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城市植物叶面滞尘光谱特征及估算模型研究

李莹  
【摘要】:城市环境问题日渐受到关注,大气污染尤其以粉尘污染是环境污染的主要因素之一,大气颗粒物不仅对环境产生影响,还对人类的健康有严重的危害。植物可以滞留和吸附大气颗粒物,研究植物的滞尘能力对检测城市大气污染有重要的参考价值和意义。本文通过测量上海市徐汇区和闵行区的常见绿化树种的滞尘量和光谱数据,探索叶面滞尘对植物光谱特征的影响,筛选对滞尘能力敏感的光谱波段建立滞尘能力与植物反射光谱之间的估算模型,并分析水分及叶绿素对滞尘能力估算模型的影响,为今后直接利用遥感数据估算城市植物滞尘量作基础。本文主要研究结果如下:(1)粉尘对植物反射光谱会产生影响,不同树种在可见光波段(400~650nm)随滞尘能力的增加光谱反射率变化规律不一,在近红外波段(750~1350nm)有一致的规律,随着滞尘能力的增加植物光谱反射率降低,即无尘叶片的光谱反射率大于有尘叶片。滞尘不改变植物的“三边位置”,不会造成“红边移动”,但会缩小“主峰”与“次峰”的差值,并且对植物的“三边幅值”和“三边面积”具有抑制作用,有尘叶片“三边幅值”和“三边面积”大于无尘叶片。滞尘对冠层光谱反射率的影响与叶片相同。(2)将滞尘能力与光谱波段、光谱指数进行相关分析,筛选出对滞尘能力较敏感的波段和指数。光谱波段主要为原始光谱、对数光谱、一阶导数光谱和二阶导数光谱,研究表明不同树种相同光谱变换形式下的敏感光谱区域和谱段较接近,以绿光波段(500~600nm)、红光波段(620~760nm)、近红外波段1100nm左右和中远红外波段(1600~1800nm)的反射峰处为较敏感区域。光谱指数分为已有光谱指数和构造光谱指数。对已有光谱指数分析,法国冬青和红叶石楠相关性较强的光谱指数基本一致,金叶女贞和山茶的基本一致。六个树种的滞尘能力和对应光谱指数的相关性系数均不是很高,水分指数WI(water index)和植被衰老反射率指数PSRI(plant senescence reflectance index)为相关性较高指数。对构造光谱指数分析,滞尘能力与构造光谱指数的相关性较高,归一化指数的相关性最高,其次是差值指数,最后是比值指数。(3)基于筛选出的敏感光谱波段和指数采用多元线性回归模型和偏最小二乘回归模型进行滞尘能力的估算,滞尘能力估算模型中建模效果较好的是法国冬青,较差的是金叶女贞。原始光谱、一阶导数、二阶导数和伪吸收系数这四种光谱指标中二阶导数对滞尘能力具有更好的预测能力。基于叶片已有光谱指数构建的滞尘能力估算模型精度较低,基于光谱构建指数的滞尘能力估算模型效果较好。对光谱波段而言偏最小二乘回归模型比多元回归模型要好,对于光谱指数而言两者没有优劣之分。自变量较少时可以采用多元回归方法,自变量较多时可采用偏最小二乘回归方法。(4)考虑水分及叶绿素对滞尘能力估算模型的影响,分析有尘无尘时不同水分条件及色素浓度下植物光谱曲线差异及与光谱波段和指数的相关性,研究表明在可见光波段处不同含水量光谱曲线受滞尘的影响无明显规律,在750~1350nm波段处滞尘对含水量少的光谱曲线影响大,表现为使其反射率降低。法国冬青、红叶石楠和金边黄杨的滞尘能力估算模型精度随着水分等级的提高而下降,水分偏少情况下构建的模型精度最高。滞尘不会改变400~700nm波段处不同色素等级反射光谱间的顺序,在700~1100nm波段处滞尘对色素浓度高的光谱影响显著。植物色素浓度适中有利于构建较优的滞尘能力估算模型。


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