基于遥感数据的长三角AOT时空分布与下垫面关系研究

1、 基于遥感数据的长三角基于遥感数据的长三角 AOTAOT 时空分布与下垫面关系研究时空分布与下垫面关系研究摘 要 大气中的气溶胶对人类的日常生活和全球的气候变化都有着非常重要的影响作用，其中气溶胶的粒子能够从不同的方面来影响天气和气候。气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Thickness）指的是介质的消光系数在竖直方向上的积分，它是用来描述气溶胶对太阳光的衰减作用的，与大气能见度，酸雨以及航空都有很大的联系，是表征空气质量的重要指标之一。随着现代社会经济的快速发展，长江三角洲地区已经成为国内经济高速增长和极具活力的地区之一，所以环境问题也越来越受到重视。本文主要研究长江三角洲地区

2、的气溶胶变化和分布情况，所用的资料是美国宇航局发布的 Terra/MODIS L2的气溶胶数据集，时间是从 2000 年的 3 月到 2010 年的 3 月，提取了其 550nm 的质量标示最好的陆地气溶胶光学厚度数据。然后分别进行长江三角洲地区季节、年度平均值计算，总结出近十年来长江三角洲地区 AOT 在时间和空间上的变化，除此之外，还利用了美国宇航局发布的土地覆盖类型产品 MCD12Q1，研究 AOT 与下垫面的关系，选择合适的分类方法对土地利用进行分类，并根据相似性的大小对土地利用类型进行一定的合并。土地利用类型被分为了农地、荒地、林地、草地，水域以及建筑用地这六种主要类型。最后得出结论

3、：（1）2000 年 3 月到 2010 年 3 月长江三角洲地区 AOT 的平均值为 0.65。整体上的分布情况是南边地区 AOT 相对较低，而北边地区 AOT 相对较高。在北部地区，大部分的 AOT 值都在 0.6 以上，这其中上海地区的值最高，最高的时候甚至可以达到0.95；南部地区除了杭州接近 0.9，宁波在 0.8 范围左右，其它的地区都比较低，最低的不足 0.3。 （2）在春季和夏季时候，AOT 的值明显比较大，在秋季和冬季时候，AOT 的值明显比较小。在十年之中，AOT 的值总体上呈增长趋势。 （3）气溶胶光学厚度与土地利用类型之间存在着很大的关系，在城市地区，人口的密度相对而言

4、比较大，工业产值也比其它地区高，这些地区的 AOT 值通常很高，而在另一些地区，例如森林覆盖率较高的地区，工业生产少，AOT 值往往比较低。本文的研究对于环境保护，地区的发展规划，以及人们的身体健康都有一定的参考价值。关键词：遥感；长江三角洲；气溶胶光学厚度；下垫面；时空分布。 ABSTRACT Atmospheric aerosol has a very important role on humans daily life and the global climate change, and aerosol particles can affect weather and climate

5、in different ways. Aerosol optical thickness refers to the mediums integral on the extinction coefficient in the vertical direction, which is used to describe the aerosols effect on light attenuation, and it has a lot of links with atmospheric visibility, acid rain and air. AOT is one of the importa

6、nt indicators of characterization of air quality. With the rapid development of our modern society ,the Yangtze river delta has become the domestic regions which has rapid growth and dynamic in the aspect of economy, so environmental issues should be brought to attention. This paper mainly studies t

7、he aerosols change and distribution in Yangtze river delta area. Data used in this paper is issued by NASAs Terra/MODIS L2 aerosol data set from March 2000 to March 2010, extract its quality of 550 nm labeled the best land aerosol optical thickness data. Then calculate seasonal and annual average AO

8、T in Yangtze river delta region, summed up the AOT change of time and space in the Yangtze river delta region in nearly a decade. Besides, using the MCD12Q1 released by NASA we can study the relationship between AOT and underlaying surface. selecting the appropriate classification methods to classif

9、y the land use, and according to the size of the similarity between certain types of land use to merged them. Land use type was divided into farmland, wasteland, forest land, grassland, water area and land for building the six main types. Finally concluded that: (1) From March 2000 to March 2010, th

10、e average AOT in Yangtze river delta region is 0.65. The overall distribution of AOT is relatively low in the south, while in the north region it is relatively high. In northern areas, most of the AOT values are above 0.6, which has the highest value in the Shanghai area, most of the time it even ca

11、n reach 0.95; In southern areas apart from Hangzhou is close to 0.9, Ningbo is controlled in range of 0.8, other areas are low, less than 0.3.(2) During the spring and summer, the value of the AOT significantly larger, in the autumn and winter, the value of the AOT significantly smaller. In ten year

12、s, the value of the AOT generally has a growing trend.(3)There is a great relationship between Aerosol optical thickness and land use types, in urban areas, the population density is relatively larger, industrial production is also higher than other regions, AOT values of these areas is usually very

13、 high, and in some areas, such as the areas where forest coverage rate higher ,less industrial production, AOT values tend to be low.This article has certain reference value to environmental protection, the development of regional planning and peoples health. Key words：Remote sensing；The Yangtze riv

14、er delta；Aerosol optical thickness；Underlying surface；Temporal and spatial distribution.目 录第一章 绪论1 1.1 大气气溶胶简介1 1.1.1 气溶胶的产生1 1.1.2 气溶胶的类型2 1.1.3 气溶胶对环境和人类的影响3 1.2 大气气溶胶常规监测方法41.3 本文研究的目的和意义5第二章 研究区域及数据处理7 2.1 研究区域7 2.1.1 研究区的自然情况7 2.1.2 研究区的经济情况8 2.1.3 研究区的社会问题9 2.2 数据的来源10 2.3 数据处理的相关软件12 2.4MODIS

15、 数据的处理13 2.4.1 利用 ENVI 进行 AOT 值的获取13 2.4.2 不同土地利用类型掩膜的建立17第三章 长江三角洲地区近十年 AOT 时空变化情况22 3.1 长江三角洲地区 AOT 空间分布情况22 3.2 长江三角洲地区 AOT 年度变化情况23 3.3 长江三角洲地区 AOT 季节变化情况24 第四章 长江三角洲地区 AOT 变化分布与下垫面的关系27 4.1 土地覆盖分类方法274.2 长江三角洲地区 AOT 与土地覆盖类型的关系28结束语32致谢33参考文献34 - 5 -第一章 绪论1.1 大气气溶胶简介1.1.1 气溶胶的产生大气气溶胶的质粒主要来源于地球的表

16、面，一方面它可以通过自然和人类活动直接进入大气，另一方面它可以从地球表面自然过程以及人为排放的气体中经过化学或者光化学反应，转化成为可凝结分子物质然后形成质粒，只有少部分的质粒是来源于地层的深处，通过火山的爆发来进入大气并且能够直达平流层，外层空间也会有部分入流质粒通量1。关于气溶胶源的分类方法，包括了（1)核化过程1 主要指的是通过痕量气体氧化的气相化学反应以及化石燃料和生物质发生的燃烧作用，由较低挥发性的气体凝结形成。但是，定量地来讨论气溶胶质粒的核化生成率碰到了各种各样的困难和不便。在大陆气团，有关于上述过程的影响因素显得更为复杂，因为它包含潜在的预存气体的含量变化非常的大，组分也比较多

17、，包括了自然，人类活动产生的有机或无机的痕量气体，同时，通过燃料消耗量的方法来计算的化石燃料以及生物质燃烧过程中间的核化率或者是形成质粒的源强，这实际上也并不是很清楚的。 （2）注入机制1 指的是直接由外界来向大气注入质粒，这包括了气泡和海面波浪爆破后的产物，陆面上的风力抬升及输送矿物尘的作用，活动火山出现的喷发作用，地球上生物活动的产物以及来自于地球之外的陨星物质下落通量。有关注入机制的定量讨论，包括了海盐质粒的产生率和大陆表面输送的地壳物质颗粒的浓度和尺度分布都比较具体、详尽。因为比较具有代表性，已经被用于模式参数的定量计算。火山喷发生成的气溶胶：大量的以硅酸盐为主要成分的火山灰在较短时间

18、内降落至地球表面，而由氯化物，硫的氧化物，以及水汽组成的火山蒸汽能够进入地球的平流层。这其中，二氧化硫经过气粒转化形成了生命期较长的硫酸气溶胶1。其它的痕量气体能够促使平流层的臭氧分布产生一定的变化，气溶胶所具有的辐射效应会造成平流层的温度升高，对流层与地表温度降低。通常情况下，在火山爆发之后，平流层中的凝结核会迅速的增多，这主要体现在硫酸水合物2，在温度 130 摄氏度到 150 摄氏度会发生汽化，大约 40 到 50 天以后上升到达峰值。之后会通过扩散以及聚合逐歩地衰减，但是，在几年之内是不一定能够恢复到火山爆发之前的背景浓度。平流层的硫酸气溶胶的生命期还与平流层的加热条件有很大的关联。火

19、上爆发产生的火山灰可以在一到两个月之间降落至地球表面。在火山的爆发期内，不仅会有大量的气体进入平流层，还会有一部分地球内部的熔岩，以硅为主要成分的地壳碎片直接进入了平流层。火山喷发是变化最大的气溶胶源，它的年发射率为 4*109kg 到 150*109kg 之间。它对于对流层气溶胶的影 - 6 -响作用，具有十分明显的局地性以及短时性，但是，对于平流层的影响变幅却很大，维持的时间也更长。地球之外陨星物质：巨大的太阳系中存在着数量惊人的流星体，在当它们进入了地球引力范围之内时就形成了陨星现象。出现陨星现象的平均高度大约为95km，而大约在 80km 高度的时候绝大多数的陨星会因为高速运动而产生强

20、烈摩擦，生热继而燃烧消融了。只有很少的一部分可能会落至地面，这便是我们所说的陨石，大的陨石可以达到十几吨，但陨石平均的质量只有几克。陨星尘属于平流层气溶胶的可变源之一，它可以直接影响其中的气溶胶层的性质，主要表现为增强了总的质粒浓度，减小了平均质粒的尺度，增加总的硫酸盐的质量，另外，还表现为增加 0.15um/0.25um 质粒的浓度比1。1.1.2 气溶胶的类型 在地球大气中的不同部位，相应地也会具有不同的气溶胶质粒，表现在尺度分布的不同。很显然，当在同一个气团之中，气溶胶质粒的尺度分布是相对比较均匀的，这样一来，一般就可以把气溶胶分成三个类：大陆气溶胶，海洋气溶胶以及背景气溶胶。而当从气候

21、模式，污染模式及光学气溶胶模式来考虑的时候，也可以把气溶胶分为大陆气溶胶，海洋气溶胶，乡村气溶胶，城市，或者是大陆气溶胶，海洋气溶胶，背景气溶胶和平流层气溶胶等不同的四个类别。按照气溶胶的质粒源和出现的地理位置，把气溶胶分为了九类，即远陆气溶胶，沙漠气溶胶，海洋气溶胶，极地气溶胶，对流层中上层气溶胶，生物气溶胶，云过程气溶胶，生物质燃烧气溶胶和平流层气溶胶1。 （1）远陆气溶胶 它通常出现在大陆的深部，基本上是不受人类活动的影响，并且也是局限于当地的边界层。因为距离深远，以及观测资料不足，目前还没有受到本该应有的重视。这其中，典型的远陆气溶胶有热带雨林气溶胶和西伯利亚地区气溶胶，在与海洋气溶胶

22、和沙漠气溶胶相比的时候，它拥有非常高浓度的自然形成的凝结核，又因为其生物圈十分活跃，能够释放出大量的有机类先驱气体。 （2）沙漠气溶胶 它主要出现于沙漠的上空，当出现一定的环流形势，可以扩展至附近海洋的上空，在高度方面，它的上限一般为 600hPa。另外，它的尺度分布又类似于远陆气溶胶，粗模态占据了很大的比重，并且，它与风的速度关系十分密切。 （3）海洋气溶胶 它的尺度和沙漠气溶胶是有些相似的，但是，它并不会远传至大陆内地以及对流层地上部。原因主要在于它是具有吸湿性的，能够被云和降水过程有效地清除掉。它是由洋面的飞沫蒸发而形成的，与沙漠气溶胶一样都是风成性的气溶胶。虽然洋面非常的大，但是海洋气

23、溶胶的源强和沙漠气溶胶的源强还是十分相近的，因为这两者的表面对风应力作用的反应敏感性差异十分的大。 - 7 - （4）极地气溶胶 它是所有气溶胶之中浓度最低的一类了，它的尺度已经接近于单分散，和平流层气溶胶有一些相似之处，会随着高度的不断增加逐歩具有中高层对流层气溶胶的部分特征。 （5）中高层对流层气溶胶 它通常出现在占 80%的大气层中位于云区的上方，其质粒通过不断生消的云的反复过滤，并且会受到对流系统的不断扰动以及平流层下泄的混合影响。它属于是典型的叠加了云体释放的质粒的老化型的气溶胶，因而又经常被称为背景气溶胶。 （6）生物气溶胶 它不仅仅是由纯生物组成，比如花粉，真菌，孢子，细菌等，还

24、包括了植物碎裂的分解体，昆虫以及它们磨蚀分散后的残体。因为生物圈是十分具有活性的，它的浓度随年份变化比较明显，在某些尺度范围内的生物气溶胶总和可以达到气溶胶总量的 40%。 （7）云过程气溶胶 虽然云可以作为气溶胶的转化载体，但是过去对于云过程气溶胶的研究相对较少。据统计，只有大约 1/7 的云会产生降水，而剩余的6/7 的云蒸发，又转化成为新的气溶胶，通常这种云过程气溶胶会缺乏最小质粒。据估计，云过程气溶胶的源强相比海洋气溶胶和沙漠气溶胶应该具有相同的量级，它是云中生成大云滴的主要巨核。 （8）生物质燃烧气溶胶 近些年以来，基于积累的观测资料可以发现了一些特殊模式的气溶胶，而生物质燃烧产生的

25、气溶胶就是其中的一种，它的密度比较大，随着时间以及空间的变化也比较大，并且它能够向远处输送。据估计，大约有 15%的燃烧质量转化成了气溶胶。典型的生物质燃烧气溶胶有森林火灾，草原上发生的大火，油井火灾等，至今对它的了解还不是很充分。 （9）平流层气溶胶 鉴于平流层的气溶胶对辐射以及气候的影响，近些年来受到了特别的关注和重视，增加对它的了解是很有必要的。这主要表现在单分散型由硫酸微滴组成的平流层的云。当火山喷发后，它形成的质粒渗入对流层顶后常常表现为相对较宽的尺度分布，但是很快就会老化，大的质粒迅速地沉降，微质粒会充作平流层云的核，可以用来解释南极春季会观测到的臭氧衰减。1.1.3 气溶胶对环境

26、和人类的影响气溶胶的浓度随地域以及时间的变化主要是决定于局地源的发射率、离源的距离，大气中的对流，平流和湍流扩散输送强度以及各种相关移出过程的效率1。从以往的观测来看，气溶胶的浓度会随着离地表的距离的不断增加而迅速地减小，这其中，大约有 80%的气溶胶质量是包含在对流层大气中最低几千米以下的。对于大气气溶胶带来的气候效应，既包含了它与太阳辐射和地球辐射之间的相互作用，也会具有相应的动力学方面的变化，特别是气溶胶的辐射吸收而加热的动力效应，还包括了地面大气之间的水分循环的过程。目前，对气溶胶辐射效应的研究进展还是很快的，这是气溶胶影响大气气候的主要途径，而有关于它的动力反应以及水分循环影响，仍然

27、限于模式噪声的限制之下，只有在赤道以北的 - 8 -非洲局部地区的模拟结果，显示出来气溶胶辐射强迫的作用，改变对流及风场，引起降水量的减少从而导致了沙漠化的不断发展。关于对云模拟的困难，特别是气溶胶和云之间相互作用没有确定的关系，这个是气溶胶气候模拟之中存在的最主要因素。气溶胶能产生气候效应主要是通过作用地-气系统的辐射场来实现的，它的符号和温室气体的辐射强迫作用正好相反，但是量值是可以和温室气体相比拟的。通常，可以分成间接影响和直接影响这两个方面。气溶胶的直接辐射强迫给天气带来的影响主要在于降低能见度，它的表现形式主要有沙尘暴，以及大气污染物的浓度较高的城市地区不断增多的灰霾天气等3。在高层

28、大气中的气溶胶，由于吸收辐射从而局部地区增温可以促进对流层上层的氧化反应，还可以通过烟炱沉降雪面，减少雪面的反射，这些都属于气溶胶和辐射之间相互作用的间接效应。这其中主要的间接效益是通过气溶胶对云的辐射性质的作用而实现的。平流层、对流层气溶胶给气候带来的辐射强迫作用是具有全球性的，是温室气体的反效应，量级上也是可以比拟的，但是，不能认为气溶胶的冷却效应是可以自动补偿温室气体的加热效应的。 在城市里，常见的光化学烟雾是城市中大气气溶胶的主要来源，通过汽车尾气以及燃烧排放出地大量污染气体也可以通过气-粒转化过程生成二次气溶胶，已经对城市的大气环境产生了显著的影响4。较高浓度的气溶胶能够降低大气的能

29、见度，进而影响到城市中的正常生活，景观以及交通5；小颗粒的气溶胶对电器设备、精密仪表会有明显的影响；大颗粒的气溶胶与酸雨和航天的成因也有着密切的关联6。对于大气气溶胶的这些环境影响，已经造成了全球性的环境问题，受到了全世界的高度重视。 除此之外，大气气溶胶对人体及其他生物体的生理健康也是有一定的危害的。已经有相关的研究显示，可吸入的颗粒物因粒径的不同而可能滞留在呼吸道不同的部位上4。大于 5um 的颗粒物会滞留在上呼吸道，而小于 5um 的颗粒物多滞留于细支气管和及肺泡，0.01um 到 1um 的颗粒物在肺泡内沉积率要属最高，当然，这对人体健康的危害也是最大的。此外，含有各种微生物，以及生物

30、性物质的生物气溶胶造成的各种呼吸道疾病已经受到医学界的广泛关注。1.2 大气气溶胶常规监测方法 由于对大气气溶胶的准确探测难度较大，目前都是直接或间接通过遥感非接触的方式进行观测，主要包括利用太阳光度计资料反演，运用雷达和卫星探测，以及利用气象辐射相关资料反演7 。 太阳光度计 太阳光度计是当前表现对流层的气溶胶特征资料的主要观测方法，另外，经常使用太阳光度计得到的观测结果对遥感数据进行对比或者校正8。在 1998 年的时候，美国航空宇航局所支持的遥感气溶胶检测网络计划中，就把CIMEL CE-318 太阳光度计当作获取气溶胶特征资料的常规方法9。在二十世纪七十年代的时候，人们开始通过使用惯性

31、分光计来测量气溶胶颗粒的大小以及它的 - 9 -分布。分光计的原理是通过发射滤光器放大能够保存全部尺度气溶胶的信息，因而，可以用来研究气溶胶多分散的特性。在不同的地区，或者是用不一样波长的太阳光度计来对大气气溶胶进行测量，能够测量它的混浊度并且研究它的消光特性、进而估计气溶胶粒子的光学厚度，还能够进一步来研究气溶胶光学厚度的时间模式，再对不同地区间的时间模式和海拔差异进行比较，从而便于调查待估区域的光学特性。 雷达探测 通过使用雷达探测技术，可以较好地探测平流层以及对流层中气溶胶光学特性在垂直方向上的分布特征。印度的热带气象学院使用连续波发收分置的氢离子激光雷达以及分光辐射计对日出之前和日落之

32、后热带城市气溶胶分布上的差异进行了研究，研究的结果表明，在全天的观测之中，近地面的大气层的气溶胶浓度是较高的，相反，上层的较低7。除此之外，冬季早晨的浓度比较大，晚间的浓度比较小，而在雨季前，却正好相反。中科院于二十世纪九十年代在安徽合肥市前后建立了 L625 和 L300 这两台激光雷达系统。L300 激光雷达收集了不同大气条件下近地面层大气的水平能见度、532nm 波长的大气气溶胶水平消光系数以及消光系数垂直分布的资料7。L625 激光雷达收集了 532nm 波长的平流层气溶胶消光特性的数据。这些气溶胶光学特性时间和空间演变的数据为建成大气气溶胶的光学模式给予了有效的实验数据。根据测量的结

33、果显示，对流层的下部有充分发展的相对较厚的气溶胶层，一般来说气溶胶消光系数会随着高度的不断增加而渐渐减小，对流层的气溶胶消光系数在垂直方向上的分布具有多层结构的特点10。 卫星遥感 在测量平流层的气溶胶和臭氧时，相应的技术手段是多种多样的，这些技术通常都具有测量精度高，而且比较可靠的优点，测量结果经常用来验证卫星遥感的测量值，但这些技术又常常受到空间或时间上的限制11。1975 年SAMI 开始探测平流层的气溶胶，打开了卫星遥感观测平流层气溶胶的时代。当前，卫星搭载的运用于气溶胶探测较多的是美国的 SAGE、AVHRR、MODIS、EOSP 以及GIAS 传感器，欧空局有 GOMOS 传感器，

34、印度有 MOS(-A，-B，-C)传感器，法国有POAM 传感器。携带 MODIS-N 的 EOS-AM 卫星在 1999 年 12 月 8 日被成功送入轨道。MODIS-N(Nadir)一共拥有 36 个通道(0.415-14.235um)，MODIS-T(Tilt)一共拥有 32 个通道，其中心波长均匀地分布在 0.40-0.875um 之间。MODIS 主要通过光谱的反射以及热发射的测量来确定云、气溶胶粒子的光学和物理学的特性，除此之外，还运用于探测臭氧的总量和可降水的总水汽量以及大气稳定度等，属于功能很强的探测器。通过星载传感器观测结果能够研究气溶胶的光学特性。通过对比发现，MODIS

35、 卫星遥感气溶胶的数据与地面太阳光度计的观测数据之间有很好的相关性。使用双通道方法对 NOAA-14 极轨卫星高分辨率辐射计的反射率资料能够反演整层的大气气溶胶光学厚度，其精度大于 90%。此外，通过模拟 GMS-5 卫星在可见光通道的表观反射率，运用不同的大气气溶胶模型和不同的下垫面反射 - 10 -率以及不同的气溶胶光学厚度的敏感性特征，结合地面太阳光度计观测结果，成功地反演了巢湖上空的大气气溶胶光学厚度。从结果看出，反演所得到的0.5336um 气溶胶光学厚度非常依赖于湖面反射率的选择，通过选择合适的湖面反射率，通过卫星反演的气溶胶光学厚度与地面光度计遥感的均值相对误差不超过30%12。

36、 气象资料 地球表面的太阳总辐射以及漫射太阳辐射都对大气气溶胶的散射光学特性带有敏感性，可以利用宽带谱 (0.3-4um)的辐射信息(包括了太阳总辐射和直射辐射以及漫射太阳辐射)反演大气气溶胶的散射光学厚度7。将太阳曝辐量(太阳直接地辐射 1 天或者是 1 小时累计量)与“等同”的瞬时太阳直接辐射相关联起来，建立与曝辐量“等同”的瞬时太阳直接辐射模式，通过应用这个模式和一个“等同”波长模式，能够从太阳直接曝辐量反演出气溶胶的光学厚度。试验的结果显示，通过日太阳直接辐射曝辐量反演得出的气溶胶光学厚度可以视为辐射加权的日平均的光学厚度。 1.3 本文研究的目的和意义 近年来，随着社会的不断进步和发

37、展，经济增长的同时环境问题越来越受到人们的重视。在诸多的环境问题中，大气污染问题可以说是一个非常重要的问题。气溶胶作为大气中的一个重要组成部分，对于我们人类的日常生活以及全球的气候变化都有着非常重要的影响作用，其中气溶胶的粒子能够从不同的方面来影响天气以及气候，并且根据相关研究表明，气溶胶对人体和其他生物的生理健康都有一定的危害作用，主要是影响呼吸道。 根据 NASA 提供的 MODIS 气溶胶产品，经过数据处理之后得到气溶胶光学厚度的具体数值。本文主要研究了 2000 年至 2009 年这十年之中，长江三角洲地区气溶胶光学厚度的变化情况。目的在于了解气溶胶光学厚度随着季节变化的情况和随着年份

38、变化的情况，以及长江三角洲地区不同城市之间气溶胶光学厚度的差异。另外，还研究了在不同土地覆盖类型的上空，平均的气溶胶光学厚度的分布情况，从分析结果来看，气溶胶光学厚度的差距比较明显，这也说明气溶胶光学厚度与土地覆盖类型有着较大的关联。长江三角洲地区作为我国经济发展的重要地区，它的环境问题势必会关系到将来该地区的进一步发展，怎么发展，如何发展。另外，随着社会生活水平的不断提高，人们对生活质量的要求也不断提高，环境问题不断受到关注和重视。因此，了解大气气溶胶光学厚度的时间变化特点，地域分布特点，对于环境的有效治理，土里利用的合理规划等都有着重要的意义。 - 11 -第二章 研究区域及数据处理 2.

39、1 研究区域2.1.1 研究区的自然情况 图 2-1 长江三角洲地区平面图 长江三角洲是长江入海之前形成的冲击平原，属于我国面积最大的河口三角洲，它是中国最发达的地区之一，同时，也是国际上公认的六大世界级的城市群。它的地理经度在118到123之间，纬度在27到34之间。本文中所研究的区 - 12 -域指的是狭义的长江三角洲地区，即2009年之前认定的长江三角洲地区，包括了上海市、江苏省的南部、浙江省的北部和邻近海域，主要的城市有上海市、无锡市、南京市、苏州市、常州市、镇江市、南通市、泰州市、扬州市、杭州市、嘉兴市、绍兴市、湖州市、台州市、舟山市、宁波市13，面积约为5万平方公里。在长江三角洲地

40、区，地势比较低平，海拔高度几乎都在10米以下，但也零星地散布一些孤山、残丘。由于海水的顶托作用，长江每年产生的4.7亿吨泥沙大部分会沉积下来，在南岸和北岸各堆积成一条沙堤。长江每年平均输沙量在49亿吨，正常的年份有28%的泥沙会在长江中沉积，个别的年份甚至高达78%，三角洲渐渐地向海延伸。北岸沙堤大体从扬州的附近向东延伸到如东附近，沙堤以北主要是由黄河和淮河冲积形成的里下河平原；南岸沙堤于江阴附近向东南延伸，直到上海市金山县的漕泾，并且和钱塘江北岸沙堤相连接形成太湖平原。太湖平原位于长江以南，属于长江三角洲的主体，以太湖为中心，地形表现为周围高中间低，这样的地形特征使这里上有长江与太湖上游来的

41、洪水，下有海潮倒灌，夏季秋季又常受台风暴雨的袭击，洪涝灾害非常频繁。另外，长江三角洲地区农业比较发达，人口相对稠密，城市众多。这里属于北亚热带季风气候14，雨量十分充沛，水道纵横，湖荡棋布，一直都有水乡泽国之称。土壤肥沃，农业方面产水稻、小麦、棉花、油菜和花生，以及鱼虾等，属于中国人口最为稠密的地区之一。在过去的几十年之间，长江三角洲地区的年平均气温和年平均最高、最低气温都显明显增加，并且增温率在冬季和春季较高，在夏季最低。大城市站增温率显著高于小城镇以及中等城市站，城市化效应对于大城市气温几乎都是增温作用，对平均最低气温的增温率及作用率最大，对平均最高气温作用最小。长江三角洲地区城市化效应具

42、有的增温率及增温贡献率、气温变化趋势及增温率与其他区域具有很好的一致性。2.1.2 研究区的经济情况长江三角洲经济带以上海地区为龙头，包括了江苏和浙江经济带，是中国经济发展最快速、经济规模最大、最有潜力的经济板块。根据2004年的统计数据来看，长江三角洲地区土地占全国的1%，人口数量占全国的5.8%，但却创造了国内生产总值的18.7%，22%的全国财政收入以及外贸出口的18.4%。长江三角洲地区正在快速积聚民间资本和国际资本，不仅在规模上表现出越来越大的局面，而且以它独特的活力推动着这一地区经济的快速发展。在这块最富饶的土地上，极具活力的大城市群在不断地崛起，国际化大都市上海，2010年国内生

43、产总值位列全国第一，已经超过1.6万亿元；一批中小城市的国内生产总值也成飞速增长，经济总量几乎都过千亿人民币。2005年揭晓的全国县市竞争力百强排名中，有七个“长三角”的县市进入了前十位。长江三角洲更吸引了世界的目光，世界500强企业中达400多家在这一地区落户，这其中在上海地区设立总部和中国总部的就超过200家。据统计，这一地区合同利用外资累计近1500亿美元，可见，长江三 - 13 -角洲已成为一个吸引国际技术与资本的磁场。在长江三角洲这个都市圈里，企业作为经济发展的主力军独领风骚，这里集中了过一半的全国百强经济县，聚集着过百个年工业产值超过100亿元的产业园区。这些企业通常实力很强、规模

44、极大、产品的市场份额在行业中名列前茅，并且在国际市场上也有一定的影响力和地位。上海是国际金融、经济、贸易和航运中心之一，它带动着长江三角洲地区以及整个长江流域的发展。上海强大的辐射力及其周边城市的飞速发展，使江苏、浙江两省的所有城市都意识到区域合作的必要性，其它城市同样在努力寻找自身的城市定位，在资金、人才、信息、商品的流动中找到城市发展的机遇。接轨上海，共同发展，推进经济一体化，已成为长江三角洲区域内各政府的共识，周边城市都把与上海的联动看作是重要的战略，以交通网络的规划和建设为契机，大融合的态势已经开始。苏浙沪三地的项目涉及到交通、人才、旅游、科技、信息、商标、环保、质检等多个领域，并在由

45、浅到深地探讨产业规划、金融服务、政策法规等高层次的合作联动。长江三角洲地区工业雄厚、商品经济发达，交通方便，是全国最大的外贸出口基地，它的一体化可以说是入世后中国经济全球化的缩影。2.1.3研究区的社会问题长江三角洲地区人口相对较密集，土地面积比较狭小，土地和劳动力成本的上升渐渐成为制约该地区经济发展的重要因素，日渐开放的对外环境又使得这一地区已有的优势面临着很大冲击。从国内需求角度来看，今后一段时期内，于小康经济对应的资金技术密集型产业会急需发展，知识经济和技术创新在产业发展中的作用越发显著，人力资本以及技术知识是经济发展的最有竞争力的要素。加入世界贸易组织会使长江三角洲地区一些传统产业，高

46、新技术产业以及服务业在短期内受到挑战，为此长江三角洲要通过劳动密集型产业逐渐转入资金、技术密集型的产业，实现经济结构的升级。作为发展中地区，长江三角洲要同时面对落后地区和发达地区不同要素比较优势的双重夹击，这种夹击，一方面来源于发达国家和地区在高新技术方面的领先、垄断地位，另一方面来源于欠发达国家和地区廉价的土地成本和劳动力成本。长江三角洲地区的出口市场主要集中于中国香港和澳门、日本以及美国等少数国家和地区，在东欧、南美、中东和非洲的市场份额较小。由于出口产品仍以劳动密集型和资源密集型产业为主导，面临来自内地和越南等国家劳动密集型产品的挑战。此外，该地区部分高新技术产品大多停滞在劳动密集型的加

47、工装配环节，因而竞争力不足。 除此之外，随着社会经济的不断发展，长江三角洲地区的环境保护问题与工业化进程的矛盾越来越突出。长江三角洲已成为国内酸雨多发地区和水污染严重区域，随着工业化进程的加快，资源问题、人口问题、环境问题与经济发展的矛盾将越来越明显，环境整治和生态建设不仅仅是高层关心的重大问题，也是平民百姓普遍关注的问题。长江三角洲、珠江三角洲以及环渤海地区已成为引领我国 - 14 -经济发展的“三架马车” ，三大经济圈间的竞争日趋激烈，港澳台与珠江三角洲形成了联合互动、优势互补的经济格局，这也是珠江三角洲的现实优势。但是，台商科技电子业赴大陆投资态势发生了重大变化，台商最为满意的大陆投资区

48、是长江三角洲，和其他地区相比，这里投资环境好、风险低，其中苏州、萧山、余姚、奉化、杭州、嘉定和扬州7个城市更被推荐为适合投资的城市，因此珠江三角洲的产业竞争力受到来自长江三角洲的严峻挑战。有学者认为，长江三角洲的优势还在于成本比珠江三角洲低，台商考虑成本进行产业转移是符合常规的，并不必然导致珠江三角洲工业产业竞争力下滑，在电子制造业，长江三角洲、珠江三角洲和台湾省已形成了一种竞争格局。三大经济圈之间的竞争将会促使经济圈内环境条件的改善以及经济技术的合作更加频繁。2.2 数据的来源NASA 是美国联邦政府的政府机构之一，它是负责美国的太空计划。美国国家航空航天局从1991年起展开了对地观测系统（

49、EOS）计划15。这个计划包括三个阶段：第一阶段：即准备工作阶段，时间从1991年至1998年；第二阶段：即全面地对地观测阶段，时间从1999年至2003年；第三阶段：指的是更为细致的对地观测阶段，时间从2003年以后的十年。NASA 的新一代的对地观测系统目标主要包括三个方面的内容：首先，发射一系列的新一代对地观测卫星；其次，以 NASA 数据中心群（DAAC）为核心管理并且散发卫星所获得的数据；最后，组织科学家队伍对地球多要素开展综合的研究。重点观测以及研究的领域主要包括：水和能量的循环，海洋，陆地表面，大气化学，水与生态系统过程，地球表面，冰川和极地的冰盖以及固体地球。 Terra 卫星

50、（EOS-AM1）于1999年12月18日发射，是 EOS（earth observation system 对地观测系统 ）计划中的第一颗卫星16。在 Terra 卫星上,一共有五种不同的传感器，它们能够同时采集到地球大气、陆地和海洋以及太阳能量平衡等相关信息：分别是云和地球辐射能量系统 CERES、多角度成像光谱仪，即 MISR、中分辨率成像光谱仪，即 MODIS，和先进星载热辐射与反射辐射计 ASTER 以及对流层污染测量仪 MOPITT。Terra 是由美国、日本以及加拿大联合进行的一个项目。美国主要提供了卫星及三种仪器：CERES、MISR 和 MODIS；日本国际贸易和工业部门主要

51、提供了 ASTER 装置；加拿大的多伦多大学主要提供了 MOPITT 装置。Terra 围绕着地球近极地轨道航行，它的高度是705km。它会在早上当地的同一时间经过赤道，此时，陆地上空的云层覆盖是最少的，因此，它对地表的视角范围可以达到最大。另外，Terra 的运行轨道基本上和地球自转的方向是相垂直的，因此，它的图像能够拼接成为一幅完整的地球总图像。通过分析这些获取的数据，有利于科学家认识全球范围气候变化的起因以及发展，了解地球的气候和环境是怎样作为一个整体作用的。AQUA 成功发射卫星于2002年5月4日16，目前正处于正常的运转之中。AQUA 卫星保留下了 TERRA 卫星上已经装有的 M

52、ODIS 和 CERES 传感 - 15 -器，并且在数据采集的时间上，正好与 TERRA 形成了很好的补充。它同样也是太阳的同步极轨卫星，在每日的地方时下午会过境，因此，AQUA 卫星又被称作地球观测第一颗下午星（EOSPM1） 。AQUA 卫星一共载有6个不同的传感器，它们分别是：中分辨率成象光谱仪 MODIS、云与地球辐射能量系统测量仪 CERES、大气红外探测器 AIRS 、巴西湿度探测器 HSB 、先进微波探测器 AMSU-A 、地球观测系统先进微波扫描辐射计 AMSR-E。MODIS 是 EOS 的一个关键设备，也是 EOS 上唯一的以 X 波段向地面直接发布观测结果的系统。MOD

53、IS 有 36 个波段16，如表 2.1。其中 20 个是可见光一近红外波段，16 个是热红外波段，为反演陆地、气溶胶、云、水汽、海色、臭氧、浮游植物、生物地球化学等相关产品提供了重要的信息。能同时对大气、海洋、陆地进行探测。能够同时反演水汽的总含量、气溶胶的光学参数、臭氧的总含量、地表反照率等大气和陆地参数。MODIS 数据分辨率有三个尺度，可见光通道 1 和通道 2 有 25Om 星下点的空间分辨率，可见和近红外的通道 3-7 有 500m 的分辨率，通道 8-36 有 1O00m 的分辨率。表 2.1 MODIS 波段分布特征 基本用途波段通道光谱 1-19nm/20-36um分辨率（m

54、)信噪比 NE1620670250128陆地与云边界28418762502013459479500243454556450022851230125050074616381652500275陆地与云特征72105213550011084054201000880943844810008381048349310008021152653610007541254555610007501366267210009101467368310001087157437531000586海洋颜色、水体表层性质、生物化学16862877100057617890920100016718931941100057大气水汽19

55、9159651000250203.660-3.84010000.05213.929-3.98910002.00223.929-3.98910000.07地球表面和云顶温度234.020-4.08010000.07244.433-4.49810000.25大气温度254.482-4.94810000.25 - 16 -261.360-1.39010001504276.535-6.89510000.25287.175-7.47510000.25卷云，水汽298.400-8.70010000.05臭氧309.589-9.88010000.253110.780-11.28010000.05地球表面和云

56、顶温度3211.770-12.27010000.053313.185-13.48510000.253413.485-13.78510000.253513.785-14.08510000.25云顶高度3614.085-14.38510000.35 MODIS 的标准数据产品根据其内容的不同可分为0-3级数据产品16。这其中，0级数据指的是地面卫星站直接接收到的、未经任何处理的、包括了全部数据信息在内的最原始数据。1级数据指的是对尚未经过处理的或完全分辨率的仪器数据采取重建，数据的时间的配准，使用辅助数据进行注解，再计算和增补到0级数据之后成为1级数据，这包括了 MOD01到 MOD03三类不同的

57、文件，其中，MOD02即 MODIS 1B 数据产品，MOD03是 MODIS 数据的地理定位文件。2级数据是在1级数据的基础上开发出来的，它们具有相同的空间分辨率和覆盖同一地理区域的数据。3级数据是以统一的时间和空间栅格表达的变量，通常情况下，具有一定的完整性及一致性。MODIS 陆地气溶胶采用暗像元法反演，在晴空无云的暗像元上空，卫星观测蓝通道和红通道表观反射率随大气气溶胶光学厚度单调增加，而短波红外通道表观反射率却几乎不受气溶胶影响，因此可以用短波红外通道表观反射率代替该通道地表反射率，进一步利用 Kaufman 等12-14建立的谱反射率间的经验关系确定红通道和蓝通道地表反射率，并通过

58、卫星观测的程辐射数据选择气溶胶类型，实现气溶胶光学厚度反演。本文所用气溶胶资料是 NASA 发布的 Terra/MODIS L2 的气溶胶数据集(version 5)，星下点分辨率为 10 km，时间从 2000 年 3 月到 2010年 3 月，提取其 550nm 的质量标示最好的陆地气溶胶光学厚度数据，分别进行长江三角洲地区季节（3 到 5 月为春季、6 到 8 月为夏季、9 到 11 月为秋季、12 到2 月为冬季） 、年度平均计算。关于土地覆盖类型资料，本文所采用的是 MODIS Terra + Aqua 三级土地覆盖类型数据 MCD12Q1，时间是 2006 年，它的空间分辨率是 5

59、00 米。2.3 数据处理的相关软件 （1） ENVI 是完整的遥感图像处理平台，属于美国 Exelis Visual Information Solutions 公司的旗舰产品，由遥感领域的科学家运用交互式数据语言 IDL 开发的一套功能完备的遥感图像处理软件。如今众多的影像分析师及科学家选择 ENVI - 17 -软件来从遥感影像中提取所需信息。ENVI 广泛应用于科研、环境保护、石油矿产勘探、气象、林业、农业、国防、遥感工程、地球科学、公用设施管理、水利、城市与区域规划和测绘勘察等领域。ENVI 拥有下列几个优势：1.先进且可靠的影像分析工具。2.可随心所欲扩展新功能。3.专业的光谱分析

60、。4.可与 ARCGIS 整合。5.流程化图像处理工具。ENVI 提供了可靠的波谱分析工具以及高光谱分析工具，还可以使用 IDL 为 ENVI 编写扩展功能，ENVI 的可扩充模块有：1 大气校正模块 2 面向对象空间特征提取模块 3 立体像对高程提取模块 4 正射纠正扩展模块 5 高级雷达处理扩展模块（SARscape） 。 （2）ARCGIS ArcGIS Desktop 属于一系列整合的应用程序的总称，包含ArcCatalog，ArcMap，ArcGlobe，ArcToolbox，ArcScene 等应用程序。 （1）ArcMap 是 ArcGIS 桌面系统的核心应用，把空间数据编辑、查