Evaluating Human Thermal Comfort Impact of Urban Tree Pruning through Solar Radiation Simulation using Quantitative Structure Model
本研究提出了一种集成地面激光扫描、定量结构模型和太阳辐射模拟的自动化工作流，旨在量化城市树木修剪如何改变冠层结构，并进而如何影响以生理等效温度（PET）衡量的热舒适度。
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在城市盛夏的酷暑中，炎热的人行道与凉爽宜人的步行路径之间的区别，往往取决于上方的树木。城市森林扮演着天然空调的角色，不仅通过向空气中释放水分，更主要是通过投下阴影来阻挡太阳的强烈能量。这种降温效果在很大程度上取决于树木的结构：茂密的树冠和浓密的叶片能拦截更多阳光，使下方的地面显著降温。然而，城市中的树木需要维护。为了防止树枝掉落并确保行人视线清晰，树艺师必须定期修剪。这项必要的作业不可避免地会移除叶片和树枝，从而使树冠变薄。城市规划者和居民面临的一个关键问题是某种微妙的平衡：如何在确保安全的同时，尽可能少地修剪树木，以免剥夺那份让街道行走体验舒适的荫蔽？
台湾国立成功大学的研究团队致力于以传统方法无法提供的精确度来回答这个问题。他们没有依赖粗略的估计或假设树荫分布均匀，而是创建了一个真实雨树的“数字孪生”模型，用以模拟不同的修剪风格将如何改变到达地面的阳光。他们首先使用移动激光扫描仪对校园内的一棵成熟雨树进行了扫描。这种设备在树木周围移动，捕捉数百万个点位，以创建每一个树干、树枝和叶片的精细三维地图。利用这些数据，研究团队构建了一个定量结构模型——一种计算机表征方式，将树木的木质部分视为一系列相连的圆柱体，准确反映其真实的形状和体积。
有了这棵数字树，研究人员开发了一个自动化系统，根据现实世界的安全规则来模拟各种修剪场景。他们编写程序，移除那些生长过陡或不均匀、可能存在坠落风险的树枝，同时确保树木保留足够的木质以维持健康。他们测试了六种不同的修剪强度，从保留 93% 木材量的轻微修剪，到仅留下 80% 木材量的重度修剪。对于每种情景，他们都运行了一次太阳辐射模拟，模拟一年中最热一天的太阳路径，以观察有多少光线会穿透树冠并照射到下方地面。随后，他们将这些光照测量值转化为人类舒适度的指标，计算出人在每种版本的树下相比站在烈日下的体感温度差异。
结果揭示了安全修剪与热舒适度之间明显的权衡关系。原始未修剪的树木提供了显著的降温效果，与无遮荫区域相比，使下方人员的感知温度降低了 4.1 摄氏度。当研究人员采用保持树木自然圆锥形状的中度修剪方式时，降温效益略微下降至 3.1 到 3.4 摄氏度之间。这表明，保留形态的轻度修剪是一种可行的方案，能够维持大部分的舒适益处。然而，随着修剪变得更加激进（旨在平衡树枝或移除更多木质），降温效果明显减弱。在修剪最严重的场景中，即树木仅保留 80% 原有木材体积时，降温幅度降至仅 2.3 摄氏度。这代表损失了近一半的原始降温能力。
这项研究强调，虽然修剪对于城市安全至关重要，但修剪的强度直接决定了阴影的质量。研究人员发现，即使是在为了保护树木健康而进行的精细修剪中，过度移除树冠也会显著恶化行人的微气候。他们的工作证明，城市管理者可以使用这些数字化工具，在实际剪掉任何一根树枝之前，预判一棵树会损失多少降温效果。通过模拟不同的结果，他们可以选择既能保证树木安全，又不会牺牲使城市街道在酷暑中依然宜居的至关重要的热舒适度的修剪策略。研究结果表明，最佳做法是优先考虑结构安全，然后仔细权衡待移除的具体木材量与由此产生的降温损失，以确保树木仍能作为城市气候控制系统中有功能的组成部分。
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