小型景观空间微气候分析方法探究

基于植被三维点云数据的小型景观空间微气候分析方法探究——以东南大学梅庵为例

 

摘要：在“碳中和”背景下，微气候研究愈发引起学界关注。过往研究表明，植被是影响景观空间微气候的重要因素之一，但在以往微气候研究及模拟过程中，植被要素因其自身形态的复杂性往往无法被精准量化，造成现状植被与模拟软件中的植被形态存在偏差，导致最终计算结果的准确性有所降低。故在既有研究的基础上，可以通过提升植被建模的真实性及准确性，即利用现状植被三维点云模型辅助在Envi-met软件中精确建模，以提高景观微气候模拟研究结果的精准度。

 

选取东南大学梅庵周边景观空间为研究对象，对上述分析方法予以运用，在验证分析方法可行性的同时，以实测数据为参照，综合比较点云植被模型与Envi-met自带植被模型在计算结果间的差异性。研究结果表明，基于植被点云模型的模拟结果与实测数据更为接近，尤其体现在风速测算上。该方法也可为后续微气候模拟分析研究提供参考。

 

控制温室气体排放、实现绿色生态可持续发展已经成为世界范围内城镇化建设的共同目标。中国于2020年9月承诺，将于2030年实现碳达峰，2060年达到碳中和[1]。在这一趋势下，风景园林领域愈发关注景观空间的气候适应与调节，以及相应空间质量的提升。已有研究表明，城市绿地尺度下景观空间的气候环境与其内外空间结构和表面要素组成关联密切，能够通过对场地的分析与设计达到有针对性的调整和塑造[2]。如何在满足低碳可持续发展目标下，实现景观空间气候环境提升与空间品质优化两方面诉求，成为风景园林学科面临的重要问题之一，而城市中景观植被的微尺度降温效应为此提供了一种可能[3]。

 

聚焦于风景园林领域的微气候研究成果，作为气象学与风景园林学的交叉学科，有关微气候的研究伴随着19世纪20年代现代主义理性思潮的兴起而不断发展[4]。时至今日，微气候研究对风景园林领域的持续发展及城市空间品质的改造提升具有基础性作用，一直是我国风景园林领域持续关注的核心议题之一。刘滨谊[5]、金荷仙[6]、赵晓龙[7]等学者均针对“微气候”与“人居环境品质”“气候适应性”“城市及绿地形态”“人体舒适度”等相关因素间的相互作用与关联展开了研究。

近年来，为回应城市发展诉求及挑战，社区公园等小型景观空间的微气候研究及相关实践形成了聚点成面的累加效应，对城市整体景观气候环境的改善产生了积极的影响，愈发引起相关学者及专业人员的关注。

 

1过往景观微气候分析研究方法

 

现阶段国内外关于景观微气候的研究主要分为实地观测与数值模拟2种方法。自20世纪70年代以来，随着计算机技术及相关分析工具的不断发展，运算化模拟被逐渐应用到了微气候分析领域，从而突破了传统气象监测的局限性，成为微气候研究的主要途径。21世纪以后，“微气候”分析研究的方法及工具不断革新，可通过建模模拟对各景观要素加以量化分析，Envi-met等相关模拟分析软件也被广泛运用于各尺度下的微气候定量研究中，并进一步作为设计实践的依据和参考[8]。由此，景观微气候研究在不断发展中逐渐由定性分析及实地观测走向了以数值模拟为主的多元定量评估。

 

 

目前用于微气候模拟的计算机模拟软件主要有Fluent、Phoenics、Ecotect、Envi-met等十余种[9]。其中，Envi-met是城市热环境数值模拟研究中应用较为广泛的软件，可模拟地表、植物和空气相互作用的过程，并进行不同气候环境下空气温度、空气湿度、太阳辐射及风速等指标的模拟，且引入生理等效温度(PET)和热舒适度评价，以综合表述微气候对人体热感觉的影响，所涉及分析模拟范围涵盖各城市尺度[10-11]。

 

 

 

风景园林学领域多关注景观空间形态与结构、下垫面构成与分布，以及植物种类与组合方式等多个方面对于景观微气候的单一或复合影响，试图通过调控上述因素以优化景观微气候环境。通常将风速(v)及湍流强度(I)、气温(Ta)、地表温度(Tg)、相对湿度(RH)、平均辐射温度(Tmrt)等物理指标作为判定微气候条件及描述绿化问题的重要参照[12]。

 

实则，植被与上述物理指标及景观因素间均存在紧密关联。植物很大程度上决定了空间的内部结构，而其自身的光合作用、蒸腾作用等生理活动又能够对局部环境变化产生影响。因此，在景观微气候模拟过程中，植物景观要素的量化与计算方式对于最终微气候模拟结果有着直接影响。

 

结合不同微气候模拟分析工具来看，目前常用的模拟工具，如Fluent、Phonenics及Envi-met等都是基于CFD类模型开发的，而各分析工具在植物模型的建构原理、适用领域及输出指标上亦存在一定差异。考虑到植被自身构造及形态的复杂性，其在景观微气候分析过程中难以实现较为精确的模拟计算[13]。相较而言，Envi-met基本可以模拟判断出植被在各个方面的影响效应，相比其他软件优势较为显著。同时在绿化环境评估中Envi-met也显示出了较强的分析能力，能够模拟不同形状、高度、材质的复杂景观空间环境中“植物-地表-大气”间的相互作用过程，适用于景观空间的多情景模拟预判[14]。

 

 

三维点云技术作为获取三维空间信息的新技术手段，逐渐演变成适用于各尺度景观空间的有效工具，被用于创建三维地理参考模型，更可对植被的枝干、叶片等植被冠层表征和物理特性加以提取与建模。相较于传统数字模型数据，三维点云模型在数据的编辑与管理等方面表现出较大的灵活度，可通过软件对模型进行要素分类，且与表面模型进行相互转换、排列与重组[15]。

 

 

在目前的景观微气候模拟分析中，Envi-met高分辨率的建模功能可辅助建筑和植物模型的精准建构。但聚焦于其植被建模方式来看，不难发现，现阶段软件仍无法完整复刻真实景观空间中不同品种植被的复杂形态特征。一方面，由于Envi-met对植被模型的建构常以现状植被的多角度照片为参照，再通过软件对植被进行体块化建模，造成植被形态的片面化处理；另一方面，现阶段软件植物库中的植物种类多局限于欧洲植物品种，覆盖面相对较窄，其品种类型无法满足实际模拟时对各类植物的要求。而上述两方面因素会直接导致最终微气候模拟结果与真实情况间有所差异。因此，如何在模拟软件中建构出景观空间的复杂植被形态特征，对于提升微气候模拟分析结果准确性具有重要意义，亦有部分学者有所关注[16]。