城市建筑物-植被三维空间结构对热环境的影响机制与模拟优化-以北京市为例

20250122

科学研究和技术服务业

本项目研究提出了建筑物-植被空间协同效应的概念，揭示了建筑物与植被之间的互动对城市热环境的综合影响。发展了三维景观格局在热环境的贡献机制，能够动态分析不同建筑-植被空间配置对城市热环境的影响，为城市规划和绿色建筑设计提供量化支持。 项目结合遥感数据、城市三维建模、热环境模拟（ENVI-met模拟，WRF模型）等先进技术，研究了城市热环境预测，能够精确评估不同建筑和植被配置对热环境的影响。通过采集北京市不同区域的建筑物高度、密度、绿地覆盖率等数据，结合气象数据，完成了大规模的热环境评估与优化模拟。项目研究定量地探讨了城市绿地形态和植被组成在不同季节对LST的影响，旨在解决遥感数据精度不足和现场数据选择偏差的问题。通过使用北京六个环带的详细、全覆盖的城市绿地矢量数据，本研究计算了绿地形态因子，并将城市绿地分为三种典型的植被类型:树木、灌木和草。通过相关性分析和Boosted RegressionTrees模型，评估(1)绿色空间形态和植被组成对地表温度影响的季节性变化;(2)这些因素在所有四个季节中的相对贡献和边际影响。 本项目基于Landsat8热红外波段的辐射传输方程反演地表温度，构建了高精度的地表温度反演模型利用Landsat卫星热红外遥感数据反演城市地表温度，对模拟的高空间分辨率城市热红外遥感数据进行大气校正和温度/发射率分离，构建热红外辐射传输解析模型与现有地表温度遥感反演算法（分裂窗大气校正和温度/发射率分离方法）进行耦合，构建了地表温度反演模型，通过反演北京市2000-2020年的地表温度与实测数据验证精度为88.72%，符合精度要求。研究结果为城市气候设计提供了准确数据，并为缓解地表温度提供了支撑，对城市规划和气候适应具有重要意义。还通过三维空间建模和热环境模拟优化技术，可以为城市规划与设计提供了创新的技术方案，尤其是在应对城市热岛效应和优化城市绿化配置方面具有广泛应用前景。

合作方可以投入200-500万经费，提供实验室100-200平方米，仪器设备包括大型图形工作站，无人机激光雷达，高光谱，机器狗，以及高分辨率遥感卫星数据

可国（境）内外转让

项目成果可广泛应用于城市规划、建筑设计以及生态环境优化领域，尤其是在节能减排和绿色城市建设方面具有重要价值。基于该项目的热环境模拟系统，政府部门和企业能够制定更具前瞻性的绿色发展政策。项目的成果不仅推动了城市热环境管理的技术进步，还为多个产业（如建筑、环境保护、绿色城市建设等）提供了潜在的经济利益。项目的研究成果能够为城市建筑设计提供科学依据，优化建筑与植被布局，降低建筑能源消耗和空调负荷，达到节能减排的目的，从而减少能源消耗，节省运营成本。项目成果能够为绿色建筑设计、生态城市规划等领域提供技术支持，促进绿色建筑行业的持续增长，推动绿色环保产业的发展。优化建筑物和植被的配置不仅能提升建筑能效，还能促进绿色产业的发展，创造更多的经济机会。通过合理优化建筑和植被的空间配置，提升城市区域的热环境质量，改善人居环境质量，有助于提升房地产项目的市场竞争力和价值。本项目的研究成果对提高城市居民的生活质量，促进城市可持续发展具有重要社会价值，尤其是在应对气候变化和提升城市环境质量方面。通过优化城市热环境，降低城市热岛效应，项目成果有助于提高北京市等大城市的宜居性，特别是在夏季高温时节，为居民提供更舒适的生活环境。项目的成果不仅推动了科学技术的进步，还为政府和公众提供了应对城市热环境问题的实际解决方案。通过向社会普及建筑与植被对热环境的影响的知识，增强公众的环保意识，推动社会对气候变化的应对能力。本项目的成果为政府在绿色城市建设、环境保护政策和气候适应性政策的制定提供了数据支持和技术保障，推动了可持续发展的社会目标的实现。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

通过深入研究城市建筑物与植被的三维空间结构对热环境的影响，探索了建筑-植被互作用对城市热岛效应（UHI）以及热环境调节的机制，填补了该领域内的多项学术空白。本项目揭示了建筑物与植被的空间配置（包括垂直与水平分布、密度和布局等）如何影响城市区域的热环境，尤其是对城市热岛效应的缓解作用。通过建立了基于建筑物-植被三维空间模型和地表温度反演模型，为未来城市热环境优化提供了科学理论支持。