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1、基于森林林冠密度模拟的城市区域风廊识别与构建Identification of ventilation corridors through a simulation scenario of forest canopy density in the metropolitan area王王云云才才 同同济济大大学学建建筑筑与与城城市市规规划划学学院院教教授授2023跨界融合创新应用合作发展大会 数字技术与风景园林融合发展分论坛2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告凉爽城市凉爽城市的实现途径降温阈值识别面积指标的降温阈值识别质量指标的降温阈值通风廊道通风廊道的识别与构建010203目录2
2、0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告通风廊道:凉爽城市的实现途径012 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告1.1 研究背景预计变暖1.5下平均风速的变化。蓝色表示风速减慢,绿色表示风速增快风环境持续恶化1)全球变暖,风环境分化增加。2)人口密集的欧亚及北美地区风速下降;南北极、南半球风速增加2。城市热岛效应、大气污染剧增1983年到2016年,城市人口暴露于极端高温的比率大幅增加11 P.C.Stoy,J.Roh,G.T.Bromley,https:/doi.org/10.1073/pnas.20247921182 IPCC WGI互动图集https:/interactive
3、-atlas.ipcc.ch/regional-information#Surface wind2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告1.2 缓解城市热岛效应的主要途径路径一:提升城市绿地占比1)2018年中国城市绿地覆盖率均值达41.11%12)城市绿地覆盖率的增长趋向平缓1崔佳奇,刘宏涛,陈媛媛.中国城市建成区绿化覆盖率变化特征及影响因素分析J.生态环境学报,2021,30(02):331-339.DOI:10.16258/ki.1674-5906.2021.02.012.2 Reuter,U.,Kapp,R.(2021).Urban Climate in Urban Plann
4、ing:The Experience from Stuttgart.In:Ren,C.,McGregor,G.(eds)Urban Climate Science for Planning Healthy Cities.Biometeorology,vol 5.Springer,Cham.https:/doi.org/10.1007/978-3-030-87598-5_12路径二:引导郊区冷风入城墨尔本制定更凉爽、更绿色的树木街景规划和设计指南斯图加特的城市风廊规划21)依托城市内外的空气流动,建立建成区与郊区的风廊体系,将郊区冷风引入建成区。2)协同建成区内有限的绿地空间的降温效应。2 0
5、2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告引导冷风入城的优势缓解建成区内绿地空间有限与城市热岛效应持续增长的矛盾兼具多种生态功能(消散污染物、连通城郊地区等)影响通风环境的主要因素识别多级通风廊道体系(潜在)无法满足缓解城市热岛效应需求的现状通风廊道盛行风向地表粗糙度气压梯度 随城市发展日渐显著的城市热岛效应1.3 引导郊区冷风入城的框架与逻辑最小累计阻力模型城市内部无法为降温提供足量绿地需求导向反馈冷风自补偿空间吹向功能空间现状问题建成区外围GI系统多尺度温度/气压梯度差建成区GI系统多尺度温度/气压梯度差2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告1.3 引导郊区冷风入城的框架与逻辑如何
6、促进郊区冷风入城?降低建成区外围的地表温度,制造更凉爽的空气形成更大的地表温差,加速空气流通,有利于形成稳定风廊道以缓解城市热岛效应为导向的通风廊道具有最佳降温效应的指标阈值识别建成区有限的建设空间聚焦建成区外围空间的绿色基础设施影响绿色基础设施降温的要素面积结构质量促 进冷 风入 城的 策略目标森林林冠密度绿色基础设施面积提高建成区外围绿色基础设施的降温强度2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告 太原都市区位于黄土高原东部,具有典型的北温带大陆性季风气候特征,总面积6735.48平方公里。建成区:位于汾河平原,面积618平方公里,人口密度高达3750人/平方公里。建成区外围:人口密
7、度较低,为522人/平方公里,近年来由于开发和建设,这里受到了严重的破坏。风热环境恶化1990年后,平均地表温度每10年上升2.15,UHI效应呈现波动性上升。2010-2019年,风速呈现下降趋势,累计下降5.27m/s。(a)太原市区(b)2010年至2019年太原市的年平均风速(53772站点)1.4 研究区域气象站道路环城路研究区域建成区水体图例风速(m/s)年份中国山西省太原都市区2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告识别具有最佳降温效应的GI指标阈值022 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告面积阈值:单位面积内绿色基础设施所占面积质量阈值:单位面积内森林林冠密度
8、的数值绿色基础设施最佳降温效应关键问题1:如何科学的选择量化指标,兼具地方性?关键问题2:如何识别面积和质量指标对降温强度的边际效应?什么数值的面积指标与森林林冠密度具有最佳的降温效应?降温阈值判断相关指标与降温强度之间边际效应的“拐点”位置2.1 逻辑框架2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告识别面积指标的降温阈值02Wang,Y.C.,Huang,J.D.,etal.(2021).Thecoolingintensitydependentonlandscapecomplexityofgreeninfrastructureinthemetropolitanarea.Jornalofe
9、nvironmentalengineeringandlandscapemanagement,29(3),318-336.https:/doi.org/10.3846/jeelm.2021.155732 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告维度指标地形地貌地形位指数(Terrain niche index,TNI)景观构成多样性指标(Simpsons diversityindex,SIDI)面积百分比(Percent of landscape,PLAND)空间配置斑块密度(Patch density,PD)分形维度指数(Fractal dimension index,FDI)景观分离指数
10、(Landscape division index,DIVISION)表1.景观复杂性指标设定森林、草原和农田是绿色基础设施(GI)的主要类型建成区外围空间(11km网格为研究单元)量化绿色基础设施的景观复杂性降温强度 为建成区外围的平均地表温度。代表每个单位的平均地表温度。=皮尔逊相关分析(Pearsons correlation coefficient,PCC)降温效应的阈值(Threshold value of cooling effect,TVoE)绿色基础设施相关指标是否存在降温阈值?2.2 识别面积指标降温阈值的技术路径以平均绿色基础设施斑块面积为依据,划分研究单元(平均斑块面积为
11、0.780.78km,降温半径约0.03-0.18km1)构建绿色基础设施的景观复杂性指标分析其与降温强度之间的相关关系识别降温阈值数据的在地性选择:选择2019年8月15日无云的Landsat8影像(此时太原的雨季刚结束,高温延续,且植被拥有丰富的叶子)。相关性分析1Yu,Z.,Guo,X.,Jrgensen,G.,&Vejre,H.(2017).Howcanurbangreenspacesbeplannedforclimateadaptationinsubtropicalcities?EcologicalIndicators,82,152-162.https:/doi.org/10.101
12、6/j.ecolind.2017.07.0022 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告地表温度低值区域以高海拔山地森林(北部)为主;高值区域聚集于南部平原。平均地表温度为32.49和29.76,相差2.73研究单元以非建成区为研究区域;排除建成区(灰色区域),共计1183个研究单元。用地类型 建成区外围以森林、耕地和草地为主,占56.4%、27.5%和21.1%。研究区域建成区森林草地水体建设用地耕地裸地研究区域建成区最大值:45.07最小值:24.22研究区域边界建成区研究单元2.3 地表温度与用地类型的空间分布2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告区域指指标标类类型型PC
13、Cp建成区森林林冠密度(FDI)耕地0.242*0.016森林0.0150.876草地0.0700.735水体-0.450*0.000景观分离指数(DIVISION)耕地-0.276*0.000森林-0.276*0.000草地-0.0970.260水体-0.474*0.000面积百分比(PLAND)耕地0.291*0.000森森林林0.396*0.000草地0.1340.118水体0.616*0.000建成区外围空间森林林冠密度(FDI)耕地-0.252*0.000森林0.0420.359草地-0.0810.345水体-0.116*0.010景观分离指数(DIVISION)耕地0.221*0.
14、000森森林林-0.656*0.000草地0.0840.063水体-0.290*0.000面积百分比(PLAND)耕地-0.290*0.000森森林林0.743*0.000草草地地0.323*0.000水体0.096*0.034 建成区内,面积比例大、聚集分布的森林具有良好的降温效果,森林面积的降温阈值约为4.5公顷。建成区外围的空间,森林和草地面积的降温阈值为9公顷和2.25公顷。使其在空间上聚集,在地形复杂、起伏的地区有更高的降温强度。2.4 绿色基础设施类型的降温阈值表3 景观复杂性指数与降温强度之间的关系森林森林森林草地备注:PCC为皮尔逊相关系数,*表示相关性在0.01水平上是显著的
15、;*表示相关性在0.05水平上是显著的(双尾)。P值表示两变量不存在相关性的概率值。2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告识别质量指标的降温阈值02Huang,J.,&Wang,Y.(2022).Coolingintensityofhybridlandscapesinametropolitanarea:Relativecontributionandmarginaleffect.SustainableCitiesandSociety,79,103725.https:/doi.org/10.1016/j.scs.2022.1037252 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告数据预
16、处理与解译反演地表温度(2020年9月18日Landsat 8)采用监督分类识别6个用地类型:森林、草地、水体、耕地、建设用地和裸地。2.5 识别质量指标降温阈值的技术路径混合景观的聚类构建混合景观指标体系明确聚类形成8种混合景观识别指标的降温阈值识别各类混合景观对降温强度的贡献度识别各项指标对降温强度的边际效应曲线2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告维度指标景观质量森林林冠密度(Forest Canopy Density Index,FCD)景观结构香农多样性指数(Shannons Diversity Index,SHDI)传染指数(Contagion Index,CONTAG)
17、地形地貌地形位指数(Terrain Niche Index,TNI)阴坡面积百分比(Proportion of Shady Slope Area,PSSA)景观质量1.森林林冠密度指标(FCD):相比于NDVI,综合多项指标,更准确地评估植被的退化和健康状况。景观结构1.Shannon多样性指数(SHDI):考虑了类别的数量和丰度,对稀有斑块敏感。2.传染指数(CONTAG):即衡量斑块类型的干扰,又衡量斑块空间分散。地形地貌1.地形位指数(TNI):综合计算海拔和坡度,表达地形起伏。TNI增加时,海拔和坡度增加,这在黄土高原的丘陵和盆地中很典型。2.阴坡面积百分比(PSSA):山体的坡向也会
18、影响区域 LST。太原于37.16到38.42N,北回归线以北。2020年9月18日的遥感数据,太阳直射点接近赤道。数据是在北京时间11:06获取,太阳位于太原东南方。将西北、北、东北和西坡为阴坡,其他坡为阳坡。2.6 构建混合景观类型指标体系2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告研究单元的相对温差值集中分布在2-2区间(图c、图d)(+增温,-降温)高景观质量(森林林冠密度)的研究单元温差较低,数值低于0(图d、图e)混合景观质量相似,地形复杂、阴坡比例大(地形位指数、阴坡面积百分比)研究单元的温差较低(图e)景观结构地形地貌景观结构地形地貌景观结构地形地貌景观结构地形地貌景观结构
19、地形地貌景观质量景观质量景观质量景观质量景观质量4524-2002-22.7 多维指标对相对温差的影响景观结构对相对温差的影响较小(靠近景观结构的研究单元数量最少)2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告数量最多,森林覆盖广:聚类1,聚类6 森林覆盖广,景观结构破碎:聚类3,聚类4耕地与建设用地占比高(村庄):聚类5地势平坦,草地覆盖广:聚类7,聚类82.8 混合景观的聚类聚类1聚类2聚类3聚类4聚类5聚类6聚类7聚类8图例聚类1聚类2聚类3聚类4聚类5聚类6聚类7聚类82 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告混合景观的相对温差均值易于形成冷岛易于形成热岛相对温差低于0(易于形
20、成冷岛)的混合景观:聚类1、3、4和6。影响范围广、易于形成热岛的混合景观:聚类2、聚类7、聚类8。森林林冠密度和阴坡面积是对地表温度贡献度较大的指标。2.9 指标对相对温差的贡献程度混合景观对相对温差的贡献程度聚类1聚类2聚类3聚类4聚类5聚类6聚类7聚类8聚类1聚类2聚类3聚类4聚类5聚类6聚类7聚类82 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告森林林冠密度指标位于0.40.8之间时,降温的边际效益比较显著;景观结构指标对降温强度的影响不显著。2.10 混合景观中各指标的降温阈值边际效应(相对温差)聚类聚类聚类聚类聚类聚类聚类聚类0.40.82 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会
21、报告基于森林林冠密度优化的情景模拟03Huang,J.andY.Wang(2023).Identificationofventilationcorridorsthroughasimulationscenarioofforestcanopydensityinthemetropolitanarea.SustainableCitiesandSociety95:104595.2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告模拟建成区外围空间中森林林冠密度提升至降温阈值的地表温度(林冠密度0.4)构建综合通风阻力系数识别与构建自补偿空间流向功能空间的冷空气通道3.1 技术逻辑系数2 0 2 3 跨界融合
22、创新应用合作发展大会报告数据时间详情每小时风环境数据2010.1-2019.12风速和风向Landsat 88月15日,2019WRS Path=125WRS Row=034土地利用2019建设用地、水体、裸地、农田、森林和草地建筑数据2019每个建筑物的足迹和高度信息道路数据2019高速公路、主干道和主干路等数字高程模型(DEM)20153.2 使用数据与盛行风向研究区域的风环境盛行风向沿汾河形成南北走向,以及从建成区外围吹向中心城区。建成区外围,风频相对较高,风速相对稳定。现状通风廊道:呈现出以南北风道为主导,西北向和东南向强度较小的通风廊道为辅的风廊结构。使用数据2 0 2 3 跨界融合
23、创新应用合作发展大会报告STEP1:选择模型随机森林是基于Bagging的受监督的机器学习算法。STEP2:模型变量响应变量:地表温度解释变量:森林林冠密度与地形指数STEP3:模型验证数据随机分为两部分,80%用于训练,20%验证。预测数据和观测数据用于计算R2和RMSE。STEP4:设置模拟情景与真实情景模拟情景研究区域内的森林和草地(补偿空间)被选为森林林冠密度增加的目标区域。参考降温阈值研究,当森林林冠密度为0.40时,绿色基础设施具有最佳的降温效果。真实情景基于地表温度现状(森林林冠密度为0.31)森林林冠密度指标的计算流程Bagging VS Boosting3.3 模拟情景的构建
24、高级植被指数(Advance Vegetation Index)裸土指数(Bare Soil Index)阴影指数(Shadow Index)热指数(Thermal Index)遥感影像植被密度高级缩放阴影指数森林林冠密度2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告3.3 模拟情景的构建模拟情景设定森林林冠密度的取值为0.4,对应典型研究单元的真实情况高值低值高级植被指数裸土指数阴影指数热指数森林林冠密度 0.31森林林冠密度 0.40森林林冠密度指标数值高低的示意图森林林冠密度0.4森林林冠密度0.31高高森森林林林林冠冠密密度度低低森森林林林林冠冠密密度度高级植被指数高中裸土指数低低阴
25、影指数高中热指数低中森林林冠密度与相应的子指标的值域表典型研究单元典型研究单元疏林灌木地被裸地早期森林稳定的森林2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告模型精度检验图真实数值呈现正态分布随机森林模拟的地表温度基本呈现正态分布,但平均地表温度比真实数值更高真实反演的地表温度3.4 随机森林模型的构建与检验 R2=0.9879,随机森林构建的模型可进行较为准备的模拟真实地表温度的数值分布随机森林模型的数值分布2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告太原都市区平均地表温度对比建成区外围平均平均地表温度对比太原都市区从32.65降至30.33,下降2.32 ;建成区外围从31.87降至
26、30.01,下降1.86 。建成区外围极大值呈现显著降低,极小值却有轻微上升。森林林冠密度提升后,区域整体地表温度呈下降趋势。局部空间内出现规律性变化。森林林冠密度优化后的地表温度3.5 模拟情景下的地表温度2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告分类指标地表温度梯度高峰密度(Summit density,Sa)均方根斜率(Root mean square slope,Sdq)地类覆盖度道路密度(Road Density,RD)建筑密度(Building Density,BD)地表粗糙度地形粗糙度建筑迎风面积综合通风阻力系数通过地表温度梯度、地类覆盖度和地表粗糙度三个维度的指标进行评估
27、。高峰密度:反映像元值整体变化的幅度,Sa越高表明整体变化的越剧烈。均方根斜率:值越高表明局部存在变化较为快速的陡坡面,对比度(斜率)较高。3.6 构建综合通风阻力系数与斑块镶嵌模型(patch-mosaic model)相比,表面梯度模型弥补了表面异质性和第三维信息的不足。2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告地类覆盖度道路密度建筑密度地表粗糙度地形粗糙度建筑迎风面积高程变异系数(the elevation variation coefficient,EVC):领域内高程标准差/高程平均值坡度:以坡向为基础,坡度越大越利于空气流动(Slope)j是网格中的道路密度,Li是特定道路的
28、长度,Sj是研究单元的面积,n是每个网格中的道路类型数。i=1,n 是输入点。如果点在(x,y)位置的半径距离内,则仅在总和中包含点。popi是点 i 的人口字段值,是可选参数。disti是点 i 和(x,y)位置之间的距离。3.6 构建综合通风阻力系数2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告建成区边缘有较低地表温度梯度值;风阻越低,地表温度梯度值越高。集中在汾河和晋阳湖。建筑迎风面积道路密度坡度高程变异系数SaSdqSaSdq高地温梯度值区域显著增加;建成区的高地温梯度值区域向外延空间明显扩展。农田包围的村庄具有高建筑迎风面积;道路密度从建成区向外逐渐稀疏;坡度在汾河上游较高;高程变
29、异系数在平原较低(约0.2),山区高于0.83.6 构建综合通风阻力系数真实情景模拟情景控制变量2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告3.7 综合通风阻力的空间分布要素SaSdq建筑迎风面积道路密度高程变异系数坡度权重0.170.080.380.240.110.02熵权法确定指标权重 整体综合通风阻力系数显著减弱;森林覆盖区域为高通风阻力,建成区与外围森林之间为低通风阻力;汾河是连接建成区和外围空间的低阻力走廊。真实情景模拟情景模拟情景真实情景 太原都市区北部河谷有大面积高通风阻力空间,夹杂着非连续的低阻力空间 沿汾河和高速公路是低通风阻力区域 靠近水体和森林的地区也为低综合通风阻力
30、2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告采用自然断点法将LST分为5个等级。以位于起点和终点的2个区间作为范围,确定补偿空间和功能空间。综合通风阻力系数使用最小累计阻力模型计算补偿空间和功能空间之间的最小累计阻力应用自然断点法识别风廊等级。对比实际情景和模拟情景。3.8 最小累计阻力模型的应用典型补偿空间典型功能空间补偿空间:东北部面积最大278.61km2。0.58-11.37km2的中小型源地分布于建成区边界。功能空间:集中于建成区,南部平原的村镇。应用流程图例研究区域建成区功能空间补偿空间2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告颜色越红,代表累计通风阻力越大真实情景低阻力
31、值地区分布在补偿空间和功能空间周围;高阻力值地区分布在远离建成区的平原,不存在大面积的补偿和功能空间。模拟情景补偿空间之间的高通风阻力值区明显减少,连接在真实情景中被低通风阻力值区分隔开的补偿空间;东、西山(补偿空间有限的区域),低阻力值区显著增加,廊道宽度增加。3.9 通风廊道的识别颜色越红,代表累计通风阻力越大图例研究区域建成区图例研究区域建成区2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告通风廊道的构建042 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告4.1 多等级通风廊道的空间分布差异真实情景一级风廊主要沿汾河形成南北向的通廊二级风廊尚未形成连续的网络结构东西山、南部平原存在诸多斑
32、块状(非连续)的二级与三级风廊模拟情景一级风廊分布在补偿空间和功能空间周围,最宽达3.25km二级与三级风廊形成连通的网络结构二级风廊连接东西山的低阻力斑块三级风廊在局部形成环状的空间形态,宽度从0.48m到3.62km图例研究区域建成区一级通风廊道二级通风廊道三级通风廊道非重要通风廊道区域图例研究区域建成区一级通风廊道二级通风廊道三级通风廊道非重要通风廊道区域2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告一级通风廊道以补偿空间、功能空间为中心,优化森林林冠密度后,研究区域共新增面积近300km2。二级通风廊道优化森林林冠密度后,共新增面积近217m2。其中,建成区外围新增293m2,建成区
33、内减少了23.65m2。三级通风廊道优化森林林冠密度后,共新增面积近595.67m2。其中,建成区外围新增509.5m2,建成区内新增86.17m2。情景区域一级廊道二级廊道三级廊道真实情景建成区(km2/%)294.82/28.94306.76/30.12168.42/16.53建成区外围(km2/%)987.33/17.27918.17/16.06799.72/13.99研究区域(km2)1315.161324.94968.14模拟情景建成区(km2/%)313.46/30.77330.41/32.44254.59/24.99建成区外围(km2/%)1308.37/22.891211.25
34、/21.191309.22/22.90研究区域(km2)1621.831541.661563.814.2 多等级通风廊道的面积变化2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告城市风热环境的复杂性4.3 研究的局限性影响城市空气流通的因素有许多,本研究选择了具有代表性的六个指标。因此,需要更多的研究来分析多个指标组合对识别通风走廊的准确性。模拟情景的多样性本研究只模拟了一种情况,即根据现有研究,选择在森林林冠密度增加至降温阈值。可以尝试多维度、多指标同时设定模拟情景,研究区域的局限性本研究选择了“两山夹一河”的太原都市区,其具有的独特的地形地貌能够为风廊的识别与构建提供更好的表征。上述研究并
35、不一定适用于平原、沿海等地区。区域尺度的风环境示意图CFD评估不同风向的社区尺度风环境RANS湍流模型预测微观尺度风环境2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告下一阶段:构建趋向稳定的通风廊道未完待续 如何以自然地理单元为依据更合理的划定研究区域?如何将盛行风(风速、风向)纳入量化分析?如何验证所识别和构建的通风廊道能够切实的提供冷风输入?2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告CREDITS:This presentation template was created by Slidesgo,and includes icons by Flaticon,and infographics&images by Freepik Air Circulation,Cooling City2 0 2 3 跨界融合创新应用合作发展大会报告中国地理信息产业协会公众号 关注地信产业精彩 了解协会最新动态 感谢各位院士专家为2023跨界融合创新应用合作发展大会作精彩报告并授权分享!请关注协会公众号,经报告人同意后,会后陆续分享报告PPT(提供下载)等大会精彩内容!转发请保留此页。分享请注明“来源:中国地理信息产业协会”。