基于高光谱遥感的城市公园滞尘效益估算

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城市作为经济社会发展和人民生产生活的主要载体,其建设必须遵循绿色可持续发展的目标。随着城市化进程加快,城市人口集聚、生产生活方式的改变等导致空气污染问题日益严重。粉尘是影响空气质量的重要因子之一。城市公园作为城市绿地系统的重要组成部分,其中的城市公园植物可以滞留粉尘,净化空气,产生滞尘效应。利用遥感技术可以对城市植物的滞尘效应进行大范围监测分析,可以对城市生态恢复与保护以及城市居民健康风险评估提供依据。本研究以上海市中心城区的城市公园为研究区域,选取12种常见植物作为研究对象,采用地面调查手段对城市公园植物群落信息进行调研统计,采集植物的生化组分参数、滞尘参数以及光谱信息,利用PROSAIL模型模拟植物冠层光谱数据,分析城市公园常见植物的滞尘规律。结合哨兵2号卫星遥感数据分析植物滞尘能力与基于卫星宽波段光谱数据之间的相关性,筛选敏感植被指数,利用岭回归分析的方法,从单个树种、不同生活型植物以及城市公园三个尺度建立滞尘能力反演模型。利用GLASS 250m LAI产品计算城市公园的总叶面积,生成城市公园的滞尘空间分布情况,最后利用替代花费法估算研究区内的12个城市公园的单次滞尘效益,旨在为城市公园建设过程中植物的合理配置以及生态规划提供参考。研究的主要结论如下:(1)滞尘对植物的光谱信息影响显著。通过对比分析12种城市公园常见植物的滞尘能力,发现植物的滞尘能力与叶片质感与光滑度有关。在乔木代表植物中,冬青的滞尘能力最大,山茶的滞尘能力最小;在灌木代表植物中,金边黄杨的滞尘能力最大,海桐的滞尘能力最小;植物叶片滞尘前后的光谱反射率曲线的趋势相似,在某些特定波段范围内,存在一定差异。在730nm-1350nm波段范围内,12种植物叶片滞尘后的光谱反射率均明显低于滞尘前的反射率;对于植物的三边参数研究,滞尘前后12种植物叶片的三边位置无明显变化,蓝边面积、蓝边幅值以及红边幅值与滞尘能力之间存在较为显著的相关关系。(2)SR、NDVI、SAVI、OSAVI、NLI、EVI这6种植被指数对植物的滞尘效应较为敏感,不同树种之间的敏感植被指数存在较大的差异。在对不同光谱数据建立的植被指数与植物滞尘能力进行相关分析时,均存在较为显著的相关关系。在基于叶片光谱的分析中,乔木代表植物中冬青树种的滞尘能力与NDVI、OSAVI的相关性最高,灌木代表植物中石楠树种的滞尘能力与SR的相关性最高;在基于PROSAIL模拟出的植物冠层光谱的分析中,乔木代表植物中冬青树种的滞尘能力与SR的相关性最高,达到了0.81,灌木代表植物中海桐树种的滞尘能力与EVI的相关性R值最高为0.761;基于等效卫星宽波段建立的6种植被指数与植物的滞尘能力也存在较为显著的相关关系,证明基于以上三种光谱数据,6种植被指数均能够精确反演滞尘能力。(3)在单个树种滞尘能力反演模型构建中,利用岭回归建立的单个树种滞尘能力反演模型精度较高,R方均在0.5以上,且通过了F检验。其中,乔木的反演精度稍高于灌木的反演精度,均在0.7左右,说明利用岭回归建立滞尘能力反演模型是可行的。(4)城市公园的滞尘空间分布与实际植被覆盖情况以及公园绿化配置趋势一致,临水区域、草坪以及游客活动广场周边滞尘能力较低,观赏花园等植物集中分布区滞尘能力较高。在12个城市公园中,世纪公园单次滞尘量最高为350.803吨,共产生59636.585元的滞尘效益;黄浦公园的单次滞尘量最低,为0.482吨,共产生81.937元的滞尘效益。本研究从单个树种、不同生活型植物、城市公园三个尺度对城市公园及其内部植物的滞尘效益进行研究,将植物滞尘效应的研究从滞尘空间分布扩展到对整个滞尘效益进行估算,为后期大尺度精细监测城市植物的滞尘效应奠定了基础,并对城市大气污染防治以及生态规划等提供理论支撑。
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