基于ENVI-met的校園熱環(huán)境數(shù)值模擬研究

張常旺，孟飛，2，*，于琦人

（1.山東建筑大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.華東師范大學(xué) 地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200241）

0 引言

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市內(nèi)建筑物及柏油、水泥路面等人工構(gòu)筑物的日益增多，改變了城市下墊面的性質(zhì)，加劇了城市的熱島效應(yīng)，同時(shí)也引起城市微氣候的改變［1-4］。微氣候環(huán)境與人們的生活與健康息息相關(guān)，研究城市熱環(huán)境的分布及影響因素可以為熱環(huán)境的改善和城市景觀的規(guī)劃提供理論支撐?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是城市熱環(huán)境研究的主要手段，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以研究城市內(nèi)熱環(huán)境的變化以及分析熱環(huán)境的影響因子［5-8］。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)只能獲取有限的數(shù)據(jù)，難以全面揭示城市尺度的熱環(huán)境的情況。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，熱紅外遙感為城市室外熱環(huán)境的研究提供了新的平臺(tái)，但對(duì)于復(fù)雜的城市結(jié)構(gòu)而言，仍無(wú)法滿足街區(qū)等微觀尺度的熱環(huán)境的研究［9-12］。

Bruse等通過(guò)研究建筑—空氣—植被—土壤之間的熱動(dòng)力關(guān)系，開(kāi)發(fā)了城市微氣候數(shù)值模擬分析軟件ENVI-met，適合用于研究小尺度微氣候，并且能夠定量的分析微氣候的變化特征［13］。ENVI-met數(shù)值模擬軟件已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛用來(lái)研究城市景觀格局的布置和街區(qū)熱環(huán)境的模擬以及微環(huán)境影響因素的分析［14-19］。微氣候模擬研究一般通過(guò)實(shí)地調(diào)查獲取ENVI-met建模所需要的建筑、植被分布、下墊面等一些定量信息，手動(dòng)收集信息是一項(xiàng)繁瑣耗時(shí)的工作［15-18］。由于受空間分辨率等的限制，將遙感用于街谷尺度城市微氣候模擬的研究仍鮮見(jiàn)報(bào)道［19］。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的發(fā)展為快速獲取研究區(qū)正射影像和高精度三維信息提供了一種新的手段，相比衛(wèi)星遙感和實(shí)地調(diào)查，無(wú)人機(jī)正射影像圖具有更高的空間分辨率，能夠清晰地表達(dá)研究區(qū)的建筑物布局、植被和下墊面分布等詳細(xì)信息等；同時(shí)，傾斜攝影技術(shù)也使下墊面高精度三維信息的獲取成為可能，大多數(shù)學(xué)者都采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)獲得，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量來(lái)獲取這些數(shù)據(jù)信息，其方式更加靈活、節(jié)省時(shí)間和成本更低［20］，滿足ENVI-met建模的需要。

文章選取山東建筑大學(xué)校園為研究區(qū)域，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取研究區(qū)正射影像圖，利用Smart3D建立研究區(qū)實(shí)景三維模型和數(shù)字表面模型DSM（Digital Surface Model），在此基礎(chǔ)上利用ENVI-met數(shù)值模擬軟件通過(guò)建立校園實(shí)際和無(wú)植被2種模型，分別進(jìn)行熱環(huán)境模擬和對(duì)比分析，以期為校園熱環(huán)境的改善提供規(guī)劃分析與參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

研究區(qū)位于山東建筑大學(xué)（36°40′N(xiāo)，117°00′E）校園內(nèi)，面積為480 m×480 m，屬于溫帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨。

無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用大疆Phantom 4pro，搭載2000萬(wàn)pixel的CMOS傳感器，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行航飛獲取正射影像，基于無(wú)人機(jī)圖像處理軟件Pix4D，對(duì)其進(jìn)行正射影像拼接，從而獲取研究區(qū)的正射影像圖。由于ENVI-met只能識(shí)別BMP格式的底圖，利用ArcGIS軟件對(duì)影像進(jìn)行裁剪和圖像格式轉(zhuǎn)化，結(jié)果如圖1所示。

圖1 研究區(qū)正射影像圖和ENVI-met模型圖

為了精確獲取建筑物高度，道路寬度等定量數(shù)據(jù)信息，首先需要通過(guò)GPS連接山東省CORS站對(duì)研究區(qū)均勻布設(shè)像控點(diǎn)，對(duì)獲取的研究區(qū)航測(cè)數(shù)據(jù)采用Smart 3D軟件建立研究區(qū)實(shí)景三維模型和DSM，結(jié)合研究區(qū)數(shù)字高程模型 DEM（Digital Elevation Model）計(jì)算研究區(qū)建筑物和植被高度。對(duì)于道路的寬度、水體面積等建立ENVI-met模型需要的信息，可以通過(guò)其軟件的量算工具獲得。為了確保其獲得ENVI-met建模數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)傾斜攝影建立的3D模型進(jìn)行精度驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)際像控點(diǎn)和野外全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)分析，其精度可滿足大比例尺地形圖的規(guī)范。在獲得這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立研究區(qū)ENVI-met模型圖，如圖1所示，模型設(shè)置了96×96×30的網(wǎng)格，格網(wǎng)分辨率為5 m×5 m×2 m。由于ENVI-met軟件要求垂直方向上格網(wǎng)的高度必須大于研究區(qū)內(nèi)最高建筑物高度的2倍，選取的研究區(qū)內(nèi)最高建筑物的高度符合軟件模擬的要求。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用便攜式手持氣象站Kestrel5500獲得，分別在研究區(qū)內(nèi)下墊面性質(zhì)不同的區(qū)域內(nèi)布設(shè)實(shí)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)位置如圖1所示，其中測(cè)試點(diǎn)1是柏油路面、測(cè)試點(diǎn)2位于人工湖岸、測(cè)試點(diǎn)3位于草坪上面、測(cè)試點(diǎn)4和5分別位于紅磚人行道和建筑物形成的天井內(nèi)部的水泥路面。

1.2 研究方法

選取2017年7月10日6：00為模擬起始的日期，模擬的初始基本氣象參數(shù)來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并以濟(jì)南國(guó)家氣象站數(shù)據(jù)為背景數(shù)據(jù)，對(duì)于其他參數(shù)采用ENVI-met提供的默認(rèn)值，模擬總時(shí)長(zhǎng)為24 h，每1 h輸出一組數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)主要有氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度等指標(biāo)。在主模型區(qū)域外設(shè)置4個(gè)嵌套網(wǎng)格以減少外界環(huán)境對(duì)模擬的影響，模擬過(guò)程采用簡(jiǎn)單強(qiáng)迫功能，輸入逐小時(shí)溫度和相對(duì)濕度修正模擬參數(shù)，從而提高模擬精度，ENVI-met模擬參數(shù)基本參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 ENVI-met模擬基本輸入?yún)?shù)設(shè)置表

模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)采用RMSE和平均絕對(duì)百分比誤差MAPE（Mean Absolute Percentage）2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分別由式（1）、（2）表示為

式中：xi為模擬值；x′i為實(shí)測(cè)值；n為實(shí)測(cè)的次數(shù)。RMSE和MAPE均能反應(yīng)模擬值偏離實(shí)測(cè)值的程度，二者的值越小，代表模擬精度越高。

2 結(jié)果分析

2.1 ENVI-met模擬校園熱環(huán)境結(jié)果

模擬測(cè)試點(diǎn)1位置24 h內(nèi)溫度和相對(duì)濕度的變化，并與手持氣象站獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果如圖2所示，其中實(shí)測(cè)溫度曲線與模擬溫度曲線吻合較好，相關(guān)系數(shù)為0.96，RMSE為0.68℃、MAPE為1.94%；模擬相對(duì)濕度和實(shí)測(cè)相對(duì)濕度也具有較高的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為0.94、相對(duì)濕度的RMSE和MAPE分別為2.5%、3.9%，均在誤差允許的范圍內(nèi)，說(shuō)明ENVI-met能夠很好的模擬城市微環(huán)境。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)易受到周?chē)h(huán)境的影響，會(huì)造成實(shí)測(cè)值和模擬值之間存在誤差。為了更好的評(píng)價(jià)模擬結(jié)果的可靠性，對(duì)研究區(qū)的5個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行誤差對(duì)比分析，并求其平均值，見(jiàn)表2：相關(guān)系數(shù)＞0.9，表明實(shí)測(cè)值與模擬值擬合效果好；溫度的RMSE和MAPE在誤差允許的范圍內(nèi)，說(shuō)明實(shí)測(cè)值和模擬值之間誤差較?。幌鄬?duì)濕度的RMSE和MAPE均 ＜5%，說(shuō)明此模擬能很好的反映實(shí)況［21-22］。

2.2 溫度模擬分析

為分析研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)刻溫度場(chǎng)的分布情況以及影響因素，選取具有代表性的時(shí)刻的模擬結(jié)果圖，如圖3所示。在10：00時(shí)研究區(qū)內(nèi)最高溫度為32.4℃，高溫出現(xiàn)在瀝青柏油路面上方，由于瀝青熱容量較小，在接收太陽(yáng)輻射時(shí)會(huì)快速升溫并傳遞給其周?chē)孛婵諝猓蛔畹蜏囟葹?9.2℃，低溫主要分布在水體上方附近和建筑物陰影區(qū)域，水體相比陸地比熱容較大，在受到同樣的輻射時(shí)升溫較慢，水體上方附近溫度低于周?chē)懙氐慕乇頊囟?。氣溫差值?.2℃，氣溫隨空間變化差異較大。植物通過(guò)蒸騰作用吸收熱量，使草坪上方溫度有所降低，但由于草坪面積和葉面積指數(shù)較小，綠地的降溫效果不太明顯。道路兩旁的樹(shù)木以及成片的樹(shù)林對(duì)太陽(yáng)輻射具有一定的阻擋作用，使近地表溫度相比空曠的區(qū)域有所降低。

圖2 研究區(qū)實(shí)測(cè)點(diǎn)1（1.4 m高度）實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖

表2 ENVI-met模型預(yù)測(cè)能力定量評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表

在14：00時(shí)在研究區(qū)東部和南部氣溫較高，最高溫與最低溫的差值為4.6℃，氣溫在研究區(qū)的空間分布變化明顯。在研究區(qū)西南角人形道上溫度較高，主要是由于人行道周?chē)鷽](méi)有植被遮擋太陽(yáng)輻射，紅磚人行道比熱容較小，溫度升高快。由于建筑物和植被的遮擋作用，在建筑物陰影和植被陰影下，近地表溫度較低。瀝青柏油路面和水泥路面相比于其他下墊面，在接收同樣的太陽(yáng)輻射的情況下，由于其比熱容較小會(huì)迅速升溫，向周?chē)諝鈧鬟f熱量使近地面溫度較高；馬路兩旁的植被具有一定的蒸騰作用，從而造成裸露的路面溫度高于有植被遮擋的路面的溫度。水體熱容量大，升溫較慢，并且水體在太陽(yáng)輻射時(shí)蒸發(fā)吸熱，所以在水體周?chē)吧峡招纬傻蜏貐^(qū)域。

圖3 研究區(qū)不同時(shí)刻1.4 m高度的溫度場(chǎng)分布圖

在22：00時(shí)沒(méi)有太陽(yáng)輻射，地物主要依靠自身輻射向外釋放熱量。夜間研究區(qū)整體溫度相比白天有所降低，溫度差值相比白天的3.2℃降低到1.8℃，溫度分布較為均勻。最高溫度出現(xiàn)在櫻園宿舍樓形成的天井內(nèi)；由于瀝青柏油路面白天吸收大量的熱，即使其熱傳導(dǎo)比較快，在22：00時(shí)的溫度依然比周?chē)臏囟雀撸挥捎谝雇盹L(fēng)向原因，空氣流動(dòng)自湖面向西流動(dòng)，空氣的流動(dòng)促進(jìn)熱量的傳遞，形成一條低溫帶區(qū)域。建筑物對(duì)風(fēng)有一定的阻礙作用，在建筑物背風(fēng)面形成渦流區(qū)，降低熱量的傳遞，所以圖3（c）中建筑物的背風(fēng)面會(huì)出現(xiàn)溫度較高的區(qū)域。

2.3 熱舒適性模擬分析

為定量評(píng)價(jià)室外環(huán)境的熱舒適性，以預(yù)測(cè)平均票數(shù)PMV（Predicted Mean Vote）為評(píng)價(jià)指標(biāo)。PMV是由丹麥學(xué)者Fanger提出的，ENVI-met模式可以對(duì)計(jì)算PMV所需的參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)，從而使模擬的結(jié)果更加精確。一般PMV的取值范圍在-4～＋4，其中取值為0時(shí)表示較為舒適。圖4是不同時(shí)刻行人高度的PMV分布圖，在10：00時(shí)，建筑物陰影內(nèi)、水體和樹(shù)木附近的PMV值較小，研究區(qū)內(nèi)PMV＞3.5的區(qū)域約占總面積的65%，已屬于較熱級(jí)別。在14：00時(shí)，研究區(qū)PMV最大值和最小值分別為5.5和3.5，最大值出現(xiàn)在柏油路面上。研究區(qū)內(nèi)平均值已高達(dá)4.7，屬于非常熱的級(jí)別，此時(shí)人們不宜長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)在室外。22：00時(shí)，研究區(qū)內(nèi)PMV和白天相比明顯下降，PMV最大值為1.78。

圖4 研究區(qū)不同時(shí)刻1.4 m高度的PMV分布圖

2.4 無(wú)植被方案的模擬結(jié)果分析

為研究植被對(duì)研究區(qū)溫度分布及PMV的影響，對(duì)ENVI-met模型進(jìn)行修改，以裸土代替原來(lái)模型中的植被和草坪，模型模擬的基本參數(shù)設(shè)置和之前有植被的實(shí)際情況相同，見(jiàn)表1，模擬在去掉植被的情況下校園內(nèi)溫度和PMV的分布特征。

2.4.1 植被對(duì)溫度分布的影響

以14：00時(shí)為代表統(tǒng)計(jì)2種方案下溫度分布情況，14：00時(shí)實(shí)際現(xiàn)狀方案下研究區(qū)最高和最低溫度分別為37.56和33.04℃，無(wú)植被情況下最高和最低溫度分別為37.66和33.08℃，2種方案下最高和最低溫度基本無(wú)變化。為了更直觀的體現(xiàn)植被對(duì)研究區(qū)溫度分布的影響，統(tǒng)計(jì)研究區(qū)溫度分布的直方圖，如圖5所示，無(wú)植被情況下研究區(qū)內(nèi)＞36℃的區(qū)域約占77%，相比實(shí)際方案增加了34%，由此可見(jiàn)，在校園內(nèi)去除植被后，研究區(qū)內(nèi)溫度明顯升高。

圖5 研究區(qū)14：00時(shí)2種方案下1.4 m高度的溫度分布直方圖

圖6為研究區(qū)14：00時(shí)行人高度的無(wú)植被方案和實(shí)際方案的溫度差值圖，去除植被后，研究區(qū)的整體溫度相比實(shí)際情況均有所提高，其中去除植被區(qū)域溫度差值較大，主要由于去除植被后太陽(yáng)直接輻射下墊面，使其溫度升高，并且植被的蒸騰作用消失。建筑物陰影內(nèi)的近地面溫度隨植被的消失變化較小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2種方案下研究區(qū)溫度平均差值為1～1.2℃，雖然溫度差值不是太大，但是研究區(qū)內(nèi)的高溫區(qū)域的面積明顯增大。由此可見(jiàn)，植被以及綠化可有效降低近地面溫度，減少高溫區(qū)域。

圖6 研究區(qū)14：00時(shí)1.4 m高度的無(wú)植被方案和實(shí)際方案的溫度差值圖

2.4.2 植被對(duì)室外熱舒適性分布的影響

圖7為研究區(qū)14：00時(shí)無(wú)植被方案和實(shí)際方案的PMV差值圖，去除植被后，研究區(qū)PMV等級(jí)增加，其中瀝青柏油路面上方近地面PMV值增加較大，平均升高1個(gè)等級(jí)。在去除植被的區(qū)域，由于植被的遮擋輻射以及蒸騰作用消失，PMV等級(jí)也有所升高。建筑物陰影內(nèi)和水體附近，在去除植被后PMV等級(jí)變化較小。統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)14：00時(shí)行人高度的PMV分布直方圖，如圖8所示，去除植被前，研究區(qū)內(nèi)PMV＞4.5的區(qū)域占總面積的77%，無(wú)植被方案情況下PMV＞4.5的區(qū)域面積高達(dá)94%，相比實(shí)際情況增加了17%。

圖7 研究區(qū)14：00時(shí)1.4 m高度的無(wú)植被方案和實(shí)際方案的PMV差值圖

圖8 研究區(qū)14：00時(shí)2種方案下1.4 m高度的PMV分布直方圖

為了研究植被對(duì)溫度在垂直方向上的降溫效應(yīng)以及無(wú)植被情況下太陽(yáng)輻射對(duì)近地面增溫的有效高度，以10：00時(shí)（升溫時(shí)段）模擬輸出數(shù)據(jù)為例做出2種情況下溫度隨高度變化的趨勢(shì)圖，如圖9所示，植被在近地面降溫效果較為明顯，隨著垂直高度的增加，其降溫效應(yīng)逐漸減弱；當(dāng)高度約等于15 m時(shí)，兩種情況下該點(diǎn)溫度基本相同；其后隨著高度的增加，兩種情況下垂直高度上的溫度變化基本相同，誤差在1%以內(nèi)。在15 m高度以上無(wú)植被情況下的溫度略低于有植被的情況，主要是由于無(wú)植被情況下，研究區(qū)內(nèi)上方空氣流動(dòng)加快，帶走一部分熱量。綜上所述，植被在垂直方向上對(duì)研究區(qū)近地面降溫的有效高度約為15 m。

圖9 研究區(qū)10：00時(shí)無(wú)植被方案和實(shí)際方案2種情況下的溫度隨高度的變化圖

3 結(jié)論

通過(guò)以上研究可以得出：

（1）無(wú)人機(jī)傾斜攝影能快速獲取研究區(qū)高分辨率正射影像和高精度三維信息，能滿足街區(qū)等微觀尺度熱環(huán)境研究的需要，且獲取方式更加靈活、成本更低。

（2）ENVI-met對(duì)研究區(qū)進(jìn)行熱環(huán)境模擬結(jié)果評(píng)價(jià)表明，模擬溫度和實(shí)測(cè)溫度的相關(guān)系數(shù)為0.94＞0.9，RMSE和 MAPE分別為 0.6℃和 1.47%，模擬預(yù)測(cè)精度較高，能夠較準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。

（3）植被具有明顯的降溫效應(yīng)。去除植被后，相比實(shí)際情況的模擬，研究區(qū)內(nèi)1.4 m高度的溫度平均增加了1～1.2℃；建筑物陰影內(nèi)和水體附近溫度在去除植被后變化較??；無(wú)植被方案下，研究區(qū)內(nèi)高溫區(qū)（＞36℃）相比實(shí)際情況增加34%，PMV＞4.5的面積增加17%。

（4）植被對(duì)近地面的降溫效應(yīng)的有效垂直高度可伸展到15 m，垂直高度＞15 m無(wú)植被和實(shí)際2種情況的溫度變化基本相同，誤差在1%以內(nèi)。由此可見(jiàn)，在炎熱的夏季，植被以及綠化可以通過(guò)蒸騰作用降低近地面的溫度，有效的改善城市熱環(huán)境，提高人體舒適度。

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