近期, 我校環(huán)境學(xué)院張繼權(quán)教授環(huán)境/災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)與安全協(xié)同防控團(tuán)隊(duì)在城市森林對(duì)大氣污染物的凈化能力反演方面取得重要研究進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于無損檢測(cè)和機(jī)器學(xué)習(xí)的模擬城市森林冠層SO2凈化能力的耦合方法(PROSAIL+AO+DELM)。該方法基于Sentinel-2多光譜成像衛(wèi)星, 采用深度學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)植被群落尺度下城市森林SO2凈化能力的快速反演, 獲得了長(zhǎng)春市主城區(qū)10m分辨率的城市森林SO2凈化能力圖。相關(guān)成果以“Retrieval of purification ability of urban forest to SO2 stress based on the coupling of radiative transfer and AO-DELM models”為題發(fā)表在國際知名的遙感領(lǐng)域類期刊《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》, 得到了遙感應(yīng)用等領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛關(guān)注和認(rèn)可。
SO2污染對(duì)農(nóng)作物、森林、湖泊、建筑物都會(huì)產(chǎn)生不良影響。城市綠化植被是城市生態(tài)系統(tǒng)極為重要的組成部分, 承擔(dān)著美化環(huán)境、凈化空氣, 甚至是修復(fù)和治理大氣污染的作用。利用植物的同化功能來治理大氣污染尤其是近地表城市大氣的長(zhǎng)期混合污染, 是近年來國際上正在加強(qiáng)研究和迅速發(fā)展的前沿性課題?，F(xiàn)有的研究方法可以獲得更準(zhǔn)確的SO2凈化能力評(píng)價(jià)結(jié)果, 但繪制群落尺度分布圖并不容易，所以系統(tǒng)的研究植被吸收和凈化SO2的能力仍然是一個(gè)具有巨大發(fā)展?jié)摿蛷V泛應(yīng)用的新課題。
該研究結(jié)合PROSAIL模型、植被生化參數(shù)信息和SO2凈化能力, 構(gòu)建出PROSAIL和AO-DELM模型耦合的城市森林SO2凈化能力估算方法。首先選擇長(zhǎng)春市作為研究區(qū), 通過城市綠化樹SO2脅迫下模擬試驗(yàn), 獲取生理生化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；其次, 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到PROSAIL模型中, 模擬城市森林冠層光譜, 對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行全局和局部敏感性分析, 以確定不同SO2脅迫下的參數(shù), 進(jìn)而模擬SO2不同凈化水平下的冠層光譜, 并構(gòu)建高光譜指數(shù),進(jìn)而與SO2凈化率進(jìn)行相關(guān)性分析, 以獲得最佳指數(shù)；之后, 利用最佳指數(shù)和Aquila優(yōu)化器優(yōu)化的深度極限學(xué)習(xí)機(jī) (DELM) 方法估算城市森林冠層中的SO2凈化率, 從而得出SO2凈化率估算方法；最后, 該方法應(yīng)用于研究區(qū)Sentinel-2多光譜影像, 從而得到群落尺度下長(zhǎng)春市城市森林SO2凈化能力的反演結(jié)果 (圖1) 。
圖1 技術(shù)路線
研究結(jié)果表明, 選取的3種不同顏色的城市綠化樹凈化SO2的能力不同（圖2）, 受到SO2脅迫后的葉片光譜反射率曲線也不同（圖3）。低濃度SO2能夠促進(jìn)綠化樹葉片SPAD （圖4）、干物質(zhì)含量和含水量（圖5）, 而高濃度則會(huì)抑制。
圖2 SO2脅迫下城市綠化樹葉片凈化率
圖3 SO2脅迫下城市綠化樹葉片光譜反射率曲線 (a) 紫丁香 (b) 紅葉李 (c) 金葉榆
圖4 SO2脅迫下城市綠化樹葉片SPAD值 (a) 紫丁香 (b) 紅葉李 (c) 金葉榆
圖5 SO2脅迫下城市綠化樹葉片干物質(zhì)含量和含水量 (a) 干物質(zhì)含量 (b) 葉片含水量
基于模擬的植被冠層光譜, 在不同凈化水平分別構(gòu)建出光譜子集、NDI (653, 688)、DI (775, 772) 和RVI (653, 688) 與AO-DELM組合的4種估算方法。結(jié)果表明, 由光譜子集 (580-680 nm) 構(gòu)建的PROSAIL+AO+DELM模型比光譜指數(shù)模型估算性能更好 (圖6) 。
圖6 實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)的SO2凈化率散點(diǎn)圖
進(jìn)一步再比較5種植被群落SO2凈化能力, 其表現(xiàn)為：落葉闊葉林 (deciduous broad-leaved forest, DBF) > 落葉針葉林(deciduous coniferous forest, DCF) > 常綠針葉林 (evergreen coniferous forest, ECF) > 灌木叢 (scrubland, SF) > 針闊葉混交林 (mixed coniferous broad-leaved forest, MCBF) , 顯示出良好的預(yù)測(cè)性能 (圖7) 。
圖7 群落尺度城市森林SO2凈化能力反演結(jié)果
該成果的第一作者為環(huán)境學(xué)院博士研究生阿如汗博士, 通訊作者為我校環(huán)境學(xué)院張繼權(quán)教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國際 (區(qū)域) 合作與交流項(xiàng)目、吉林省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目和吉林省科技發(fā)展規(guī)劃等項(xiàng)目的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jag.2023.103644
