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摘要：快速城市化导致城市热岛效应不断增强，研究城市蓝绿空间网络格局以优化规划布局是改善城市热环境的有效方法。研究以长沙市中心城区为研究对象，将形态学空间格局分析与电路理论相结合，综合考虑规模分布、热缓释效应与景观连通性选取降温源地，根据热岛驱动因素构建阻力面，运用Linkage Mapper识别廊道、夹点与障碍点，并进行分级和评价，优化构建研究区降温网络。结果表明：1）研究共识别出98处降温源地，建立301条降温廊道，其中重要降温源地33处，重要降温廊道112条，并建立断裂修复点137处，踏脚石斑块271处； 2）中心城区降温源地分布不均，重要降温源地更多分布在城市热岛不显著区，而热岛集中区的降温源地规模甚小，重要降温源地与核心亟需缓释热的区域之间联系较弱；3）重要降温廊道围绕重要降温源地分布，形成密集网络，但在城市建成区廊道多呈放射状分布，廊道连通性较弱，距离较长且终端的障碍点众多；4）通过生态节点的引入，能有效对降温廊道进行修补加固，最大化利用现有的自然基础，打造稳定的网络结构。研究结果可为长沙市及其他城市的热环境改善提供科学参考，丰富电路理论在热环境领域中的应用。

Abstract：Rapid urbanization has led to the continuous intensification of the urban heat island effect. Researching the pattern of urban blue-green space networks and optimizing planning layouts are effective methods for improving the urban thermal environment. This study focuses on the central urban area of Changsha city， combining morphological spatial pattern analysis with circuit theory. It takes into account the scale distribution， heat mitigation effects， and landscape connectivity to select cooling source areas. Based on the factors driving the heat island， a resistance surface is constructed. The Linkage Mapper is used to identify corridors， pinch points， and barrier points， followed by classification and evaluation， optimizing the construction of a cooling network for the study area. The results show that： 1） A total of 98 cooling source areas were identified， establishing 301 cooling corridors， including 33 important cooling source areas and 112 significant cooling corridors. Additionally， 137 breakpoint restoration points and 271 stepping stone patches were established； 2） The distribution of cooling source areas in the central urban area is uneven， with important cooling sources mostly located in areas where the urban heat island effect is not significant. In contrast， the scale of cooling source areas in areas with concentrated heat islands is quite small， and the connection between important cooling sources and core areas urgently needing heat relief is weak； 3） Significant cooling corridors are distributed around important cooling sources， forming a dense network. However， in the urban built-up areas， corridors tend to be radially distributed， with weak connectivity， longer distances， and numerous barrier points at the ends； 4） The introduction of ecological nodes can effectively repair and reinforce cooling corridors， maximizing the use of existing natural foundations to create a stable network structure. The research results can provide scientific references for improving the thermal environment in Changsha and other cities， enriching the application of circuit theory in the field of thermal environments.

关键词：城市热环境；蓝绿空间格局；生态网络；电路理论；长沙市

0 引言

全球变暖和城市化带来了严峻的生态环境问题。自改革开放以来，中国国民经济蓬勃发展，城镇化步伐明显加快：城镇化水平由1978年的17.9%上升到2012年的52.6%，而截止至2020年末，全国常住人口城镇化率达到了63.89%，城市数量增加至685个[1]。随着城镇化水平的提高、城市规模不断扩大，高密度的城市建设模式、高集聚的空间布局特征以及高强度的人类生产生活使得城市自然空间格局破碎化程度加剧，生态系统调节功能降低，环境问题频发[2] 。其中，以热岛效应为主要特征的城市热环境问题，集中体现了全球变暖和城市化的双重影响，一直是研究的焦点。城市蓝绿空间发挥的热缓释效应能显著调节城市气候，形成城市冷岛，有效缓解城市热[3] 。在用地紧张的城市空间下，如何通过合理的优化策略和规划措施提高城市热环境的健康舒适性，成为当前广泛关注的议题。

21世纪以来，随着遥感技术与信息技术的发展，城市热环境的研究呈指数级增长。总体而言，城市热环境相关领域的研究主要包括城市热环境时空演变特征[4] ，驱动因素与调控机制[5] ，蓝绿空间热缓释效应的作用机制[6] 与影响因素[7] 等方面。其中， Jian Peng等将蓝绿斑块视为降温源，基于景观连通性识别关键降温源地，识别构建源地间结构性和功能性廊道，是将蓝绿空间格局描述为网络并进行复杂分析的有效方法[8] 。早期的研究多聚焦于单个绿色斑块的降温效应[9] ，忽略了整体的空间格局、斑块间的连通对于改善热环境问题的重要作用；而随着景观生态学的引入，绿地生态网络以“斑块-廊道-基质”的结构呈现，促进绿地间构建成网络体系，从整体上缓解城市热岛[10] ；因此，近几年许多研究将重点放在廊道识别及网络构建[11] 、冷热交换过程的连通障碍及其改善的可能性方面[12] 。目前，最小耗费距离方法、电流理论、图论等方法多用于网络构建中[13] 。

长沙是湖南省省会城市，长江中游地区重要的中心城市，是长江中游城市群和长江经济带的重要节点城市。本文选择长沙市中心城区作为研究区，期望研究结果能够为研究区热环境优化以及可持续发展提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1研究区概况

长沙地处湖南东北部之湘江下游，是全省政治、经济、文化、交通、科技、金融、信息中心，是全国的历史文化名城和特大城市。全市位于东经111°53′至114°15′与北纬27°51′至28°40′之间，属亚热带季风性湿润气候，市域内大山众多，地形地貌多样，汇山、川、湖、岛于一地。全市共辖6个区、1个县，代管2个县级市，总面积达11819平方公里。截至2022年年末，全市常住总人口1042.06万人，城镇化率达83.27％。

本次研究选取长沙市三环线内的全部区域作为研究区域：一方面，该区域为长沙市建成区的重点集中区，面临着城市热环境恶化的挑战，研究更具有针对性；另一方面，依据《长沙市国土空间总体规划（2021-2035）》，该区域以中心区域为主，是城市功能优化和品质提升的重点区域，研究更具有应用价值。

1.2数据来源及处理

研究采用夏季清晰无云的Landsat8 TM遥感影像反演地表温度并进行相关地表指数的计算，条带号为123-40/123-41，成像时间为2022年8月9日。其他数据还有：OSM矢量地图数据；DEM高程数据；2022年湖南省土地覆盖数据[14] 与高精度城市绿地分布数据[15] ，利用ArcGIS 10.8提取研究区域内的土地覆盖类型（包括耕地、林地、草地、灌木、建设用地、裸地、水体7类）与蓝绿空间分布格局； 2022年8月研究区NIIRS平均夜间灯光数据。

2 研究方法

2.1降温源地识别

研究以2022年土地覆盖数据为基础，结合UGS-1m的高精度城市绿地数据，以具有热缓释效应的绿地空间与水体空间为前景值，其他类型空间为背景值建立长沙市中心城区蓝绿空间的二值化栅格数据，并将其导入GuidosToolBox 3.2软件进行MSPA景观空间格局分析，将斑块依据形态学原理与空间模式理论划分为核心、孤岛、桥接、环道、边缘、孔隙、支线共7种空间结构类型。以往研究发现，核心是景观空间格局中最重要的类型，具有良好的生态环境，对维持区域连通性和生态稳定性具有重要意义，可形成最佳的降温空间和生态维持空间[13] 。因此，本次研究的生态网络构建以核心区作为潜在的降温源地，进行后续的分析以及筛选。

而后，基于热缓释效应与连通性评价识别降温源地。热缓释效应采用贡献指数（Contribution Index，CI）进行量化评价，以表征不同潜在降温源地对热环境贡献的具体作用强度[16] 。计算公式如下：

其中，为a景观空间结构类型的平均地表温度，为所有景观空间结构类型的平均地表温度，地表温度为Landsat遥感影像在ENVI5.6中用辐射传输方程法反演计算得出；为a潜在降温源地的面积，S为所有潜在降温源地的总面积。

连通性则选取可能连通性指数（Probability of Connectivity，PC）进行量化评价，以表征区域内核心斑块之间的连接水平[17] 。其计算公式如下：

式中：n为潜在降温源地的总数量，、分别为斑块i与斑块j的面积；则表示生态流在斑块i与斑块j上的直接扩散最大可能性；代表整个潜在降温源地的面积。在MSPA分析的基础上，筛选得出具有一定规模（面积大于10公顷）的共136个核心区斑块进行热贡献指数和连通性指数的计算，并综合考虑其面积大小、区域分布、热缓释效应与连通性评价，确定降温源地。

2.2 降温廊道识别

研究采用最小累积阻力面模型构建识别降温廊道——通过评估生态流在空间覆盖过程中遇到的不同景观要素的阻力，识别生态流的最小成本路径，从而构建生态安全格局[18] 。

阻力面的阻力值是城市绿地生态网络中生态流的趋势反映，表征为降温源地之间的受阻情况。根据城市热环境驱动因素与调控机制的相关研究，在地形因素、土地覆盖、地表指数和社会经济因素等方面选择高程[19] 、坡度[20] 、土地覆盖类型（CLCD）[21] 、植被覆盖指数（FVC）[22] 、归一化建筑指数（NDBI）[23]  以及夜间灯光数据[24] 作为阻力值，并采用“趋于不利”方式将阻力因子按等级高低进行赋值[25] ，构建单一阻力面。在此基础上，采用空间主成分分析法[26] 对6个单因子阻力面进行权重计算，根据权重将单一阻力面进行加权相加，得到研究区综合阻力面。

将降温源地矢量数据与综合阻力面栅格数据导入Linkage Mapper中的Build Network and Map Linkages工具，进行最小成本路径的连接，识别降温廊道。

2.3 基于电路理论的降温网络构建

电路理论模型是基于随机游走的概率论而形成的随机模型，借助电路中的具有随机游走特性的电荷运动，通过随机游走理论将电路理论和涉及生态流运动的生态学联系起来，结合电路理论的连接度模型能够较好地评价最小成本路径，进而构建降温网络[27] 。

中心度可以用来量化分析“源”地和最小成本路径在维持整个降温网络连通性方面的重要程度，识别和定位网络结构中的关键要素。研究通过 ArcCatalog 10.8平台使用 Linkage Mapper 工具，并调用Circuitscape程序中Pinchpoint Mapper工具的“All to one”模式来识别中心度；而廊道中的“夹点”则调用Pinchpoint Mapper工具的“Pairwise”模式进行进一步识别。

在构建网络的过程中，识别和消除障碍点是至关重要的一环。Barrier Mapper是Linkage Mapper工具箱的组成之一，可以使用多种算法和模型来识别潜在的障碍点，包括基于连通性和阻力的模型，以及基于栅格和矢量数据的空间分析。

3 结果与分析

3.1 降温源地识别

在热缓释效应与景观连通性评价的基础上：将景观连通性指数dPC以0.5与1为断点划分为三个等级，将热贡献指数CI以0与0.5为断点划分为三个等级（图4）。

根据分级结果，以研究区中部的湘江（Core_133）斑块连通性最为突出，其他的高连通性斑块则大多以西南部的岳麓山（Core_98）、西北部的谷山（Core_67）以及东北部的松雅湖（Core_45）为中心呈现组团式分布，中部的烈士公园（Core_79）、望月湖（Core_51）斑块以及南部的植物园斑块（Core_124）则依附于浏阳河流域分布；热缓释效应方面则以河流为主的水体斑块以及以城市公园为主的蓝绿斑块热缓释效应突出，主要为中部的湘江斑块（Core_133）及其支流浏阳河（Core_61、60、69等）与捞刀河（Core_39、48）的相关水体斑块。

综合景观连通性与热缓释效应的分析结果，将筛选得到的连通性较高（dPC＞0.5）且热缓释效应突出（CI＜0.5）的斑块作为一级降温源地，将其余连通性较高但热缓释效应不那么突出的斑块以及热缓释效应良好但连通性欠缺的源地作为二级降温源地。在此基础上，基于上位规划选取分布在城市建成热岛区的重要蓝绿空间斑块作为三级源地，通过廊道与高等级斑块进行联系沟通，发挥其局部热环境的缓解作用。

整体而言，所有源地呈环绕分布，集中在研究区四周，而中心区域分布较少且规模较小。一级源地中大型的斑块主要依托于城市水体以及林地分布的山体，如城市西部的谷山与岳麓山、贯穿中部的湘江与浏阳河部分流域以及东北部的松雅湖；其小型斑块也多为蓝绿交织的城市公园，如中部的烈士公园、西部的梅溪湖公园与西湖公园，形态较为集中，有着良好的自然生态本底与丰富的风景资源。二级斑块则相较于一级源地而言破碎化程度更高，边缘复杂且内部有孔隙分布，生态效益虽不如一级源地，但依然是城市的主要低温区分布聚集地。三级源地则更为破碎，规模远小于一级与二级源地，作为冷源于局部区域内发挥着重要的热环境调节效益。

3.2降温廊道识别与评价

将降温源地的分布与综合阻力面的构建结果导入Linkage Mapper软件进行最小成本路径连接（图5），并进行中心度、“夹点”以及障碍点识别处理（图6）。根据统计，本次共建立301条潜在降温廊道。

重要生态源地分析结果显示，大规模的重要降温源地分布在研究区的中部湘江流域以及西北、西南角与东北角的山林区域，是研究区域中的重要的降温源地，降温效益突出且整体的连通性最大，有效缓解周边区域的城市热；而规模较小的重要降温源地大多也围绕着大规模重要降温源地的周围，这一部分的自然生态资源优越，处于待开发与非重点发展的区域，生态保护较好，与大规模重要降温源地联系紧密，共同组成长沙市市郊的生态屏障。而在研究区域的中部与东部的城市集中建设区，则零散分布着重要降温源地以及其他的一般降温源地，主要为城市内部的中小型公园，受人工影响较大，规模较小，且与周边蓝绿空间难以联系沟通，热缓释效益较弱；但另一方面，这些片区又是亟需缓释热的城市热岛集中区，仅靠这些零散的小型降温源地斑块的热缓释效应来应对城市高温环境略显困难。

同斑块方面的分布趋势类似，连通性佳、功能完善的重要降温廊道更多分布在重要降温源地周围，这些廊道短而密，在市郊区域使得大小规模的重要降温源地与附属的一般降温原地紧密相连；但在城市建成区，廊道连通性较弱，距离较长且终端的障碍点众多，廊道两端的斑块规模相对而言也小于郊区的廊道。不仅如此，区域边缘的廊道呈网格状分布，具有良好的稳定性结构，而中部的廊道多呈放射状分布，斑块中心分散且连接的廊道远多于郊区的网格状廊道。

而在识别构建的降温廊道上，分布着大小不一的障碍点。这些障碍点大多分布在区域中的建成区高密区域，多为商业服务区、工业生产区及交通枢纽等承担重要城市功能、居民生产生活的集中活动区域。这些区域内降温廊道本身较长且窄，随着障碍点的阻力值升高，可能直接切断降温廊道。对比障碍点与城市热环境格局分布可以发现，障碍点主要分布区域的地表温度较高，对于局部生态以及居民的健康有着重大的威胁；另一方面，其人类的生产生活以及高温引发的降温设施不间断开放，更是加剧了这些障碍点的生态脆弱性，使得这些基质应对危机的能力大大下降，受全球极端天气影响较大，生态系统本身的自我调控能力失衡。

基于电路理论模型的分析处理结果，对研究区现有的降温源地与降温廊道进行进一步的功能性分类：选取累计电流值大于850A的降温源地为重要降温源地，选取电流值大于30A的降温廊道为重要降温廊道，共提取识别33个重要降温源地与112条重要降温廊道。

3.3 降温网络结构优化

1）断裂点修复

城市开发建设已然对自然区域造成严重的破坏，长沙市中心城区的廊道建设在途径建成区时不可避免地需要经过阻力值较大的区域，这些地方难以规划建设较大规模的蓝绿空间，并且无法对已然建设完成的下垫面进行有效的自然基底恢复。因此，在断裂点识别的基础上进行精准的“见缝插绿”，可以对存量土地进行高效、合理利用，有效修补断裂点，连接廊道两端，降低源地之间生态流阻碍的问题，进而优化降温网络整体结构和功能。

研究基于Barrier的进一步分级提取与分析，于研究区内共识别出137个断裂点。这些断裂点集中分布在高度城市化的建成区，多为降温廊道途径高密建筑、大型马路、工业园区等人类活动聚集的区域。针对这些断裂点进行下垫面识别，对症下药根据具体的情况提出具有针对性的设计优化策略，能够以最小的成本高效连接降温廊道，充分发挥廊道与源地的热缓释效应，增强降温网络的稳定性。

2）踏脚石增补

城市发展“存量更新”的大背景下，充分利用现有的蓝绿空间以增补踏脚石斑块，可以有效构建功能性降温廊道以提升景观连通性，促进降温源地斑块之间的生态交流，对区域内生态脆弱局部进行修复，是优化城市降温网络的可行方法之一[28] 。

研究基于未选为降温源地的小型绿地斑块，叠加降温网络进一步分析，提取踏脚石斑块271处。这些踏脚石斑块则主要分布在降温廊道附近，其面积小，斑块破碎，但却是降温网络中的重要踏脚石斑块。这些踏脚石斑块在城市中以附属绿地、社区公园、小型水体与林地等形式存在，其具有占地面积小、使用率高、功能复合等优点，应在利用其自然斑底的基础上加强修复和保护，充分发挥其潜在的热缓释效应。

4 结语

研究基于MSPA、景观热缓释效应与连通性分析、MCR模型与电路理论，采取 “源地-廊道-关键点”的网络构建思路，以长沙市中心城区为研究对象，对研究区的源斑块进行提取、识别，构建长沙市中心城区降温网络。中心城区尺度下，研究共识别出98处降温源地，建立301条降温廊道；其中重要降温源地33处，重要降温廊道112条，并建立断裂修复点137处，踏脚石斑块271处。

整体来看，降温源地分布不均：重要降温源地更多分布在城市热岛不显著区，而热岛集中区的降温源地规模甚小，重要降温源地与核心亟需缓释热的区域之间联系较弱；重要降温廊道围绕重要降温源地分布，形成密集网络；但在城市建成区廊道多呈放射状分布，廊道连通性较弱，距离较长且终端的障碍点众多。因此，通过生态节点的引入，能有效对降温廊道进行修补加固，最大化利用现有的自然基础，打造稳定的网络结构。

区别于以往主流的基于单个绿色斑块降温效应的研究，本文以城区尺度视角切入，通过识别、构建长沙市中心城区降温网络，将热岛效应缓解与城市气候适应性规划相结合，为后续蓝绿空间的规划设计提供理论对策，促进城市的可持续发展。

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作者简介：张宇欣（1998.04—），男，汉族，湖南长沙，风景园林专业硕士，贵州师范大学地理与环境科学学院，研究方向：喀斯特山地风景园林规划设计。