岳 峰

傅 凡

戴 菲*

曾 輝

顆粒物污染問題是快速城鎮(zhèn)化過程中需要關(guān)注的重要問題之一，對人類健康產(chǎn)生了重要影響。在歐洲，細(xì)顆粒物污染導(dǎo)致人的平均預(yù)期壽命減少8.6個月[1]。顆粒物污染在20世紀(jì)50和60年代在歐洲和北美地區(qū)廣泛傳播，但目前在發(fā)展中國家(如中國、印度)變得更加嚴(yán)重[2]。空氣污染導(dǎo)致中國每年有120萬人過早死亡[3]。2013年，中國霧霾天數(shù)達(dá)52天，為歷年之最。同年1月中國北方經(jīng)歷了長時間的霧霾，細(xì)顆粒物峰值超過800μg/m3，比世界衛(wèi)生組織(WHO)的準(zhǔn)則值高出32倍[4]。2013年6月，東南亞受到嚴(yán)重霧霾的影響，細(xì)顆粒物濃度累積達(dá)329μg/m3[5]。2016年國家環(huán)保部門統(tǒng)計中國338個地級及以上城市中，空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)率僅21.6%。如何緩解大氣污染是本學(xué)科需要認(rèn)真思考和面對的問題。

植物在過濾空氣污染物時起重要作用[6-7]，相關(guān)專家學(xué)者呼吁通過綠色基礎(chǔ)設(shè)施來緩解空氣污染[8-12]，眾多學(xué)者也對不同植物滯塵和緩解空氣污染的能力進(jìn)行了研究[13-15]，街區(qū)尺度的實測研究也開始出現(xiàn)[16-17]。葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI)，定義為每單位地表面積的單側(cè)葉面積[18]，是表征冠層結(jié)構(gòu)的主要變量之一[19]。陳宇等通過對武漢市東湖風(fēng)景名勝區(qū)不同結(jié)構(gòu)植被群落的三維綠量實地測量，利用遙感影像提取植被指數(shù)，建立了植被指數(shù)與LAI的關(guān)系，并對其三維綠量進(jìn)行了估算[20]。姚崇懷等提出了基于LAI的三維綠量的計算方法和確定路徑[21]。證明LAI作為度量三維綠量的一種方法是可行的。

氣溶膠是由大氣及懸浮其中的液體小質(zhì)點(diǎn)和固體粒子組成的膠體分散體系[22]，煙塵、灰塵、霧、霾都屬于氣溶膠，大氣氣溶膠是霧霾形成的基礎(chǔ)和前提[23]。大氣氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)是氣溶膠顆粒的重要物理特性，可以作為代替顆粒物現(xiàn)狀實測的一種方法[24]，能在一定程度上反映大氣污染程度。大量研究表明，大氣氣溶膠與PM2.5、PM10近地面顆粒物濃度具有顯著相關(guān)關(guān)系[25-28]，用AOD估算近地面顆粒物濃度是可行的。因為與地面測量相比，它可以提供全面的時空覆蓋，觀測顆粒物污染的空間分布特征[29]。He Q等通過選取春、秋兩季節(jié)各一幅遙感AOD影像，定量地分析了土地利用對AOD模式的影響[24]。

目前基于遙感反演的植被覆蓋與顆粒物污染的研究主要集中在二維綠量方面，Guo Y J等對湖北省的AOD時空分布研究發(fā)現(xiàn)，年度AOD與NDVI呈負(fù)相關(guān)[30]。Hou C L等評估分析了環(huán)渤海地區(qū)AOD的時空演變，發(fā)現(xiàn)低值存在于一些森林覆蓋率較高的山區(qū)[31]。Shi H等發(fā)現(xiàn)植被覆蓋率較高的長三角和珠三角地區(qū)的AOD減輕程度較大，且GWR系數(shù)為小于-0.6、-0.6～-0.4[32]。有學(xué)者基于遙感反演顆粒物濃度研究了植被覆蓋度與AOD的量化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度≤10%和＞45%時, 對緩解空氣污染具有顯著作用[33]。也有學(xué)者研究了武漢市綠地景觀格局對AOD的影響，發(fā)現(xiàn)森林、草地、水體等因子緩解AOD污染的核心景觀形態(tài)指標(biāo)[34]。但目前國內(nèi)外對于三維綠量與AOD代表的空氣污染的深入研究卻鮮少涉及。武漢作為我國的特大城市，具有高密度的城市空間形態(tài)，區(qū)域內(nèi)具有山地、丘陵、農(nóng)田、水體、森林、林地等下墊面類型，以平原為主，水系眾多，空氣濕度大，冬冷夏熱，具有我國東部南方城市的特征，在我國大城市中具有一定的典型性。因此本文以武漢為例，通過遙感反演MODIS AOD數(shù)據(jù)，并獲取Landsat 8土地利用類型，計算比值植被指數(shù)RVI后，基于RVI與植被指數(shù)的回歸方程得到三維綠量。從而探究AOD與三維綠量的相關(guān)性規(guī)律及空間分布規(guī)律，從緩解綜合空氣污染物的角度為城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計等提供定量化的參考。

1 研究對象及方法

1.1 研究區(qū)域

研究選取武漢行政區(qū)市域范圍(8 594km2)為對象。武漢是中國中部中心城市、湖北省省會，地處東經(jīng)113°41′～115°05′、北緯29°58′～31°22′。地勢北高南低，中部低平，以丘陵和平原相間的波狀起伏地貌為主。長江、漢江穿城而過，市域湖泊共有166個，其中超過1km2的湖泊有68個，超過10km2的湖泊有17個，截至2015年底水體面積約1 427km2。自然植被以常綠闊葉、落葉闊葉混交林為主。氣候冬冷夏熱，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，一年中1月平均氣溫最低，冬季長110d，7月平均氣溫最高，夏季長達(dá)135d，春秋兩季各約60d，呈現(xiàn)冬夏長春秋短的特征。年降水量為1 050～1 200mm，空氣濕度大，年無霜期240d[35]。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集與方法

1.2.1 AOD遙感反演

MODIS影像獲取周期為一天，克服了影像獲取受時間周期限制的問題，數(shù)據(jù)方便獲取，因此，本文選取其氣溶膠產(chǎn)品MOD021KM，空間分辨率為1km，數(shù)據(jù)可在美國國家航空航天局(NASA)官網(wǎng)獲取。AOD受云霧降水天氣的影響較大，為減小數(shù)據(jù)誤差，更客觀、準(zhǔn)確地研究AOD的濃度分布，同時考慮到植被在每年的5—9月為植物生長旺季，為更好地研究植被和顆粒物污染的關(guān)系，MODIS AOD也選擇每年的5—9月。通過統(tǒng)計2014—2018年5—9月無雨雪、風(fēng)力≤3級(武漢常規(guī)風(fēng)力大小)、連續(xù)7d及以上晴朗天氣，發(fā)現(xiàn)僅有2016年7月25—31日滿足天氣要求。經(jīng)過合理的影像篩選后，選取2016年7月29日的AOD影像作為理想的研究對象[36]。

然后基于暗像元法[37]運(yùn)用ENVI 5.5對AOD數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、云檢測、氣溶膠反演、裁剪并去除水體區(qū)域后得到研究區(qū)的AOD空間分布圖，然后在ArcGIS中建立500m×500m、1km×1km、2km×2km、3km×3km的網(wǎng)格，將值提取到不同尺度網(wǎng)格的屬性字段中, 并將氣溶膠污染級別劃分為優(yōu)、良、輕度、中度、重度及以上5個等級(圖1)。

1.2.2 土地覆蓋數(shù)據(jù)

首先運(yùn)用ENVI 5.5對Landsat 8原始數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正、圖像鑲嵌與裁剪等操作后，得到土地覆蓋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)監(jiān)督分類將土地覆蓋劃分為6類：森林、疏林草地、建設(shè)用地、水體、農(nóng)業(yè)用地、其他(圖2)。使各用地的可分離性達(dá)到1.9以上(大于1.9為分離良好)，分類后Kappa系數(shù)達(dá)到0.976 3，解譯結(jié)果滿足研究要求。

1.2.3 三維綠量計算

根據(jù)相關(guān)學(xué)者在《中國園林》發(fā)表的研究成果發(fā)現(xiàn)，武漢度量三維綠量的葉面積指數(shù)LAI與比值植被指數(shù)(RVI)建立的三次多項式擬合性最好，R2為0.726，方程為：Y=0.012X3-0.207X2+2.061X-0.508[21]。本文基于其研究成果通過Landsat 8 數(shù)據(jù)進(jìn)行RVI的獲取，從而得到三維綠量的空間分布圖(圖3)。

1.2.4 三維綠量與AOD的統(tǒng)計分析

運(yùn)用ArcGIS 10.5將選定的AOD空間分布數(shù)據(jù)與對應(yīng)的三維綠量空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行漁網(wǎng)的創(chuàng)建，為方便問題的研究，分別在500m×500m、1km×1km、2km×2km、3km×3km的網(wǎng)格尺度上進(jìn)行空間屬性的疊合。然后在ENVI 5.5中進(jìn)行區(qū)段劃分、導(dǎo)出為SHP文件后，在ArcGIS 10.5中進(jìn)行面轉(zhuǎn)柵格、重分類等操作后進(jìn)行Pearson分析和回歸分析。

2 AOD與LAI的相關(guān)關(guān)系規(guī)律探析

2.1 相關(guān)性分析

Pearson分析發(fā)現(xiàn)，整體水平上，4種網(wǎng)格尺度下顯著性Sig＜0.01，Pearson系數(shù)都為負(fù)值(表1)，證明AOD與三維綠量呈極顯著負(fù)相關(guān)。并且Pearson系數(shù)的絕對值3km尺度最大， 500m尺度最小，因此在3km網(wǎng)格尺度探討三維綠量與AOD的關(guān)系更符合數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖1 3km尺度的AOD污染等級劃分

圖2 土地利用空間分布

圖3 三維綠量空間分布

圖4 不同尺度下三維綠量與AOD的相對最優(yōu)擬合方程

2.2 規(guī)律模型的構(gòu)建

通過模型預(yù)測，篩選得到4種尺度下擬合度相對最好的擬合模型，發(fā)現(xiàn)4種尺度的相對最優(yōu)擬合模型都在0.01顯著性水平上，4種尺度中3km尺度的回歸系數(shù)R2最高，500m尺度最小，從而得到4種尺度下的4個相對最優(yōu)擬合模型作為三維綠量與AOD的解釋模型(表2，圖4)，以3km尺度上的擬合模型為最優(yōu)解釋模型，即：Y=1.541 6＊exp(-0.156 6＊x)。

3 三維綠量與AOD的空間分布規(guī)律探析

3.1 AOD的空間分布特征

運(yùn)用ArcGIS的Global Moran's I工具進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析。發(fā)現(xiàn)AOD的Moran I指數(shù)為0.70，Z得分為30.04，P＜0.01，具有正的空間自相關(guān)性，空間呈現(xiàn)明顯的集聚特征。

通過局部空間自相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)呈現(xiàn)明顯的高高集聚、高低集聚特征，以及局部的高-低、低-高空間差異特征。

從地理空間角度來講，研究期武漢市AOD空間分布(圖5)整體呈主城區(qū)濃度高、漢南區(qū)-沉湖濕地濃度高的“雙高”特征；西北部、東北部山區(qū)濃度低，南部丘陵地區(qū)濃度低的“雙低”特征；以及西北部、東南部點(diǎn)狀低-高差異特征和中山艦旅游區(qū)高-低差異的特征。也說明建成區(qū)對AOD的濃度貢獻(xiàn)較大，這與Guo Y J等的研究結(jié)果不謀而合[30]。

3.2 三維綠量的空間分布特征

通過全局空間自相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，三維綠量的Global Moran's I 指數(shù)為0.80，P＜0.01，Z得分高達(dá)34.30，遠(yuǎn)大于2.58。說明植被覆蓋度具有明顯的全局空間正相關(guān)性，呈現(xiàn)很強(qiáng)的空間聚集特征。通過ArcGIS的局部空間自相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)呈現(xiàn)明顯的高高集聚、高低集聚特征，未發(fā)現(xiàn)明顯的高-低、低-高空間差異特征。

集聚空間整體呈現(xiàn)“一心四片區(qū)”的特點(diǎn)，高-高集聚空間主要分布在武漢西北、東北、西南山地丘陵地區(qū)，低-低集聚空間主要分布在中心城區(qū)-漢江沿岸和武漢西南地區(qū)(圖6)。具體來講，高-高集聚空間分布在武漢西北部的黃陂區(qū)木蘭文化生態(tài)旅游區(qū)-云霧山-素山寺森林公園-木蘭清涼寨一線、武漢東北部的新洲區(qū)道觀河生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)，以及武漢東南部的江夏區(qū)山坡鄉(xiāng)、湖泗鎮(zhèn)、舒安鄉(xiāng)低山丘陵地區(qū)。低-低集聚空間分布在武漢中心城區(qū)和漢江兩側(cè)濱水綠地，以及蔡甸區(qū)沉湖濕地保護(hù)區(qū)和漢南區(qū)長江沿岸綠地。

圖5 AOD局部空間集聚特征

圖6 三維綠量局部空間集聚特征

3.3 三維綠量與AOD的空間分布規(guī)律

考慮到相鄰空間的影響問題，將空間因素考慮進(jìn)去，運(yùn)用地理加權(quán)回歸(GWR)進(jìn)行兩者的空間規(guī)律的探討。地理加權(quán)回歸前的通過最小二乘法回歸(OLS)驗證發(fā)現(xiàn)，阿凱克信息準(zhǔn)則(AICc)為-50.28，校正R2為0.506，回歸系數(shù)P＜0.01，達(dá)顯著性水平。標(biāo)準(zhǔn)殘差滿足要求，符合正態(tài)分布。適宜進(jìn)行進(jìn)一步的地理加權(quán)回歸分析兩者的空間規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)地理加權(quán)回歸GWR的AICc=-626.07，R2為0.69，調(diào)整后R2為0.66，標(biāo)準(zhǔn)殘差符合正態(tài)分布，模型精度得到大大提高。

從三維綠量與AOD的回歸系數(shù)來看，負(fù)值區(qū)域占比94.32%，且系數(shù)小于-0.05，達(dá)顯著水平的區(qū)域占比62.85%。相關(guān)系數(shù)在0.05水平顯著的區(qū)域呈環(huán)主城區(qū)環(huán)狀放射的特征，其中武漢南部整體比北部的相關(guān)系數(shù)高。南部絕大多部分區(qū)域的相關(guān)系數(shù)都達(dá)顯著水平。其中又以蔡甸區(qū)以沉湖濕地為中心的區(qū)域、白云機(jī)場片區(qū)、江夏區(qū)沿梁子湖區(qū)域的紙坊片區(qū)-山坡鄉(xiāng)-湖泗鎮(zhèn)-舒安鄉(xiāng)U型區(qū)域為特高值區(qū)域，三維綠量每增加10%，AOD濃度降低1.3%以上(圖7)。

低值區(qū)域(系數(shù)-0.05～0.00)主要分布在主城區(qū)的武昌，黃陂山區(qū)、新洲區(qū)的東北部、東部和西部區(qū)域。高低系數(shù)的南北差異可能跟武漢南部區(qū)域整體開發(fā)強(qiáng)度大于北部，北部農(nóng)田區(qū)域較多，南部下墊面較北部更復(fù)雜有關(guān)系。一定程度上說明綠地在開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度較大的區(qū)域的存在對緩解AOD污染具有重要作用，隨著北部三維綠量越來越高，植被郁閉度提高，相關(guān)系數(shù)有所下降，降污能力下降。

系數(shù)為正值的區(qū)域主要分布在中心城區(qū)和柏泉農(nóng)場，可能是中心城區(qū)用地性質(zhì)非常復(fù)雜，影響AOD濃度的因素較多，三維綠量作為其中一個因變量，未達(dá)到顯著水平。農(nóng)場農(nóng)作物的播種收割受人工干擾較強(qiáng)，遙感影像選取的7月處于農(nóng)場作物成熟收割季節(jié)而導(dǎo)致AOD與LAI系數(shù)呈正相關(guān)。

圖7 三維綠量與AOD的地理加權(quán)回歸關(guān)系

3.4 緩解氣溶膠污染的三維綠量閾值調(diào)控策略

分別統(tǒng)計地理加權(quán)回歸(GWR)系數(shù)為負(fù)值區(qū)間的三維綠量各個值域區(qū)間中屬于中度和重度及以上污染區(qū)的網(wǎng)格占比，由于條件數(shù)大于30、小于0或者為空值的區(qū)域可能存在局部多重共線性，因此剔除滿足上述條件的網(wǎng)格及GWR系數(shù)為正值的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)三維綠量占比的數(shù)值空間與形成中度和重度及以上污染區(qū)的概率成明顯的反比關(guān)系(圖8)。

小于等于5.38的三維綠量區(qū)間內(nèi)，形成中度和重度及以上污染區(qū)的概率值均大于22.31%；在大于5.38后，形成中度和重度及以上污染區(qū)的概率值降至19%以下；因此，三維綠量形成中度及以上污染的閾值為5.38。

大于8.38之后，形成中度和重度及以上污染區(qū)的概率值降至6%以下；大于9.38之后，形成中度和重度及以上污染區(qū)的概率值降為0，空氣呈現(xiàn)輕度及以下污染。

表1 不同網(wǎng)格尺度下三維綠量與AOD的關(guān)系研究

表2 不同網(wǎng)格尺度下相對最優(yōu)擬合方程

因此，三維綠量的從無到有、不斷增加對緩解氣溶膠污染也具有積極作用，中心城區(qū)武昌及中心城區(qū)周邊的紙坊片區(qū)、武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、吳家山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、盤龍城片區(qū)、漢南區(qū)及蔡甸區(qū)的沉湖濕地保護(hù)區(qū)三維綠量普遍小于5.38，而且污染較嚴(yán)重，該區(qū)域大多為高密度的建設(shè)用地，用地性質(zhì)相對較復(fù)雜，植被覆蓋度低，建設(shè)用地周圍三維綠量的增加可以明顯緩解空氣污染(圖8)。通過國土空間規(guī)劃、綠地系統(tǒng)規(guī)劃、生態(tài)紅線規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃管控，在二維空間上提高綠化覆蓋率。城鄉(xiāng)建設(shè)用地特別是主城區(qū)應(yīng)積極落實城市控制性詳細(xì)規(guī)劃等規(guī)劃中關(guān)于綠地類指標(biāo)的剛性管控。在建設(shè)層面見縫插綠，推行垂直綠化，豐富屋頂綠化和墻面綠化，注重喬灌草的合理搭配，使三維綠量達(dá)到5.38。同時注重提升規(guī)模和量，爭取在最大程度上發(fā)揮綠地緩解氣溶膠污染的作用。

三維綠量大于8.38的區(qū)域，主要分布在黃陂區(qū)云霧山-素山寺森林公園-木蘭清涼寨一線及木蘭文化生態(tài)旅游區(qū)、江夏區(qū)東南部的山坡鄉(xiāng)、湖泗鎮(zhèn)、舒安鄉(xiāng)等低山丘陵地帶和新洲區(qū)的道觀河生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)，且AOD污染多數(shù)低于0.664 1，形成中度和重度及以上污染區(qū)的概率值在6%以下；該區(qū)域植被覆蓋較高，三維綠量豐富，生態(tài)環(huán)境整體良好。三維綠量大于9.38的區(qū)域，主要分布在黃陂區(qū)云霧山-素山寺森林公園-木蘭清涼寨一線及木蘭文化生態(tài)旅游區(qū)和新洲區(qū)的道觀河生態(tài)旅游風(fēng)景區(qū)東部，且AOD污染多數(shù)低于0.460 7，形成中度和重度及以上污染區(qū)的概率值降為0%；該區(qū)域植被覆蓋最高，三維綠量最豐富，生態(tài)環(huán)境良好，應(yīng)注重維護(hù)。說明增加森林等三維綠量值很高的區(qū)域?qū)徑饪諝馕廴揪哂兄匾饬x。這也與McDonald等的研究結(jié)論：LAI大的森林是緩解空氣污染最有效的植被類型[37]一致。注重森林的保育和生態(tài)綠楔的打造和完善，將以LAI衡量的三維綠量提升到8.38以上，充分發(fā)揮森林的生態(tài)效益。

對于GWR系數(shù)大于零的區(qū)域，主要分布在中心城區(qū)的漢口漢陽、東西湖區(qū)的柏泉農(nóng)場-東山農(nóng)場，黃陂區(qū)蔡榨鎮(zhèn)可能是因為漢口漢陽用地性質(zhì)復(fù)雜，自變量較多，導(dǎo)致AOD與三維綠量的關(guān)系呈現(xiàn)正相關(guān)，建議結(jié)合通風(fēng)廊道的規(guī)劃疏解局地的小氣候污染情況。東西湖區(qū)的柏泉農(nóng)場-東山農(nóng)場呈正相關(guān)可能是農(nóng)作物處于收獲季節(jié)、植被受人工干擾所致。建議采用環(huán)保型機(jī)械在雨前收割，利用降雨以減輕顆粒物的污染。

圖8 三維綠量在中度、重度及以上污染的形成比例

4 結(jié)語及展望

本文主要以AOD為代表的空氣顆粒物與LAI代表的三維綠量在總量和空間規(guī)律上進(jìn)行了相關(guān)研究。通過以AOD為代表的空氣污染物結(jié)合遙感反演土地利用類型，運(yùn)用比值植被指數(shù)RVI進(jìn)行三維綠量的獲取，對AOD與三維綠量的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，以葉面積指數(shù)LAI衡量的三維綠量與AOD代表的空氣污染物濃度在500m×500m、1km×1km、2km×2km、3km×3km 4種網(wǎng)格尺度下都在0.01水平上呈極顯著負(fù)相關(guān)，進(jìn)而得出4種尺度的相對最優(yōu)擬合規(guī)律模型作為兩者的解釋模型，從而揭示了兩者的初步變化規(guī)律。進(jìn)而對AOD的空間分布規(guī)律、LAI的空間分布規(guī)律和AOD與LAI的空間分布規(guī)律進(jìn)行了探析。

本文作為風(fēng)景園林領(lǐng)域三維綠量與空氣顆粒物污染物相關(guān)研究的初步嘗試，不足之處在于未考慮雨、雪等全天候天氣的影響，也只在武漢市植被生長較好的夏季進(jìn)行了問題的探討等。除豐富基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之外，后續(xù)研究還可從2個維度縱深研究：一方面是對具體的三維植被的類型及其比重等方面進(jìn)行進(jìn)一步的探討，以形成三維綠量從總量到類型、比重等較為完善的調(diào)控空氣污染的定量化調(diào)控策略；另一方面可從PM2.5、氮氧化物、臭氧等污染物與三維綠量的規(guī)律研究入手，提出面向眾多污染物的綜合調(diào)控機(jī)制，以便更有針對性地深化對空氣污染治理策略的探討。

注：文中圖片均由作者繪制。