（气象学专业论文）基于遥感和gis的城市颗粒物污染分布初步研究和探讨.pdf

中文摘要 中文摘要 本文为了达到动态和定量分析颗粒物污染分布特征目的，利用动态程度高 的n o a a 卫星可见光和近红外波段，采用双通道组合运算技术，结合实测地面颗 粒物污染指数样本点资料，建立卫星和地面颗粒物污染样本点的相关模式，对 上海中心城区的颗粒物污染信息进行反演。在地理信息系统平台上，初步分析 和研究了上海城市颗粒物污染的空间分布，并结合绿地分布、绿地统计信息对 绿地的降尘机理和效果进行了初步研究，取得了满意的结果。 鉴于颗粒物污染对n o a a 卫星的可见光通道和近红外通道的大气通过率 的影响存在差异，本文建立了卫星差值植被指数( d v i ) ，并且通过建立d v i 与地 面污染监测站的污染指数( p m i o ) 的关系，反演出上海市城区的颗粒物污染分 布。在此基础上，本文初步分析了上海市城区颗粒物污染的分布规律，并且结 合由资源一号卫星分类提取得到的上海市绿地分布图，分析了颗粒物污染和绿 地分布之间的关系。文章发现：城市的可吸入颗粒物污染分布和下挚面介质、 人为污染源、人口密度有非常密切的关系。城市可吸入污染物的分布是由市中 心往外逐渐减弱。市中心由于建筑物密集，厂房集中、人口密度大、交通繁忙， 故可吸入颗粒物污染相对较严重。可吸入颗粒物污染分布和城市绿地分布、面 积密切相关。两者分布趋势基本一致；污染的高值区出现在绿地稀少的地区： 在大块绿地的附近出现污染的低值区。 在g i s 中，通过对各行政区内绿化覆盖率和人均公共绿地面积与各级污染 区和清洁区面积比的比较，以及对不同面积绿地5 0 0 米缓冲区内高、中、低值 污染区面积比的比较，发现：绿化覆盖率和人均公共绿地面积都大的区，颗粒 物污染所占的面积比小：绿化覆盖率相近的各区，人均绿地面积大的，颗粒物 污染的面积比较小。通过对各绿地进行的缓冲区分析发现：绿地面积和它的降 尘效果密切相关。面积大的绿地，其周围颗粒物污染所占的面积比小；丽而积 小的绿地，颗粒物污染所占的面积比大。通过由中巴资源卫星反演得到的颗粒 物污染分布，结合已知面积的绿地，研究了绿地面积的颗粒物污染缓解距离的 关系，我们发现：绿地面积与它对颗粒物污染缓解的影响距离关系密切。其相 对清洁的影响距离随着绿地面积的增大而增大，呈明显的线性关系。 关键词：可吸入颗粒物污染差值植被指数绿地，绿地降尘效果 1 1 1 茎苎塑些 a b s t r a c t d u et ot h ed i f f e r e n ti n f l u e n c eo fi n h a l a b l ep a r t i c u l a t eu p o nt h e t r a n s m i s s i o nb e t w e e nv i s i b l ec h a n n e la n dn e a ri n f r a r e dc h a n n e lo fn o a a s a t e l l i t e 。 ad e f e r e n t v e g e t a t i o ni n d e x ( d v i ) i sb u i l t a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd v ia n dp l d l oo b s e r v e db yt h eg r o u n de n v i r o n m e n t m o r t i t o t i n gs t a t i o ni sf o u n d o nt h eb a s i c so fq u a n t i t a t i v er e t r i e v a lo f p o l l u t i o n ，c o m b i n i n gw i t hg r e e nl a n dd i s t r i b u t i o n ，g r e e nl a n ds l a t i s t i c s a n dm e t e o r 0 1 0 9 i c a ld a t a ，ad y n a m i cm o n i t o r i n ga n dr e s e a r c hh a sb e e nd o n e t ot h ep a r t i c l ep o l l u t i o no ft h ec e n t r a lu r b a ni ns h a n g h a ib yu s i n gg i s m u l t i f a c t o ri n t e g r a t e da n a l y s i s ，a n das a t i s f y i n gr e s u l to fa p p l i c a t i o n h a sb e e nr e a c h e d a f t e ro u rr e s e a r c ht h ef o l l o w l n gr e s u l t sh a v eb e e nr e a c h e d ：1 ) t h e d i s t r i b u t i o no f p a r t i c u l a t ep o l u t a n t s i s c l o s e l yr e l a t e d t ot h e c h a r a c t e r o f u n d e r l a y i n gs t i r f a e e ，m a l l m a d ep o l l u t i o ns o u r c e a n d p o p u l a t i o nd e n s i t y t h ed e n s i t yo fi n h a l a b l ep a r t i c u l a t er e d u c e sf r o m c e n t r a lu r b a nt os u b u r b 2 ) t h ed i s t r i b u t i o no fp a r t i c u l a t ep o l l u t a n t i sc o r r e s p o n d i n gt og r e e nl a n d t h eh i g hv a l u eo fp o l l u t i o na p p e a r si n t h ea r e al a c k i n go fg r e e nl a n d3 ) t h ep a r t i c u l a t ep o l l u t i o na r e a r a t i o o fe a c hd i s t r i c ti ns h a n g h a ii s i nr e l a t i o nw i t h g r e e nc o v e r a g er a t i o a n dp e rc a p i t ap u b l i cg r e e na r e a 4 ) t h ec a p a c i t yt or e l e a s ed u s to f g r e e n l a n di s c l o s e l yr e l a t e dt oi t sa r e a 。5 ) t h e r ei sa1 i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed i s t a n c eo fg r e e nl a n d se f f e c to np a r t i c u l a t ep o l l u t i o n a n di t sa r e a k e y w e r d s ：i n h a l a b l ep a r t i c u l a t e p o l l u t i o n d e f e r e n t v e g e t a b l e i n d e x g r e e nl a n dg r e e nl a n d se f f e c to fr e l e a s i n gd u s t 堕壅皇叁堂堕堡：! ：堕苎! 苎主望堕塑鱼坚塑塑塑塑垫塑塑塞坌塑塑兰垡塑塑堡丝 第一章引言 1 1研究目的和意义 目前，随着城市建设和经济的迅速发展，生态环境问题同益恶化和突出， 严重危害了人民生活健康和社会发展。大气中的悬浮颗粒物因会对人体健康产 生负面影响而倍受人们关注。一般根据粒径大小可将悬浮颗粒物分为降尘和飘 尘。飘尘是指空气动力学直径小于或等于1 0 肛m 的悬浮颗粒物，由于它易被人们 吸入呼吸道内，因而也称为可吸入颗粒物。可吸入颗粒物作为大气污染的首要污 染物之一，对人体的危窖极大，故引起人们的高度重视和关注。目前，我国很 多城市都不同程度的存在着颗粒物污染，不少城市的污染相当严重“。3 。 可吸入颗粒物的来源可分为天然源和人为源。天然源包括地面扬尘、海 浪溅出的浪沫和盐粒、火山爆发所释放出来的火山灰、森林火灾的燃烧物以及 植物的花粉、孢子等。人为源主要是燃料燃烧过程中形成的烟尘、飞灰等，各种 工业生产所散发出来的原料或产品微粒，汽车排放出来的含铅化合物以及矿物 燃料燃烧所排放出来的s 啦在一定的条件下转化成的硫酸盐粒子等。可吸入颗粒 物的危害很大，主要体现在对大气、植物和人体健康的影响“。烟尘和粉尘颗 粒在大气中形成气溶胶，影响空气质量和大气能见度；粉尘颗粒可在植物上形成 一个粘附层，阻碍呼吸和光合作用，妨碍新陈代谢和水分平衡；而可吸入颗粒物 进入人体内可引起呼吸道、肺部感染以及其他病变。 目前，随着城市建设的不断发展，人民生活水平的不断提高，人们对生 活环境的要求也越来越高。城市绿化建设是降低和减缓热岛效应、净化空气、 改善大气质量和生态环境的强有力的措施。因此，研究城市颗粒物污染的时空 分布，为科学评估城市绿化的合理性布局、规划提供基础性信息，具有十分重 要和深远意义。而利用遥感技术对城市中的颗粒物污染进行监测，既可以弥补 常规监测方法中的测站点少、分布不均、耗时、花费大等缺点，还可以进行及 时、准确的动态跟踪，是一种研究城市大气中颗粒物污染时空分布的有效手段。 1 2研究现状 1 2 1 运用常规方法对城市可吸入颗粒物的研究现状 目前，人们对城市可吸入颗粒物的研究一般采用常规布设观测站点对大气 进行采样，然后对采集的大气样品进行研究分析。常规方法对可吸入颗粒物的 研究大多集中在对大气中颗粒物的含量、浓度，单颗粒的大小和形状以及粒径 分布、化学成分及其污染源等方面的研究。人们研究城市上空的颗粒污染物首 先要解决的问题就是污染物的含量和浓度进而对城市的污染水平做出判断， 如奚晓霞、陈建平等”1 通过对兰州市和银川市的大气污染物的研究，结果表明 这两个城市的大气污染水平是严重的。而颗粒物的大小和形状决定了颗粒物最 终进入人体的部位，从最初对总悬浮颗粒的研究到对p i ，。和p f 。的研究表明， 藤衷气象攀麓蝼l j 谚室：臻孳二莲薄弱g i s 瓣赣蠢骧粒耨瓣染势稚耪步磺露秘撵避 久 f j 瓣颗粒翰的锈究嚣镪藿甄徽联懿方鹬发袋9 “3 。簸径努蠢搔巢一粮予褥中墨： 阏粒校瓣粒予掰占惑潦静魄饿。潦实上，鞭粒物搿骞豹臻纯後葳都与粒秘舂关， 联戬大气颡敉甥粒经的时窆分匆媛掺焱是人翻关淀豹焦点之一。不嗣地区萋珏 琴弱攀肇以及苓嬲时阏，蔟粒径分靠娥簿器募，鞫时其跚z t 在潮m 中联占麴比恻 鼗不同。霞此在研究城市颗粒物时一般都分季节遴行8 ”1 。颗粒耪斡能学成分非 鬻复杂，嚣量其缀藏簸分狭宠了瓣巧魂熬蔻辫纛凄，因鼗綦秀究颗粒掳瓣缀成袋 羚对联突鬏粒戆瓣嚣聚其骞一卜分燕要瓣意义。藩寨蹇、熏瑕等人“”“逶过黠毒秘、 j t 京和广州等城密上空的颞粒物缀戚成分的研究发现，颗粒物巾掰食的滗规物 秘类繁多，成份笈杂。麓着磷究豹避一步深入，入翻发现颗粒物中的肖毫氇秘静 粪更多筏努受复窳，瓣天癸酌藏密委大，其中冤骥多环芳羟瓣蕺害为大，霞越 入餐程怼颡靛物巾毂蠢秽秘的磺究瞧邋深入，煲爨体“”州。大气中烟尘积粉尘激 源子爨然釉人为豹许多邋程，毽北对污絷源嬲群叛对控制大气浮染撩拨，剃定 减污臻藏屡褥笼魏必袋。避举来，入们用了不弼的方法辩颥粒物污染的污染源 送行躺凝，取褥了一愆熬减靛“。 萋1 。2 ，2 应溺遥露技术对颗糠物的磷究凌凝 黼终辩掌豢疑a 警找越麓续碰蠲备秘邋撩技术潮火山髅笈产鼙三豹火出云 ”“，森褡火灾澎或熬太瓣耪矮雾9 “，黻缓海洋葶拜陆筑上象虢寒鑫予渗漠臆获垒 “”1 镣进行了跟踪燕测秘矜瓣。国内燹4 在瓣沙兰l 三暴鲍避感鼍珏究方搿终了比较多靛 王作。郑精汪簿掘浇落波妖对涉尘器辩反墩特征，建巍了0 6 3 9 m 和l 。0 6 9 m 滚长爱莉率与3 7 5 v t t n 襁i i 。0 拜m 渡长亮漱酌统计兼系，丽予涉凳暴稔灏，取褥 了较好魏效暴；爹敲宁“”等聪躅| 。6 p 精鹣波段建立魄沙尘瀑嶷捂数，避嚣多 溪遥感数据麴沙囊暴强寝鉴测，取得了秘驻熬散袋。方条义等o ”裁溺n o a a a v i i r r 通道3 ，4 的麓镀柬判谈涉尘黎聪，突出沙尘信息驰纹理缝构，并指出：如暴将 麓篷辐射亮滚国葛鲑捧遴道联合饺蠲，褥浚麟抉夔缀辐射亮激鬻难虢将汐尘送 墨云嚣寄散嚣瓷嚣寒戆滔疆；蓬一大等绘爨了程露瓷羧表堪强渗尘器澎堍鹃 方法，冀时探讨了沙蔓l 三黎信慰摄取秘潍发监测约方法。姥步 ，盼茑藏唧l 、孙司 衡“3 等液罔卫星遥感簸浏技术信爨，势缭台g i s 技术，瓣2 0 0 0 2 0 0 1 年沙尘黎 避鬟静越源、空闻分镪、移稳鼹径秘释羔| 羔区域进行了磺究；波蠢喜等嘲靛硪巍 袭爨，列怒g m s 一4 数字袋宽歉努资料彝甥分卷攥姿势，褥骥努撰出耱强沙尘器 过程巾强冷锋鳍郝鲍巾咫发对浚系统( 粼s ) 敷其馋隧熬鹣线粒里星云塑特铤； 许多入“删； 爝不同的卫星数掘磷究了沙垒暴光擎厚度的反演方法，傻由于陆筒 蔽射鼗海嚣爱莠孛羹为嶷杂，掰戳弱藜瓣矫究帮爨在窳甏上送行静。国予下蛰谣 状况怒涉囊暴形成、熬疆器及瓣空分露童瑟嚣豢之一，闲藏，逡年謇大爨磷瓷撸8 侧 趋向予避i 垡遥感技术反演沙l 羔暴途经医域下按瑟的鸯关参数，分撕焚与沙尘天 气韵澎城靼演纯静关系，并取褥了阶段谯豹成巢。毯逡酆瓣遮塑工 擘对于我们 孀遥戆的方法研究簸帮上空的颗狡褥污染分稚其磊十分藏要豹借篷意义，德楚 这些骥究大多是辩大菠麓兹瓣染遴努鹱溅，誉戆瀵慰城帮遥旗鬏粒黪污滚分露 鼹要袋。 南京气象学院颀，l 论文：慕于遥感和g i s 的姚市颗粒物污染分布初步研宄和探讨 程大气污染的遥麓研究方瑟，由予遥感信感孛大气污染信悫十分徽弱，撵 敬非常豳难，人们大多采用间接的方法来对大气瀚染进行遥感般测。 t e m p l e m e r y e r 、b e n j a m i n 等“”1 最早投摄污染娥区地物反射率发生变化、边界 模糊的情况来对大气污染情况进行估计；范心圻等”根据城市热岛情况对城市 大气污染进行宏观估计。提出了n o a a 卫艇的可见光通道光谱值岛颗粒物污染之 瘸存在一定静关系；f u j i i 、h i s a o 等删缀撂爨时中s 0 2 禽量与逡感数兹唾= | 疆被 指数的关系估计大气污染的情况；施玉琪等脚，利用植被指数和大气污染综合指 数之间的关系，推求了大气污染的范围翻影响强度；张韬等“”利用遥感技术结 合圭| 塾滋渡谱迸幸亍了时表褥 | j l 大气污染元索静含豢溺定，分褥研究了呼秘浩蒋市 的大气污染状况。王雪梅蒋m 首次从t m 卫星数攒直接定艇提取联域大气污染气 体累加浓度信息，萍对珠江口大气污染状况寄较客双、形象鸵露现，邓攥臻、 嗣国良等在戴蕊础上对长江三角洲遗酝的1 9 8 4 和1 9 9 7 年的污染进行了探测。 纵观以上研究，人们应用常规方法对大气中颗粒物的理化性质、污染源的 聪撬熬及黠矮境熬危害方瑟鑫经蠢了 嚣深入瓣磅究。懿楚邀予豢怒方法受囊 样本数爨和密度的限制，很难对颗粒物的时空分布进行研究。因此，人们般 借助遥感的手段来达到对颗粒物的时空分靠的研究目的。面且前对颗粒物的遥 感骚究，一觳嚣羧予对大瑶穰灞雾、获曼| 兰戮及沙尘暴静簸涮黎舔踪，对城市尺 度的和小粒径颗粒物污染的研究还比较少，而且对城市大气污染的遥感研究也 大多是定性和非渤态的。 1 3 研究内容和方法 本文为了达到动态秘定量分糖颗粒糖污染分鑫特缝嚣戆，举l 惩动态程疫莲 的n o a a 淑星可见光和近红外波段，采用淑通道组合运算技术，结合实测地面颗 粒物污染指数样本点资料，建立卫星和地面颗粒物污染样本点的相关模式，对 主海孛。豁城嚣静颡粒物污染蕊爨进行反滚。在魏理信患蓉统平螽上，初步分析 和研究了上海城市颗粒物污染的空间分稚，并结合绿地分布、缘地统计信息对 绿地的降尘机理期效果j j ! 行了初步谤究，取德了满意的结果。 3 南京气象学院硕j j 论文：綦于遥感和g i s 的城市颗粒物污染分布初步研究和探讨 第二章资料介绍及预处理 2 1资料介绍 2 1 1 卫星资料 1 、颗粒污染物反演资料 本文使用n o a a 气象卫星的可见光和近红外波段资料作为颗粒污染物建模资 料。n o a a 卫星是极轨气象卫星，它的改进甚高分辨率辐射计( a v h r r ) 能提供5 个通道的影像和数据，其各波段的波谱响应以及空间分辨率如表1 。 表1n o a a a v h r r5 通道的波段、波谱响应、地面分辨率和主要任务 t a b l e1w a v e r a n g e ，s p e c t m lr e s p o n s e ，s u r f a c er e s o l u t i o no f n o a a a v h r r s5c h a n n e l s 气象卫星的a v h r r 资料应用于城市环境监测具有如下优点：覆盖范围广， 便于对全国各个城市进行监测，取得的资料是同步或准同步的；周期短，可进 行连续重复观测，有利于城市环境的动态观测；资料容易取得，成本低。但不 足的是地面分辨率较低，难以对大气环境场的细微结构进行细致研究。 2 、绿地信息资料 所采用的绿地分布资料来自于对资源一号卫星图像的信息解译和分类提 取。资源一号卫星( c b e r s 一1 ) 是1 9 9 9 年l o 月1 4 日发射的我国第一代传输型地 球资源卫星，星上三种遥感相机( c c d 相机、红外相机和宽视场相机) 可昼夜观 察地球，利用高码速率数传系统将获取的数据传输回地面接收站，经加工、处 理成各种所需的图片，供各类用户使用。其中可见光通道图像( c c d 相机l 5 通道) 波长是0 4 5 o 7 3 微米，空间分辨率为1 9 5 米。 2 1 2 污染监测资料 地面污染资料采用上海市环境监测中心每天通过网络传给上海市气象局的 上海城市1 0 个环境监测站的直径为l o f t m 颗粒物污染( p m 。) 资料。 2 1 3 气象资料 采用源自上海气候的上海市风向、风速的气候统计资料。根据1 9 6 1 年至1 9 9 0 年的气候统计资料表明，由于上海地处东南沿海，地势平坦，受东南 季风影响明显。全市除浦东新区以东北偏北风多外，均以东南偏东到东南风最 4 南京气象学院硕士论文：基于趱感和g i s 的城市颗孝立物污染分布初步研究和探讨 多。菇内豹季节变耗强豢，全年班东南镛东斑为主，3 黧8 嚣盛行东南编东弧， 9 至l o 月盛行东北风，1 1 月至次年2 月盛行西北偏北风。月平均风速最大出现 在3 - 4 冀，最小爨现在1 0 1 1 足。 2 1 4 绿地统计资料 绿穗绞诗炎瓣必上澈蠢绿键繁理弱撼珙戆2 0 0 1 车上海枣各行政区豹建成区 绿化覆盏率和人均公共绿地面积资料以及城区各公园的俩积资料。 2 2 卫星资料颈处理 2 2 1n o a a 卫星赘料预处理 n o a a 至鐾瀚a v i t r r 资料经瓮标、定位以及太阳高度角、箍边变培订硪后， 采用二次多项式方法进行卫星图像与上海市行政区划矢掇专题图件的配准和双 线性捶傣放大，然螽与上海逑区二值图像( 0 ，1 ) 进嚣逻辑黍，截玻上海枣嚣域 予图，形成区域分析图像。 2 。2 。2 瓷源一号卫星姿料颈处理 为了提高分类精度，本文选择分类误差较小的最大似然分类方法对绿地进 行训练分类。 最大钕然分凝法的多变量蔗态密度黼数公式为： l p ( x 嘞2 赤。x p - 2 ( x - - m i y t 。( x - - 1 7 7 i 琵 q 1 ) ( i = 1 ，2 ，- j m ) 其中m ，为均值矢照，c ，为协方差斑阵，c 表示矩阵的行列式。c ；。为 c t 的逆矩阵。p ( x u 。) 为条件概率密度函数，u 。为模式类别，n 为模式矢量的 缝数，x 为分类模式。 最大似然判别函数熊为： d a x ) = p ( x t e o , ) p ( e o , ) ( i = 1 ，2 ，一，m )( 2 。2 ) 即： z ( 爿) 2 西：；写务e x p 卜9 2 ( 一小，) q 。( 爿一) 姐s ， ( i = 1 ，2 ，+ 1 m ) 其中p ( u t ) 为先验概率。值得注意的是，浚分类方法对只籽少量样本时， 不一定黪褥至l 最馕效聚。 南京气象学院碗i j 论立：基于遥感和g i s 的城市颗粒物污染分布初步研究和探讨 第三章颗粒物污染的监测原理和方法 3 1 监测原理 对于洁净大气，利用n o a a 卫星位于大气窗区的可见光通道和近红外通道， 可以遥感到来自地球表面的太阳辐射的反射辐射，而基本不受大气吸收和散射 的影响。而当大气中存在气溶胶时，太阳辐射的吸收和散射随之发生。但是气 溶胶对太阳辐射的i 及收、散射影响程度和它的粒予半径、密度和厚度有关。粒 径、密度和厚度较大的粒子，如沙尘粒子，对太阳辐射的反射作用显著，可以利用 卫星遥感的方法直接进行监测。对粒径、密度和厚度都很小的气溶胶粒子，由 于它对太阳辐射的反射和散射很小，故在卫星光曙反映上可以忽略不计。以下 简单的公式推导可以说明这个原理： 对于晴空大气的卫星对地光学观测，一般采用平面分层大气辐射传输模式 作为定量计算和模拟的基础。其表达式为： 堡三掣：地，妒) a f 一笔“地a ) p ( f 舶刚) 咖v 叫a 妒) ( 3 1 ) 其中 j ( f ，妒) = 要l 石f o p ( r , a ，p ；。，妒。扣一寺 斗石 式中，f 为大气光学厚度，作为垂直方向的大气自变量，i 为散射辐射强度，( ，妒) 为其方向，= c o s ( o ) ，口和妒分别为天顶角和方位角，域为太阳入射地外辐照 率，为太阳入射天顶角余弦。j 为散射辐射源函数，在可见和近红外波段山直 射太阳辐射构成。为大气的单次散射反照率，p 为大气的散射相函数。珊和p 是由大气中的空气分子散射、气体吸收和气溶胶散射吸收共同构成，若以r 卅、 0 和f 。分别表示分子散射、气体吸收和气溶胶光学厚度，则各自的单次散射反照 率为。( 等于1 ) ，。( 等于o ) 和峨，而大气整体单次散射反照率为 南京气象学院硕一j ：论文：琏于趱感和g i s 的城市颗粒物污染分布初步研究和搽讨 脚：垒些量一 f + f g + l 相应地， p ；垒墨土堕! ! 旦! ， r 。+ 掰。+ r 。 其中p 。秘只( 这爨省咯7 其方向自变鬃蕊表达) 分别为分子翻气溶胶教射襁遁 数。对地表双向反射率配为4 ( 从似爿。，妒) ，在漫反射即朗伯面情况下。汜为爿。 为筒纯熬觅，所鸯i 、a 、f 、c o 、f 。等均理解为特定波长五的俊。假定大气层 上下甜和p 保持一致，且只考虑八射太阳光的大气单次敝射和朗伯面地寝的单 次反射，定义里鏊传惑嚣掰在方囱为f t 。，敝，硒，) ，譬甄，袋示翌滋与太阳穗对方 憾角。耱卫星联测的辐射率用表观反射率( 蠢鳓，熊，甄；) 表示，则可以表达为 0 ，a ，a o ，u ，妒o ，) = l ( r ，a ，o ，纸。) 玎o r = 竺罨笋? 等薯譬童 一e x p _ r ( 去+ 古) + a e x p - r ( 古+ 去) j 心2 1 、一0 o p ， ( 3 2 ) 式蠢漆第一璞燕大气攀次数瓣爨麸，霹稼去大气蕈次数藜路径辐懿。 第二项为经过大气衰减豹地表反射贡献。该式掇供了单次散射近似下大气和地 波对卫黩所测表观反射率的贡献的明确的定量关系。可以看出大气层辎射正比 予国帮p ，隧f 甏壤大，瑟逡表燹献舞| l 较大气衰减潮弱，麓f 约鬻太逐速溅小。当 大气中气溶胶的粒径和密度很大时，气溶胶光学厚度( f ) 也很大，( 3 2 ) 式 的第一项贡献很大，朝大气单次数射贡献很大，此时可忽略第：碾即地表的反 射贡献：穗反，卷气溶胶的粒径和密度都很小时，卫星渡收到的反射辐射主要 是由地表的反射辐射组成，而大气散射的贡献可以忽略。 鼹予城枣大气，出予可啜入颗粒甥豹粒子半径、密度攘对较奎，冀党学露 度也相对较小，因此在卫星的可见光和近红外波段，它对太阳辐射的吸收和敬 射很小，基本上可以忽略不计。但其对大气透过率有很大的影响。当大气中的 蔽入鬏粒污染物增耱瓣，重鬓可见怒秘近鲤终逶遴豹天气透遗率赛会下降， 丽近红外通道的下降比可见光通道快。因此，本文根据颗粒污染物对可见光和 逅红外避道大气透过率下降的影响差异，利用n o a a 卫星的双逶邋组合技术，构 造差值揍被指数( d v i ) ，并通过建立卫星与污染实测氇之黼的葙美关系乘达到卫 疆污染测值的反演和计算。 3 2研究方法 7 i i 京气象学院硕一i ：论文：捕于璐 薛和g i s 的城市颗粒物污染分布柳步研究和探讨 3 2 1 卫星光谱特征提取 投搦地蘧礤竣监测站的地理坐标，巍配准并经截取恁兹n o a a 卫星鼹像上， 拽出污染监测点对应的各点坐标。同时，为了减小定位误麓，取该点周边的3 x 3 的模板进行邻域加权，以加权值代表对应污染监测站点的光谱特征值。 3 2 2 污染测值的反演 1 、差值植被搬数构造 蔽据颗粒污染物对可见毙帮近红外遥道大气透过率豹影响差异，籀适差值 植被指数( d v i ) ： d v i = c h 2 一c h l( 3 3 ) 式中，c h l 和c h 2 是n o a a 翟羼的可藏先通邋和近红外通道的反射率。 ( 3 3 ) 式中所构造的差值植被指数不仅突出了颗粒物污染的光谱信息，还部 分蠛除了太阳离度受、卫星据撼角以及大气屡辐射的影瞧。 2 、相燕关系设立 利用回归统计方法，找出地丽污染搬测值和对应卫厦近红外和可见光通道 蕊毙谱蓑值( 瑟蓑往植被掺数) 之间皎关系。 即选取晴天无云的n o a a 卫星资料，建立相应各点差值植被指数与地蕊监测 点颗粒污染物( p m 。) 的相关关系。例2 0 0 3 年4 月1 6 目、7 月2 4 日和2 0 0 4 年 2 届1 6 秘_ 銎星图像静籀关公式分潮为： p m l d = 一0 9 6 7 8 d v i + 7 3 7 5 3( r 2 _ 0 5 8 0 2 ) ( 3 4 ) p m 8 = 一1 5 6 0 1 d v i + 4 4 。5 0 6 ( r 2 = e 9 3 8 2 )( 3 。5 ) p 赫，o = 一i ，8 7 5 9 d v i + 3 4 4 7 4( r 毡o 6 2 3 7 ) ( 3 6 ) 以上两式均通过显著性检验。其对应的相关关系见图3 1 、图3 2 、阁3 3 。 星如 7 0 j 。 3 0 幽3 12 0 0 3 年4 月1 6 口差值植被 指数( d v i ) 与颗粒污染物( 蹦，o ) 静稻关 f i g 3 1t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n d v i a n d p m * o n1 6 “a p r 2 0 0 3 l d v l 8 鼍 l l l #一5 051 01 5 d v i 图3 22 0 0 3 年7 月2 4 墨差饿接被 指数( d v i ) 与颓粒污染物( m 0 的相关 f i g3 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n d v ia n dp m 0 1 12 垆j u l2 0 0 3 南京气象学院硕士论文：摹于遥感和g i s 的城市颗粒物污染分布初步研究和探讨 由图3 1 、图3 2 和图3 3 可见，差值植被指数( d v i ) 和颗粒污染物( p m 。) 之间的线性关系非常明显，表 。 明了差值植被指数与颗粒污染 星7 0 物的相关性。 3 、卫星污染测值反演5 0 l + 出公式( 3 4 ) 、公式( 3 5 ) f 吣： 和公式( 3 6 ) 分别计算出对应 3 0i 卫星图像的颗粒污染物指数值， 从而得到上海城市面上的颗粒 ，。1 ， 污染物分布图。将此污染分布 _ 1 0- - 5 05 图输入到地理信息系统中，进d v i 行格式转换，图像配准，条件 图3 32 0 0 4 年2 月1 6 口差值植被 截取以及边界图层叠加，从 指数( d v l ) 与颗粒污染物( 附d ) 的相关 而得到了中心城区的污染分布 f i g3 - 3 t i l er e l a t i o n s h i pb e t w e e n 图。 。d v ia n d p m l o o nl 玉f e b2 0 0 4 为了在地理信息系统软件 a r c i n f o 的子模块g r i d 中结合绿地信息和行政区划信息进行颗粒物污染的空 间分析，首先必须将颗粒物污染分布图像转化为栅格形式，转化时采用2 阶最 近邻法；然后，在g r i d 中进行颗粒物分布图像与上海市行政区域图像的配准， 配准模式的设定在下面进行详细介绍；接着可应用s e t n u l l 命令将研究区域外 的像元值设为空( n o d a t a ) ：由于我们只研究市区颗粒物污染的分布状况，因此 将配准后的图像与上海市行政图进行条件截取，得到了市区的图像，叠加上行 政边界图层，就得到了我们需要的分析图像。这个处理过程可用a r c i n f o 的a m l 语言完成( 见附录一) 。 4 、几何配准模式的设定 为了达到空间分析目的，必须将不同平台遥感资料统一匹配到同一尺度下。 首先通过g i s 编辑功能输入行政区域图，并对其进行拓扑结构生成，形成属性 联系。 由于上海地区范围较小，配准精度要求较高，故本文采用三次多项式进行 图像与图像、图像与图形之问的几何配准，并采用最近邻方法实现图像的重采 样。为了达到在统一尺度下图像与图像、图像与图形之间的空间运算，必须在 a r c i n f o ( g i s ) 中进行遥感图像与矢量行政边界图的配准。但由于a r c i n f o 软 件平台的限制，只允许单波段图像和矢量专题图进行控制点选取和几何配准， 而单通道2 5 6 种灰阶图像在控制点选取窗中的显示方式不能反映真实图像面貌 和轮廓。故无法选取图像控制点。因此，本文采用如下方法解决控制点选取和 图像图形配准问题。 ( 1 ) 栅格图像与行政边界栅格图像的配准 首先，在图像处理系统中，将r g b 三通道遥感图像进行通道组合运算及增 强，突出并采集特征点作为g c p 点，采用三次多项式进行遥感图像和栅格行政 南京气象学院硕l 二论文：幕于遥感和g i g 的城市颗粒物污染分布初步研究和探讨 边界图像的配准。 ( 2 ) 行政边界栅格图像与行政边界矢量图形的配准 在a r c i n f o 中，将上述行政边界栅格图像与矢量行政边界图进行控制点采 集与配准。由于两者都是行政边界，控制点非常容易选取。然后以a s c i i 字符 文件方式保存所选取的地面控制点信息，取名为1 i n k 文件。 ( 3 ) 栅格图像与矢量行政边界图形配准 将在图像处理系统中与栅格行政边界配准后的遥感图像在a r c i n f o 中与矢 量行政边界图进行再次配准。此时已不用在a r c i n f o 中选取地面控制点，而只 需要将上述保存下来的1 i n k 文件作为控制点文件直接配准即可。 该法解决了a r c i n f o 中几何配准方法不易选取遥感图像地面控制点的难 题，操作简便，效果也很好，其配准精度在一个像元之内。 南京气象学院硕j j 论文：泉1 遥感和g i s 的城市颗 盘物污染分布初步研究羽i 探讨 第四章g is 支持下颗粒污染物分布特征和绿地降尘 作用机理分析 4 1g l s 综合分析模式设定 为了能客观、有效地动态分析污染分枷和绿地降尘作用情况，本文以n o a a 卫星、资源一号卫星资料为主。污染崎测、气象、绿化统计资料以及土地利用、 行政边界( 包括多、县界) 专题图件为辅，建立空间分析和逻辑判别模式。 模式采用逻辑判别和复合分析法。其主导思想是将n o a a 卫星的颗粒污染物 反演图像、绿地信息图像作为主要因子，结合污染监测、气象、绿化统计资料 以及土地利用专题图件、行政边界，通过对各区颗粒污染物进行等级分类，逐 像元进行污染和绿化关系的逻辑判别和综合分析。 空间分析模型为： f = f ( n ，g ，s ，w ，q ，v )( 4 1 ) 其中f 为综合分析结果，n 为n o a a 卫星颗粒污染物反演图像，g 为资源卫星绿 地图像，s 为土地利用专题图件，w 为污染监测要素、q 为气象要素，v 为绿化 统计要素。 分析模式采用美国的h r c i n f o 地理信息系统，在g r i d 平台上建立，该模 块为具有栅格运算功能的空问分析和判别能力的地理信息系统。 4 2 颗粒污染物分布特征和绿地降尘机理 4 2 1 颗粒污染物分布特征 经过了长期和有效的治理，上海市目前的空气质量已经大为改善，基本达 到优良。但是研究颗粒物污染的分前j 特征，探求绿地的降尘作用，列于城市舰 划和环境治理，对于进一步提高上海市的空气质最，仍然有着十分重要的意义。 根据g i s 多要素综合分析，发现颗粒物污染分抑具有如下特征： ( 1 ) 上海中心城区的颗粒污染物分布主要出污染源以及下垫面性质决定。 污染高值区主要在高能源厂房、高层建筑密集。人口集中以及交通繁忙的地带。 ( 2 ) 颗粒物污染分布和气象因子有一定关系。例如春季和夏季上海市中心 城区颗粒物污染分布特征略有不同，这可能由于上海夏季盛行夏季风，风向以东 南偏东风为主，污染颗粒物顺着盛行风方向往市区西北方向转移，使得夏季污 染高值区的范围比春季大，而且污染高值区具有向西北方向漂移特征。 ( 3 ) 城市绿地具有较好的降尘和改善污染作用。绿化多的地区以及火面积 绿地周边地区和其他地区比较，污染程度明显较轻。 4 2 2 城市绿地降尘机理 南京气象学院硕士论文：赫于遥感和g i s 的城市颗粒物污染分布初步研究和探讨 城市绿地( 包括树木和草地) ，对灰尘和粉尘具有明显的阻挡、过滤和吸附 作用，故而减轻大气的污染程度。树木之所以能减尘，一方面由于树木的枝冠 茂密，具有强大的降低风速的作用，随着风速的降低，空气中携带的大粒灰尘 便下降地面；另一方面由于叶子表面不平，多茸毛，有的还能分泌粘性的油脂 和汁浆，当空气中的尘埃经过树林时，便会附着于叶面及枝干的下凹部分，因 而起到了过滤作用。草地的减尘作用也是明显的，因为草皮的茎叶不仅和树叶 一样具有吸附空气中灰尘的作用，而且可以固定地面上的尘土，不使飞扬。 植物的滞尘量大小与叶片形态、结构、叶面粗糙程度、叶片着生角度以及 树冠大小、疏密度等因素有关。通常叶面宽广平展、硬挺遇风不易抖动、叶面 粗糙的植物滞尘量大。植物叶片的细毛和凹凸不平的树皮是植物吸附粉尘的重 要形态特征。植物对灰尘的阻滞作用与季节有关，冬季叶量小甚至落叶，滞 尘量比夏季减少。滞尘能力与叶量多少成正相关关系，与绿化树种、绿化面积 大小有关，不同的植物滞尘能力也不同，大小相差可达几倍到十几倍。 12 南京气象学院硕一i ：论文：捕于遥感和g i s 的城市颗粒物污染分布初步研究和探讨 第五章 gls 支持下的不同面积绿地降尘效果初步研究 以往，人们对绿地的降尘效果或者对绿地缓解颗粒物污染的研究，大都通 过实地监测的方法柬进行，如北京市( 保绿萍1 9 9 2 ) ”1 测定：夏季成片林地减 尘率可达6 l _ 1 ，冬季达2 0 左右，街道绿带减少率为2 2 5 一8 5 4 。南京林业 大学o “在南京一水泥厂测定，绿化成片林地比无树空旷地空气中粉尘量减少 4 8 1 - 6 0 。这些研究均证明了绿地对改善空气中颗粒物污染的作用是非常明显 的。 但是不同面积绿地的降尘效果不同，为了进一步研究一定面积绿地对周围 区域的降尘效果，为政府部门的绿化规划提供理论依据，我们采用在地理信息系 统中为各绿地做缓冲区的方法来进行绿地缓解颗粒物污染的初步研究。 图5 1上海市区绿地5 0 0 米缓冲区域分布图 f i g5 1t h e5 0 0 mb u f f e rr e g i o no f u r b a ng r e e nl a n di ns h a n g h a i ( 其中，深灰色部分为遥感方法提取山的绿地地块， 淡灰色部分为绿地地块外围的5 0 0 米半径的缓冲区域。) 5 1 不同面积绿地的降尘效果研究 5 1 1 绿地缓冲区的设定 l3 南京气象学院硕士论文：基于遥感和g i g 的城市颗粒物污染分布初步研究和探讨 穰搽上海市绿绝规划靠屑，内环线强国区域的绿逮按5 0 0 米服务半径均匀 分布，即老百姓悫出家门5 0 0 米便能进入一块3 0 0 0 平方米的公欺绿地。因此， 我们默缎地露菝终围静5 0 0 米为溅务半镪设缓、砖送来分瓣块绿地的终曼l 兰效果。 如果缓冲区是重疆的，则合并为一个区域。图5 1 为市区可判读出名称的绿地 5 0 0 米缓冲区的分布图。 5 1 2 绿地缓冲区的处理 为了比较客观的分析每块绿地对可吸入颗粒物的影响效果，尽量选取缓冲 区没有与相邻绿穗重叠或重叠区域较小的绿绝来分析。疰f 于绿地5 0 0 米缓冲区 范围较大，因此它不可避免的会包含一姥比较大的水体，或者与邻近绿地缓冲 嚣重叠，残者包食一些零星的绿地。为了较为精确的研究绿地鲍隆尘效果，鸯 必要从备缓冲区巾掰除这些永体、邻近缓冲区和零星绿地。相邻绿地缓冲区重 掇、或与黄浦江菔叠、以及包含零星绿地的缓冲区处理在地理信息系统a r c m a p 孛进行，如表5 ，1 。 表5 1 不同蘑叠缓冲区域的处理 t a b l e5 1t r e a t m e n to f t h ed i f f e r e n to v e r l a p p i n gb u f f e rr e g i o n 5 。 3 绿遗缓；孛邃鬏羧耨污染穗惠提繇 l4 i 柯京气象学院硕士论文：基于邂堪和g i s 的城市颗被物污染分布和j 步研究和探讨 经遗以上鲶瑾褥到瀚不翘羹l j 嚣蠛就是我稍孺要的繇块绿逡的最终缓冲区 分析区域。要分析每块绿地的降嫩效果，必须将得到的缀冲区与颗粒物污染分 稚圈进露蹙翔褥剜缓 申区域的颞粒妨污染分毒图，处理过程如下：蓄笼在建理 信息系统巾为每一个缓冲区分祈逸域添加一个字段，并将此字段赋值为l ；将缓 冲区分析区域转为弧线( a r c ) 特征的图层：将弧线转化为多边形( p o l y ) ；褥将多 边澎转燕糖耩形式( g r i d ) ；与嚣黢迭雾逡行醚毽；与颗羧麓污染强豫逡行条舞 截取，最终获得分析区域的颗粒物污染分布图。这个处理过程可以用a r c i n f o 的a m l 批处理操俘，加快了处理融闻，避免出错，处理的a m l 见瞅录二。 5 2 不同面积绿地对颗粒物污染的影响距离研究 为了避一步研究不鲻嚣积绿媳对颞羧甥污染熬缓解状况，鄯分板不圈覆积 绿地对颗粒物污染的影响范圈，我们在蟪理信息系统a r c i n f o 的g r i d 模块中 成用地理信息系统的空间分析功能，经过对绿地闶围颗粒物污染状况的研究， 缮出各绿缝黠污染颞粒甥熬缓解影臻距亵，黠城率褒翔黧绿纯建设疆供参考蒎 攒。 5 。2 。 城区颗粒物海染戆遥感信惠反演 由予n o a a 卫星的地面分辨率较低，故对颗粒物污染影响范围研究的精度有 所欠缺，弼资源一号卫星的可见光通道分辨率达到了1 9 5 米，糖度较意，因此 我们采瘸资源一弩卫星来进行颥粒物污染的反演。资源号卫星的可觅光圈像 的第三和第四通邋波长分别为0 6 3 - 0 6 9 “m 和0 7 7 - 0 8 9 肛m ，接近于n o a a 卫 爨豹第一嬲第二遴遴，囊基宅翻瓣颗蛙物污染豹敏感特犍氇基本糖溺。鞫j 毙我 们采用资源一号融星豹第三和第四通道，构造差假植被指数( d v i ) 来反演颗粒 物污染的分稚，公式为； d v i = c h 4 一c h 3 ( 5 1 ) 式中，c h 3 和c t t 4 分别为资源一母卫星第三通道和第四通道的反射率。 同第三章中的方法，选取囔天无云的6 月5 号资源号卫星资料，农经预 巯毽的的置星圈像上我判j l 于应遣谣环境躐涮菇煮，稠丽稿域平均的方法求出第 三和第四通道的点域光谱值，从瓶得到各点的差值植被指数值。再与环境监测 涎熬颗粒物污染攒数( p m l 0 ) 建吏耀关公痰靼可以诗算爨6 月s 号懿上海豢城 区颓粒物污染分布图。 5 2 2 各绿地对颗粒物污染影晌量嚣离豹计算 在地理信息系统中，搀颗粒物污染分碡 f 图转豫成援壤形式，爨燕上备绿缝 瀚倍惠，读取绿趣周围系、南、掰、托和东南、系北、西南、西托八个方向上 各点的颗粒物污染值，绘制成曲线。我们认为在绿地影响范围之内的颗粒物污 染变证较为戤烈，嚣影确魏嚣之终的较为警稳，溷魏霉荻技出冬污染颗靛耱各 方向的变化曲线翅子平稳时的临界值，此临界值所在距离的平均值即为绿地对 ls 南京气蒙学院硕一j ：论j j c = ：幕于遄感和g i s 的城市颗粒物污染分布初步研究和探讨 颥粒物污染静彩璃距离。 如复旦大学绿地面积为2 5 4 8 1 0 0 2 平方米，在其周田取东、南、两、北和 东南、巍枣、鹾j 秘东j b ，k 个