安徽省遙感監(jiān)測(cè)AOD時(shí)空變化與城市化影響

潘建平，程衛(wèi)華*，付占寶，李 鑫，黃桂萍，崔 偉，蔡卓言，李鵬霞

（1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400041）

懸浮于大氣中的尺度范圍約在0.001～10μm之間的固體和液體微小粒子被稱(chēng)作氣溶膠[1]。雖然含量少，但作為污染載體和污染媒介，其在大氣化學(xué)或大氣環(huán)境污染中卻具有重要作用[2-3]。氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）的定義為垂直方向上介質(zhì)的消光系數(shù)積分，可描述氣溶膠對(duì)光的消減作用，也是代表大氣渾濁程度的關(guān)鍵物理量，是確定氣溶膠氣候效應(yīng)的重要因素。目前，遙感技術(shù)是AOD反演的重要手段，主要分為兩種：①地基遙感反演，通過(guò)建立地面基站來(lái)測(cè)量AOD，該方法結(jié)果準(zhǔn)確，成本極高，地面基站難以做到全面覆蓋，因此地面基站數(shù)據(jù)一般用來(lái)訂正和對(duì)比反演結(jié)果，如張晗[4]等利用地面基站觀測(cè)AOD數(shù)據(jù)訂正MODIS反演結(jié)果，提高了四川盆地地區(qū)PM2.5的反演精度，鄭玉蓉[5]等利用CE-318太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了MODIS反演結(jié)果的精度，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.973；②基于遙感影像的AOD反演，該方法精度稍低，但具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性強(qiáng)、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)，如劉超[6]對(duì)NASA發(fā)布的氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行融合，分析了整個(gè)中國(guó)地區(qū)的AOD時(shí)空分布情況；施益強(qiáng)[7]等分析了AOD反演結(jié)果與PM2.5數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，證明AOD可用于預(yù)測(cè)大氣中的顆粒物污染。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究AOD對(duì)環(huán)境氣候的影響時(shí)，大多只分析了所在區(qū)域時(shí)間和空間上的變化規(guī)律，且很大程度上是在較大區(qū)域的定性分析，對(duì)于AOD的定量分析較少。城市化進(jìn)程的加快，對(duì)AOD的分布造成了很大影響，因此本文利用2016—2018年21個(gè)月的MODISL1B_1 km數(shù)據(jù)定量反演了安徽省的AOD，并對(duì)其進(jìn)行時(shí)空分析；再研究了AOD與常住人口密度、不透水面覆蓋率、工業(yè)企業(yè)數(shù)量等城市化影響因子之間的關(guān)系，得到在城市化背景下AOD的主要影響因素。

1 研究區(qū)概況

安徽省地理位置優(yōu)越，地處我國(guó)東部、長(zhǎng)江下游、淮河中游，介于114°54′～119°37′E、29°41′～34°38′N(xiāo)之間，與江蘇、河南、湖北、浙江、江西、山東等省接壤，包括17個(gè)地級(jí)市、101個(gè)區(qū)縣，總面積為14.01萬(wàn)km2。省內(nèi)地形較復(fù)雜，皖北、皖中地區(qū)以平原丘陵為主，皖南地區(qū)以低山為主，屬于臺(tái)地地形，總體南高北低。以長(zhǎng)江、淮河為界，將安徽省分為淮北平原、江淮丘陵、皖南山區(qū)三大自然區(qū)域[8]，天氣濕度較好，大部分地區(qū)上空空氣濕度較大，為氣溶膠的產(chǎn)生提供了充足的水分條件，近地面常出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象且地面風(fēng)速小，大氣垂直運(yùn)動(dòng)受到阻礙，不利于污染物擴(kuò)散，從而導(dǎo)致重霧—霾天氣頻發(fā)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

MODISL1B_1 km數(shù)據(jù)是MODIS系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的二級(jí)產(chǎn)品，產(chǎn)品ID為MOD02。本文下載研究區(qū)2016—2018年的3—9月云量覆蓋較少的影像數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)行AOD反演。地面實(shí)測(cè)AOD數(shù)據(jù)來(lái)自NASA官方發(fā)布的AERONET站點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用該數(shù)據(jù)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。MODIS傳感器上搭載的Terra星觀測(cè)結(jié)果繪制的地形數(shù)據(jù)稱(chēng)為GDEM，空間分辨率可達(dá)30 m，經(jīng)過(guò)處理可對(duì)研究區(qū)內(nèi)空間分布和地形變化進(jìn)行更直觀的分析與討論。分析數(shù)據(jù)選取能表現(xiàn)城市化進(jìn)程的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括常住人口密度、不透水面覆蓋率、工業(yè)企業(yè)數(shù)量，人口數(shù)據(jù)和工業(yè)企業(yè)數(shù)量均來(lái)自安徽省統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)年鑒，由于數(shù)據(jù)限制，本文人口數(shù)量采用101個(gè)區(qū)縣的數(shù)據(jù)，工業(yè)企業(yè)數(shù)量采用17個(gè)地級(jí)市的數(shù)據(jù)；不透水面數(shù)據(jù)來(lái)自LIU H[9]等提供的全球不透水面數(shù)據(jù)集GAIA，該數(shù)據(jù)給出了準(zhǔn)確的不透水面信息。

3 技術(shù)流程設(shè)計(jì)

3.1 反演方法

目前，氣溶膠反演工作中最常用的方法是暗像元法，也叫濃密植被法。暗像元是指在遙感影像上看起來(lái)很暗的區(qū)域，該處地物對(duì)可見(jiàn)光吸收能力強(qiáng)、反射能力弱。相關(guān)研究顯示，氣溶膠會(huì)影響暗像元地物的輻射亮度，AOD越大，輻射亮度增強(qiáng)越明顯，二者之間呈正相關(guān)關(guān)系。利用這種關(guān)系反演AOD的方法稱(chēng)為暗像元法。如何判定暗像元是利用該方法反演AOD的核心，當(dāng)前理論認(rèn)為大多數(shù)地物在紅光、藍(lán)光波段反射率較低，再結(jié)合歸一化植被指數(shù)（NDVI）或近紅外通道的表觀反射率即可識(shí)別出暗像元。Kaufman Y J[10]等通過(guò)大量試驗(yàn)研究，擬合得到3個(gè)不同區(qū)域波段與地表之間的關(guān)系，分別為藍(lán)光波段（0.47μm）、紅光波段（0.66μm）和中紅外波段（2.1μm）。其關(guān)系式為：

式中，ρ紅和ρ藍(lán)分別為紅光和藍(lán)光通道的地表反射率。

3.2 技術(shù)路線設(shè)計(jì)

首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并采用暗像元法反演AOD；再采用NASA提供的地面站點(diǎn)實(shí)測(cè)AOD數(shù)據(jù)與反演結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證反演結(jié)果的精度；然后分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)月的AOD均值，并對(duì)其進(jìn)行排序，用于后續(xù)相關(guān)性分析工作；最后根據(jù)對(duì)應(yīng)地區(qū)AOD值的大小對(duì)表征城市化因子數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)處理，分析不同等級(jí)因子對(duì)AOD的影響。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

4 AOD反演實(shí)驗(yàn)及其時(shí)空分析

4.1 反演實(shí)驗(yàn)

由于NASA官方發(fā)布的氣溶膠產(chǎn)品的空間分辨率較低（分別為3 km和10 km），且缺失值較多，對(duì)于研究區(qū)內(nèi)城市化對(duì)AOD的影響有很大的局限性，因此挑選研究區(qū)內(nèi)無(wú)云或少云的MODISL1B_1 km數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，提高了反演結(jié)果的空間分辨率和數(shù)值連續(xù)性，也減少了缺失值對(duì)研究結(jié)果的影響，使結(jié)論更加具有說(shuō)服力。

數(shù)據(jù)預(yù)處理工作主要包括對(duì)MODISL1B_1km數(shù)據(jù)進(jìn)行去除蝴蝶結(jié)效應(yīng)、幾何校正、波段合成、裁剪等，反演結(jié)果如圖2所示，AOD月均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 月均值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖2 反演結(jié)果

4.2 精度驗(yàn)證

NASA在各國(guó)不同區(qū)域建立了600個(gè)氣溶膠自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)得到的地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通常被用來(lái)驗(yàn)證遙感反演得到的氣溶膠數(shù)據(jù)的精度。安徽省分布著3個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)（阜陽(yáng)、壽縣、合肥），由于在本文研究時(shí)段內(nèi)站點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失一個(gè)月，因此利用收集到的20組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與反演數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。此外，MODIS反演的結(jié)果為550 nm處的AOD，而站點(diǎn)數(shù)據(jù)則為340～1 640 nm不等，無(wú)550 nm處的AOD，考慮到準(zhǔn)確性，本文采用國(guó)際上AOD波段與Angstrom指數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系[11]，通過(guò)線性擬合得到550 nm處的AOD值，擬合公式為：

式中，α為Angstrom指數(shù)。

通過(guò)遙感影像反演得到的氣溶膠數(shù)據(jù)與地面實(shí)測(cè)氣溶膠數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析結(jié)果如圖3所示，可以看出，二者呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.823，由此可以得出結(jié)論，基于MODIS影像反演的AOD數(shù)據(jù)可用于對(duì)安徽省的研究。

圖3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與反演數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析結(jié)果

4.3 AOD時(shí)空變化分析

4.3.1 AOD空間分布特征

總體來(lái)講，安徽省AOD分布特征較為明顯，低AOD區(qū)（0～0.3）多分布于皖南山區(qū)，由于該區(qū)域海拔較高、受人為污染影響較小，且其他區(qū)域產(chǎn)生的氣溶膠顆粒不易向高處擴(kuò)散，使得區(qū)域內(nèi)AOD值偏低；而中高AOD區(qū)（0.6～1.6）多分布于皖北平原、皖中以及沿江地區(qū)，由于皖北平原地勢(shì)較平坦，且經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要依靠農(nóng)業(yè)和煤礦業(yè)，主要?dú)馊苣z污染源為農(nóng)業(yè)燃燒和粉塵，馬鞍山一帶經(jīng)濟(jì)發(fā)展以工業(yè)為主，產(chǎn)生大量NO2、SO2等污染氣體，因此該區(qū)域AOD值普遍偏高，這也表明氣溶膠分布受局部排放源的影響很大，分布特征與城市規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略相符合；沿江地區(qū)AOD值較高，其原因在于該區(qū)域空氣濕度大，大氣的垂直或水平運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致氣溶膠沉降堆積或水平輸送擴(kuò)散，生成氣溶膠的化學(xué)反應(yīng)也會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)。

4.3.2 AOD時(shí)間分布特征分析

AOD各區(qū)間占比如表2所示，可以看出，安徽省AOD普遍處于中等水平（0.6～1），3—5月污染較嚴(yán)重的原因在于上海、江蘇、浙江等地經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的大量污染氣體在風(fēng)的作用下輸入安徽省，導(dǎo)致污染加劇，其次安徽省距離東部沿海地區(qū)較近，在沿海到內(nèi)陸的季風(fēng)作用下，也會(huì)導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)氣溶膠濃度升高；6月降水較頻繁，無(wú)論是氣流對(duì)氣溶膠的擴(kuò)散作用還是降水對(duì)氣溶膠的濕沉降作用，都會(huì)導(dǎo)致氣溶膠濃度的降低；7—9月天氣炎熱，汽車(chē)尾氣、空調(diào)排放等污染物激增，且由于安徽省是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)作物豐收伴隨而來(lái)的是農(nóng)作物秸稈的焚燒，導(dǎo)致夏秋之交的AOD值偏高。

表2 AOD各區(qū)間所占百分比/%

5 AOD與城市化的關(guān)系

5.1 AOD城鄉(xiāng)差異分析

本文利用GAIA城市邊界數(shù)據(jù)對(duì)城市地區(qū)和農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行劃分，分別統(tǒng)計(jì)各地區(qū)的平均值（圖4），可以看出，除3月外，其他月份均為城市AOD值大于農(nóng)村AOD值，3月這一城鄉(xiāng)差異現(xiàn)象也說(shuō)明了人類(lèi)異?；顒?dòng)和突發(fā)因素的存在，各月份城鄉(xiāng)差值依次為-0.33、0.07、0.16、0.92、0.38、0.17、0.33。

圖4 城區(qū)與非城區(qū)AOD變化

5.2 AOD與城市化表征因子的關(guān)系

本文選取的表征城市化進(jìn)程的因子包括各地級(jí)市的常住人口數(shù)量、不透水面面積以及工業(yè)企業(yè)數(shù)量，分別計(jì)算并統(tǒng)計(jì)各影響因子在對(duì)應(yīng)區(qū)縣的數(shù)據(jù)和AOD值，以此來(lái)量化比較AOD與各種因素的相關(guān)性，探究城市化對(duì)AOD的影響。常住人口數(shù)量對(duì)一個(gè)地區(qū)的城市化水平起到?jīng)Q定性作用，統(tǒng)計(jì)分析顯示，安徽省2016—2018年的人口增長(zhǎng)率分別為7.06%、8.17%、6.45%。不透水面覆蓋率在城市化進(jìn)程中也至關(guān)重要，安徽省17個(gè)地級(jí)市2010年與2018年的不透水面總面積分別為3 304 km2和6 440 km2，增長(zhǎng)率為12.6%，各地級(jí)市不透水面面積存在明顯差異。通過(guò)統(tǒng)計(jì)17個(gè)地級(jí)市工業(yè)企業(yè)數(shù)量發(fā)現(xiàn)，中部和南部各區(qū)縣的工業(yè)企業(yè)數(shù)量多于北部區(qū)縣，這主要是由于這些地區(qū)位條件優(yōu)越，交通便利。

本文首先分別計(jì)算研究區(qū)101個(gè)區(qū)縣的常住人口密度、不透水面覆蓋率以及17個(gè)地級(jí)市工業(yè)企業(yè)分布數(shù)量；然后將常住人口密度和不透水面覆蓋率分為5個(gè)等級(jí)，工業(yè)企業(yè)數(shù)量分為4個(gè)等級(jí)，為保證每個(gè)等級(jí)至少含有兩個(gè)區(qū)縣數(shù)據(jù)，采用平均分配的方式進(jìn)行等級(jí)劃分，進(jìn)一步計(jì)算不同的因子等級(jí)對(duì)AOD產(chǎn)生的影響。

5.2.1 常住人口密度與AOD的關(guān)系

常住人口密度每個(gè)等級(jí)所含的區(qū)縣個(gè)數(shù)為20、20、20、20、21，5個(gè)等級(jí)分別為0.01～0.03、0.03～0.04、0.04～0.05、0.05～0.09、0.09～0.53；利用單因素方差分析法對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用Fisher最小顯著性差異檢驗(yàn)各分組間的差異，利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)度量二者的相關(guān)程度。

結(jié)果顯示，常住人口密度與AOD之間呈正相關(guān)關(guān)系，R2=0.729，如圖5所示，且不同人口等級(jí)之間存在顯著差異性（F=3.8、P＜0.05），如0.01～0.03等級(jí)的AOD值小于后4個(gè)等級(jí)的AOD值。

圖5 AOD與常住人口密度的相關(guān)性分析

5.2.2 不透水面覆蓋率與AOD的關(guān)系

不透水面覆蓋率每個(gè)等級(jí)所含的區(qū)縣個(gè)數(shù)為20、20、20、20、21，5個(gè) 等 級(jí) 分 別 為0.004～0.039、0.044～0.096、0.103～0.157、0.157～0.227、0.236～0.631；分析方法與常住人口密度分析方法相同。結(jié)果顯示，不透水面覆蓋率與AOD之間也成正相關(guān)關(guān)系，R2=0.78，如圖6所示，且不同不透水面覆蓋率等級(jí)之間存在顯著差異性（F=15.829、P＜0.05），如0.004～0.039、0.044～0.096兩個(gè)等級(jí)的AOD值小于后3個(gè)等級(jí)的AOD值。

圖6 AOD與不透水面覆蓋率的相關(guān)性分析

5.2.3 工業(yè)企業(yè)數(shù)量與AOD的關(guān)系

工業(yè)企業(yè)數(shù)量每個(gè)等級(jí)所包含的地級(jí)市個(gè)數(shù)為4、4、4、5，4個(gè)等級(jí)分別為16～43、43～67、69～95、131～309；分析方法與常住人口密度和不透水面覆蓋率分析方法相同。結(jié)果顯示，工業(yè)企業(yè)數(shù)量與AOD之間也呈正相關(guān)關(guān)系，R2=0.722，如圖7所示，且不同等級(jí)之間差異明顯（F=6.492、P＜0.05），如16～43、43～67兩個(gè)等級(jí)的AOD值明顯小于后兩個(gè)等級(jí)的AOD值。

圖7 AOD與工業(yè)企業(yè)數(shù)量的相關(guān)性分析

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用暗像元法對(duì)安徽省2016—2018年3—9月的MODIS影像進(jìn)行反演，并進(jìn)行時(shí)空分析，再引入城市化因子定量分析其對(duì)AOD分布的影響。

1）采用MODISL1B_1 km數(shù)據(jù)反演AOD，反演結(jié)果的精度R2=0.823，結(jié)果較可靠，該數(shù)據(jù)可用于大氣污染研究。

2）反演結(jié)果與城市規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略和局部排放污染源相吻合，人類(lèi)活動(dòng)少的區(qū)域AOD偏低，工業(yè)企業(yè)分布較密集的區(qū)域AOD偏高，表明反演結(jié)果合理。

3）安徽省AOD具有較明顯的月際變化特征，AOD月均值在0.3～0.7之間浮動(dòng)，呈V型曲線上升。

4）研究區(qū)的常住人口密度、不透水面覆蓋率和工業(yè)企業(yè)數(shù)量均與AOD呈正相關(guān)關(guān)系，且不同等級(jí)之間存在顯著性差異，表明城市化進(jìn)程加快確實(shí)對(duì)大氣環(huán)境有一定的負(fù)面影響。