基于GWR的郑州市域林地景观格局、气象与气溶胶光学厚度的空间关系研究

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河南省郑州市是全国重要交通主枢纽城市,其景观生态和大气污染问题一直被社会重点关注。林地景观格局作为大气气溶胶污染中重要的调控要素,本研究将从景观生态学角度分析其与气溶胶光学厚度(AOD)的空间依赖关系。本文主要选取郑州市域的AOD为研究对象,以GF-2遥感影像、CLDAS V2.0版本气象数据集、MODIS043K气溶胶遥感数据为数据源。文中首先以裁剪、重采样后的MODIS043K遥感数据为基础,定量分析了郑州市域范围季均、年均AOD的空间分布特征,并研究了气溶胶光学厚度的空间自相关。其次解译GF-2遥感数据,提取林地景观格局指数,分析林地景观格局指数与CLDAS气象因子的时空分布特征以及空间自相关性。最后基于以上研究数据,分别以季均及年均AOD为因变量,以林地景观格局指数与气象要素为解释因子构建全局的OLS(最小二乘回归)模型及GWR(地理加权回归)模型,分析AOD与自变量间的空间依赖关系。具体的研究内容及主要结论如下:(1)研究区内季均AOD值由强到弱依次为夏季AOD(0.842)>秋季AOD(0.652)>春季AOD(0.567)>冬季AOD(0.407),年均AOD值为0.617。郑州市季均及年均AOD值的地理分布在2017年都表现出南低北高、西低东高的特征,最低值区域主要分布于山地及丘陵地带,最高值区域主要分布在平原及城市聚居区。且对Moran’s I指数分析后发现无论是季均AOD还是年均AOD都表现出显著性的空间自相关。(2)在OLS回归中与季均或年均AOD显著相关且通过共线性检验的所有指数为TA(景观面积)、NP(斑块数量)、PD(斑块密度)、LPI(最大斑块指数)、COHESION(斑块结合度)、LSI(景观形状指数)六个林地景观指数,以及除夏季风速之外的季均及年均地面气压、2m空气比湿、2m气温、10m风速四个指数。(3)气象因素中,气压值与地理高程趋势一致,空气比湿在中部及西部区域较小,气温在郑州市北侧较高而山区较低,风速低值区出现在东北部;景观要素中,TA、NP、PD、LSI、COHESION、LPI高值区均聚集于郑州市西南部,但LPI高值区相较其他指数略分散。此外空间自相关性检验得出,所有林地景观格局因素与气象因素的全局Moran’s I指数均具有显著性,且气象变量的空间自相关性均大于林地景观格局变量。林地景观要素局部Moran’s I在西部山地丘陵区出现高—高聚集,东部偏北出现低—低聚集区。(4)GWR模型对AOD、林地景观格局、气象等要素的拟合效果要远优于OLS模型,发现其比经典线性回归模型更能显示局部区域内各因子与AOD的空间依赖性。此外GWR模型中,年均AOD模型的拟合效果要高于季均AOD模型的拟合效果,而季均AOD模型中春季AOD拟合效果最佳,冬季AOD拟合最差。(5)将所有通过OLS显著性检验的林地景观格局指数与气象指数带入GWR模型分析后,发现各变量对AOD的影响均存在空间非平稳性。此外,气象要素与AOD显著性相关的地理范围均大于林地景观格局要素。就林地景观格局指数而言,对季均、年均AOD显著性影响范围最广的指数依次为林地的最大斑块指数、最大斑块指数、斑块数量、景观面积、斑块结合度;就气象指数而言,对四季、年均AOD显著性影响范围最广的指数依次为地面气压、地面气压、10m风速、2m气温、2m 比湿。基于以上研究,对气溶胶影响因素的研究模型构建应考虑气溶胶、景观格局及气象潜在的空间自相关性,更加精准地估计局地参数。在上述研究基础之上,以局地实况分季节考虑气溶胶污染的林地景观规划方案,做到最大范围精准缓解气溶胶污染。最终为以缓解大气气溶胶为导向的局地林地景观格局规划提供参考。
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