逆向思维：从图形角度评估和缓解区域表面热岛的新方法外文翻译资料

逆向思维：从图形角度评估和缓解区域表面热岛的新方法

摘要：

准确定位城市热岛的关键节点和走廊是有效缓解区域地表热岛的基础。然而，我们仍然缺乏适当的方法来描述它，特别是考虑到UHIs和连通性（网络）之间的相互作用。具体而言，以前的研究非常关注基于标准景观配置指标的栅格和矢量透视图，这些指标仅提供整个研究区域的总体统计数据，而没有进一步指出不同类型格局和碎片发生的位置。因此，通过逆向思维，我们试图从图形角度提出一种新方法，该方法集成了形态空间模式分析（MSPA）——用于表征二元模式，重点是在不同分析尺度下测量的二元模式之间的连接，和栖息地可用性指数，以评估和缓解区域地表UHI。我们选择世界上城市化速度最快的地区之一珠江三角洲都市圈（PRDR）作为案例研究（1995-2015）。案例研究结果表明：（1）在MSPA模型中，核心（UHI）类型占绝大多数，随着地表相对温度（LST）的升高，核心类型所占比例将增加，并对边缘（UHI）类型产生显著影响；（2）分支、桥和小岛（UHI）类型与较低温度（4lt;相对LST）的结果相似le;6）面积和面积占大多数，表明这些类型更容易受到周围环境的影响；（3）从1995年到2015年，重要性和极端重要性区域（节点）显著增加，主要分布在城市化区域，这意味着需要按照优先顺序在这些区域实施冷却措施。将UHI评估和缓解的研究逻辑从“斑块”转向“网络”，我们认为该方法（逆向思维）对于缓解区域UHI和城市气候弹性具有重要的理论和实践意义。

关键词：城市热岛；图论；形态空间格局分析；生境可用性指数；地表温度；气候适应

1.导言

城市热岛（UHI）效应是城市化引起的最严重的城市环境问题之一，也是阻碍城市可持续发展的重要因素[1-3]。城市化改变了土地覆盖和使用，导致了城市地区建筑物表面材料（和颜色）的变化，人为热量的排放增强了UHI效应[4–8]。通常，UHI可分为两类：大气UHI（AUHI）和地表UHI（SUHI）[1]。然而，由于基于遥感的LST的一致和可重复观测的可行性，可以从广泛的空间角度测量UHI效应[9-11]。因此，LST被广泛用于研究时空格局SUHI和相关的热环境后果，这也是本研究的重点。UHI还造成了负面后果，如空气质量受损、能源和水消耗增加以及城市居民健康和福祉受损[12–14]。此外，许多研究还表明，在全球气候变化的背景下，UHI及其不利影响将更加严重[15–17]。

过去有许多定义（模型）和相应的研究来评估UHI（及其强度）[2,9,18–21]。例如，广泛使用的UHI定义是城市和周围农村地区之间的温差[1,22]。这一分类为研究人员和决策者提供了一个简单直观的框架来区分城市和农村对当地气候的影响，但最近它受到了严峻的挑战[1,18,23]。

Stewart和Oke[20]以及Montgomery[24]等研究人员指出，城市和农村地区是一个动态的、持续的过程，而不是一分为二；因此，传统的城乡分类无法解释城市的真实状况，特别是在人口密集的发展中国家[25]。因此，Stewart和Oke[20]提出了局部气候带（LCZ）的新模式，并认为该分类可以更好地评估UHI强度和模式。LCZ模型包括17个标准类别，UHI可定义为紧凑型高层建筑类别和低厂房类别之间的温差(∆TLCZ 1minus;立法会四题)。然而，仍需注意的是，UHI的这些定义和相应的研究是基于简单的斑块镶嵌模型概念（利用不同主题层的叠加），因此很难描述UHI效应的整体模式和连通性，特别是在区域（城市群）规模上。例如，Zhou等人[26]发现，建筑物和铺砌表面形状复杂性和可变性的增加会导致表面UHI的增加。Sun等人[27]证明，地表温度（LST）由不同景观斑块之间的热容量和交换决定，热源和汇之间的空间连通性是影响景观斑块之间热流动的基本因素。其他研究进一步表明，UHI斑块区域连通性的增加增强了UHI强度[25,28]，但相关研究尚未得到足够的重视，以及连通性对区域UHI效应的潜在作用[27,29]。更重要的是，尽管如上所述，LST已被用作UHI的替代物或UHI作为城市和非城市区域之间LST差异的度量[9]，但我们仍然缺乏适当的（形态学）方法来描述UHI模式和网络。这使得我们很难在区域范围内准确定位城市热岛的空间格局和网络，以及制定有效的缓解和适应战略。

此外，许多研究表明，景观组成和空间配置（或安排）也会影响地表UHI效应[9,18,30]。具体而言，先前的研究表明，城市地区蓝色和绿色空间的相对位置对于缓解UHI效应非常重要[7,31]。Zhang等人[32]还证明，由于集聚效应，凤凰城的聚集绿地增强了局部冷却，而分散的绿地模式导致更大的整体区域冷却。然而，大多数当前的UHI研究和相应的景观指数是基于栅格和矢量的[29,33,34]；然而，仍然缺乏从图形角度描述UHI模式的适当方法，这使得规划者和决策者难以识别UHI补丁的关键节点和链接，从而有效地缓解UHI效应。因此，作为一种逆向思维过程，基于图形表示的连通性度量是有效确定UHI网络（关键节点和链路）的重要步骤；因此，我们有理由认为，如果我们封锁（或破坏）网络的关键节点和链路，随着连通性对UHI强度的作用得到确认，区域热岛可以得到缓解。

另一方面，很明显，随着城市化的发展，城市之间的距离会随着城市土地扩张的加速而减少甚至消失（受行政边界限制的单个城市逐渐合并）；然后城市群是一组空间组织紧密、经济联系紧密的城市群[28,35]。在城市化和城市群发展过程中，由于假定的郊区和农村地区未受影响土地的损失，城市热岛效应远远超出了其物理边界[28,36,37]。因此，研究已经认识到区域热环境问题无法从单个城市或UHI的角度来解决，因此Yu、Yao、Yang、Wang和V ejre[25]提出了区域热岛（RHI）来描述城市群背景下的热环境。因此，很明显，全面了解区域范围内的UHI强度模式和网络对于制定有效的缓解和适应战略以及区域可持续性至关重要[38–40]。

因此，在本研究中，为了解决区域UHI研究（从栅格和矢量到图形）的不足，我们引入了一种新方法，将形态空间格局分析（MSPA）[41]和栖息地可用性指数[42,43]相结合，绘制区域UHI网络格局图。它可以改进基于标准景观配置指标的先前逻辑的UHI分析，该指标仅提供整个研究区域的总体统计数据，而不进一步指示不同类型格局和碎片发生的位置。为了验证该方法的有效性，选择了世界上城市化速度最快的地区之一珠江三角洲都市区（PRDR）作为案例（1995-2015），以回答以下问题：（1）整合MSPA和栖息地可用性指数的新方法是否适用于评估地表UHI模式？（2）根据新方法，1995年至2015年PRDR区域地表UHI的变化和关键斑块（关键节点和环节）是什么？（3）该方法在理论和实践上对区域地表UHI缓解有何贡献？这项研究可能为UHI研究提供一种新的有希望的方法（angle），并更科学地提出聚集区的地表UHI缓解策略。

2.方法

2.1.MSPA模型

MSPA是一个源自数学形态学[41]的概念，它是一种用于检测景观中图像像素模式的方法，并自动将焦点特征类的像素数据分类为新的结构连通性特征类[44]。MSPA仅取决于单个参数，可用于表征二元模式，重点是在不同分析尺度下测量的二元模式部分之间的连接[41,45]。它允许通过（光栅）像素自动分类，并描述景观的几何、图案和连接性，这改进了以前基于图案分析的标准景观配置指标[42]。此外，它可以可靠地检测连接结构，这是量化网络分析中单个景观地图元素重要性的关键特征[42,43]。MSPA提供的七个基本模式类（核心、桥梁、环路、分支、边缘、穿孔和小岛）如下所示，其中单个边缘宽度参数控制整个分类过程[41]（图1和表1）。

图1 前景像素和图例的MSPA图像分类图示

1. 图像背景像素颜色为灰色和非UHI，黑色像素为UHI。

（B） 在MSPA分类中显示不同类型的“UHI”。

表1 形态空间格局分析（MSPA）类的定义及其在地表城市热岛（UHI）环境中的意义。

MSPA已应用于一些领域，如绿色基础设施评估和网络优化[46,47]，生态系统连通性评估[44]，以及森林保护规划和管理[42]。它也被政府机构使用，如美国农业部林业局和欧盟委员会[46]。然而，根据文献综述，表面UHI研究中未发现使用MSPA。此外，已经认识到，地表UHI可被视为“热”景观[25]，然后MSPA可用于将光栅“热”景观二元地图（即UHI与非UHI区域）分割为不同且相互排斥的景观格局类别（表1）。根据MSPA模型的优势和“热”景观特征，MSPA有可能成为评估区域地表UHI格局的一个有前景的模型，特别是揭示连接（链接）的作用。

此外，可以使用4或8个邻域规则执行MSPA分类。在本研究中，我们使用默认的8邻域规则，即。E如果同一类别的两个像素共享其一侧或顶点，则它们属于同一“热”景观元素。

2.2.生境可用性指数

众所周知，景观连通性水平可以定量表征景观是否有利于源斑块内物种的迁移，保持良好的连通性有利于生态系统稳定和生物多样性保护[34,48]。基于图论的连接性积分指数（IIC）[49]，连接性概率（0le; 个人计算机le;1） 指数和节点重要性[33]能够反映景观的连通性以及景观中各斑块对景观连通性的重要值，已成为衡量景观格局和习惯保护的重要指标[43]。另一方面，在区域地表UHI效应的背景下，如果我们能够阻止（或破坏）“热景观”连通性水平，那么区域地表UHI效应可以如上所述得到缓解。因此，在本研究中，我们使用IIC、PC和dI（%）指数来评估区域地表UHI连通性水平，给出

其中n是景观中栖息地斑块的总数，Ai和Aj是栖息地斑块的面积，N1ij是斑块i和j之间最短路径（拓扑距离）中的连接数。路径是与连接的节点一起的路由，其中没有节点被多次访问。Plowast; ij是补丁i和j之间所有可能路径的最大乘积概率。这里，0le; IICle; 1，I表示补丁之间没有连接，IIC=1表示补丁之间完全连接。I是景观元素存在于景观中时的指数值，iRemove是移除该景观元素后的指数值（例如，在某个UHI斑块损失后）。

这些指数特别适用于评估每个节点和链路对维持网络连通性的贡献[33,42]。也就是说，这些指数充分量化了移除特定UHI斑块或走廊对“热”景观连通性的影响，这对于区域地表UHI缓解研究至关重要。

2.3.方法框架

图2从综合MSPA和栖息地可用性指数的图形角度显示了新方法的框架。这种方法（逆向思维过程）的基本逻辑是，只有建立区域地表UHI网络（关键节点和链路），才能采取更好的措施缓解区域地表UHI效应。具体来说，在结合这两部分之后，Conefor 2进行了连通性分析。6软件，将被处理。随后，我们可以得到区域地表UHI的整体连通性和节点重要性，然后绘制连通性关键区域图（UHI）。最后，从理论上讲，如果我们采取措施（即绿色和蓝色空间）移除或破坏关键节点、链接和台阶，那么区域表面UHI可以得到准确缓解。

图2 综合MSPA和栖息地可用性指数评估区域城市热岛的框架

红色“X”表示阻止或破坏结果的连通性，以缓解区域地表UHI效应。

3.案例研究

3.1.研究区

本研究以珠江三角洲地区为例，验证了该方法的有效性。PRDR位于中国南部，是中国和世界三大最发达和城市化地区之一（图3）。PRDR总面积为55900平方公里，包括广东省九个城市和两个特别行政区（SARS）-香港和澳门（图3）。自1978年中国实行改革开放政策以来，PRDR

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