基于遥感数据的多标准分析方法：用于缓解城市表面热岛效应的城市特征研究

本研究分析伊朗某高密度住宅区峡谷方向、高度与宽度比（H/W）及天空视因子（SVF）对地表温度（LST）的微观影响。结果表明，峡谷方向（ρ=0.68）对LST影响最显著，H/W和SVF在清晨关联较弱。优化H/W（降6%）和SVF（升3%）结合西北-东南峡谷方向，可使平均降温达1.5°C。创新性在于将SUHI研究从城市/区级转向微观峡谷尺度，整合遥感、形态学及AHP方法，为气候响应型城市设计提供框架。

阿伊纳兹·埃伊尼（Aynaz Eyni）| 马德赫·普尔法托拉（Maedeh Pourfathollah）| 阿尔达兰·阿夫拉基（Ardalan Aflaki）

吉兰大学（University of Guilan）建筑与艺术系，拉什特（Rasht），41996-13776，伊朗

摘要

城市表面热岛（Surface Urban Heat Island，SUHI）效应降低了城市地区的热舒适度并增加了能源消耗，尤其是在炎热和潮湿的气候条件下。本研究将SUHI视为一种城市内部现象，重点评估了在形态上均匀的住宅区内地表温度的相对差异，而不是城市与农村地区之间的差异。本研究调查了峡谷方向、高宽比（Height-to-Width ratio，H/W）和视野因子（Sky View Factor，SVF）对微尺度地表温度（Land Surface Temperature，LST）模式的影响，研究区域采用统一建筑材料且植被覆盖有限。利用58幅Landsat 8图像（2020年和2024年）的数据绘制了持续的热模式图，而SVF和H/W的计算则基于实地观测和建模软件进行。采用层次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）可靠地评估了峡谷方向，标准化技术有助于比较各因素的影响。斯皮尔曼等级相关系数（Spearman rank correlation，n=10）量化了LST与形态参数之间的统计关系。与大多数在城市或区域尺度上进行的研究不同，本研究关注的是单个住宅区内各个城市峡谷的内部地表温度变化。结果表明，峡谷方向对LST的影响最强且具有统计学意义（ρ=0.68，p<0.05），而在清晨条件下，H/W比和SVF的影响较弱且不显著。通过比较热点和冷点，发现H/W比降低6%同时SVF增加3%可能导致平均温度降低1.15°C；当这些变化与盛行冷风向的NW-SE峡谷方向结合时，温度降低幅度可达到1.5°C。本研究提供了一个可复制的微尺度分析框架，整合了遥感技术、形态评估和多标准评估方法，以支持紧凑型住宅区的气候响应式城市设计。

引言

城市与气候变化之间的复杂关系给城市生活带来了诸多挑战。20世纪末至20世纪初，城市规划开始关注清洁水源和充足住房等问题，并逐渐发展为应对环境保护和可持续性的新挑战（Musco，2016）。到20世纪中叶，政策制定者开始着重于减轻风险和改善居住条件（Musco，2016）。新城市主义和快速城市化进一步加剧了这些挑战。据统计，目前全球超过50%的人口居住在城市中，到2040年这一比例可能上升至70%（IPCC，2023）。

快速城市化带来的最紧迫挑战之一是城市热岛（Urban Heat Island，UHI）现象，这是由人为改变城市环境引起的（IPCC，2023）。UHI定义为城市区域与其周边农村地区之间的显著温差（Stewart & Mills，2021）。城市的地形、形态和建筑密度等物理特征显著影响UHI的形成和演变。其他因素，如建筑材料、不透水表面、道路网络、空气流通以及交通或工业活动产生的热量，也在其中起重要作用（Aleksandrowicz，2022）。

由于UHI对全球城市人口的深远影响，自20世纪以来相关研究日益增多（Costanzo，2021）。除了降低舒适度外，UHI还会加剧温度波动和空气污染，导致严重的健康问题甚至死亡（Gartland，2008）。其后果还包括能源需求的增加。研究表明，当夏季城市温度低于23°C时，能源需求显著减少；而温度升高1度会导致电力需求增加0.45%至4.6%（Li等人，2019）。其他不良影响还包括生活质量下降、健康风险增加和地面污染加剧（Santamouris，2023）。此外，地表温度的升高直接影响热舒适度和户外宜居性（Shahfahad等人，2022），这进一步凸显了气候响应式城市设计的必要性。虽然UHI一词涵盖空气和地表温度的升高，但本研究专门探讨了城市表面热岛（Surface Urban Heat Island，SUHI）效应，这一现象基于卫星获取的地表温度数据，广泛用于精细尺度的热模式分析（Zhang等人，2023）。在早期设计阶段，SUHI尤为重要，因为它能提供建筑环境中热暴露的空间连续性和客观表征（Mokarram等人，2023）。传统上SUHI被定义为城市与农村表面之间的温差，但本研究采用城市内部视角，关注单一城市区域内地表温度的相对空间变化。这种方法有助于识别由城市形态驱动的持续高温区和相对凉爽区。

在发展中国家伊朗，SUHI的影响在主要城市的住宅区尤为明显。根据伊朗统计中心的数据，截至2023年，住宅用途的建筑占比是其他用途的11.5倍（S.C.I，2023）。这强调了设计可持续住宅建筑和综合体的重要性，因为它们占城市结构的很大比例。因此，解决SUHI及其对气候变化的影响对于实现可持续城市规划目标至关重要。近年来，已有许多关于住宅区和影响SUHI的城市因素的研究，但这些研究大多分析单个参数，限制了它们捕捉城市因素综合热行为的能力，特别是城市峡谷的影响。例如，有研究分析高层建筑的最佳布局以减少SUHI（Mansouri & Zarghami，2023），以及涉及植被、反照率和建筑方向的缓解策略（Farhadi等人，2019）。还有研究探讨了空气温度与视野因子（SVF）之间的关系（Svensson，2004）。其他研究展示了峡谷方向、H/W比和SVF在塑造地表温度变化中的热相关性（Malcoti等人，2023；Yang等人，2021）。尽管文献中有这些进展，但这些参数（如H/W比、SVF和峡谷方向）之间的相互作用，尤其是在植被和材料变化有限的微尺度住宅环境中，仍缺乏研究。最新研究表明，气候变化显著增加了温度变化，加剧了微尺度上的热模式形成（Conry等人，2015；Soltani & Sharifi，2019）。这进一步强调了在这些区域（如城市峡谷）分析局部SUHI的必要性。

这些形态参数的整合程度有限，构成了重要的研究空白。缺乏以微尺度和几何形状为重点的分析框架，限制了规划者和设计师在城市发展早期阶段评估累积形态效应的能力。系统地评估这些参数的相互作用可以为缓解局部热积聚和提高热舒适度提供可行的见解。

为了解决评估多个相互关联的城市参数的复杂性，多标准决策（Multi-Criteria Decision-making，MCDM）方法提供了结构化和透明的分析工具（Taherdoost & Madanchian，2023）。在各种MCDM技术中，层次分析法（AHP）因其用于成对比较和一致性评估的结构化框架而应用最广泛（Sreenivasan等人，2023）。本研究采用AHP作为数据驱动的方法，量化H/W比、SVF和峡谷方向的相对重要性，将其纳入统一的决策支持框架。

因此，本研究通过将分析尺度从常见的城市或区域层面转移到单个城市峡谷的微尺度，填补了局部SUHI研究中的关键空白。通过关注具有统一建筑材料和有限植被的单一高密度住宅区，本研究隔离了城市几何形态在塑造城市内部地表温度模式中的作用，同时最小化了土地覆盖效应的干扰。通过结合卫星获取的地表温度数据和详细的峡谷级形态参数，本研究开发了一个适用于紧凑型住宅区早期气候响应式城市设计的可复制分析框架。

据此，本研究提出了以下研究问题：

在炎热和潮湿的气候条件下，峡谷方向、高宽比（H/W）和视野因子（SVF）如何单独及共同影响城市峡谷尺度内的地表温度模式？

假设在清晨卫星观测条件下，峡谷方向与地表温度变化的相关性比H/W比和SVF更强，后两者在夜间或阴凉条件下的影响更为显著。

章节摘录

SUHI的驱动因素和城市热风险

当今的城市设计越来越多地采用混合用途的住宅区和“10分钟城市”概念，即所有基本服务都在10分钟步行范围内（Neal，2003）。虽然这种方法提高了可及性，但其高密度往往引发严重的城市和环境问题。其中一个显著结果是城市表面热的形成和加剧，导致城市表面热岛（SUHI）现象，降低居民的热舒适度（Sanagar）

数据与方法

本研究旨在分析密集建造的住宅区内城市内部地表温度的变化，并识别在形态均匀条件下影响地表温度模式的最主要物理因素。方法包括三个主要阶段：首先获取并预处理遥感数据，以评估研究区域内的城市内部SUHI并识别需要缓解的持续高温核心区域。

结果

结果分步骤呈现：首先进行城市内部地表温度（LST）绘制和持续高温核心区域的识别，接着分析各个形态参数，通过层次分析法（AHP）进行综合评估，最后进行统计相关性分析。

讨论

本研究在方法论和概念上具有多项优势，有助于推进微尺度城市表面热岛（SUHI）研究。首先，它将分析尺度从常见的城市或区域层面转移到单一高密度住宅区内的峡谷尺度，从而能够更精确地研究局部热行为。其次，将卫星获取的地表温度数据与详细的峡谷级信息相结合

结论

本研究调查了峡谷方向、高宽比（H/W）和视野因子（SVF）在炎热和潮湿气候条件下对密集住宅区微尺度地表温度变化的影响。在Mehr Housing项目的形态均匀背景下，这些几何参数被确定为影响地表温度差异的主要因素。

结果表明，峡谷方向的影响最为显著

作者贡献声明

阿尔达兰·阿夫拉基（Ardalan Aflaki）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论构建、概念构思。马德赫·普尔法托拉（Maedeh Pourfathollah）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论构建、概念构思。阿伊纳兹·埃伊尼（Aynaz Eyni）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件应用、方法论设计、调查实施、数据分析、概念化

未引用的参考文献

Costanzo等人，2021；IPCC等人，2023；新闻报道，2014；Musco等人，2016；S.C.I，2023。

出版伦理声明

本研究准确描述了所进行的工作，所有数据均准确无误，方法论足够详细，可供他人复制。

本手稿完全为原创作品；如果使用了他人成果或文字，已适当引用或获得许可。

本手稿尚未在其他地方全部或部分发表。

本手稿目前未被其他机构考虑用于

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。