基于遥感的城市绿地空间异质性及其热环境效应研究

Urban vegetation is regarded as an ecological measure to mitigate the urban heat island (UHI) effect. But urban vegetation areas can not be expanded boundlessly due to rapidly sprouting buildings and limited total areas in cities. Rapid urbanization can tremendously alter the urban surface structures, which results in significant spatial complexity and heterogeneity in urban green spaces. Our previous researches confirmed that this spatial heterogeneity in green spaces could typically affect the spatial distribution pattern of land surface temperature, especially in urban highly developed areas. This study aims to reveal the spatial structure and landscape heterogeneity of urban vegetation in built-up areas, central urban areas and the administrative areas, respectively. Remote sensing technology and landscape ecology theory are combined in examining the quantitative relationship between urban vegetation structure and heterogeneity and urban surface temperatures to reveal how urban vegetation alleviates the UHI effect as an integrated ecosystem. This helps us better understand the closely interaction among ecological pattern, process and function from a perspective of landscape ecology by the achievement how rapid urbanization, urban vegetation heterogeneity and urban heat island mitigation influence each other. It also provides useful information on how to arrange the specific structure and optimize the spatial pattern in planning urban green spaces system to maximize ecosystem services.

城市绿地系统在缓解城市热岛效应方面有着不可替代的作用，但在快速城市化的背景下，仅靠增加城市绿地面积和提高绿化率已远远不够。随着城市化进程的加快，城市绿地景观要素和组分在空间分布上呈现出明显的复杂性和不均匀性，通过前期研究，发现城市绿地这种空间上的异质性会明显影响地表温度的空间分布，尤其是在城市化程度较高的区域。本项目拟在前期研究的基础上，以城市绿色生态系统为研究对象，采用遥感技术和景观生态学原理方法研究城市建成区、中心城区和市域三种基质背景下绿地空间结构和绿地景观异质性特征，定量分析其与城市地表温度和城市热岛效应的关系，探讨其热环境效应及热岛调节机制；从景观生态学的视角，理解格局（绿地空间异质性）-过程（快速城市化）-功能（缓解热岛效应）在城市化过程中的相互作用、相互影响，合理布局绿地斑块结构、优化绿地空间格局，提高单位绿地面积和城市绿地景观缓解城市热岛效应的生态效益。

城市绿地作为城市中唯一有生命的基础设施，在缓解城市热岛效应方面有着不可替代的作用, 绿地系统要素组成及布局方式是影响其热环境改善效益的重要影响因素。项目以城市绿色生态系统为研究对象，综合运用遥感技术和景观生态学方法，分析了城市热岛效应的时空演变特征及其主要影响因素，探讨城市绿地结构特征与地表温度的关系，明确绿地景观空间异质性及其热岛调节机制。研究结果表明：（1）城市热岛效应主要发生在相应时期的建成区和武钢工业区， 而城市大型水体则表现出明显的 “冷廊效应” 和 “冷岛效应”，1987年到2013年，武汉城市热状况总体呈现恶化趋势。（2）影响武汉城市热岛效应的主要因素有不透水面指数、水体面积比例、归一化建筑指数、归一化植被指数及绿地面积比例；不透水面指数能较好地解释热场空间的异质性，城市扩张和城市建设强度加大对恶化城市热环境和加剧城市热岛扩展作用明显；城市大型水体表现出良好的降温效果。（3）不同地表覆盖基质条件下，城市植被表现出不同的降温效果：建设用地＞农用地＞草地＞林地；基质内同质性越高，平均归一化植被指数与平均地表温度的关系越密切；基质自然覆盖比例越大，小气候特征越明显，绿地降温效果越好。（4）绿地综合体内，对地表温度影响最大的格局指数依次是水体斑块类型面积（CA_W）、建设用地斑块类型所占景观面积比例（PLAND_C）、绿地类型核心斑块占景观面积比（CPLAND_G）、绿地类型相似度均值（SIMI_MN_G）及绿地类型邻近指标均值（PROX_MN_G）；而绿地斑块的空间特征对地表温度的影响较弱，不能有效解释地表温度的空间变化。以上研究结果可为有效缓解城市热岛效应提供数据基础，在城市绿地空间格局优化和规划设计方面有着重要的理论和应用价值。