论文总字数：16970字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1 选题背景 3

1.1选题的目的与意义 3

1.2 国内外研究进展 4

2 研究区域与数据 5

2.1 研究区域 5

2.2 研究数据 6

2.3 技术路线 7

3 城市地表开阔度计算模型的建立与分析 8

3.1　城市地表开阔度计算模型 9

3.2 城市地表开阔度的模拟及计算 11

3.3　结果分析 11

3.3.1晋江中心城区不同用地类型下地表开阔度特征 11

3.3.2晋江市中心城区不同街区单元地表开阔度特征 15

4 结论与展望 16

参考文献 16

致谢 19

城市地表开阔度的计算与分析

——以晋江市中心城区为例

冯蓓
, China

Abstract: Sky View Factor (SVF) is an important urban morphological parameter, which is a quantitative description of the degree of surface openness. It has a great effect on improving the current ventilation conditions of the city, accelerating the spread of low-level pollutants and reducing the heat island effect. In this paper, the urban digital elevation model is established, and the coastal city of JinJiang City (including LuoShan Street, XinTang Street, LingYuan Street and YongHe Town) is the coastal plain city with relatively natural terrain. The ray tracing algorithm is used to simulate the sun The calculation model of the illumination scene is analyzed and the important parameters in the model are analyzed and calculated. Finally, the influence of different land use types of buildings and natural terrain on the urban openness is analyzed by zoning statistics. At the same time, the typical sampling area is extracted and the small scale Variability analysis. It can be seen that the average, maximum, minimum and standard deviation of urban surface openness of different land use types are different. And the neighborhood unit as the basic statistical unit can be obtained from the spatial distribution of urban surface spatial pattern. The average of the openness of the urban centers is usually higher and the margins are lower. The opening of the block unit is aligned in the northeast and southwest directions, which may be one of the important factors contributing to the urban microclimate.

Key words: Sky View Factor; JinJiang center town; land use；the unit of block

1. 选题背景

1.1选题的目的与意义

随着我国城市进入快速化发展阶段，城市土地经济价值得到飞速提升，城市发展的同时建筑物的密度增大，高度提升。而道路的宽度、走向、两侧建筑群所构成街谷的几何形状和建筑物表面热力性质的多样性，都对城市通风状况和热量发散造成了影响，进一步致使城市原本热量分布发生改变，迫使其建筑物周围气象要素变得复杂，而上述这一点正好加剧了城市热岛效应。在实际生产生活中，视野开阔的居民区不仅空气畅通，令人心情愉悦，而且极大程度上对居民的生活质量与舒适程度造成影响，而遮蔽严重的城市空间形态通常无形中给人施加了压迫感。

我国城市目前呈现出高密度人口聚集的发展态势，城市的增长和发展是千家万户和个体生产者决策产生的结果，但一个城市中心不可能无限扩张也不可能重回低密度发展水平，而市民对舒适的视觉感受的渴望和开阔度对于物理环境的重要作用也都客观存在，这时如何协调二者之间的矛盾是城市规划的重中之重。城市规划人员一方面要继续探索城市集聚结构紧凑的功能形态，另一方面又要均衡满足市民想要良好天空视觉景观的愿望，同时这也是我们城市地表开阔度研究的意义所在。另外，研究这一城市形态学参数的定量分析与制图，对城市微气候系统研究有着重要的意义。

地表开阔度也在不同的文献中常被称为天空可视域、天空开阔度、天空可视因子、天穹可见度等。地表开阔度（Sky View Factor）是指由于地势起伏所造成的地表单元被遮蔽或由旁边高大人工地物的遮挡的原因，天空并非完全可见，这时天空可见部分与整个天穹半球的面积比值即为地表开阔度。换句话说，若将周围凸起高大建筑物投影到以地表单元为视点中心、人眼可见最大距离为半径、地平面为半球底面的天穹半球所产生阴影致使观察得到天空不完整，这时半球中观察到的天空占整个半球表面积的份额比即为地表开阔度。而对于地形地物之间遮挡情况的研究目前常用的是日照分析、可见性分析，但是日照分析只计算建筑阳面受光区域；可见性分析分为视点分析和可视域分析，视点分析表示两点之间的通视性，可视域分析的对象仅为数字高程模型的地表面。日照分析和可视域分析相比于地表开阔度只能从侧面反映地物的遮蔽情况，无法客观全面表示。而上述所述地表开阔度的物理意义在于衡量地形和周围建筑对物理辐射，即周围大气散射辐射的影响程度。地表开阔度值比较大就意味着街道空间比较宽敞，可见天空范围较大，当风吹过城市街道良好的通风状况可尽快使街道内部的热量消散。而天空遮蔽度则表达的是地表开阔度的相反意思，在数值上等于1减去地表开阔度的大小。

本文针对已有的开阔度模型分析，采用半球模型利用光线追踪法对栅格数据提取开阔度，并对模型中的各项参数进行分析。利用建立好的城市数字高程模型（Urban Digital Elevation Model, UDEM），以福建省晋江市的四个中心行政区(包括罗山街道，新塘街道，灵源街道和永和镇)为研究区域，计算得到地表开阔度，同时研究地表开阔度的不同土地利用类型和街区单元的表现差异及空间分布规律，提取不同功能样区进行小尺度空间变异性分析。

1.2 国内外研究进展

自然地表方面是地表开阔度最为早期研究的方向，因为考虑了到自然地形的遮蔽影响，所以傅抱璞、李占清、翁笃鸣给出了通过在地形图上绘制的方法估测出了各个方向地形遮蔽角，此处地形遮蔽角可近似理解为地表开阔度^［1-2］。 Dozier利用DEM模拟自然地形参数来计算太阳辐射迅速获取天空可视因子，此处从多个方向分别计算天空可视因子再求其平均^［3］。李新为地表开阔度的计算所提供的新思路是因为借鉴了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^［4］。曾燕、邱新法探讨了地形遮蔽效应对起伏地形下地表单元光照情况的影响，对把地形开阔度研究从理论研究阶段推进到实用阶段起到了关键性的作用^［5］。孙娴、林振山研究了中国山区地形开阔度的分布式模型和空间尺度效应^［6］。罗庆洲精确计算了山区地形的天空开阔度，研究发现考虑周边地形遮蔽影响的天空开阔度计算方法比传统计算方法更加科学精确^［7］。因为DEM数据获取、数据处理效率和精度等的限制，上述研究区都仅限于山区等自然地表而非经人工改造后的城市。由于人类对城市建筑的剧烈改造，使得人工建筑成为城市主体，除了受自然地形影响，周围的城市建筑对地表开阔度的影响更为主要。然而在关于城市地表计算与分析的相关文献仍旧不足。

关于地表开阔度的定义和算法研究，Oke提出了简单几何形态开阔度矢量计算模型^［7］，其原理同傅抱璞等计算遮蔽角的方法相似:地表遮蔽度为遮蔽度定义为地表某一点发射的辐射中被遮挡物拦截的部分与总辐射量的比值，其数值与该点的地表开阔度相加等于1，即地表平面上未向天空发射的辐射量与整个半球总辐射量的比值，该计算模型和数据获取方法的限制导致模型集中于一个计算点，要从理论上精确计算由天穹各散射点到起伏地形下的散射辐射量是相对艰难的，影响散射辐射的因素有天文与地理因子，还包括局部的地形因子数不胜数，但对于热岛效应的解释有理论意义；Clark和Follin为了计算某一位置的开阔度，用广角相机拍摄得到的照片进行处理得到由天空和建筑物的黑白图片，凭借此利用几何学的方法精确计算得到开阔度^［9］。由于城市区域范围大、面积广，所以利用上述方法难以进行开阔度提取。城市数字高程模型是包括城市自然地表和城市建筑物高度信息的复合高度。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。城市地区开阔度的大面积提取的实现是因为Ratti和Richens（1999）等人提出了在GIS分析的基础上用高分辨率城市数字高程模型的栅格计算模型^［10］，该算法相当简单：远距离光源（太阳）的高度和方位角与栅格DEM一起用作输入信息。Souza等人将固定地点开阔度的矢量计算方法应用于高分辨率城市数字高程模型，同时研究区扩展至整个城市区域^［11］。Unger通过研究表明地域平均值在相关研究中非常重要，但从局部点来计算开阔度可能存在较大的误差，应用区域平均值可以使结果得到改善，另外他还研究了区域平均值和热岛效应的关系，并认为两者存在某种关联^［12］。Gal T等人对匈牙利东南部塞格德市的整个城市地区使用高分辨率3D城市栅格和矢量数据库进行研究。在对比分析了连续天空因子的计算后，发现栅格计算模型更接近于SVF的面积均值的推导，更有利于地表开阔度的计算^［13］。关于城市地表开阔度的研究方案和计算方法，后面有很多学者进行了相关研究，并且取得了一定的成果，但是这些研究还存在一些疏漏之处。本文的特点就在于选择了地势稍有起伏的沿海平原城市晋江市中心城区作为研究样区，城市自然地表几乎是个平面可以忽略不计，计算天空开阔度结果只反映了建筑物遮挡信息。

SVF的计算方法可分为4种： 几何分析法、 鱼眼相机技术、 GPS信号估测法和软件计算法。几何分析法适用于简单的街道形态，特点是准确性高，但因计算复杂难以投入具体城市进行实际应用；鱼眼相机法相对直观可靠，但其结果受天气条件和树木、广告牌等物体影响大，难以单独评估建筑的影响且费时费力，不适合包含大量采样点的制图计算，另外需要注意的是，拍摄视线区域也特别有限；GPS估算法十分迅速、价格低廉，但精度受多方面外部条件影响而难以控制；软件计算法成本相对较低，计算时间合理，不受天气等瞬时条件影响，可以快速得到相关数据但和现实情况有所脱离，计算结果受建筑数据分辨率和精确度的影响较大，以及计算时的参数选择对结果存在较大影响等造成误差。软件计算法又可分为三维数据计算估测法和栅格数据计算法。

2 研究区域与数据

2.1 研究区域

晋江地处福建东南沿海，也位于泉州市东南部，北纬24° 30′44″— 24° 54′21″，东经118° 24′56″— 118° 41′10″，属于亚热带海洋季风性气候，地貌以丘陵、台地、平原三类型为主；辖13个镇、6个街道，391个行政村（社区）^［17］。晋江市作为高速发展的新兴城市之一，它所属的地级市泉州市与福州、厦门共同成为我国东南沿海重要的经济腹地，周围经济发展的带动以及晋江市自身也着力打造品牌之都，发展产业获得巨大经济效益。近10多年来城市规划塑造了大量不同高度和密度的建筑群，但其城镇建设用地扩张迅速也使得空间差异较大，城镇空间形态日趋复杂等问题，因此研究晋江市的地表开阔度在城市空间形态参数研究中具有一定的代表性。

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