全 文 ：哈尔滨市瞬时热力场空间格局分析*
祝 宁1* * 王 成2 周洪泽1 李 敏1
( 1 东北林业大学, 哈尔滨 150040; 2中国林业科学研究院林业研究所,北京 100091)
摘要 应用遥感( T M 图象)及地理信息系统( ArcV iew )技术, 对哈尔滨市瞬时热力场空间格局现状进行
多角度分析. 将 TM 成像时哈尔滨市不同地表辐射温度地块分为 3 个温度等级: 相对低辐射温度 ( <
10 ! )、相对中等辐射温度( 10~ 22 ! )和相对高辐射温度( 22~ 31 ! )地块.其中相对高辐射温度的地块数
量最多, 占 61% ;相对低辐射温度地块最少,仅占 17% ; 相对中等辐射温度地块居中,占 22% .在相对高辐
射温度地块( 22~ 31 ! )中, 大于28! 的相对过热辐射温度的地块为 7018 块,总面积达 12 252 hm2 ,且大小
不均, 最大斑块面积是 1489 hm2 ,最小斑块面积为 0. 72 hm2. 在这些斑块中面积小于 1 hm2的占 95. 02% ,
1~ 5 hm2占 3. 46% ,而大于 5 hm2的占 1. 52% . 它们以热团、热环及碎片的形式分布,形成分布格局. 团状
复合体内平均辐射温度为 30. 8! , 它们主要出现在哈尔滨市的道外区、道里区西南部. 热环复合体的平均
辐射温度为 27! , 它们沿哈尔滨市现存的两条铁路环线构成过高热辐射环带. 碎片复合体内的平均辐射
温度为 24. 7 ! , 以小于 1hm2的过高热辐射地块构成碎片形状, 分布在南岗区和动力区. 还分析了覆盖
率、绿地面积及建筑容积因素与城市热力场空间格局的关系, 提出了改善哈尔滨城市热岛效应的一些思
路.
关键词 地理信息系统 热力场 绿地覆盖率 建筑容积
文章编号 1001- 9332( 2003) 11- 1955- 04 中图分类号 P463. 3 文献标识码 A
Analysis on instantaneous spatial pattern of thermal force field in Harbin. ZHU Ning 1, WANG Cheng2 ,
ZHOU Hongze1 , LI M in1 ( 1Nor theast For estry University , Harbin 150040, China; 2Resear ch Institute of
For estry , Chinese A cademy of For estry , Beij ing 100091, China) . Chin . J . A ppl . Ecol . , 2003, 14( 11) : 1955
~ 1958.
The spatial pattern of urban thermal for ce field is not only the dominant content in assessing city ecological envi
ronment, but also an important base for city gr een system planning. The status of spatial pattern of thermal
force field in Harbin w as analyzed with RS and GIS techniques. Based on the instantaneous radiation temperature
of the land surfaces in the city w hen the TM image w as sensed r emotely , all the patches w ere div ided into 3 lev
els, i. e. , low radiat ion temperatur e ( < 10 ! ) , middle radiation temperature ( 10~ 22 ! ) , and high radiation
temperature of the land surfaces ( 22~ 31 ! ) . The patches w ith high radiation temperature accounted for 61% ,
those w ith low radiation temperatur e accounted for 17% , and t hose with middle radiation temperature accounted
for 22% . 7018 patches ( 12252 hm2 in to tal) with superthermal radiation ( > 28! ) w er e uneven in their areas.
The biggest area in these patches w as 1489 hm2 , and the smallest one was 0. 72 hm2 . The proportion of the
patches w ith an area less than 1 hm2, betw een 1~ 5 hm2, and more than 5 hm2 was 95. 02% , 3. 46% , and
1. 58% , respectively. T here w ere 3 types of spatial patterns of the supert hermal radiation patches, i. e. , round
form ( the average radiation temperature w as 30. 8! ) , ring form ( the average radiation temperature w as 27! ) ,
and pieces form ( the aver age radiat ion temperature was 24. 7 ! ) . Daow ai District and Daoli District were round
form, districts along the ring routes of railw ay in the city were r ing form, and Nangang District and Dongli Dis
trict were pieces form. Some adv ices to resolv e the problem of ∀heat island effect# influenced by the factors in
cluding g reenland covering r ate, greenland area and building dimension w ere discussed.
Key words GIS, Thermal fo rce field, Greenland coverage, Building dimension.
* 国家科技攻关计划重大专项资助项目( 2002BA516A1501) .
* * 通讯联系人.
2002- 03- 15收稿, 2003- 07- 04接受.
1 引 言
人们很早以前就发现城市的大气环境与乡村及
山区具有不同的特点, 英国人 Lake How ard 早在
1818年就伦敦城市中心的温度比郊区高的现象, 提
出∀城市热岛# 的概念[ 3] . 经过差不多两个世纪, 由
于城市规模不断发展、人口过于集中、人为热迅速增
长、城市建筑物猛增等因素,热岛现象从一般的气象
问题变为城市生态条件的重要指标.城市景观是集
聚的建筑物、集聚的产业经济、集聚的人居社区与被
分割覆盖的自然及半自然的水和绿地之间的网络组
合[ 2] . 城市热力景观是城市景观的热辐射能量表现
形式,包括瞬时热场和热场的日变化、季变化,通常
用热场图象来表达. 对城市热力场及动态规律的研
究已成为城市规划、城市环境保护、城市环境质量及
应 用 生 态 学 报 2003年 11 月 第 14 卷 第 11 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Nov . 2003, 14( 11)∃1955~ 1958
大气污染评价等方面的基础.
2 研究方法
使用美国陆地资源卫星 T M 图象 1998 年 10 月 8 日
128/ 28 景幅(哈尔滨地区) 7个波段数据 ,应用 ArcView 地理
信息系统平台,以所研究的地物光谱特性为基础, 使用多光
谱合成及密度分割提取城市地物及城市热力场基础信息, 进
行地表辐射温度的信息提取及空间分析[ 1, 5] .
利用地表辐射温度提取信息,结合 1∃10000 哈尔滨市天
然彩色航空摄影正射影像地图进行判读,确定相应区域的绿
地覆盖率、绿地面积及建筑容积.根据所得数据分别进行地
表辐射温度与绿地覆盖率、绿地面积、建筑容积的统计分析.
3 结果与分析
31 哈尔滨市热力场分布格局
311 地表辐射温度的统计分布 由于从一天的遥
感图象所获得的热辐射的辐射温度数据, 难以代表
和描述哈尔滨市地表热辐射的空间格局及动态变
化,为从宏观上分析城市热力景观格局,根据研究区
内所测定的地表辐射温度的范围( 3~ 31 ! ) , 研究初
步分 3个温度等级: ( 1 )相对低辐射温度( < 10 ! )
地块; ( 2 )相对中等辐射温度( 10~ 22 ! )地块; ( 3 )
相对高辐射温度( 22~ 31 ! )地块. 结果表明, 研究区
域内,相对高辐射温度地块明显多于其余两类地块,
其所占比例达 61% , 相对低辐射温度地块数量最
少,其所占比例仅为 17% .显然, 相对高辐射温度地
块过多是不良环境条件的一个具体反映.
在相对高辐射温度地块范围内( 22~ 31 ! ) , 对
相对过热辐射温度地块( > 28 ! )进行划分, 并进行
景观生态指标的统计分析(表 1) , 同时对相对过热
辐射地块按面积等级进行划分,并按面积分类统计
表 1过热辐射斑块总体指标
Table 1 Overal l index of superthermal radiation patch
斑块特征指标
Patches
characterist ic index
数值
Numerical
value
过热斑块总数(块) 17018
T otal superthermal radiat ion patches
平均面积 0. 72
Average area( hm2)
最大斑块面积 1489
Maximum patch area( hm2)
最小斑块面积 0. 01
M inimum patch area( hm 2)
平均形状指数 1. 5327
Average shape index
平均斑块周长 288. 7
Average patch perim eter ( m)
斑块总体破碎度 1. 3766
T otal broken level of patch
表 2 过热辐射斑块面积分类统计
Table 2 Area of super thermal radiation patch
斑块面积等级
Class o f patch
es area( hm2)
频数
Frequency
百分比
Percentage
( % )
平均面积
Average
area( hm2)
平均形状指数
Average index
of patch shape
平均破碎度
Average
broken level
< 1 16171 95. 02 0. 07 1. 4816 12. 9278
1~ 5 590 3. 46 2. 22 1. 9452 0. 4490
5~ 10 118 0. 69 6. 81 2. 6171 0. 1467
10~ 15 29 0. 18 11. 95 3. 1295 0. 0836
15~ 20 30 0. 18 17. 60 3. 5974 0. 0568
> 20 80 0. 47 101. 49 5. 866 0. 0098
热斑数量、平均面积、平均形状指数和平均破碎
度[ 4] (表 2) . 由表 1可见,相对过热辐射地块总数达
17018块,总面积达 12252hm2, 过热斑块大小不均,
最小过热斑块面积仅为 0. 72 hm2, 而最大过热斑块
面积高达 1489 hm2,变动范围及变动系数极大.
由表 2统计数据得, 过热斑块中, 面积小于 1
hm2的斑块数量最多, 约占斑块总数的 95% ,但此
面积等级的斑块总面积却并不大, 仅 1132 hm2, 占
地块总面积的 9. 2%, 平均 12 块%hm- 2.同时可得,
面积大于 20 hm2 的过热斑块数量为 80块,约占斑
块总数的 0. 47% ,其数量虽少, 但总面积却达 8119
hm2,占斑块总面积的 63% ,其总面积为 1hm2 以下
斑块总面积的 7. 1倍. 从城市环境的过热辐射污染
指标及&热岛效应∋产生的根源两方面来看,面积为
20 hm
2以上的过热辐射斑块,无论在总体数量,还是
个体作用上对环境热污染形成均起主导作用.
312 地表辐射温度的空间分布 研究所获得的
哈尔滨市热力场空间分布(图 1)从市区中心向四周
延伸,区域范围南北达 23. 5 km, 东西达 29 km, 包
括市区(江南、江北两部分)及部分市郊. 由 TM6图
象处理生成的城市热力场专题图及其与哈尔滨市街
区专题图配准叠加分析得, 过热辐射地块在空间
分布上形成3种形式的复合体: 热团、热环、碎片体
图 1 哈尔滨市热力场分布格局
Fig. 1 Spat ial pattern of thermal force field in Harbin city.
1956 应 用 生 态 学 报 14卷
(图 1中黑色表示地块) . 热团由面积分类等级中 20
hm2 以上的过热辐射斑块,及 20 hm2以下的过热辐
射斑块连续或集聚体构成.由图 1可见,热团主要分
布于哈尔滨市道外区及道里区西南部. 热环沿环状
地物形成的连续和断续的过热辐射空间复合体. 由
图 1分辨出,哈尔滨市区存在两条铁路环线, 由哈尔
滨火车站王兆屯火车站香房火车站太平桥火车站
哈尔滨火车站形成一条铁路环线, 由王兆屯火车站
香房火车站平房火车站王兆屯火车站形成另一条
铁路环线.沿这两条铁路环线存在着热环复合体. 碎
片由面积分类等级中 1 hm2以下的过热辐射斑块组
成的分散碎片复合体.由图 1可见,碎片复合体主要
分布于南岗区及动力区.
在城市热力场专题图上对热团、热环及碎片复
合体查询辐射温度, 统计估计得,团状复合体内平均
辐射温度为 30. 8 ! ,环状复合体内为 27 ! , 碎片复
合体内为 24. 7 ! . 由此可见, 不同形式的复合体对
城市热辐射温度影响具明显差异.
查询哈尔滨市区内各行政区(除太平区, 道外区
无江北部分)辐射温度并进行统计(表 3) .由表 3可
见,哈尔滨市区内道外区热辐射温度最高,道里区次
之,南岗区及动力区则最低.这一结果与热力场中过
热辐射斑块复合体分布格局极为一致. 即道外区与
道里区过热辐射斑块复合体主要以热团为主, 受热
团影响,两区内热辐射温度偏高;南岗区及动力区则
以碎片复合体为主, 其热斑破碎度较大,因此过热辐
射对周边环境的影响大为减少.
表 3 各行政区辐射温度
Table 3 Radiation temperature of administration area in the ci ty
建成区
District s builtup 辐射温度Radiat ion temperature( ! )
道里区 Daoli district 26. 88
道外区 Daow ai district 27. 94
太平区 T aiping district 26. 80
香房区 Xiangfang dist rict 26. 65
南岗区 Nangang district 24. 22
动力区 Dongli dist rict 25. 30
32 哈尔滨市热力场空间格局影响因素
321 绿地对地表辐射温度的影响 城市下垫面的
地表性质、类型及其空间组合、分布密度等均是影响
城市热力场空间格局的因素. 太阳辐射能是地表热
力场的主要能源,但不同地表对太阳辐射能的吸收、
传导、反射等方面的差异则构成了不同地理区域及
景观的热力场格局.因此, 城市下垫面的性质、地理
位置及海拔等因素在决定热力场格局方面具有极为
重要的作用,城市热岛现象由城市景观所固有的下
垫面性质所决定.对城市不同类型下垫面的热辐射
进行查询统计得表 4.统计结果表明,城市不同下垫
面造成的热辐射场具有显著的差异. 热反差由大到
表 4 不同下垫面的热辐射温度
Table 4 Radiation temperature of different type of land surfaces in the
ci ty
下垫面
Land
surfaces
热辐射温度
Radiat ion
temperature( ! )
极值比
Extreme
value rat io
分类等级
T ype class
建筑物 Buildings 29. 37 1 3
路面 Road surfaces 26. 23 0. 89 3
草坪 Law ns 20. 85 0. 71 2
树群 Woods 14. 93 0. 51 2
水体 Water body 6. 03 0. 21 1
小依次为屋顶路面绿地水体, 对环境热辐射的调
节能力则相反.依据卫星 TM 图象及航空摄影地图
判读数据进行地表辐射温度与绿地覆盖率、绿地面
积之间的统计分析, 得地表辐射温度与绿地覆盖率
间的回归方程及回归曲线(图 2) :
图 2 地表辐射温度与绿地覆盖率回归曲线
Fig. 2 Regression curve of radiat ion temperature and green land covering
rate.
Y = 28. 489 - 0. 1788X r 2= 0. 8555 ( 1)
地表辐射温度与绿地面积之间进行回归得回归
方程及回归曲线(图 3) :
Y= - 2. 0867ln( x )+ 40.987 r 2= 0.6138 (2)
分析得绿地面积小于5hm2时, 地表辐射温度
图 3 地表辐射温度与绿地面积回归线
Fig. 3 Regression curve of radiat ion temperature and green land area.
在 16~ 30 ! 间变动, 此时绿地面积大小对地表辐射
温度影响所占比重较小, 辐射温度的主要决定因子
为绿地覆盖率, 如增加 10%的绿地, 辐射温度将降
195711 期 祝 宁等: 哈尔滨市瞬时热力场空间格局分析
低 2 ! 左右. 当绿地面积大于 5 hm2 时, 绿地对地表
辐射温度的改善大大提高, 地表辐射温度呈明显下
降趋势,此时地表辐射温度值由绿地面积与绿地覆
盖率共同决定.
322 建筑物对地表辐射温度的影响 依据卫星
T M 图象及航空摄影地图判读进行地表辐射温度与
建筑容积的统计分析, 得两者回归方程及回归曲线
(图 4) :
Y= 21. 833e0. 0983x r 2= 0. 7992 ( 3)
图 4 地表辐射温度与建筑容积的关系
Fig. 4 Relationship curve of radiat ion temperature and building dimen
sion.
分析得地表辐射温度随建筑容积增加呈指数增
长趋势.当建筑容积于 2. 0~ 3. 2之间时, 地表辐射
温度随建筑容积增加而急剧变化;当建筑容积低于
2. 0或高于 3. 2时, 地表辐射温度随建筑容积增加
变化较缓慢,且地表辐射温度具有临界值,环境负荷
建筑容积最大值为 2. 0. 这是因为在建筑容积低于
2. 0时, 地表是以绿地和水体为主, 辐射温度较低,
建筑物增加的累积影响还没有突破绿地和水体对该
环境的控制,一旦建筑物容积增加到一定程度时(如
2. 0) ,其热辐射将随建筑容积呈近似直线上升趋势
增加.然而建筑容积大到成为下垫面主体时, 地表热
辐射接近该地理条件的最大值, 所以建筑物的增加
只能使热辐射值缓慢地趋向这最大地表热辐射值.
4 讨 论
由前述分析可得, 以水泥为基质的建筑物和街
区道路为产生城市相对高温地块和过热斑块的主要
辐射介质, 以植被为基质的绿地为产生城市相对中
等温度地块的主要辐射介质, 以水体为基质的江河、
池塘、湿地为产生城市相对低温地块的主要辐射介
质.
哈尔滨市区相对高温辐射地块占总体的 61%,
说明在城市景观结构中, 以水泥为主体的建筑物比
例过大,在空间分布上较为集中,导致城市热力景观
格局的不合理状态. 图 5 为哈尔滨市热力景观的现
实结构及模拟的理想结构.
图 5 热辐射现实结构和理想结构
Fig. 5 Ideal and exist ing structures of thermal radiat ion of land surface in
the city.
为缓解城市热岛效应,哈尔滨市区未来的建筑
设计需注重环境负荷建筑容积与高绿地覆盖率相结
合,对现有高建筑容积区需大幅度增加绿地覆盖率,
调节地表辐射温度;整个城区以建设小型绿地为主,
增加绿地面积比例, 改善和合理布局景观复合体的
结构,以减少过热斑块个体面积, 加大热斑破碎度,
削减此类斑块的过热辐射污染. 同时辅以建设大型
绿地,从整体上调节城区温度.
参考文献
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Press. ( in Chinese)
作者简介 祝 宁, 男, 1935 年生,教授,从事森林生态与城
市林业研究. 发表论文 80 余篇.
1958 应 用 生 态 学 报 14卷