《Environmental Impact Assessment Review》：Unraveling the 3D structure of urban green spaces: Key drivers of cooling effects across urban heat scenarios
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本研究通过整合UAV-LiDAR与Sentinel-1/2数据，构建城市尺度冠层结构预测模型，揭示不同热条件下冠层高度、异质性和复杂性的冷却效应差异。结果表明，极端高温下冠层高度显著增强降温效果，而低热压下继续增高中度降温效益有限，需根据热环境动态优化冠层结构策略。
Jia Jia|Zhongwei Jing|Lei Wang|Yunlong Yao|Yalin Zhai|Ruonan Li|Baoliang Chang|Sungmin Lee|Robert D. Brown|Zhibin Ren
东北林业大学景观建筑设计学院，中国哈尔滨 150040
摘要
树木树冠的垂直分层、空间异质性和形态多样性塑造了城市绿地内部的热能流动。然而，在城市尺度上准确量化三维树冠结构仍然具有挑战性，且以往的研究较少关注树木在动态热条件下的实际热暴露情况。在这里，我们进行了一项全市范围的研究，证明了将无人机激光雷达（UAV-LiDAR）与Sentinel-1/2数据相结合，可以实现树冠结构的空间连续三维建模，其中树冠高度的预测性能相对较强（Hmax：R2 = 0.64，RMSE = 2.77 米；p95：R2 = 0.59，RMSE = 2.84 米）。我们的研究表明，树冠高度的降温效果并非简单地“越高越好”，而是会随着热条件的变化而变化。在极端高温条件下，高树冠能显著增强降温效果，最大树冠高度决定了绿地是否能够有效降低局部温度。相比之下，在较低的热压力下，进一步提高树冠高度并不会继续扩大绿地与周边建成区之间的温度差异。此外，在降温效果已经明显的高绿地中，尤其是ΔLST较高的区域，较高分位数的树冠高度对维持强降温效果有更稳定的贡献。局部尺度分析进一步表明，在某些情况下，与高度相关的降温效果并非单独起作用，而是依赖于与树冠结构复杂性的协同作用，特别是与树冠异质性和粗糙度指标的协同作用。这些发现强调了在气候响应型城市景观设计中需要根据不同的热条件调整树冠结构策略。
引言
全球变暖加剧了极端气候事件的频率、强度和持续时间（Montfort等人，2025年；Wang等人，2025b年）。从2025年中国北方多个地区连续13个月打破全球温度记录，超过40°C的情况来看，极端高温正从偶尔的异常现象转变为持续且不断加剧的威胁。特别是城市地区，由于能源消耗集中和地表硬化严重，面临前所未有的热风险（Ding等人，2024年；Grant等人，2025年）。作为缓解热暴露的绿色基础设施的关键组成部分，城市树木可以在热浪期间显著降低地表温度2-5°C（Oukawa等人，2025年；Wu等人，2025年）。然而，大多数现有研究主要关注行政单元、功能区或局部气候区内植被的降温效果（Liu等人，2025a年；Yang等人，2025年），而忽视了植被在复杂城市热条件下的实际热暴露及其对树冠介导的降温性能的影响。这限制了绿地规划应对城市热风险动态变化的能力。
最近的研究将热调节研究扩展到了城市绿地的垂直维度。实地观察表明，结构复杂的树冠可以有效降低温度约7.0-10.0°C（Koller等人，2025年；Zhou等人，2025年）。关键的结构属性包括高度、异质性和多样性，这些属性共同决定了植被的垂直分层和空间组织（Cao等人，2025年；de Conto等人，2024年）。其中，与高度相关的特征（如树高）表征了主要树冠层的垂直分布，影响太阳辐射的屏蔽和热量交换。与异质性相关的特征（如树冠粗糙度和树冠折叠）反映了给定空间内的形态变化，影响近地面空气湍流和能量耗散。与多样性相关的特征（如叶层高度多样性和结构熵）量化了垂直高度分布的复杂性和均匀性，反映了生态位分化和能量流动动态的模式。然而，由于树冠垂直配置的高变异性、空间异质性和尺度依赖性响应（Jucker等人，2025年；Tamiminia等人，2024年），在城市尺度上准确量化城市树木树冠的复杂三维结构特征仍然具有挑战性。
像GEDI和ICESat-2这样的空间激光雷达系统已广泛用于全球范围内监测森林树冠高度，因为它们具有广泛的空间覆盖范围和一致的时间采样能力（Lang等人，2023年；Potapov等人，2021年）。然而，它们稀疏的采样轨迹和相对较低的空间分辨率限制了它们捕捉森林树冠细尺度异质性和结构复杂性的能力。相比之下，基于无人机的激光雷达已在一般林业和城市环境中广泛用于准确表征树木和林分的三维树冠结构（Choi和Song，2022年；Jarahizadeh和Salehi，2026年；Xiao等人，2025年）。此外，以往的研究探索了将Sentinel-2的光谱植被指数与Sentinel-1的后向散射特征相结合，以捕捉植被的光学特性、空间纹理和垂直结构变化（Tamiminia等人，2024年）。然而，很少有研究将高精度的无人机激光雷达结构指标与多源卫星数据相结合，以推断异质城市环境中的树冠结构，而且这些方法的有效性尚不明确。
树冠结构参数在功能上有所不同（Wu等人，2024年），但在热调节过程中它们通常以协调和互动的方式发挥作用（Guo等人，2024年；Rahman等人，2024年）。例如，高树冠可以通过遮荫显著降低地表温度，但如果没有足够的垂直分层或树冠内部的异质性，它们可能会抑制通风并阻碍热量散发，导致封闭条件下的局部热量积聚（Li等人，2025b年）。此外，植被树冠的热调节效果不仅依赖于物理遮荫，还依赖于生理过程中的蒸腾作用，后者同样起着关键作用（Hong等人，2025年；Zhu等人，2025年）。适度的叶面积和良好的垂直分层结构可以提高单位体积的蒸腾效率（Needham等人，2025年），在高热期间通过蒸发冷却显著降低叶面和周围空气的温度。然而，如果树冠结构过于密集，蒸腾作用的降温效果可能会受到水蒸气积聚的阻碍，限制其扩散（Yu等人，2025年）。这可能会削弱整体的降温能力，甚至创造出局部温暖潮湿的条件，增加人类的热应激。尽管存在这些相互作用，但结构属性之间的功能权衡程度仍不甚清楚。
当前的城市热环境研究往往依赖于单一的热指标，如地表温度（LST）或城市热岛强度（SUHII），来表示物理热暴露（Liu等人，2023年）。虽然这些指标有助于识别高温风险区域，但它们忽略了不同热条件下绿地降温能力的差异。这种局限性往往导致实践中绿地的配置过于统一，忽视了局部热环境与植被结构之间的关系，最终削弱了城市生态系统在复杂热应力情景下的适应性和调节效果。近年来，引入了城市热场（UTF）概念（Liu等人，2025c年；Zhang等人，2024年），将注意力转向了单个像素相对于整体城市热基线的相对热偏差（Jia等人，2025c年；Naikoo等人，2022年）。通过量化像素级LST与研究区域平均LST的偏差，基于UTF的指数（例如UTFVI）反映了局部热感知水平。这一视角为探索热感知与热暴露之间的空间耦合提供了新的途径，允许更细致地理解城市内部的热异质性（Zhong等人，2025年）。在此基础上，分析不同热情景下树冠结构特征的降温潜力有助于阐明它们在缓解热应力中的作用。这反过来支持了树配置的战略转变——从普遍的均匀覆盖向结构-热适应性优化，从而增强生态韧性和气候响应型城市设计。
为了解决这一差距，我们提出了一个结构耦合-热分区（SCTZ）框架，用于评估不同热情景下城市树木树冠结构的降温效果。以哈尔滨为例——这是中国东北部森林覆盖率最高的省级城市——我们开发了一种基于城市热风险分区的树冠结构优化方法，从而为寒冷温带和气候相似地区的适应性绿地规划做出贡献。具体来说，本研究旨在：（1）将无人机激光雷达点云数据与Sentinel-1/2的多源遥感特征相结合，构建用于城市尺度预测树冠结构参数的机器学习模型；（2）结合城市热场方差指数（UTFVI）和城市热岛强度（SUHII）来模拟热感知和热暴露的空间模式，并识别不同季节中的强度耦合和解耦特征；（3）在城市尺度上采用贝叶斯分位数回归（BQR）方法来表征不同热感知-热暴露情景和季节中树冠结构参数降温效果的分布异质性。随后，在局部尺度引入了极端梯度提升-沙普利加性解释（XGBoost–SHAP）框架，以揭示树冠结构参数及其在调节城市热条件中的非线性响应之间的交互关系（图1）。
研究区域
本研究在中国哈尔滨市中心进行（东经126°10′ – 127°10′，北纬45°30′ – 46°10′），包括道里区、道外区、南岗区、香坊区、平坊区和松北区（图2a和b）。边界数据来自国家地理空间信息服务平台（
https://www.tianditu.gov.cn；地图批准编号GS（2024）0650）。使用的坐标参考系统和投影为WGS 84 / UTM Zone 52 N（EPSG: 32652），总面积为2443.32平方公里。
树冠结构参数的估算和空间分布
基于无人机激光雷达和Sentinel-1/2多源遥感数据，使用10折交叉验证方案评估了随机森林模型预测树冠结构参数的能力。总体而言，所有树冠结构指标都表现出一定的预测能力，尽管在预测准确性、误差稳定性和系统偏差方面存在显著差异（图3）。其中，Hmax（R2 = 0.64，RMSE = 2.77，MAE = 2.06）和p95（R2 = 0.59，RMSE = 2.84，MAE = 2.05）
复杂城市环境对树冠结构建模精度和预测精度的影响
在本研究中，城市树木树冠高度（Hmax）的预测精度达到R2 = 0.64，RMSE = 2.77米，这与现有关于区域和全球尺度树冠高度估算的研究结果一致。值得注意的是，即使在结构复杂和高度异质的城市环境中，该模型也保持了稳健的预测性能。此外，该模型在误差控制方面也优于许多以往的研究，RMSE显著较低。
结论
本研究建立了一个结构耦合-热分区（SCTZ）分析框架，揭示了不同热情景下城市树木树冠结构的热调节机制，并提出了面向热风险分区的结构优化路径。主要发现如下：（1）基于无人机激光雷达和Sentinel-1/2数据的随机森林模型表明，树冠高度指标Hmax（R2 = 0.64，RMSE = 2.77米）和p95（R2 = 0.59，RMSE = 2.84米）
CRediT作者贡献声明
Jia Jia：写作 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，可视化，软件开发，数据管理，方法论，概念化。Zhongwei Jing：写作 – 审稿与编辑，可视化，软件开发，方法论。Lei Wang：写作 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目管理，资金获取。Yunlong Yao：写作 – 审稿与编辑，监督，资源管理。Yalin Zhai：软件开发，方法论。Ruonan Li：软件开发，方法论。Baoliang Chang：软件开发，方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：42171246）、国家重点研发计划（编号：2024YFD2200900）和黑龙江省自然科学基金（编号：YQ2023E003）的支持。
