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城市地表开窍度的定量评价 1 向地形遮蔽角的发展 城市地表是一个复杂的表面，与自然表面和人工表面共存。城市地表形态和城市物理环境密切相关。城市街道的宽度和走向,街道两侧及附近建筑物布局的形式、高度、间距等会影响街道的通风以及地表的长波辐射发散,从而改变城市风向、热量分布等自然环境。同时,城市地表形态与居住者的生活质量与舒适程度密切相关,如视野开阔的地区,地面空气畅通,使人心情舒畅,适合生产与生活。虽然目前常用的日照分析、可视域分析均间接反映了地形地物之间的遮挡情况,但是日照分析只计算建筑阳面受光区域,可视域分析的对象仅为地表面,对于地表以上空间的遮挡情况无法客观表示。而“开阔度(Sky View Factor)”是指地表受到周围凸起地形地物的遮蔽时,地表只能见到全部天空的一部分,其中可见部分与天穹半球的比值即为地表开阔度,是对地表形态开阔程度的定量描述,反映了周围地形地物对物理辐射及视线在半球范围内的遮蔽影响。 关于地表开阔度的研究较早集中在自然地表方面。傅抱璞(1983)、李占清、翁笃鸣(1987)在计算山区地面辐射时考虑了自然地形的遮蔽影响,并给出了计算任意方向地形遮蔽角的思路和数学表达式,其地形遮蔽角的含义类似于目前的“开阔度”定义,其使用人工绘制方法在地形图上进行了粗略的测量和计算。Dozier(1990)提出,利用数字高程模型模拟自然地形参数计算太阳辐射的方法,从16个方向分别计算天空可视因子,然后求其平均获得天空可视因子的快速算法。李新(1999)借鉴计算机图形学成熟的光线追踪模拟地形对太阳辐射的遮蔽,为天空开阔度的计算提供了新的思路。曾燕、邱新法(2003)计算了起伏地形下受到地形遮蔽效应影响的可照时间,将地形开阔度的研究推进到实用阶段。孙娴、林振山(2008)探讨了中国地形开阔度的空间分布,以及空间尺度效应,并指出地形高度起伏变化对于地形开阔度的影响非常显著。但是,由于受数字高程资料的获取、模型效率和精度等因素的影响,上述研究都局限于自然地表。对于人类改造最为强烈的城市地区,人工建筑成为城市主体,城市中的地表开阔程度除了受自然地形影响之外,更加受到周围建筑的影响。然而,地表开阔度在中国地区的计算与分析仍未见相关文献。 关于城市地表开阔度的定义和算法研究,Oke(1987)提出了开阔度矢量计算模型,其原理同傅抱璞等计算遮蔽角的方法相似。由于受到计算模型和数据获取方法的限制,起先,计算模型集中于一个计算点,如Oke(1987)利用卷尺和测角仪测量建筑高度,根据相关公式得到一个特定地点的开阔度;Clark和Follin(1988)利用装有超广角镜的标准单眼照相机拍摄照片,经过人工处理得到含有天空、地面和建筑的黑白图片,从而计算某一位置的开阔度。然而,上述方法难以实现城市区域大范围、大面积的开阔度提取。城市数字高程模型(Urban Digital Elevation Model, UDEM)是包括城市自然地表和城市建筑物等信息的数字。模型随着UDEM的出现,为城市地表开阔度的计算及其特征研究提供了数据基础。Ratti等人(2001)提出了高分辨率城市数字高程模型的栅格计算模型,实现了城市地区开阔度的大面积提取。Souza(2003)等人用高分辨率城市数字高程模型,将固定地点开阔度的矢量计算方法,扩展至整个城市区域中。Unger(2004)对城市地表开阔度的研究作了全面综述,指出开阔度的计算结果在某些局部点不合理,城市地表开阔度的研究更应关注区域平均值,并阐述了地表开阔度的区域平均值与城市热岛效应的关系。Gal T(2008)对比了矢量计算模型和栅格计算模型,指出栅格计算模型更适宜于大范围、大数据量的城市地表开阔度的快速计算。以上研究不断完善了城市地区地表开阔度的计算方法。然而,仔细分析相关研究,首先,未见到国内城市地区地表开阔度的计算和分析;其次,国外城市开阔度研究都集中在地势非常平坦的城市地区,几乎认为城市自然地表是个平面,计算结果只反映了建筑遮挡信息,目前,仍未见到有自然地表较起伏地区的城市开阔度的相关研究。因此,本文选择自然地形有一定起伏的丘陵城市作为研究样区,利用高精度栅格形式的UDEM(5m分辨率),实现城市地表开阔度的计算,分析人工改造后高程起伏较集中的居民区、商业区以及人工改造较少,自然地形较为起伏的公共绿地区域等不同类型用地区域的地表开阔度特征,对城市地表开阔度的空间分异特征进行宏观分析,可望为城市物理性能研究如城市风场、热岛效应等提供参考依据。 2 地表阔化单元数的计算 现有的开阔度计算方法主要分为矢量计算模型和栅格计算模型。矢量计算模型原理是以视点(给定观察点O)所在高度的水平面为平面,以某一半径作为最大可视距离,在该水平面上形成一个半球,将半球内所有物体投影在该半球表面,计算半球非投影面积与半球