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Journal of Geo-information Science >

2014 , Vol. 16 >Issue 5: 806 - 814

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2014.00806

Orginal Article

Urban Surface Energy Distribution and Related Characteristics: An Remote Sensing Based Research Applied to the International Livable Cities

  • GUAN Yanning , 1 ,
  • QIAN Dan 1, 2 ,
  • ZHANG Chunyan 1 ,
  • CAI Danlu 1, 2 ,
  • LIU Xuying 1, 2 ,
  • GUO Shan , 1, *
Expand
  • 1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, CA S, Beijing 100101, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
*Corresponding author: GUO Shan, E-mail:

Online published: 2014-09-04

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《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

Abstract

Variations in characteristics of urban surface energy are known to represent the urban ecosystem through relationships between its composition, function and feedback that influence the surface energy balance and lead to distinct urban energy distribution. To quantify the distinct urban energy distribution and furthermore to establish a standard ecosystem assessment indicator, the interpretation and comparison of the international "livable cities" are illustrated in this study. Spatial and temporal variations in the composition, function and feedback of the urban ecosystem are analyzed, and present us with following results: (1) the underlying impacts on the urban surface energy distribution are due to the differences among urban architecture (e.g. shape, volume), urban planning schemes (e.g. avenue, community), and thermal admittance (e.g. albedo, open space); (2) canopy complexity in the surrounding environment, between buildings, in city parks and other open spaces are essential to the surface energy balance. The international "livable cities" show the similarity that there are large-scale and low-density residential areas around the inner city (or metropolitan areas) with medium surface energy values as buffer and transition zones from urban to non-urban areas; (3) land surface energy change in urban open space is greater than metropolitan areas, and the proportional distribution of urban open space shows higher ratio of low-medium surface energy in the international "livable cities"; and (4) high surface energy areas are displayed with relatively smaller and more scattered pattern. Knowledge of the quantification of the surface energy and ecosystem assessment indicator are necessary for a better understanding of urban surface energy balance and are imperative for urban planning schemes.

Key words： urban ecosystem; remote sensing; surface energy; metropolitan areas and open space; assessment indicator

Cite this article

GUAN Yanning , QIAN Dan , ZHANG Chunyan , CAI Danlu , LIU Xuying , GUO Shan . Urban Surface Energy Distribution and Related Characteristics: An Remote Sensing Based Research Applied to the International Livable Cities[J]. Journal of Geo-information Science, 2014 , 16(5) : 806 -814 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2014.00806

1 引言

城市是多种自然、社会和经济要素影响下形成的高度人工化的复合生态系统[1]。可持续发展的生态城市把城市、城镇、乡村当成一个结构完整和功能健康的活有机体[2],即从城市组成要素构成的质量、各类要素形成城市结构的合理性和城市要素功能的整体运转方面衡量都是有机的系统。城市生态系统由实体空间和开敞空间两部分组成[3],实体空间以城市内部硬质化表面的各类建筑为主,开敞空间位于城市内部和边缘地带,以透水性表面的植被、水体为主。其中,实体空间包括居住区、商业区、公共设施、文体场所;开敞空间包括城市湿地、城市森林和绿廊、城市园林和水体以及城市外围的农耕环境。
自21世纪以来,我国很多城市的形态和轮廓随着快速城市化的进程而改变,导致城市生态系统原有的平衡被打破。开敞空间被持续扩展的实体空间占用。遥感地表能量信息显示,硬质化比例过大的实体空间使城市整体处于高能量的规模聚集状态,持续缩小的开敞空间被高能量包围而成为低能量的“孤岛”,城市与乡村之间地表能量的缓冲与过渡区被压缩,城市地表能量波动与变化的频率、幅度随机性明显增加,亟待通过科学的规划与设计实现城市生态系统的优化与平衡。
欧美发达国家的城市发展大体经历了城市化、逆城市化和再城市化3个进程。我国目前正处于3个城市化进程并存的阶段,大部分城市尚在“城市化”中期,少部分处于后期,仅有极少数城市进入“逆城市化”或“再城市化”阶段。面对我国即将到来的“逆城市化”、“再城市化”进程对区域生态系统改变的巨大压力,以及公众生态意识增强的趋势,城市规划师和设计师意识到生态理念对城市可持续发展的重要性,譬如：关注地表建筑物密度、高度、体量、朝向等属性带来的能量响应的差异和影响;考虑城市小气候环境,将季节风向与建筑物合理配置以调节局部能量平衡,用于城市实体空间与开敞空间的布局规划;对城市地表能量特征的生态修复和可持续城市规划与设计寄予较高期望。
城市地区陆地表面空间、光谱,以及温度分布的复杂性源自不同地表覆盖及其不同组合方式[4]。目前,有一些研究基于遥感信息分析城市化带来的陆地表层能量时空分布差异,以评价城市化进程和可持续程度。例如,Coutts等[5]研究了墨尔本地区人口密度增加对陆地表层能量时空分布差异的影响。Balcik等[6]利用基于遥感的辐射温度信息研究了伊斯坦布尔由城市化引起的人工建筑取代自然景观所带来的变化。Hamdi等[7]通过全球气候模型数据得到的1960-1999布鲁塞尔温度数据分析城市化进程对陆表温度的影响。Zoran等[8]指出布加勒斯特地表和大气间的相互作用受城市化进程影响,并分析了太阳净辐射,以及地表热通量变化。但鲜见运用遥感地表能量信息诠释城市组成要素及其相互作用关系。
本研究从城市生态系统的角度,选择欧美发达国家已完成城市化进程的部分世界宜居城市,通过城市实体空间建筑群的形状和体量,街道与建筑的朝向和配置关系,城市开敞空间的材质属性,以及功能混合区的综合作用,导致的能量变化对城市气候产生影响等反映城市下垫面实体、实体组合单元的地表能量特征及其相互作用关系,建立定量化的城市地表能量分级与评价指标,以探讨国际“宜居型城市”生态系统结构、功能、形态及其时空变化特征。以期在我国的快速城市化进程、大规模的城市及其功能变化过程中,为城市规划与设计提供科学依据。

2 宜居城市地表能量分级和评价指标

2.1 研究区地理背景与数据分析

（1）欧洲城市选择德国的慕尼黑（研究区范围为48°0′49.62″~48°19′14.95″N,11°18′31.42″~11°46′38.50″E,面积1188 km2）,瑞士的苏黎世（研究区范围为47°18′49.76″~47°30′3.55″N,8°19′57.75″~8°41′30.89″E,面积567 km2）。北美洲城市选择美国的西雅图和波特兰（研究区范围分别为47°29′53.35″~47°46′17.56″N,122°34′42.39″~121°59′0.76″W和45°24′25.70″~45°45′35.58″N,122°53′38.32″~122°19′11.93″W,面积分别为1485 km2和1755 km2）。
慕尼黑、苏黎世、西雅图、波特兰均被评选为世界宜居型城市。在完成了城市化、逆城市化、再城市化的发展进程中[9-10],经历了从城市“开发-扩展-污染-治理-修复”的生态优化历程[11-16];城市人口均控制在百万数量级之内[17];拥有规模城市森林、城市湿地分布的开敞空间,与适度的城市实体空间分布形成了城市组成要素的多样性格局,保障了以城市开敞空间为主,实体空间为辅的城市生态系统平衡。
（2）遥感数据的选择时相为春、夏两季的4-8月份。数据源通过美国陆地卫星LandsatTM5/8OLI采集的热红外波段获取地表能量信息（光谱段为10.4~12.5 nm）。遥感数据的传感器内定标流程经过图像记录值-辐射亮度值-辐射温度值（地表能量值）实现,订正因地表影像显示视觉效果而导致传感器自动随机补偿所造成地表实际状况信息的改变误差,将传感器采集地表信息的记录值还原为地表能量物理值（地表能量采用K氏温度表达）。

2.2 分级依据与原则

由于城市实体空间建筑群的形状和体量,街道与建筑的朝向和配置关系,城市开敞空间的材质属性,以及功能混合区的综合作用,人车流活动导致的能量变化对城市气候产生影响。城市不同区域、不同层次的互动和反馈作用改变着周边的气候条件,从而形成与以往不同的气候环境[18]。由于城市下垫面受气候异常、临时降水和大规模城市扩展影响,把经过定标的绝对地表能量信息,直接用于分析存在系统性偏差。世界各个城市因地带性差异使得绝对能量阈值区间不尽相同,也限制了遥感数据的使用,需要将绝对地表能量数据进一步分级,提取城市生态系统中客观反映城市下垫面地物实体、实体组合综合特征和作用与影响关系的相对地表能量信息。
相对地表能量分级是在绝对地表能量基础上采用等域的划分方法,旨在突出主要城市组成要素特征,以满足10%以上能量信息的概率分布,重新定义能量峰值和谷值阈值,并经过各类城市的多时相样本试验。阈值基本划分单元为0.4 K,在2 K以上的基本阈值区间可实现9个级别的相对地表能量分级,即选择代表城市地物实体状况的9个级别作为基本划分单元,获取代表城市地表各个实体综合、变化关系信息的主要特征变量。该分级方法部分克服了地理区位、地形地貌和气候条件等城市下垫面对遥感信息的影响。
相对地表能量分级包括低能量、中能量和高能量3个分区和9个级别。在城市环境分析中可同时采用相对地表能量3个分区和9个分级。除了在4个城市展开研究区尺度9个级别相对地表能量分级之外,考虑到不同卫星传感器提取地表能量信息的有效性和各类建筑物实体结构的完整性,以及建筑群的综合能量响应特征,同时避免数据随机性误差与冗余信息的干扰,以900 m×900 m为基本分析单元,进一步实施9个级别的相对地表能量划分,用于城市实体空间的结构、功能、形态分析。

2.3 评价指标

遥感地表能量信息是城市生态系统组成要素生态过程的记录,并能反映地物实体综合特征和相互作用关系特征,以及随城市下垫面的影响,导致相对地表能量在幅度、频率及其关系上的变化。它取决于不同城市化进程中城市人流、物流、能量流的强度与关系。在空间尺度上,城市组成要素的结构、功能、形态影响城市生态系统的地表能量特征与关系（图1）。城市规划与设计关注的内容包括城市生态系统要素构成和系统要素关系：系统要素构成侧重城市要素多样性作用、结构水平和生态效应研究;系统要素关系关注要素个体和群体内部、各类要素之间,以及作为城市要素集合体与外围环境之间的多层次作用。因此,需要掌握城市要素构成的相对地表能量特征和规律,从城市生态系统的层次提出评价指标。
Fig. 1 Framework of impact factors and assessment indicators for the urban ecosystem

图1 城市生态系统影响因子和评价指标研究框架

（1）分级构成评价指标。反映城市要素基础构成的能量特征。包括不同能量分级在城市要素实体类型、密度,以及空间配置的响应特征;实体空间建筑群的形状和体量,街道与建筑的朝向和配置关系,以及硬质化表面开放性的差异及其对于城市地表能量分布的影响等。
（2）分布状态评价指标。反映城市生态系统组成要素关系的能量特征。包括各级能量分级所代表的主要城市要素类型;开敞空间和实体空间地表能量的变化波动性特征;高能量斑块和低能量斑块分布的规模和状态;各级相对地表能量的分布格局、规模和比例等。
（3）变化趋势评价指标。反映城市生态系统组成要素之间作用与影响关系的能量特征。包括城市实体空间和开敞空间之间地表能量过渡关系构成特征;研究区相对地表能量分布的动态变化等。

3 城市地表能量空间分布及特征

3.1 城市要素结构特征

研究样区在900 m×900 m尺度上,按照城市要素结构实施不同要素类型、建筑密度、空间配置样区相对地表能量9个等级的划分。从样区整体结构观察,实体空间的绝对能量值高于拥有植被覆盖和水体的开敞空间,植被和水体形成的低能量斑块以均匀扩散方式影响周边环境,实体空间地表能量的阈值区间小于开敞空间。
（1）不同城市要素类型的相对地表能量特征。从图2看出,位于低密度居住区的不同要素类型组合表明,属于开敞空间植被和水体的相对能量级别低于实体空间;实体空间道路和相对较大体量建筑物的相对能量级别明显高于其余低密度居住区。按照要素类型排序由低至高的能量分级依次为：植被+水体（开敞空间）<低密度居住区（混合空间的高植被覆盖）<低密度居住区（混合空间的低植被覆盖度）<较大体量建筑和较宽道路（实体空间）,图2中1、4号位置湿地的微气候环境对实体空间道路的能量降低作用显著。其中,样区中等能量分布比例超过50%。图2中5号位置的公共绿地约为0.12 km2,是由林、草和水面组成的开敞空间,它的能量变化影响扩展到2号位置的0.37 km2。
Fig. 2 Geographical distribution of relative surface energy for different urban elements

图2 不同城市要素类型的相对地表能量特征

（2）不同城市组团方式的相对地表能量特征。图3显示,在相同密度间隔排列方式的相同楼层居住区中,植被覆盖程度对能量的改变影响较大,即植被覆盖度高的居住区能量低于植被覆盖度低的居住区,相差2 K阈值区间的3个相对地表能量级别。在不同密度间隔、不同排列方向的实体空间中,图3中3号位置的能量略高于2号位置。图3中2号位置的城市实体空间（红色系列）无植被覆盖的建筑物能量高于周边建筑物,表明无植被覆盖、建筑物材质（颜色）,排列组合方式,以及硬质化表面等是导致高能量斑块的主要原因。
Fig. 3 Geographical distribution of relative surface energy for different morphologic combinations

图3 不同城市组团方式的相对地表能量特征

（3）不同城市空间配置的相对地表能量特征。高层建筑物形成的阴影和植被形成调节能量的组合效应,在样区内处于能量值的低端。图4右侧3号位置的相对能量分级与2号位置对比,在相同的阈值区间和基本阈值单元中,高层建筑物与低矮建筑的组合,同与纯低矮建筑物的组合,它们的相对地表能量分布构成和比例一致,表明同为硬质化环境,建筑物之间,建筑物与开放空间之间,以及建筑物与树冠之间,可,通过结合当地气候条件的空间设计达到调节能量的目的。图4左侧开敞空间的植被整体处于低能量分级,高冠、茂密的树林能量明显低于其他植被。开敞空间较高的能量阈值区间和相对能量分级的侧重表明,开敞空间可以通过生物与化学方式调节区域能量的作用明显高于实体空间纯粹的物理遮挡方式。
Fig. 4 Geographical distribution of relative surface energy for different spatial assignments

图4 不同城市空间配置的相对地表能量特征

3.2 城市要素关系特征

图5和图6的宜居城市景观影像图和相对地表能量分布图显示,围绕在城市中心周围的大规模森林、大面积水面和农田自然形成的开敞空间,或贯穿于整个城市的低能量分布区,由高植被覆盖的大面积低密度居住区中等能量区成为宜居城市实体空间和开敞空间之间过渡地带。从城市周边低能量的农田植被区到城市中心的高能量区,形成了超过4 km以上中等能量分布带,有由低到高缓慢提升的态势。
Fig. 5 Geographical distribution of relative surface energy in Munich and Zurich

图5 慕尼黑、苏黎世市的相对地表能量分布

Fig. 6 Geographical distribution of relative surface energy in Seattle and Portland

图6 西雅图、波特兰市的相对地表能量分布

苏黎世、西雅图的高能量分布区主要集中在实体空间中开放性的机场、码头等交通枢纽地带。波特兰的高能量斑块形成源于两河沿岸无植被覆盖的开敞空间。慕尼黑以位于城市南侧规模森林和自东北向西南贯穿城市的伊萨尔河流域湿地为主的开敞空间低能量分区面积超过60%,高能量斑块较为分散。
慕尼黑、苏黎世、西雅图、波特兰的植被均以规模森林和湿地为主,植被指数分布分别达75.58%（2009年）、87.10%（2013年）、58.77%（2013年）、79.28%（2013年）（按0.1以上植被指数统计）,其中,在0.4以上级别的植被指数分布分别为42.90%、51.61%、35.38%、40.28%。自20世纪80年代以来,慕尼黑、苏黎世、西雅图代表高能量分区的7、8、9级别总和的相对地表能量分布均保持在5%以下,仅有波特兰因为两河汇聚沿岸区有规模裸露开敞空间而使高能量区分布达到7%。宜居城市相对地表能量平衡,以中、低等能量的分布为主体,分级构成稳定和总体能量略有降低（图7）。
Fig. 7 Urban dynamics in terms of relative surface energy

图7 城市地表能量动态变化特征

4 讨论与结论

相对于遥感可见光影像的地表几何形态信息而言,遥感的热红外信息在反映地物实体的敏感性和客观性,尤其在体现地物实体群的综合响应和相互作用关系特征等方面,拥有高分辨率遥感几何形态信息无法比拟的优势,是生态过程中地物实体物质成分、作用与影响关系的度量。陈述彭先生曾经多次指出,遥感的高几何分辨率不等于高信息量。采用热红外信息实现相对地表能量的分级方法,对于还原地表实体信息具有较高的解析度,能在阈值区间2K的范围内,实现相对地表能量划分。国际宜居城市的城市要素结构和城市要素关系及其动态变化分析表明：不同地表实体的个体、群体和相互作用关系的地表能量稳定性,分布多样性特征直接影响城市生态系统平衡与优化水平。
（1）城市实体空间建筑群的形状和体量,街道与建筑的朝向和配置关系,以及硬质化表面开放性的差异性特征,影响城市地表能量的整体分布。在宜居城市中,慕尼黑、苏黎世沿地形地貌、沿教堂和中心广场扩展,长期保持较低的城市扩展力度,使得城市以规模适度的密集型道路分隔居住单元或功能组团,在呈现景观多样性格局同时,有效地限制了高能量斑块的产生;而西雅图、波特兰则是在自然水系周边以城市实体空间的多方向、高密度网格化道路最大程度地限制了独立组团的规模,道路的开放性有益于高能量的降低。城市组成要素空间布局的多功能性和适度的城市规模,成为导致宜居城市建筑群的地表能量在相对较低能量数值区间之内差异化分布状态的主要原因。
（2）宜居城市中心周围的大规模低密度居住区是以中等能量分布为主的城市地表能量缓冲与过渡区。从城市周边农田植被分布区的低能量向城市中心区的高能量缓慢过渡,形成了中等能量区分布空间。建筑物周边的植被覆盖程度,建筑物之间的空间关系,广场和街道的开放性等,使得位于开敞空间与实体空间的混合区域有了能量平衡的基质,低密度居住区被维持在稳定的中等量能量水平。
（3）城市开敞空间的地表能量变化幅度比实体空间大,中、低地表能量分布在宜居城市,占有较高比例。城市开敞空间是人与社会和自然进行信息、物质和能量交换的重要场所,在城市生态系统平衡中占有主导作用。其中,归一化植被指数是评价城市生态系统的重要指标,它是植物冠层有机体和多样性水平的量度。宜居城市的植被指数分布显示,低能量分布区面积超过同城高能量区和低能量区分布的总和,开敞空间绝对能量在数值上明显低于研究区平均能量值,以城市森林和城市湿地为主的开敞空间已经成为从布局、规模和质量方面调节城市地表能量的基础。
（4）宜居城市实体空间的高能量斑块呈现规模较小和分布相对分散的状态。城市开敞空间中无植被覆盖的裸露陆地（波特兰）,实体空间中呈现开放性的大规模用于交通枢纽等硬质化表面（苏黎世、西雅图）是城市高能量斑块聚集的主体。相对于城市整体而言,长期处于相对平衡状态的城市生态系统,保证了宜居城市高能量分布规模较小和分布相对分散的城市特质。

The authors have declared that no competing interests exist.

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