全球位置網格在城市熱島空間形態表達中的應用研究

周燕迪

（北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 100044）

1 概述

快速的城市化進程使得城市區域不透水面大幅增加，城市綠度減少，導致城市空間范圍內熱量累積[1]，使得城市地區溫度高于附近農村地區，即城市熱島效應。城市熱島效應所帶來了的負面影響包括城市大氣污染物累積、損害人類健康和人居舒適度[2]。因此，精確表達城市熱島空間形態對于分析城市熱島效應的時空變化特征，緩解城市生態環境問題、推動城市可持續發展具有重要意義。

現有的表達模型如高斯模型法[3]、支持向量機法[4]模型擬合困難，并且無法精確刻畫城市內部熱島空間形態的溫度起伏，從而無法支持城市熱環境的實時動態監測，而GeoSOT（Geographical coordinate global Subdivision based on One-dimension-integer and Two to nth power）[5]網格在空間表達上的快速、真實性等優點，并且得到了廣泛的研究與應用[6]。因此，本文基于全球位置網格對熱島空間形態進行描述并與傳統的高斯模型法進行分析。

2 研究區概況與數據準備

2.1 研究區概況

北京市東、西城區，總占地面積92.49 平方千米，是我國城市化發展最快的地區之一，人口高度聚集、頻繁商業活動、工業生產及高密度的胡同住宅區等多種影響環境的因素同時存在，使得其城市熱島現象顯著，空氣污染問題突出，給居民生活與健康帶來不利影響。

2.2 數據準備

本文選用2016 年6、7、8 月份且云量在10%以下的Landsat78 影像數據，利用單窗算法[7]對影像數據進行溫度反演后，通過柵格轉點的方式獲得研究區的地表溫度值，共125780 個。利用北京市夜間燈光數據與不透水面數據[8]確定城市中心區邊界后，采用基于面積相同的方法識別城市背景溫度場區域，并計算得出2014-2019 年夏季背景場溫度值Trural，并將城市熱島強度UHIIi定義為地表溫度值Ti與Trural的差值，即：

3 研究方法

3.1 熱島網格模型構建

GeoSOT 將全球剖分為32 級多尺度網格，大到可以表示整個地球表面，小到可以表示1.5cm 尺度。網格層級與網格尺度相對應[5]，采用了空間Z 序的編碼方法給每個網格賦以全球唯一編碼，如圖1 所示。

圖1 GeoSOT 網格多級剖分示意圖

本研究以GeoSOT 為基礎，根據地表溫度點的經緯度以及溫度值，選擇相應的網格層級，將點及其附帶信息關聯到GeoSOT 網格單元中，構建熱島網格模型，如圖2 所示。

圖2 熱島網格模型

每個點數據在這一層級對應唯一的網格編碼，并且該網格可儲存這一點的所有屬性，即：

式（2）表示n 個點數據構成整體的空間N；式（3）表示每一個點對應指定層級的一個網格；式（4）表示每個點數據對應唯一的網格編碼；式（5）表示每一個點的附帶屬性都會傳遞到對應網格的關聯屬性。

將城市熱島數據與網格所包含的信息存儲于數據庫中，如表1 所示，二維網格編碼為數據表的主鍵，用于識別全部空間網格，同時記錄每個網格中心點數據的地表溫度、傳感器等關聯信息，為城市熱島空間形態的表達提供支撐。

表1 城市熱島信息與全球位置網格數據表

3.2 熱島空間形態的表達

本研究利用GeoSOT 的離散特性，將城市地表溫度的起伏，即城市熱島的空間形態進行三維可視化，具體方法是將每個熱島溫度點數據的地表溫度值作為點數據的高度分量，并根據點數據的經緯度構建熱島空間網格體，來描述研究區內部的熱島強度細節分布，示意圖如圖3 所示。

圖3 熱島空間形態表達示意圖

將每點的地表溫度值根據熱島強度劃分等級表進行劃分，劃分標準如表2 所示。

表2 熱島強度等級劃分

相較于影像30m 的空間分辨率來說，地表溫度差值1-10℃在圖中顯示不明顯，因此本研究采用的等比擴大的方法，將地表溫度值進行了夸大，用于細節描述地表溫度的起伏，擴大方法如公式（6）,

4 結果與分析

4.1 熱島空間形態表達結果分析

本研究將城市地表溫度以空間網格體的形式進行表達，并基于Cesium 地理引擎平臺將表達的效果呈現出來。通過編碼對研究區內網格數據進行立體網格邊線繪制，從而刻畫城市熱島空間形態細節，網格化表達效果如圖4 所示。研究區內被分為非熱島、次低強度、中強度、次高強度、高強度、極高強度這六個等級，從圖中可以清晰地看出研究區內各個位置的熱島強度分布情況。

圖4 2016 年夏季北京市東、西城區熱島空間形態

4.2 方法比較

為了進一步論證說明基于全球位置網格的熱島空間形態表達方法的細節性，將該方法與高斯曲面擬合法進行了對比試驗，其中高斯曲面擬合是對熱島強度信號函數U(x，y)進行擬合后進行曲面擬合表達，具體公式如（7-8），表達結果的對比情況如圖5 所示。

圖5 不同方法的城市地表熱島形態表達

從對比圖中可以看出，高斯曲面擬合法的溫度曲面無法體現研究區內溫度的變化，不能真實反映熱島分部的真實情況，而本研究提出的方法利用熱島空間網格體的形式進行可視化展示，可以直觀看出研究區內地表溫度的高低起伏以及熱島強度的分布，更加準確地反映城市熱島的空間形態。

5 結論

本文以北京市東、西城區為例，對2016 年夏季的Landsat78 數據進行熱島空間形態的可視化表達，并結合高斯曲面擬合法進行對比試驗。結果表明本文提出的方法，在熱島空間形態的表達上更加簡便、準確，避免了復雜的擬合過程，在精確刻畫城市熱島空間形態的同時，也為城市熱環境的實時動態監測提供了新的方法參考。