利用等温线绘制城市热景观图：从行人高度角度获得的见解

《Sustainable Cities and Society》：Mapping urban heatscapes with isotherms: pedestrian-height insights

　　

作者：安瓦尔·穆哈梅达贾诺夫（Anvar Mukhamedjanov）、汤博欣（Bo-Sin Tang）、李卫锋（Weifeng Li）

香港大学建筑学院城市规划与设计系

摘要

缓解城市热应激需要准确监测行人高度处的地表温度。尽管红外热成像技术已成功应用于中尺度大气监测数十年，但由于无法可靠地捕捉地面温度，在复杂的3D城市环境中其应用仍然受到限制。本文提出了一种基于等温线的框架来监测与环境相关的日变化地表热交换，该框架包含两个核心贡献：（1）基于等温线的分类系统，该系统通过热力学第零定律与香港气候中以人体为中心的舒适度指标相联系；（2）一种通过融合消费级相机拍摄的数字图像和热图像来创建360°热全景图的经济高效方法。通过对65幅全景图（来自约6,000张热成像图像）的验证表明，该自动化算法能够可靠地再现专家评估结果（R2 = 0.99），将分析处理时间从几小时缩短到几秒钟，并证明了其稳健性。然而，全景图拼接目前仍需手动完成，这突显了未来实现自动化的必要性。该框架的应用揭示了与环境相关的热模式，暴露在阳光下的水平表面成为主要的热储存库——在高峰时段，48%的表面温度超过了40°C。这一框架推进了行人高度地表热监测的发展，并支持可移植到其他气候区域的、基于位置的冷却策略。

引言

监测行人高度处的城市地表热动态对于减轻与热相关的死亡至关重要——每年约有546,000人因此丧生（Romanello等人，2025年）。虽然卫星遥感技术彻底改变了城市规模的大气监测（Miranda等人，2023年；Zhou等人，2017年），但它无法捕捉影响人体热暴露的复杂三维地面物理现象（Huang等人，2024年；Stewart等人，2021年）。传统的基于地面的技术也无法弥补这一差距，因为它们依赖基于点的大气数据和静态指标（如天空视角系数（Svf）），从而忽略了3D城市环境中的与环境相关的日变化地表温度分布。然而，整体大于部分之和：孤立的测量无法捕捉行人实际经历的辐射热环境。地表温度是由能量流动的平衡决定的——一天中吸收、反射、储存或释放的热量多少——这使得它们成为城市材料与其特定环境热相互作用的关键指标（D. Li等人，2024年）。

准确评估行人高度（距地面1.5–2米）的城市地表温度面临三个相互关联的挑战。首先，尽管卫星能够有效捕捉中尺度上的动态热模式，但据我们所知，目前还没有普遍适用的方法来验证和分类复杂、与环境相关的3D城市环境中的“热”或“冷”地表。其次，现有的方法（包括以人体为中心的感知研究和基于模拟的方法）无法填补这一空白：前者能够捕捉人体热体验，但无法捕捉导致这种体验的异质热环境；后者则依赖于可能与现实大相径庭的假设（Hao等人，2023年；Lamberti等人，2025年）。第三，方法论障碍仍然存在：受单一视野限制的传统图像无法完全展示3D周围环境（Biljecki & Ito，2021年）；因此，很难有效捕捉由城市异质性引起的复杂长波辐射暴露模式（Zhao等人，2020年），从而难以制定有效的、基于现场的缓解策略。

因此，现有方法缺乏可移植性，可靠的建模框架也十分匮乏（Shi等人，2019年）。随着城市面临更大的气候风险，这个问题变得更加紧迫：IPCC（2022b）预测，到2050年，热带城市的热应力可能是农村地区的两倍。与其讨论城市应优先通过冷却基础设施（M. Li & Liu，2025年；Mukhamedjanov等人，2024年）还是适应温度上升（Deshayes & Périard，2023年）来缓解这些问题，有效的应对措施需要能够监测行人水平动态地表热保持的方法——这是3D城市环境与人们所经历的辐射热之间的缺失环节——从而制定出基于位置的具体策略。

为了解决这些挑战，我们提出了一种新的基于等温线的框架来监测行人高度的城市地表温度，包含两个核心贡献。首先是填补知识空白：一种基于等温线的分类系统，该系统应用物理上基于热量的阈值来识别与香港亚热带气候中建立的人类为中心的舒适度指标相对应的“热”和“冷”地表。其次是填补方法论空白：一种通过融合消费级相机拍摄的数字图像和热图像来创建360°红外全景图的经济高效方法。这种方法避免了使用昂贵的高分辨率相机，从而改善了3D辐射边缘效应的校正（Zheng等人，2023年）——这是单视野图像无法实现的。

本研究探讨了异质3D城市表面几何结构如何影响行人高度的日变化地表温度模式。我们提出了两个研究问题。首先，360度等温线在夏季热浪期间划分地表温度分布的有效性如何？这测试了基于等温线的框架是否能产生稳定、可解释的热区域。其次，自动化流程与手动评估的可靠性如何？这评估了准确性、重复性和处理效率。我们假设等温线分析将通过识别日变化周期中的稳定、与环境相关的热区和冷区来解决细尺度的空间分布问题，自动化模型将在再现手动真实评估结果方面实现高分类准确性（>95%），同时具有很强的重复性和显著的处理时间缩短——从几小时减少到几秒钟。

如果这些假设得到验证，我们可以为行人高度的城市表面提供精确的、与环境相关的动态热诊断。在本地，城市规划者可以通过植树和使用反射热材料来战略性地增加3D城市环境中的冷区。公共卫生官员可以利用热景观图进行有针对性的警告或冷却资源分配。在全球范围内，该框架为使用本地中性热阈值评估复杂3D城市形式的行人高度地表温度提供了一个标准化协议。通过验证行人高度处的位置依赖性热保持情况，这项工作将城市热监测从理论提升到了基于证据的实践，响应了迫切需要适应气候变化的城市的要求（IPCC，2022a）。

章节摘录

文献综述

热成像长期以来一直是城市尺度上城市热岛（UHI）研究的核心（Voogt & Oke，2003年；Cheval等人，2024年）。然而，直接影响人类福祉的行人高度地表温度仍然研究不足（S. Yang等人，2023年）。尽管卫星-derived温度数据在中尺度大气分析中非常有效，但与地面测量值相比可能会有超过10°C的差异（Steinharter等人，2026年）。系统综述呼吁进行更多的

方法论框架和工作流程

本研究考察了香港千禧广场（Grand Millennium Plaza）行人高度处的日变化地表温度模式，重点使用等温线量化3D城市环境内热区和冷区的比例分布。我们开发了一个包含四个阶段的方法论框架（图2）。首先，在现场拍摄了65幅全景图像，并使用视觉照片进行手动拼接以指导对齐，随后将热数据映射到拼接后的几何结构上

三维辐射边缘校正

传统的热成像容易受到辐射边缘效应的影响（Liu & Weng，2014年），因为受单一视野限制的图像无法捕捉周围环境（Biljecki & Ito，2021年）；也就是说，外部热源会扭曲图像边界的温度读数——这对行人高度的城市表面分析是一个重大限制。本研究通过一种360°等角全景成像方法解决了这个问题（Middel等人，2023年），数据在

讨论

本研究提出了一种经济高效的确定性等温线框架，它结合了360°热成像和混合分类方法，用于映射行人高度（1.5米）3D城市环境中的异质、与环境相关的地表温度。与不透明的“黑盒”方法不同，这种方法完全透明且可重复。在千禧广场应用时，自动化系统生成的等温线图（图10、12）与手动测量结果非常吻合

结论

本研究建立了一个经济高效、透明的框架，它将360°红外热全景图与基于阈值的等温线分类系统相结合，能够在行人高度（1.5米）的复杂3D城市环境中实现与环境相关的地表温度监测。该框架基于香港亚热带气候的本地热舒适度指标，物理基础的等温线范围（28–40°C）提供了一种可重复、可移植的方法，用于识别和

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了DeepSeek来检查和纠正语法错误。使用该工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对已发表文章的内容负全责。

资金

本文所述的工作获得了香港特别行政区研究资助委员会的主题研究资助（项目编号T-22-504/21-R）

伦理声明

作者声明他们与本文的出版没有利益冲突。

致谢

作者感谢他们的家人、朋友和匿名审稿人的支持、宝贵评论和建议。

未引用的参考文献

Oke, 1982; Bornshtein, 1968

CRediT作者贡献声明

安瓦尔·穆哈梅达贾诺夫（Anvar Mukhamedjanov）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、软件开发、方法学研究、数据分析、概念化。汤博欣（Bo-Sin Tang）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法学研究、资金获取。李卫锋（Weifeng Li）：撰写 – 审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们与本文的出版没有利益冲突。

致谢

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