利用360°街景因素量化极端高温条件下行人的热舒适度

张明杰|严海|吴仁武|朱怀珍|刘家臣|杨伟|朱琳|施江南|杨帆|鲍志毅
浙江农林大学景观建筑学院，中国杭州311300

**摘要**
极端高温日益威胁着紧凑型城市街道中行人的热舒适度，然而常用的指标（例如半球形天空视野因子SVF）无法充分反映街道层面的三维环境。本研究提出了一种基于360°视角因子（360°VFs）的综合现场-图像框架，用于量化全方位街道景观暴露及其与极端高温下行人热环境之间的联系。在白天和夜晚，沿着一条代表性的步行路线进行了空气温度（Ta）、表面温度（Ts）、平均辐射温度（Tmrt）和生理等效温度（PET）的移动测量。鱼眼图像被语义分割，以获取建筑物、树木、草本植物、道路、天空和水的360°VFs，并在10-70米的缓冲范围内研究了它们的影响。结果表明，所有热指标都存在显著的日变化和空间异质性，这受到辐射交换、表面热储存（不透水材料）、植被相关的遮荫/蒸散作用以及建筑形态所施加的通风限制的共同影响。相关性和回归分析表明，360°VFs是主要的升温因素，而树木和草本植物的视角因子在两个时段都提供了持续的降温效果。观察到明显的尺度依赖性：白天的Tmrt/PET在20-30米范围内响应最强烈，而夜间条件则更多地受到约50米范围内更大尺度形态的影响。与SVF相比，360°VFs在预测Ta、Tmrt和PET方面表现更好，尤其是在夜间。所提出的360°VFs框架为针对植被配置、环境控制、通风路径和材料策略的尺度特定、气候适应性街道设计提供了实用基础，以减少行人的极端高温暴露。

**引言**
全球快速城市化导致建筑密度和不透水表面的大幅增加，显著改变了地表能量平衡，加剧了城市气候问题，如城市热岛效应和夏季热应激（Grimmond & Oke, 1999; Santamouris, 2019）。在极端高温事件日益频繁的背景下，行人面临显著升高的热风险，这加剧了心血管和呼吸系统疾病，对公共健康、安全以及户外活动意愿产生负面影响（Anderson & Bell, 2011; Souch & Grimmond, 2006; Zhao et al., 2014）。步行作为一种健康且低碳的交通方式，对空气温度和辐射条件的变化特别敏感。极端高温暴露会大幅降低行人的热舒适度和步行意愿，对老年人、儿童和低收入人群等脆弱群体的影响尤为严重（Lee, 2020; Saneinejad et al., 2012; Sang, Hu, et al., 2025; Zhang et al., 2025）。此外，热暴露的空间异质性进一步加剧了城市步行环境中的不平等（Lai et al., 2019; Sang, Qin, et al., 2025）。因此，了解极端高温条件下的行人热暴露模式及其潜在机制——定义为连续三天每日最高气温达到或超过35°C的热浪事件——对于改善步行性和增强城市公共空间的韧性至关重要（Abuwaer et al., 2025; Park et al., 2019）。

行人热舒适度——定义为行人在户外条件下的热满意度，通常使用结合空气温度、湿度、风和辐射的人体生物气象学指数（如PET）进行量化——主要受有效局部空间范围内的周围环境特征的影响，包括二维表面组成和三维空间几何形状；重要的是，高温暴露会降低步行意愿并改变步行行为，从而降低步行满意度（Höppe, 1999; Sang, Qin, et al., 2025; Hai Yan et al., 2014）。早期研究主要使用相对粗糙的二维指标（如植被覆盖、建筑覆盖率和不透水表面比例）来量化环境特征，以研究它们对地表温度、空气温度和热舒适度的影响（Lenzholzer & Brown, 2016; Lucchi et al., 2024; H. Yan et al., 2014; Zhai et al., 2021）。由于这些指标的可获取性和适用于城市规模比较的特点，它们在传统的城市气候和热岛研究中得到了广泛应用（图1a）。许多研究从遥感图像中提取了土地覆盖组成，并证明了绿地比例与地表温度之间的负相关关系，为城市绿化的降温效益提供了有力证据（Cao et al., 2010; Huang & Wang, 2022; Li et al., 2016; Li & Zhou, 2019）（图1b）。在不同类型的土地覆盖中，绿地（如线性绿化、公园和滨水绿地）在多个空间尺度上表现出显著的降温效果，降温强度随绿地面积、形状复杂性和空间连通性而变化（Gunawardena et al., 2017; Kumar et al., 2024; Tang et al., 2023）。在更广泛的区域尺度上，多城市分析进一步表明，优化城市绿地布局可以有效减少人口暴露于极端高温的风险，突显了绿地比例和空间配置在缓解地表和近地表热暴露方面的综合作用（Cheng et al., 2025; Feng et al., 2025b）。尽管这些研究有所贡献，但它们主要关注二维表面指标，在捕捉与行人热体验密切相关的三维遮荫结构方面存在局限性，导致街道尺度微气候研究的限制日益增加。随着街道和社区尺度微气候研究越来越强调三维城市形态在塑造行人热暴露中的决定性作用（Hu et al., 2024），几何描述符（如街道峡谷高度与宽度比（H/W）和天空视野因子（SVF）已成为量化街道峡谷中的环境封闭性、开放度和辐射交换的标准工具（Lu et al., 2025; Safavi-Gerdini et al., 2025）（图1c）。在各种3D指标中，SVF是最广泛使用的3D指标，因为它易于测量，并能有效表示街道峡谷的开放度和辐射交换（Yan et al., 2022）。大量证据表明，这些指标可以解释街道间的Ta、Tmrt和舒适度相关指数（如PET）的差异，特别是在炎热条件下，遮荫和天空开放度强烈调节短波辐射和辐射负荷（Morakinyo et al., 2017）。在像广州这样的炎热潮湿城市中，街道视角和机器学习研究表明，SVF与Ta和Tmrt密切相关，是街道间热舒适度变化的关键驱动因素，尤其是在极端高温下PET特别敏感（Chiang et al., 2023）。然而，H/W和SVF主要基于几何形状和半球方向：SVF通常是从行人高度的上半球得出的，而H/W将街道简化为二维横截面比率，两者都没有直接反映行人最直接体验到的全方位、近地面环境成分。在中纬度和干旱地区的现场观察表明，铺装材料和遮荫强烈影响行人的辐射负荷：高反照率表面在没有遮荫的情况下会增加暴露，而树木遮荫可以将夏季PET降低超过10°C（Unal & Middel, 2025）。实证和基于模拟的研究表明，这些近地面元素可以显著改变1-2米高度的短波反射和长波再辐射、气流阻力以及热储存，即使在相似的SVF/H/W设置下也会导致不同的辐射负荷（Upreti et al., 2017）。这些局限性促使开发出更好的行人尺度描述符和工作流程，以更好地整合3D街道景观组成与微气候过程。

与此同时，微气候监测和数据分析的进步使得对行人热环境的评估更加严格。基于路线的移动测量（例如背包式系统）越来越多地用于捕捉沿实际步行轨迹的细尺度热异质性，通常记录行人高度所需的Ta、RH、Va和辐射变量，以推导Tmrt和PET（Cureau et al., 2022; Deng et al., 2023）。然而，从这些数据集中提取机制需要超越简单的双变量相关性方法，包括空间相关性和多尺度（基于缓冲区的）分析以及能够区分昼夜周期的多元共线性模型（Gao et al., 2025; Lapo et al., 2024）。同时，计算机视觉辅助的城市感知提供了可扩展的街道景观组成量化：全景/街道视角图像结合深度学习语义分割可以一致地提取建筑物、植被、道路表面、天空和水的比例，从而实现超越传统SVF的基于视图的指标（Biljecki et al., 2023; Gong et al., 2018; Nagata et al., 2020）。为了解决这一差距，本研究提出了一种新的3D环境表示指标：360°视角因子（360°VFs）。从行人的角度来看，360°VFs用完全包围的视野取代了传统的上半球视野，同时包含向上、向下和水平方向。这使得对行人尺度环境暴露的描述更加全面。与SVF相比，360°VFs捕捉了多个环境成分，包括较低的树冠、街道立面、铺装表面、低矮植被、车辆和街道设施，从而为解释街道热环境的空间变异性提供了更全面的3D量化框架。尽管最近的研究尝试引入水平视角因子、墙面视角因子或遮荫指数，但仍然缺乏一个涵盖所有方向视图并适用于实际街道环境的统一指标框架（Chiang et al., 2023; Zhou et al., 2022; Zhou et al., 2023）。提出360°VFs是为了填补这一方法论空白，并将城市微气候研究从二维和半球表示推向全面的全方位量化。

**表1**
基于此背景，本研究以具有亚热带季风气候的代表性城市杭州为例，在极端高温条件下沿着常用的行人路线进行移动现场测量。通过同步收集空气温度、表面温度和行人热舒适度指数，并使用计算机视觉和深度学习技术从路线图像中自动提取360°VFs，本研究旨在系统地探讨行走环境的3D结构如何在极端高温下影响行人的热舒适度。具体目标是：（1）识别极端高温下空气温度、表面温度和行人热舒适度的日变化和夜间时空模式；（2）研究不同景观视图成分的比例特征及其与热舒适度指标的多尺度关系，以阐明它们对行人热暴露的调节机制；（3）比较所提出的360°VFs与传统指标（如SVF）在预测热舒适度方面的性能，从而评估所提出方法在解释复杂街道热环境方面的附加价值。通过这些分析，本研究为理解城市街道热环境的空间异质性提供了新的定量框架，并为设计极端高温条件下的气候适应性步行空间提供了方法论支持和实际指导。

**方法**
本研究的整体工作流程包括三个主要步骤（图2）。首先，选择了城市居民常用的代表性日常步行路线作为研究区域。然后使用背包式气象站进行移动现场测量，连续记录多个微气候变量，包括空气温度、相对湿度和全球温度。这些移动观测旨在捕捉行人的动态特征。

**极端高温下街道热条件和行人热舒适度的日变化和空间模式**
在典型的极端高温条件下，步行路线上的空气温度（Ta）、表面温度（Ts）、平均辐射温度（Tmrt）和生理等效温度（PET）表现出明显的日变化和强烈的空间异质性。

**360°视角因子对行人热舒适度的影响**
我们的结果加强了现有证据，即街道中的行人热应力受到辐射、热储存和蒸散的共同控制。暴露于水和植被较多的区域在白天和夜晚都表现出较低的热负荷，而以密集建筑和不透水表面为主的区域则表现为持续的热积累/保留区。这与经典的城市气候理论一致：植被和水可以缓解热应力。

**结论**
基于极端高温下的现场行人水平测量和360°视角因子（360°VFs）的量化，本研究提供了将街道景观组成和形态与Ta、Ts、Tmrt和PET联系起来的探索性证据，突出了观察到的步行路线内的日变化和尺度效应。首先，在采样的微环境中，Ta、Ts、Tmrt和PET表现出强烈的日变化和空间异质性。它们的降温/升温模式反映了耦合效应。

**未引用的参考文献**
Sang et al., 2025, Yan et al., 2014

**作者贡献声明**
张明杰：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。
严海：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论、调查。
吴仁武：撰写——审稿与编辑、资源管理、调查、数据管理。
朱怀珍：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念化。刘家臣：写作——审稿与编辑；利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究结果的个人关系。

致谢
本研究得到了浙江省自然科学基金（LGF21E080001）和国家自然科学基金（51508515）的支持。