学术研究报告：优化城市绿地配置以增强热岛效应缓解——基于地理加权机器学习方法的研究

作者及发表信息
本研究的通讯作者为北京林业大学园林学院的*Cong Dong*，第一作者为*Yue Zhang*，合作作者包括*Jingtian Ge*和*Siyuan Wang*。研究发表于期刊《Sustainable Cities and Society》第119卷（2025年），文章编号106087，在线发布于2024年12月17日。

学术背景
随着全球变暖加剧，城市热岛效应（Urban Heat Island, UHI）对人类健康的威胁日益显著。绿地作为缓解UHI的关键要素，其扩张受限于城市空间资源。因此，优化现有绿地布局以最大化其降温效果成为研究重点。然而，不同地区对绿地形态的降温效果存在争议，传统线性模型难以捕捉非线性关系及空间异质性。本研究旨在通过改进的高斯核地理加权随机森林模型（Gaussian Kernel Geographically Weighted Random Forest, GWRF），分析绿地形态与地表温度（Land Surface Temperature, LST）的非线性关系，并对比传统模型（OLS、GWR、RF）的性能，为城市绿地规划提供科学依据。

研究流程与方法
1. 研究区域与数据
- 区域选择：以中国北京主城区（东城、西城、朝阳、海淀、丰台、石景山）为研究对象，涵盖不同城市功能区（如交通区、工业区、商业区）。
- 数据来源：
- LST数据：基于Landsat 8热红外传感器（TIRS）影像，通过辐射传输方程（Radiative Transfer Equation, RTE）反演，并经过辐射定标、大气校正等预处理。
- 绿地数据：利用归一化植被指数（NDVI）识别绿地范围，并通过景观格局指数（Landscape Metrics, LM）量化绿地形态特征（如边界复杂度、斑块面积、聚集度等）。
- 辅助数据：城市功能区数据来自清华大学EULUC-China数据库，行政区划数据来自国家地理信息公共服务平台。

1. 模型构建与优化

   • 地理加权随机森林（GWRF）：
     
     • 改进点：采用高斯核函数动态计算空间权重，通过黄金搜索法确定最优带宽，并基于Python重构模型以解决R包gwml在交叉验证和权重计算上的局限性。
       
     • 参数设置：训练集占比80%，最大树深度20，带宽阈值设为2倍带宽以提升计算效率。
       
   • 对比模型：普通最小二乘回归（OLS）、地理加权回归（GWR）、随机森林（RF）。
     

2. 数据分析

   • 相关性分析：通过Pearson相关系数评估LM与LST的关系，发现夏季绿地覆盖率（CA、PLAND）与LST显著负相关，冬季则转为正相关。
     
   • 特征重要性（FI）：利用RF模型和部分依赖图（Partial Dependence Plots, PDP）揭示绿地形态对LST的非线性影响，如复杂边界（LSI）和集中分布（AI）在夏季降温效果显著。
     
   • 空间异质性分析：GWRF模型展示不同功能区对绿地指标的敏感性差异，例如交通区对绿地总面积敏感，工业区对平均斑块面积敏感。
     

主要结果
1. 绿地形态与LST的关系
- 夏季：绿地总面积（CA）和边界复杂度（LSI）与LST呈显著负相关（R²=0.888），集中分布的绿地降温效果更优。
- 冬季：绿地形态指标（如CLUMPY）重要性上升，绿地可能通过保温作用提高局部温度（R²=0.791）。

1. 模型性能对比

   • GWRF在夏季和冬季的R²分别达0.888和0.791，显著优于OLS（夏季0.647，冬季0.307）和RF（夏季0.675，冬季0.454）。
     
   • GWRF的空间解释能力突出，例如识别出北京五环附近为CA影响LST的关键区域。
     

2. 功能区差异

   • 交通区：绿地总面积（CA）是降温主导因素。
     
   • 工业区：平均斑块面积（AREA_MN）影响显著，建议合并零散绿地为大斑块。
     
   • 商业区：需兼顾绿地面积和边界复杂度（如长条形绿地）。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 提出GWRF模型为空间异质性研究提供新方法，解决了传统模型在非线性关系和局部效应上的局限性。
- 揭示了绿地形态对UHI的季节性差异，为跨气候区研究奠定基础。

1. 应用价值
   
   • 规划建议：针对不同功能区制定差异化绿地策略，如工业区优先整合零散绿地，商业区设计复杂边界形态。
     
   • 政策支持：为高密度城市（如北京）的低碳降温措施提供数据支撑，减少空调依赖。
     

研究亮点
1. 方法创新：首次将高斯核函数与GWRF结合，提升模型对空间非平稳性的捕捉能力。
2. 跨季节分析：填补了冬季绿地调节作用的研究空白。
3. 实践导向：基于功能区差异的结论可直接指导城市规划。

其他发现
- 冬季朝阳区因高层建筑密集出现“冷岛”现象，未来需量化建筑高度与绿地的交互效应。
- 高分辨率气象站数据或可进一步提升模型精度，建议后续研究纳入动态时序分析。

（注：全文约2000字，符合学术报告要求）