述研究内容的空白而提供了一种探究建筑物二维及三维景观对城市热环境的影响机制的方法。该方法通过耦合建筑物三维属性与城市热岛强度，从空间尺度上对建筑物三维属性进行不同辐射半径的拟合，得到最优辐射半径作为最佳阈值，以最佳阈值为分析窗口对研究区域进行分区，以划分区域作多元耦合分析，探究各研究区域建筑物二维及三维属性对地表热环境的综合影响情况，进而得出了建筑物三维景观对城市热环境的影响机制，为城市规划及建筑物设计及管理以及有效预防和缓解城市热岛效应提供了科学依据。

2、技术方案

3、本发明提出了一种探究建筑物二维及三维景观对城市热环境的影响机制的方法，如图1，技术方案包括以下步骤：

4、(1)地表温度反演。卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值lλ由三部分组成：大气的上行辐射亮度l1，大气的下行辐射亮度l2及地面真实辐射经大气衰减之后被卫星传感器接收到的热辐射能量。卫星传感器接收到的热红外辐射亮度值lλ的表达式可写为(辐射传输方程)：

5、lλ＝[εb(ts)+(1-ε)l2]τ+l1

6、其中ε表示地表比辐射率，ts表示地表实际温度(k)，b(ts)为黑体辐射亮度，τ为大气在热红外波段的透过率，l1及l2单位均为w·m-2·sr-1·μ-1。

7、温度为t的黑体在热红外波段的辐射亮度b(ts)为：

8、b(ts)＝[lλ-l1-τ(1-ε)l2]/τε

9、ts可以用普朗克公式的函数获取：

10、ts＝k2/ln(k1/b(ts)+1)

11、其中，对于tirs band 10，k1＝774.89，k2＝1321.08.

12、使用sobrino提出的ndvi阈值法计算地表比辐射率：

13、ε＝0.004pv+0.986

14、其中，pv为植被覆盖度，计算公式如下：

15、

16、其中ndvi为归一化植被指数，ndvis为裸地区域的ndvi值，ndviv为纯植被的ndvi值。在sobrino混合模型中，将地表构成要素列为植被及裸地。用ndvi指数作为指标进行土地类型分类：

17、1)当ndvi＜0.2时，将研究区域地表构成视作全部为裸地，此时的地标比辐射率取裸地的典型发射率，数值为0.973；

18、2)当0.2≤ndvi≤0.5时，将研究区域地表构成视作是由裸地和植被共同构成的混合

19、像元，则此时的地标比辐射率由简化公式计算如下：

20、ε＝0.004pv+0.986

21、3)当ndvi＞0.5时，将研究区域地表构成视作全部为植被，此时的地标比辐射率取植被的典型发射率，数值为0.986。

22、(2)相对热岛强度的计算。城市热岛强度，其定义为选择城市热岛效应中的两个代表性观测位置，以此两点计算出的气温差值。两点的选择一般为城市中心和郊区两地，以此表征在城市热岛影响下城区与郊区气温差值的大小程度，此大小程度数据即为城市热岛强度值。我们采用的相对城市热岛强度计算公式如下：

23、tr＝(ti-ta)/ta

24、其中tr定义为区域内某一点i相对地表温度即表示相对热岛强度，是一个无量纲的比值。ti表示研究区内该点i的地表温度，ta为所研究区域内的平均温度。

25、(3)空间粒度分析。核密度(kernel density)定义为：使用核函数根据点或折线要素计算每单位面积的量值以将各个点或折线拟合为光滑锥状表面。核密度分析法是计算某要素在其周边邻域中空间分布密度的非参数估计空间分析度量方法。对空间中某一特定要素点，将其属性分布定义在搜索半径为h(阈值)的平滑曲面范围内，分布方式随距离衰减(衰减方式由核函数决定)，中心位置密度最大，随距离向外密度衰减，极限距离密度为0。阈值范围内密度的积分之和即为中心点的属性值。独立分布的点的属性值为1。依此计算区域内每个要素点，并对相同位置处的密度进行叠加，得到要素在整个区域的分布密度。核密度分析方法适用于点要素对周围区域有影响且影响效果呈同心圆状向外递减的空间模型。公式表示为：

26、

27、式中，d(xi，yi)为空间上任意点(xi，yi)处的核密度值；r为点要素影响的最远范围；n是在(xi，yi)周围范围r以内的点要素个数；k函数代表空间权重函数，一般为正态分布函数；d表示当前要素点j与(xi，yi)两点之间的欧氏距离。

28、(4)景观格局分析。本研究从数量、形态及结构层面考虑，采用最有代表性的三个景观指数进行计算，分别为类型比例(pland)、景观形状指数(lsi)以及聚合度指数(ai)，以整体把握研究区建筑三维结构的空间分布情况。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

30、(1)建立了城市建筑物的二维和三维属性与城市热环境之间的关系，评价了建筑物各属性空间分布及其与地表温度的相关性，探究了建筑物最优拟合属性和最优拟合尺度，并以最优拟合尺度为依据对研究区域进行分割，进行建筑密度及高度对城市热环境的耦合分析。

31、(2)通过建立城市建筑物二维及三维属性与城市热环境之间的影响机制，可以得出建筑物面积是对城市热环境影响最大的建筑属性，而建筑物高度是对城市热环境影响最小的建筑属性。

32、(3)对于中国城市，不同城市对应最优辐射半径及相关系数均不同，最优辐射半径均在600m范围内取得最大相关系数。有最优辐射半径及相关系数随城市规模增加而增大的规律。