城市景观三维扩展及其大气环境效应综述

当前,中国正处于快速城镇化阶段,在城市边界迅速扩展同时,城市内部改造使建筑高度也不断增加,从而使得城市与周边生态环境的相互作用影响变得更为复杂。在三维空间上研究格局变化与过程关系对于城市生态安全持续和健康发展具有重要意义。本文综述了景观生态格局研究在三维空间上的进展和城市大气环境效应;总结了不同尺度上大气数值模式在城市下垫面大气模拟中的应用,以及城市景观组分和三维格局演变对局地气候和大气污染的影响;分析了当前城市景观三维格局研究和城市大气数值模式应用中存在的不足。三维格局定量分析及其环境效应是未来城市景观生态学研究新的方向,包括构建综合反映景观格局与大气环境关系的格局指数,建立融合城市景观格局演变动力机制和大气环境因子于一体的多尺度模型,以及加强城市三维景观格局优化研究。     

城市景观格局演变的生态环境效应研究进展

快速城市化过程剧烈影响着下垫面变化,直接带来了交通拥挤、资源短缺、环境污染、生态恶化等诸多问题,所有这些问题的出现均与景观格局演变密切相关,研究城市景观格局演变及其生态环境效应正在成为全社会关注的热点.系统总结了城市化过程对景观格局演变的影响,分析了城市景观格局演变的热环境效应、水环境效应、生态服务效应,以及城市生态用地与生态安全格局设计等方面的研究进展.指出了目前城市景观演变与生态环境效应研究中存在的问题与不足:(1)现有研究侧重于景观格局演变的量化分析和景观格局指数的计算,较少关注景观格局演变对生态环境及其区域生态安全的影响;(2)城市景观格局演变与热岛效应研究多局限于两者数理统计关系的分析,对于城市热环境形成的机理缺乏深入研究;(3)城市景观格局演变与大气环境效应方面更多研究关注绿地及其空间布局在吸收和降解大气污染物、固体颗粒物方面的作用,对城市景观格局演变的大气环境综合效应以及大气灰霾效应影响机理重视不够;(4)如何通过合理设置生态用地,有效提高城市生态服务功能和保障城市生态安全,目前仍缺乏深入而又系统的研究.下一步的研究中,需要综合多尺度的景观信息来揭示城市景观的演变机理和环境效应,构建基于城市空间扩展和生态服务效应评价的城市生态空间优化决策模型,探讨城市生态空间优化模式与安全格局.     

居住区绿地影响室外热环境的研究进展

城市绿地系统对室外热环境具有显著影响, 但与城市景观规划与设计领域的关联较少。通过文献梳理指出造成城市热环境恶化的主要原因有城市活动、气候变化、下垫面; 然后从降温增湿、通风和减少热辐射三个方面对绿地改善热环境效应进行系统评述, 并从绿地面积和绿地率、植物种类以及绿地结构三个方面探讨了居住区绿地对热环境效应的影响。在此基础上提出展望: 有必要加强在植物空间配置、绿地布局等视角所展开的绿地生态效应研究; 室外热环境数据采集方法及数据精准性需进一步提升; 需要将定量的研究结果引用到设计实践中。     

中国城市空间形态的环境效应

中国城市需要更为紧凑的空间形态,但是城市空间紧凑性的环境效应并不十分清晰。采集城市管网设施指标、城市道路、交通设施指标、生态协同指标等建立环境因子指标集,选择标准化紧凑度指数NCI、标准化离散度指数NDIS、最大斑块面积指数LPI、景观形状指数LSI、平均形状指数SHAPE_MEAN、周长-面积分形维数PAFRAC等形态指标,运用统计分析的方法探索中国146座城市的空间形态的单因子环境效应、综合环境效应及环境效应的差异性。研究结果表明:(1)人均城市道路面积、供水管密度、排水管密度、万人拥有公交车辆、万人拥有出租车辆、人均公园绿地面积等环境因子与城市空间形态密切相关。城市紧凑度越高,城市管网系统密度越低,公共交通设施越少,人均公园绿地面积越少。城市形状越复杂,城市管网系统密度越高,公共交通投入越大,人均公园绿地面积越大。(2)综合环境因子与LSI呈中等强度的正相关(r=0.43,P0.01)。城市空间形状越复杂,城市资源环境相关设施总体投入越多。(3)在不同的紧凑及形状复杂性水平下,万人拥有公交车辆、万人拥有出租车辆、供水管道密度及综合环境因子的显著性差异再次表明城市越紧凑,交通越发达;城市形状越复杂,环境投入越多。本文研究证明了城市空间形态越紧凑、资源越是节约,紧凑型城市空间形态能够用于中国城市建设。     

城市公园景观的热环境效应

城市热环境受到地表的物理性质和人类社会经济活动的共同影响,是城市生态环境状况的综合体现.而城市公园景观的热环境效应显著区别于其它景观类型.城市公园景观的热环境效应研究对城市规划以及城市生态环境评价都具有重要意义.论文以上海市为例,首先提取了城市公园景观斑块的空间分布数据,再利用Landsat7的ETM 为基本数据源,定量反演了城市热环境温度,然后利用GIS中的空间分析功能,重点探讨了城市公园景观的热环境效应.公园景观斑块的面积、周长与其对应的温度具有负相关关系,而形状复杂性指数则与环境温度具有显著的正相关关系,形状复杂性指数则与环境温度的相关程度远高于面积、周长与热环境温度的相关程度.公园斑块的面积以及周长与公园对周围热环境的影响在统计上相关性较差;而形状复杂性指数则与其影响力则具有显著的正相关关系,形状越复杂,公园对周围热环境影响力越强.因此,在城市公园建设中,除了公园类型、空间选址外,边界形状也应作为考虑因素之一.     

绿量的城市热环境效应研究现状与展望

绿量对城市热环境的调控功能已成为目前研究热点。本文从绿量的概念与发展、绿量与城市热环境的调查方法、绿量与城市热环境的关联性以及其在城市规划方面的启示4方面进行论述,总结国内外研究进展,提出了未来该领域的4个发展方向,包括三维绿量调查方法的改善、城市热环境的监测与预测、城市绿量三维空间格局指标体系的构建以及关联绿量与城市热环境研究的三维空间格局分析方法的创建。本文为研究绿量调控城市热环境提供了一种三维空间分析的视角,以期更深入地探索城市绿量的三维空间格局、平衡城市热环境的适宜性和多方面生态效益,为城市绿色空间规划与设计提供科学依据,也为人类适应气候变化并科学调控城市热环境提供理论支持。     

城市露水及其生态效应研究进展

城市露水是一种不可忽视的凝结水资源和湿度来源,其生态效应研究具有重要意义。本文就近年来城市露水及其生态效应研究进展进行了综述,并着重论述了在城市生态环境影响下城市露水量、城市露水化学生态、城市露水研究模型构建、城市露水生态模拟、城市露水收集方法等方面的研究状况。城市露水的形成明显受城市大气环境的影响,表现为城市露水量减少,城市露水中的一些离子浓度偏高,其化学成分与城市大气环境相关等。城市露水生态过程的模型构建和露水的生态模拟工作已经开展,但非常有限。另外．文章指出了城市露水及其生态效应研究存在的问题。提出了今后城市露水及其生态效应的研究方向。     

城市建筑群三维空间布局评价与优化——以厦门岛滨海地带为例

随着城市化进程的快速推进,城市建设带来了土地资源紧张,使得越来越多的城市向着高层化、立体化、智能化方向发展;城市建筑群三维空间的最优布局是城市集约化发展的基础条件。针对现阶段的城市建筑群三维空间布局存在一些不足,构建城市建筑群三维空间布局的评估方法体系。以厦门岛滨海地带为研究区,基于多源、多空间分辨率遥感影像数据,从建筑景观、热环境和视觉效果3个角度评价厦门岛滨海地带三维空间格局的现状;并总结城市三维空间布局优化发展模式;从建筑景观、热环境和视觉效果这三个角度提出了厦门岛滨海地带城市建筑三维空间的布局优化建议。三维空间布局评价的结果表明：（1）从建筑景观角度,不同功能建筑群与容积率关系：商业区容积率最高,其次是商品房居住区,文教区占地面积广且建筑密度低,民房居住区的容积率是最低的但其建筑密度高;（2）从热环境角度,考虑温度因素,建筑群建筑密度过大、建筑层数过多都会造成温度较高;（3）从视觉效果角度,研究区具有宽广的视觉空间和宽阔海面,与以山体为背景的天际线形成了鲜明的对比。此外,提出优化低层建筑和合理布局中高层建筑的建筑容积率,设计建筑形态多样化和优化天际线前景、中景和背景的层次布局,可提高厦门岛的城市建筑群三维空间布局。本研究可为厦门岛滨海地带的城市建筑群三维空间布局优化提供基础数据支持与技术支撑,为城市土地资源规划等政府部门提供决策支持,对城市建筑群三维空间的合理利用和景观优化具有重要意义;也为我国其他城市的可持续发展研究提供新的科学理论依据和参考借鉴。     

城市典型水域景观的热环境效应

城市热岛效应是当前快速城市化进程中最具代表性的生态环境问题之一.热岛效应进一步影响着城市气候变化与城市可持续发展.现存大量研究证明了土地覆被改变导致的热辐射变化及人为热释放共同作用产生了城市热岛.然而,当前对缓解城市热岛效应要素的研究并不多见.以上海市中心城区为例,首先基于SPOT5影像的分类,提取了城市水域景观,再利用Landsat7的ETM+的热红外波段,定量反演了城市地表热环境温度,然后利用GIS的空间分析功能,探讨了城市水域景观对热环境的影响.研究揭示水域景观在城市热环境中表现出明显的低温效应,而面状水域景观的热环境效应要强于线状河流景观.面状水域景观对热环境影响随着与热岛中心距离的增加而明显降低,此外还受到周围土地覆被的影响.线状河流景观的宽度与流经区域共同决定了其对城市热环境的影响能力.因此,在城市规划设计中,从缓解城市热岛效应出发,水域生态功能区的形态与空间设置可作为考虑因素之一.     

建筑三维空间形态对地气能量动态、空气温度和相对湿度的影响

建筑对城市能量分配和微气候起着重要作用,探讨建筑三维空间形态与地气能量/微气候关系对气候适应性城市建设具有重大意义。基于ENVI-met的多情景模拟结果和增强回归树量化了建筑三维分形维数和三维形状指数对地气能量指标(净辐射、土壤热通量、建筑储热、感热通量和潜热通量)、空气温度和空气相对湿度的影响。研究结果表明,建筑三维分形维数、三维形状指数与地气能量动态、空气温度和空气相对湿度存在非线性关系。白天,当三维分形维数高于2.4,或三维形状指数低于2.0时,随着三维分形维数或三维形状指数的增加,三维分形维数和三维形状指数与净辐射、土壤热通量、建筑储热、感热通量、潜热通量和空气温度呈现统计负相关。夜间,当三维分形维数高于2.4,三维分形维数与感热通量和空气温度呈现负相关;与土壤热通量和潜热通量呈现正相关。夜间,当三维形状指数小于2.0时,三维形状指数与空气温度、空气相对湿度呈现负相关。当三维形状指数在2.0—2.5时,三维形状指数与感热通量、潜热通量呈现负相关;当三维形状指数高于2.5时,三维形状指数与感热通量、潜热通量不存在统计关系。白天,建筑三维分形维数的增加,净辐射、土壤热通量、建筑储热...     

斑块面积对城市绿地降温效应的影响研究进展

在气候变化和快速城市化的双重影响下,全球城市面临日益加剧的热岛效应。绿地能够有效改善城市热环境。城市土地资源紧缺,优化绿地布局,使有限面积的绿地发挥更大的降温效果具有重要的理论意义和实践价值。其中,如何设置绿地斑块大小则是优化绿地布局的首要考虑因素之一。从斑块和景观的尺度总结了现有绿地斑块大小对其降温效应影响的研究进展,结果表明：1）在斑块尺度,随着绿地斑块面积增加,绿地的降温效应相应增加,但增加的趋势为非线性变化,表现为温度随绿地斑块面积的增加先下降,后趋于平稳,表明可能存在降温效率（单位面积绿地降温能力）最强的斑块大小;2）在景观尺度,绿地斑块大小在空间上的配置对热环境的影响研究结果存在差异,尚无一致性定论。基于已有研究,本文指出了现有绿地斑块大小对其降温效应影响研究中的问题与不足：1）主要关注绿地斑块大小与温度的统计关系,缺乏对其具体影响过程和内在机制的深入探讨;2）更多关注地表温度,而对与人体舒适度和健康直接相关的其他热环境指标的研究较少;3）研究中缺少对城市中数量巨大,分布最广的小型绿地斑块的考量。未来的研究应加强从遮阴和蒸腾等降温过程深入解析绿地斑块大小对热环境影响的内在机理机制,从降温效率的角度,探讨是否存在最优的斑块大小,并进一步探讨绿地周围建筑环境对绿地斑块大小与其降温效应关系的影响,为优化城市绿地分布,改善城市热环境提供科学依据。     

基于三维景观指数的城市景观美学特征定量表达——以深圳市为例

城市景观由自然元素与人工元素构成,以建筑为主体,辅以外部空间环境。对城市景观美学价值的研究有利于探讨如何提升城市形象及居民生活环境,为城市规划设计纳入了感性与理性结合的合理途径。景观美学特征以不同方式影响整体景观质量,合理运用景观指数对城市景观美学特征进行量化表达,是评估景观质量的重要前提。在整理借鉴景观美学相关研究的基础上,结合景观生态学理论基础,以城市空间内部审美者的角度将城市景观五大美学特征,包括自然性、开阔性、多样性、奇特性和协调性,转化为可定量表达的二维及三维景观指数。量化指标易使用数据进行快速评估,对于城市规划设计有着积极意义。     

基于城市控制性详细规划的热岛效应评价

随着城市规划法律地位的提升,控制性详细规划在指导土地出让、规范城市建设空间结构方面发挥着越来越重要的作用.在控规单元尺度上理解各项控制指标的热岛效应,在控规地块尺度上进一步揭示控制指标组合的“热环境绩效”,对于定量评价控规的热环境效应、提出缓减热岛的控制措施具有重要意义.本文利用遥感Landsat8 TIRS热红外遥感数据反演的地表温度来表征热岛效应,结合统计分析与GIS空间分析技术,定量评价城市控制性详细规划主要技术经济指标及其配置结构的热岛效应.结果表明: 绿地率、地块面积、建筑密度、建筑高度在控规单元尺度上对地表温度具有显著影响.通过构建三维模型发现,控规地块对热环境影响最小的组合为绿地率30%,容积率2.5～3.5.研究结果为城市控制性详细规划的优化提供了新的视角.     

城市热环境风险预测及时空格局分析

人类活动改变土地利用/覆被所诱发的城市热环境风险成为影响城市化进程和城市生态环境可持续发展的重大阻碍。但是,当前热环境风险识别、评估和预控技术和方法缺失使得城市热环境安全防范和调控措施相对滞后。构建城市热环境风险预测模型:(1)将不同时期的地表温度进行正规化分级;(2)构建基于MARKOV-CA的城市热环境时空过程预测模型并验证其精度;(3)建立城市热环境风险评判规则并分析城市热环境风险时空格局特征。通过2005—2015年夏季MODIS地表温度产品及1∶10万土地利用现状遥感监测数据预测2015—2020年北京市城市热环境风险时空格局并分析其特征。北京市城市热环境风险呈增加趋势,其中极高风险区面积比例从9.66%上升到12.08%,极高风险等级区域主要分布于东西城区、朝阳区、丰台区、石景山区、海淀区东部、大兴区西北部,并逐渐向东西方向延伸,斑块数量增加,聚合程度也有所提高。城市热环境风险预测模型可对通过城市空间规划调控和防范城市热岛效应提供理论和技术支撑。     

南京城市街区湿球温度时空变化特征及其影响因子

全球气候变化和局地城市热岛加剧了城市热胁迫问题,但针对城市街区的研究仍不多见。湿球温度指示气温和湿度的综合效应,能更准确地反映人体热舒适度。本研究以南京市江北新区为对象,在不同时段、季节和天空状况下,基于移动观测方法获取气温、相对湿度和地理信息等数据,分析了街区尺度湿球温度的时空分布特征;结合天空状况、地表覆盖和城市形态指标(天穹可见度),探究了城市街区湿球温度的影响机制。结果表明: 1)南京城市街区湿球温度的时空特征与气温较为一致;与水汽压相比,气温对湿球温度的变化起主导作用;该地区湿球温度的极端高值主要是由于气温和水汽压协同增长所致。2)天穹可见度在白天与湿球温度呈显著正相关,夜间为负相关关系。植被覆盖比率的增加能够降低湿球温度,不透水面则呈现相反的作用。阴天条件下,湿球温度明显降低并且空间分布更均匀。3)植被和不透水面对湿球温度的水平尺度效应存在昼夜和季节差异,并且在夜间这一效应对天空状况更敏感;与植被相比,冬季夜间不透水面的影响范围比夏、秋季更大;两者对湿球温度的水平尺度效应与气温一致。研究结果可为改善和优化城市街区热环境、缓解城市热胁迫提供有效的科学支持和理论依据。     

基于城市环境气候图的宁波大气环境分析与调控对策

城市化的蓬勃发展改变了城市气候和环境,产生了诸多气候环境问题,需要有效的城市气候环境信息与调控对策来应对和缓解,城市环境气候图在城市气候环境的规划与调控方面提供了重要指导。在传统城市气候图的基础上,提出了多季节、多环境要素相结合的城市环境气候图构建方法。在此基础上,以具有复杂下垫面和明显季节性气候特征的宁波市区为案例,综合运用遥感反演、GIS空间分析、中尺度数值模拟等技术手段,对城市热负荷、大气污染、通风潜力和风场及整体的城市气候环境进行多季节分析与评估。结果表明:在形成城市气候环境的主要要素方面,城市热负荷、大气污染物分布都具有显著的季节性和空间性差异,宁波市春、夏季同时受热负荷和大气污染影响,冬季仅受大气污染影响,秋季受二者影响均较小;通风潜力的空间格局各季节之间具有高度的相似性;风环境复杂多变,呈现出显著的季节性和空间性差异。对城市气候环境的整体分析发现,城市气候环境高价值区和中价值区主要分布于山林、农田和水体,高风险区位于北仑、镇海和杭州湾南岸的沿海重化工业带,中风险区分布于江北区东部、鄞州城区东西两翼、慈溪城区和奉化城区东北部等工厂厂房密集的区域。进一步在前述分析的基础上,提出了城市风道规划方案和气候环境调控对策,包括2条一级风道、5条二级风道、3条受海陆风影响的三级双向风道、12条受海陆风影响的三级单向风道、13条受山谷风影响的三级单向风道和七类城市气候环境调控对策。提出的多季节、多环境要素相结合的城市环境气候图构建方法适用于季风气候地区复杂气候环境的分析与评估研究,能够提高城市气候环境分析的综合性和准确性,并能够通过风道规划及相关调控对策的制定和实施改善城市热负荷和大气环境质量,缓解各季节的城市气候环境问题,为城市环保、气象、规划等部门提供重要的决策支持,从而促进城市可持续发展和生态城市建设。     

基于多源数据的城市住区生态宜居性评价——以深圳市为例

作为反映城市生态环境的重要指标,城市生态宜居性受到学术界越来越多的关注。结合遥感与兴趣点（POI）数据生成分类特征,利用文档主题生成模型进行特征重表达,采用随机森林模型提取住区,为后续的生态宜居性评价提供基本单元;随后,依据多源数据生成多个生态宜居性评价指标,使用基于熵权的TOPSIS方法构建生态宜居评价模型,得出每个住区综合得分;以深圳市为实验区对研究提出的方法进行了验证,并对深圳市的住区生态宜居性进行了空间分析。结果表明：（1）机器学习方法与多源数据结合可得到精细的城市功能分区图,总体精度可达82.1%;（2）基于TOPSIS方法构建的生态宜居评价框架能够对住区生态宜居性进行有效量化,综合得分高的住区多为片区绿化率高、空气质量好、建筑密度较小的住宅区,而得分较低的住区主要集中在城中村等生态环境较差的区域,结果符合客观事实;（3）深圳市内的住区及其评价得分呈现出明显的空间分异,南山、福田、罗湖区域的住宅小区较多;宝安、龙华、龙岗区内部同时包含较多的住宅小区与城中村,导致三个区内部各评价单元的得分差异较为明显;因住区数量少、绿地面积大、空气质量高等客观条件,坪山、盐田和大鹏区生态宜居得分情况较好。以上结果展示了研究方法的有效性,可为城市生态宜居建设及城市规划等提供案例参考和数据支撑。     

城市热岛的生态环境效应

城市热岛效应(Urbanheatislandeffect,简称UHI)是一种由于城市建筑及人类活动导致热量在城区空间范围内聚集的现象,是城市气候最显著的特征之一。热岛引起地表温度的提高,必将强烈地影响着城市生态系统的物流、能流,改变城市生态系统结构和功能,产生一系列生态环境效应,影响着城市气候、城市水文、城市土壤理化性质、城市大气环境、城市生物习性、城市物质循环、城市能量代谢以及城市居民健康等。提高能量利用效率、优化城市格局、建设绿色屋顶、采用高反射率地表材料以及增加城市绿地均可有效地控制城市热岛效应。利用遥感手段和数值模型技术,开展多尺度的城市热岛生态环境效应研究,为改善城市生态环境、实现城市可持续发展提供理论依据。