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基于光谱特征的植被滞尘分布反演

李嫄  
【摘要】:伴随着城市的发展,人们对城市环境关注度越来越高,而粉尘是影响空气质量的一个重要因子,空气中聚集较多的粉尘后,不仅会影响交通和出行,还会严重影响人类的身体健康。城市绿地可吸滞粉尘净化空气,并且植物叶片滞尘量可表征空气质量。但很少有研究基于滞尘与植物光谱的相关关系,结合遥感影像反演尘埃分布,用于大范围的环境监测。本文获取了研究区内法国冬青(Viburnum odoratissimum Ker-Gawl)、红叶石楠(Photinia serrulata Lindl.)、金边黄杨(Euonymus japonicus cv.Aureo-ma)、金桂(Osmanthus fragrans Lour.)、山茶(Camellia japomica L.)这5种上海市常见绿化植被的冠层光谱、叶片光谱和滞尘量数据,并获取同区域内,洒金桃叶珊瑚(Aucuba japonica Thumb.)和金叶女贞(Ligustrum vicaryi Rehder)的叶片光谱和滞尘量数据。分析不同树种之间以及不同功能区之间的滞尘差异,通过对比研究滞尘对植物光谱特征的影响,选择对滞尘能力敏感的光谱波段、光谱指数,采用最小二乘法和神经网络模型,建立滞尘能力与植物反射光谱之间的估算模型。另外,本文将光谱重采样为等效卫星宽波段数据,挑选敏感波段和相关性高的光谱指数,构建滞尘反演模型,利用采样点滞尘量和卫星影像数据,分别反演城市尘埃的空间分布,为大尺度精确检测空气质量奠定了基础。本文研究发现冠层光谱在滞尘前后存在差异,主要表现在可见光和近红外波段范围,滞尘后光谱反射率降低。冠层光谱反射率与冠层滞尘量具有相关性,在400 nm~700 nm波段间为正相关,710 nm~1110 nm波段为负相关,其中450nm~527 nm,568 nm~711 nm波段相关性达到显著水平。近红外区的749 nm波段相关性最高,绿光区波段反射率对叶片滞尘的影响不敏感。而且通过计算波段间反射率构成的归一化指数、比值指数、差值指数与冠层滞尘量相关性,发现较单一波段反射率与滞尘量相关性整体有所提升。其中,位于395 nm、396 nm波段处的归一化指数与滞尘量相关度最高,相关系数为0.8080。在构建的2个模型中,基于神经网络的模型估测精度较高。相同数据条件下,基于偏最小二乘回归(PLSR)构建的模型预测决定系数为0.8291,基于神经网络构建模型预测决定系数达到0.8791,效果较好。对植被光谱数据按卫星宽波段光谱进行重采样处理,分析其滞尘前后差异,发现同高光谱差异表现的波段范围相同,均在可见光和近红外波段范围,且滞尘后,光谱反射率降低。天宫二号滞尘前后差异同Landsat 8影像相比,差异明显,尤其表现在天宫二号9~14波段,对应Landsat 8的4~5波段。等效宽波段光谱反射率与滞尘量具有相关性,在整个波段均正相关,Landsat 8最大相关性波段为波段4,对应区间为630 nm~680 nm,天宫二号最大相关性波段为波段7,对应区间为655 nm~675 nm,相关系数分别达到0.5896、0.5902。同时计算波段反射率归一化指数、比值指数、差值指数与滞尘量的相关性系数。其中,两个等效卫星的比值指数相关性最高,分别达到0.6742和0.6749。相同数据条件下,Landsat8基于偏最小二乘回归构建的模型估测效果高于神经网络模型,天宫二号基于偏最小二乘回归构建的模型估测效果低于神经网络模型。同一树种在不同环境下对大气的滞尘情况有所差异,分析不同采样点树种的滞尘能力可以间接的反映采样点地区的环境污染状况。基于采样点叶片滞尘能力数据插值得到的尘埃分布图,可反映徐汇区与闵行区的尘埃空间分布特征。综合空间分辨率与模型拟合效果,本文采用Landsat 8数据,运用偏最小二乘法反演尘埃空间分布,表征研究区域尘埃分布情况,其空间连续性与通过采样点滞尘量插值得到的分布情况相比,效果较好。


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