DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 1. 试验背景 韶关被誉为全国“有色金属之乡”，传统的工矿企业和冶炼企业及相关延伸企业众多，然而矿物资源的过度开发，企业处理污染物措施欠缺，相关部门的监督管理不力，导致部分地区土壤、水等环境的重金属污染，进而造成种植的农产品重金属含量超标，严重影响当地居民的生活 [ 1 ] 。植物修复法被认为最安全的可大面积的水土重金属治理方法 [ 2 ] 。近阶段，植物修复法得到广泛应用 [ 3 ] 。植物修复是利用植物去除环境中污染物质的技术，主要包括植物固定、植物挥发和植物萃取等类型 [ 4 ] 。选择具有修复能力的植物的这个方法的重点 [ 5 ] 。目前，已经被确认的超积累植物有四百多种 [ 6 ] ，通过这些植物的种植和改变耕作方式，能够较有效的治理被污染的土壤。 为此，本实验选取4种有潜力的芳香植物进行种植，观察其对土壤的修复能力，预选出较有潜力的植物，另外，芳香植物还具有一定的观赏价值，大面积种植的大田景观可以为韶关的旅游产业增添新的元素。 罗勒为一年生药食两用芳香植物，其花呈多层塔状，故又称“九层塔” [ 7 ] 。 柠檬薄荷整株植物光滑，呈深绿色，叶片锯齿状，具有明显的柠檬香味 [ 8 ] 。 香茅为多年生密丛型芳香植物，秸秆粗壮，叶鞘无毛，内面浅绿色，叶舌质厚，叶片长而尖。香茅除了具有药用价值以外，是芳香疗法应用最广泛的精油。 迷迭香为唇形科灌木芳香植物，具有特殊的气味，可用来驱蚊。
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user: 2. 试验方法 2.1. 试验对象 本试验选取4种芳香植物，九层塔、柠檬薄荷、柠檬香草、迷迭香作为试验对象。 2.2. 实验方法 通过将试验对象种植在调好的基质配土中(镉500 mg，锌200 mg，泥炭与珍珠岩比例为1:1)，同时在没有加入金属的空白土中进行种植，作为对照。4种植物均采用扦插的的方式进行育苗，在白天温度为32℃，晚上温度为12℃的温室大棚中进行，同时在透明塑料大棚上覆盖一层黑色尼龙网。试验与2016年9月1日开始扦插植物，1个月后进行定植观察。对两种处理进行同步的浇水和施肥处理，观察成活情况。于12月6日取样分析，进行形态指标的测量，同时分析植株和土壤的重金属含量。 2.2.1. 植物形态指标的计量 对不同处理种植的植物选取5个样品，测量指标包括植株高度、真叶数量、最大叶长、最大叶宽。同时在每个处理的每个植物中选3个重复进行重金属含量测量。选取的植物洗净，用滤纸擦拭水分，分开叶茎部分和根系部分，测量鲜质量。随后进行烘干，用80℃烘干至重量不再变化，放置电子天平，测量干质量测量。计算根冠比(地下部干重与地上部干重之比) [ 9 ] 。烘干的植物研磨过筛备用。 2.2.2. 植株重金属含量测定 对烘干的植株进行研磨过筛，取0.2000 g样品加入聚四氟乙烯坩埚中，加入少许蒸馏水，加入10 ml HNO 3 置于消化炉上消化，再加5 ml HF消化，最后加5 ml HCLO 4 消化，待液体消化至澄清液体并剩余2 ml后，加入2%稀HNO 3 定容至50 ml，装瓶待测。用原子吸收分光光度计(TAS-986)测定重金属含量 [ 10 ] 。 2.2.3. 取样后土壤重金属含量测定 取种植的植物的根际土壤，置于通风处风干，研磨，用目数为0.25mm的筛子均匀过滤，测量pH值。取0.2000 g土壤于聚四氟乙烯坩埚中，加入混合酸(HNO 3 ：HCLO 4 = 1: 4)10 ml，消化30 min，消化至澄清液体，让其挥发至2 ml，用2%的硝酸定容到50 ml，测定金属含量 [ 11 ] 。 2.3. 数据处理 所得数据采用SPSS软件包进行方差分析，用Duncan’s新复极差法进行平均数的显著检验。
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user: 4. 讨论 在试验指标结果显示，在镉、锌胁迫下，在形态上，九层塔的株高、真叶数、叶长、叶宽均有所增加，其他3种植物则在4个指标上数值有所下降。在生物量上，九层塔的地上和地下部鲜重高于对照，而根冠比低于对照，柠檬薄荷的鲜重、干重、根冠比均高于对照，柠檬香草的干重和根冠比高于对照，说明镉和锌含量的增加抑制了九层塔和迷迭香生物量的积累，对柠檬香草和柠檬薄荷有一定的促进作用。 通过对比转运系数和富集系数，柠檬薄荷对于Pb的转运能力较高，九层塔对于Cd、Cu、Zn的转运最佳。在对金属的吸收方面，九层塔、柠檬薄荷、香茅能较好地吸收Cd，柠檬薄荷对于Zn的吸收能力较好，柠檬薄荷能较好地吸收Cu。 综合对比来看，土壤中镉和锌含量的增加有利于柠檬薄荷和柠檬香草生物量的积累。同时九层塔、柠檬薄荷。柠檬香草在对金属的吸收转运方面有较优的能力。这说明这3种植物在重金属含量高的土壤中，能够较好的吸收重金属，且在生长量方面的优势较高，对污染土地的修复方面有一定的潜力。
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user: 摘 要 云南省的小型露天采石场数量多、水土流失严重、水土保持难度大，传统的以功能分区进行防治措施设计容易出现重复和遗漏，措施体系复杂使得建设单位难以掌握落实。本文提出以土壤侵蚀原理为基本出发点，以防治水土流失为首要目标，按照“消除侵蚀营力、稳固地表物质、保护水土资源、恢复生态、加强管理”的设计思路，以排水设计为首要重点，逐项设计水土保持措施。设计思路和设计措施供同类项目参考使用。 关键词 :小型露天采石场，水土保持措施，侵蚀营力 Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 近年来，国家众多的基础设施开工建设，随之对石料的需求量急剧增加，使得采石场的数量增加、规模扩大。采石场在满足基本建设项目需求的同时，带来了一系列环境问题，如水土流失日益严重、生态环境及下游水环境遭到破坏等。根据国家安全生产监督管理总局令(第39号)《小型露天采石场安全管理与监督检查规定》：年生产规模不超过50万t的山坡型露天采石作业单位，统称为“小型露天采石场”。据云南省国土部门不完全统计，近五年在云南省，有开采手续的每年有超过约1500个小型采石场在运行，如果估算上不合法的采石场大约有2000个左右，总扰动面积超过30 km 2 。 小型采石场一般由自然人开采，经营者往往缺乏生态保护思想和技术，也缺乏具有“环境保护制度”的企业进行带领监管，以追求短期利益为主，水土保持工作不受重视，并且如果水土保持措施设计的较为复杂或是成本较高，开采方也难以落实，反而影响了水土流失的防治。因此，小型采石场的水土保持措施设计不仅要科学合理、充分设计，更要符合操作性和高效性原则。本文结合在工作中的实践认识，统计分析了西南地区26个小型采石场资料，就如何才能有效的做好小型露天采石场水土保持措施设计进行探讨，提出几点新思路，以更好的完成此类项目的水土流失防治工作和相关的治理方案及工程实施。
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user: 2. 小型采石场的分布、功能布局及地形特点 2.1. 分布特点 云南山地地形较为复杂，交通条件差，因此大部分的小型采石场分布于村镇附近，笔者统计分析的采石场，距离邻近村镇中心直线平均为1.9 km，路面距离3.5 km。按照开采区域所处山坡的位置，小型露天采石场主要以独头山型和傍山型两种类型为主。独头山型采石场是指所开采矿山位于一个相对独立的山堡或山头或山峰，矿山开采可包括从山顶到山脚的区域。傍山型采石场是指所开采资源位于一座大山或几座连绵起伏山脉某一个区域，如某山一侧或山坡某一区域，根据其位置可分为坡脚型、坡腰型、坡顶型终于山坡中部 [ 1 ] 。 2.2. 采区地形及功能区布局特点 大部分小型采石场不按照开采设计进行有序开采，多采用1-3个开采工作区和1-2个开采台阶进行开采，其地形及其功能布局具有以下特点。 (1) 各种功能区布局紧凑。小型采石场一般都由采场、加工场地及堆料场、废石场和生活区组成，各个部分往往都紧凑地布局在一起。这样便于开采活动的开展，同时也造成连续的面状地表扰动；各个功能区相互影响显著，增强了扰动强度和防治难度；各个扰动面的水分容易向废石场或是低洼处统一汇集；废石及石料堆护不易等等。 (2) 开采面高陡、破碎。由于界桩、资源、资金以及地形限制，很多采石场每一个工作面均是一采到底，而且超采超挖现象明显。据笔者统计调查，开采期工作面开采坡度在69˚~84˚之间，平均为78˚，超过一般台阶坡度设计值(65℃以下) [ 2 ] ，部分出现“掏采”现象。平均最大高差26 m。由于矿石稳定性差以及开采造成地质结构变化，在震动、水热等外力作用下，岩体破碎，各种土石掉落和上边坡裂缝普遍存在。 (3) 围椅状地形较多。开采面及其下部平台通常都形成围椅状地形，部分采石场形成下凹地形，造成集水显著、排水不畅等现象。很多生活区和废石场均位于采场底部平台的外侧，很容易受到上部集水的冲刷。
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user: 3. 水土流失影响要素及特点 3.1. 水土流失特点 (1) 流失面积比例高。露天采石场由于开采剥离、碾压破坏、石料堆积等原因，往往容易破坏划定的用地范围外围区域，造成额外的水土流失区。受采石影响而被破坏的植被面积比采石口的面积大许多，常常是采石口面积的5倍 [ 3 ] 。另外从功能组成上，除了生活区外，采石场道路、各种场地和采掘面都是强烈扰动区，容易裸露松散，形成水土流失区。根据统计，这类采石场运行期的水土流失面积平均都超过了总占地面积的75%，造成的水土流失面积比例非常高。 (2) 水土流失形式多样。由于西南地区雨旱分明，旱季风多风大，加之采石场地形地貌和土石松散等特性，采石场区域风力侵蚀、水力侵蚀、重力侵蚀普遍发生，如果废石及石料堆放不当还有发生泥石流的危险 [ 3 ] [ 4 ] 。 (3) 流失强度大、潜在灾害性强。由于松散物质多，地表径流系数大，水分容易集中汇集冲刷等。采石场各种裸露面的侵蚀强度都达到强烈以上级别，根据有监测资料的12个采石场分析，运行期侵蚀模数平均为8700 t/km 2 ∙a。根据3个修建了拦沙谷坊的项目现场调查分析，在开采期间的侵蚀模数达到了13200 t/km 2 ∙a。 采石场开采产生的弃土(石)渣往往随意堆放，堆体挡护不到位时，受到雨水冲蚀后极易造成崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，对下游公共设施造成潜在的危害。有些将弃土(石)渣堆置在河道，不仅影响河道行洪能力，增加河流输沙量，而且极易增加山洪灾害发生的几率和威胁。 3.2. 水土流失影响要素分析 小型采石场水土流失主要是具有大量的可蚀物质、容易汇集大量雨水、坡面稳定性差三个主要方面。 (1) 可蚀物质多，抗蚀能力弱。各种石料、石粉、开采面破碎物质、废弃土石体、裸露土壤等等，在不断地开采扰动下，形成大量的松散物，这些物质结构性差，颗粒细小，无任何胶结 [ 5 ] ，很容易被侵蚀。 (2) 径流系数大、易汇集。采石场各个区域要么被硬化，要么石质表层，要么频繁碾压下形成表层松散而下伏土层紧实的状况，这些地表只有浸湿耗水，而几乎无渗透能力。各个采石场项目的水土保持方案报告、监测报告和环评报告，所取的采石场综合径流系数都超过0.6，20年一遇1h降雨条件下的径流系数均超过0.8。 (3)坡陡高差大，稳定性差。单个开采工工作面高差和坡度均超过稳定要求设计值，易发生崩塌滑坡等危害 [ 2 ] 。同时由于新鲜岩面出露，受到外部环境综合影响，表面也是破碎松散，容易发生各种掉落等失稳岩土块。
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user: 4. 水土保持工作重点及措施设计 4.1. 水土保持工作重点 根据水土流失影响要素和特点分析可知，小型露天采石场堆积的各类松散物质是侵蚀物源，不良的地形条件和大量的汇水是诱发要素。因此，各类松散物质堆放场地、水分来源以及聚集外排区域、高陡开采面是水土保持的重点区域，如堆料场、废石场、采掘面等，而做好分流防冲、围挡防护、削坡分台、土地整治等是主要的水土保持内容。 4.2. 水土保持措施设计 4.2.1. 措施设计的基本原则 生产建设项目水土保持措施设计理念普遍是“保护生态、控制扰动范围、减少植被破坏和水土流失、快速有效修复生态系统，并在更高层次上达到工程、生态、景观的协调，达到人与工程、人与自然和谐” [ 6 ] 。然而针对西南山地小型露天采石场，只有在正确的、现实的设计思路下才能做好水土保持的首要任务即“防治水土流失”，其次才能达到深层次目标即“发挥水土资源效益”。 (1) 以开发建设项目水土流失防治标准为首要设计目标 严格执行开发建设项目水土流失防治标准要求，实现水土流失防治的基本责任和义务。 (2) 预防为主，统筹兼顾为基本原则 将已经发生与潜在的水土流失风险共同设计治理措施，同时将整个项目的侵蚀营力和其它不良水土流失影响因素统一分析，统筹布设水保措施。 (3) 简单有效，维护方便的操作性原则 措施应尽量做到易施工、易管护，有效且不会受到开采活动的破坏影响。 4.2.2. 措施体系布局与设计 采石场由于各功能区的联通和紧凑性较强，在水保方案中往往采用分区防治的形式进行措施设计，这样容易造成措施体系性不强，水土流失责任范围内的水土流失治理不全面且措施比较繁琐。笔者根据采石场的水土流失特点和功能布局特点，从以下几方面进行措施布局和设计，以便于更为简便有效地防治水土流失，恢复生态功能，也作为思考和检验各类项目水土保持措施体系完整性的要点供参考。 (1) 侵蚀营力消减措施 采石场侵蚀营力主要包括旱季风力、地表径流和重力。风力主要是在旱季，一般采石场均能形成明显的扬尘；地表径流主要包括外部截流和内部排水，根据调查，外部天然坡面一般都有较好的植被或是土地利用，产流要比预测值低很多，而内部产流量一般较大，是造成场地冲刷的主要原因；重力侵蚀主要表现在开采面高陡、堆体高陡等方面。具体侵蚀营力措施见表1。 (2) 被侵蚀地表物质稳定措施 可蚀物质主要是地表浮土、各种松散堆体等，这些物质的裸露、无挡护、堆放位置处于水流集中处等位置不合理等等是侵蚀进一步发生发展的主因所在。具体措施见表2。 (3) 资源保护及生态恢复措施 要充分保护并利用水土资源，对于扰动后不使用的场地或者封场区域要尽早有效进行土地整治和生态恢复，实现水土保持工作的核心目的。具体见表3。 (4) 水土保持管理措施 Table 1 Reduction measures of erosion forc 侵蚀营力 消减措施 基本设计 设计思路及说明 风力 防护林 乔灌混交林带，乔木不少于3行， 林带宽度不小于5 m，成林高度不小于6 m。 利用已有林分和人工栽植形成， 在上风向和下风向分别栽植。 地表径流 外部汇流 “U”型截水沟 过流尺寸由计算确定，水泥砂浆砌护。 截排外部来水，施工维护简单、成本低， 布置在来水的项目区周界。 消能池 矩形开挖，宽深均为1 m， 粒径20 cm左右毛块石填充。 截水沟末端或是陡坡处，施工及维护方便、 稳定好，缓流及沉沙效果好。 场内集流 矩形砖砌排水沟 过流尺寸由计算确定， 适当增加超高，砖砌防护。 严格按照标准设计及施工， 做好排水出口及防治二次侵蚀规划设计， 布设在场内汇流边界。 重力 放坡、分台 完整采面坡度不大于70˚， 破碎采面不大于65˚；最大分台高度不应超过10 m。堆体放坡按照不大于1:1坡比实施。 应严格按照主设规格实施， 确保稳定安全。 表1. 侵蚀营力消减措施 Table 2 Stability measures of erodibility materia 可蚀物质 措施类型 基本设计 设计思路及说明 地表浮土 碎石铺垫、清除浮土、洒水 碎石厚度约10 cm， 旱季每天10时和15时各洒水1次 压埋裸露地表及浮土，抑尘并润湿地表；措施材料设备等方便易行、成本低，但水资源需要合理规划。 石料、石粉等 周边围挡、顶部及边坡遮蔽 开采块石堆砌高0.5~1.0 m稳定挡体，使用水泥砂浆填缝； 土工布遮蔽。 各种采出料等堆体四周砌筑，防止滑塌、散落， 大风天气扬尘。材料方便、施工维护容易。 废弃渣体 拦渣坝、堆体放坡、渣面防护 拦渣坝稳定设计、放坡小于1:1， 渣面植被恢复。 拦渣坝稳定符合设计要求，渣面坡度小于自然安息角。 表2. 可蚀物质稳定措施 Table 3 Resource protection and ecological restoration measure 资源类型 措施类型 基本设计 设计思路及说明 土壤资源 表土剥离、 挡护措施 按照实际可剥离厚度剥离， 拦挡以堆土容量为设计依据。 熟土资源要有效保护利用， 并堆存于便于取用的位置。 水资源 蓄水池、 水窖 蓄水池容积50 m 3 左右， 水窖30 m 3 左右，石料砌护为主。 充分集水用水，用于洒水抑尘，生态养护等。 土地资源 土地整治、 复耕复绿 清除石块，覆土复耕； 植被以乔灌草结合为主。 复耕以土地复垦方案为准， 水保不易深入设计；复绿以水土保持林为主。 表3. 资源保护及生态恢复措施 有效的管理会起到事半功倍的效果，实现有效管理不仅需要有水土保持生态思想，更要有水土保持基本知识。因此在传统的水土保持管理及措施管护制度下，应该进行补充和加强。 ① 向建设单位宣讲水土保持方案的核心内容，增强其对水土保持方案的认识。可以由水土保持工作的技术部门向建设单位进行专门的水土保持工作宣讲和答疑，并由建设单位签字认可，进一步增强水土保持方案的社会认可和知识宣传，同时使水土保持措施更加实际可行。 ② 认真落实水土保持“三同时”和监测制度。一是地方水行政主管部门及时掌握管辖区域的小型采石场动态并开展水土保持监督检查，可以联合相关行业业主、水土保持技术部门共同执行；二是应严格落实水土保持监测制度，以便于水行政主管部门能实时掌握项目水土保持工作。 ③ 项目水土保持工作开展应由专人负责。在以水行政主管部门为监督检查的主力和引导的前提下，可以由水行政主管部门委托专门的水土保持技术部门实施巡查；每一个建设单位应有水土保持技术人员，学习项目水土保持的相关制度和基本技能，使水土保持工作日常化、制度化、专业化。
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user: 5. 结论及建议 小型露天采石场是城镇基础设施建设的产物，然而其对环境的破坏和影响是不容忽视的，需要引起有关部门的高度重视。随着设计理念的不断深化和发展，小型露天采石场的水土保持措施设计应综合考虑水土保持工作的主次关系，将各种水土流失影响要素加以消减，同时兼顾生态恢复等资源利用措施，加强水土保持管理要求，在全面消除水土流失的基础上，再综合考虑水土资源的利用和综合效益的发挥。
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user: 摘 要 自然海岸带环境复杂多样，变化较快。为了得到江苏省南通市近年来的沿海滩涂变化信息，本文利用Landsat卫星获取的2000、2009、2014年遥感影像，分别得到三年的海岸线和人工围垦滩涂边界线，对南通市沿海滩涂近年来的变化进行分析研究。通过对人工围垦滩涂边界的提取，得到近几年滩涂围垦的面积和年增加量。本文研究将为滩涂资源的保护和后期进行可持续地开发滩涂资源提供科学依据。 关键词 :海岸线，变化海检测，遥感 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 海岸带是陆地边缘与海洋相互交错、相互影响的地带 [ 1 ] 。海水受到引力的作用，在陆地一定的范围内做起伏运动，使得海岸带成为最为活跃的自然地带。这样的形成环境决定了海岸带资源的复杂性 [ 2 ] 。随着经济的发展与人口的持续增加，土地资源越来越难以满足人们生存发展的需求，海洋辽阔、广大，海岸带土地资源丰富，各种开发海洋资源的生产活动应运而生，如围海造地、土地开垦、圈海养殖等。但是，由于人们可持续性开发和科学开发知之甚少，导致对海洋资源的破坏，甚至毁灭性打击，如近海岸水体污染、渔业枯竭。因此，人们迫切希望能对海岸带的变化状况进行深刻的了解，便于在后续的开发过程中遵循自然发展规律 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 。 有各种研究海岸带变化的方法被提出，如历史海图判读、地形图判读、实测海岸线分析判读的方法，这些方法有的比较准确，但是存在许多缺点。一方面，海岸带研究需要大尺度的观测资料，这些方法难以进行大范围调查。另一方面，受海洋动力的影响，海岸带无法保持一个稳定的形态供人们研究，常规方法便失去了其意义。人们迫切希望能有一种新的方法在保证准确度的同时，能进行及时快速的海岸带调查与数据更新。遥感技术以其宏观、快速、综合、高频、动态、节省资源等突出优势，能在大范围区域内，对多种地表资源和土地利用覆盖变化进行有效分析。近年来，各种新的遥感数据源和数据处理技术也被逐渐应用于海岸线提取，如基于摄影测量的海岸线提取方法 [ 7 ] 、基于多光谱遥感影像和机器学习的海岸线提取方法 [ 8 ] - [ 18 ] 、基于高分辨率遥感影像的海岸线提取方法 [ 19 ] [ 20 ] 、基于LiDAR点云数据的海岸线提取方法 [ 21 ] 等。这些丰富的数据和有效的方法为更加准确的海岸线提取提供了可能。 利用长时间序列的影像数据或地图数据对海岸线的时空变化规律进行分析尤为重要。赵玉灵利用多期卫星遥感影像数据分析了我国海岸线近30年的变化规律 [ 22 ] 、陈正华等利用四期卫星遥感影像数据分析了1986年至2009年浙江省海岸线变化 [ 23 ] 、张晓祥等利用地图数据和遥感数据对江苏省自南宋以来的海岸带变迁规律进行了分析 [ 24 ] 、李猷等利用四期遥感影像对深圳市自1987年至2005年的海岸带动态演变规律进行了研究 [ 25 ] 、王诗洋等利用Landsat多光谱影像数据对我国的海岸线变化规律进行了分析 [ 26 ] 。这些研究表明，不同区域的海岸线变化呈现出不同的规律和不同的驱动因素，对这些驱动机制的分析揭示了人类活动与自然环境变化的关系。
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user: 2. 研究区及数据 江苏省南通市处于东经120度12分到121度55分之间，北纬31度1分到32度43分之间(图1)。南通市海岸线较长、海洋资源丰富，靠近黄海、渤海以及长江，是良好的天然港口，也是天然的养殖基 图1. 南通市行政区划图 地，重要的海上交通要道。临海地区有众多的养殖基地、水产品培育基地，为人们提供了众多就业机会。南通人民很早就开始围垦土地，用于海产品养殖和农民种植杂粮。随着改革开放，人们对土地的需求越来越多，对沿海土地的围垦也加快了步伐。 研究数据是自中国地理空间数据云下载的Landsat卫星2000年11月5日的ETM+影像、2009年11月22日的TM影像、2014年11月4日的OLI影像(118/38) (表1)。30米的空间分辨率可以覆盖较大的空间范围，能够满足沿海区域地物识别与海岸线提取的需求。
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user: 3. 研究方法 本文的研究流程如图2所示，主要包括数据获取、阈值分割法、提取海岸线、沿海滩涂变化信息提取等方法。 3.1. 阈值分割法 阈值分割法(即密度分割法)是广泛使用的一种影像分割技术，它是根据影像的灰度值，将灰度值相近的像元分为一类，由此生成分割影像。分割完成的影像记为 ，则 (1) 其中 是分割阈值， 为原始影像。 阈值分割法算法简单明了、处理速度快，能对大范围内的遥感影像进行稳定的分割，在海岸线提取中常常被使用。可见光与红外波段最适合阈值分割法，在明显的海洋与陆地的背景对比下，影像直方图呈现良好的双峰形式，分割阈值取直方图的谷底，由此可将影像分为水体与陆地两大部分，然后将散点有序地连接起来构成海陆分界线。 Table 1 Features of the remote sensing image 年份 传感器 分辨率 波段 2000 Landsat 7 ETM+ 30m 3、4、5 2009 Landsat 5 TM 30m 3、4、5 2014 Landsat 8 OLI 30m SWIR2、red、green 表1. 选取遥感数据信息 图2. 南通市沿海滩涂变化动态监测流程图 3.2. 海岸线的提取 本次研究选择阈值分割算法，利用第五波段水陆边界清晰可见的特点，进行二值化处理，陆地区域为1，水体部分为0，将生成的二值图转化为矢量图层。由于研究区域是滩涂，而阈值是针对整体影像得出来的，为了突出对滩涂边界二值化，更好地得到水陆分界线，对选取的阈值进行适当调整。 以2009年为例，图3中(1)为2009年遥感影像第五波段影像，(2)为2009年经过阈值分割处理后的二值化图像，(3)为二值化图像矢量化后形成的矢量图形，(4)为经过ArcGIS处理后的海岸线图。 3.3. 变化区域提取 在得到沿海地区的陆地区域后，利用ArcGIS平台的空间数据管理功能对上述数据进行进一步处理；分别新建空间数据库，在数据库内新建要素数据类，投影坐标为WGS 1984 UTM Zone 51N，新建要素类，并在字段内输入相应的文本并定义字段属性。导入得到的2000、2009、2014年的滩涂影像和滩涂所对应的Shape模板。经过空间叠加后，分别找出影像相对于上一幅影像的变化区域，利用ArcGIS里的自动量算功能，对各部分面积进行测量，并通过统计字段功能，得到历年变化的面积。
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user: 4. 结果与分析 4.1. 海岸线提取及变化分析 红、绿、蓝分别为2000年、2009、2014年海陆分界线(图4、图5)。通过ArcGIS对沿海海岸线的位 图3. 海岸线提取，(1) 2009年波段5数据；(2) 2009年波段5二值化；(3) 2009年Shape模板；(4) 2009年海岸线 图4. 海岸线检测，(1) 2000年岸线；(2) 2009年海岸线；(3) 2014年海岸线 图5. 2000、2009、2014年海岸线比较 置进行对比，可以看出从2000年至2009年，水边界向内陆迁移，但是变化幅度较小。而从2009年至2014年，水陆边界线发生较大变化。 从图5中发现南通市中部和南部海岸线稳定，发生的变化较小，而北部的变化比较大，尤其在2014年，可以看出，出现了很多沿海裸地且范围较大。由此可以预见，未来的滩涂围垦应该放在北部区域，因为那里开始出现海中裸地，海水下的土地深度较浅，开发的难度小。而在中部和南部区域近期则不适合滩涂的围垦和开发。 通过2014年的情况，可以判断海岸线应该是向海洋地区蔓延的，但是在2009年，出现了海岸线回退的现象。可能原因有： 1) 受潮汐的影响，卫星过境的时间是一定的，但是潮汐出现的时间有差别的，有可能是成像时间与潮汐时间的差异导致了海岸线的变化。 2) 卫星成像时，由于天气情况，辐射误差和大气折光误差也会对成像造成影响。虽然影响较小由于无法验证，再次列出，以备后续研究检验。 4.2. 人工围垦滩涂检测 由于人工围垦滩涂形成土地，无法利用阈值分割方法自动提取其边界，本文利用目视解译法进行边界的确认。在ArcGIS导入数据和shape模板后我们得到了2000、2009、2014年各年的南通沿海滩涂和岸线图(图6)，将各年数据叠加，得到了滩涂变迁的方块图(图7)。其中绿色部分为2009年相对于2000年滩涂变化的部分，红色为2014年相对于2009年变化的部分。由数据统计可知，2009年相对于2000年滩涂增加了308，745亩，2014年相对于2009年增加了246，800亩。 从三幅遥感影像可以看出，南通市沿海海岸线普遍呈现向大海推进的趋势，但是，推进方式不是平行线式推进，不同地段推进方式差异较大。到目前为止，并没有出现海岸线回退(向内陆推进)的情况，说明在目前情况下，向大海索取土地这种趋势是不可逆反的，在陆地土地资源日益紧缺的情况下，从2000~2009年，年均围垦滩涂34，305亩，从2009~2014年，年均围垦滩涂49，360亩，每年围垦滩涂的面积都在增长，说明围垦滩涂至少在目前，仍是一种有效增加耕地面积的手段。 沿海滩涂有一段土地围垦变化比较突出(图7)，为探究原因，将2000年同样区域提取出来(图8)，可以看出该区域原来是浅水滩，由此可以判断，南通市在进行土地围垦并不是盲目进行土地围垦，而是在环境的允许下，合理地使用海洋资源，将浅滩地慢慢的围垦利用，在围垦过程中可以兼顾土地需求、环境变化和操作难易程度。到目前为止，围垦土地的难度相对较小，是利用浅水滩地直接框围。但是，从图中可以发现，这样的浅水滩地已经很少，如果再次增加土地，只能从海洋水下将土地围垦到水面，难度非常大。 人工滩涂变化可以通过面积将它表示出来，但是由于种种情况，与实际情况可能存在误差，主要原因在于： 1) 目视解译误差。通过目视解译画出了人工围垦滩涂边界，但是人眼辨别能力有限、精度有限，导致误差产生。 2) 遥感影像分辨率较低。由于遥感影像分辨率为30 m，混合像元现象导致边界线和地物无法准确辨别出来，在海岸线边界线上不可避免地产生解译误差，从而导致统计变化区域的面积时出现误差。 3) 公式误差。计算面积时所采用公式为：面积 = shape(area)/666.67。这个公式为摄影像面积换算公式，单位(亩)。
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user: 5. 结论 本文利用三期Landsat遥感影像进行了江苏省南通市海岸线提取及沿海滩涂变化分析，利用阈值分割方法获取了水体和陆地的二值图，通过建立南通市的形状模版去除了内陆部分区域。利用ArcGIS平台的空间数据管理功能获得了南通市的海岸线并进行了滩涂区域变化的数据统计。研究发现，南通市海岸线自2000年至2009年水边界向内陆迁移，但是变化幅度较小，自2009年至2014年，水陆边界线发生较大变化。海岸线呈现向大海推进的趋势，但是，推进方式不是平行线式推进，不同地段推进方式差异较大。在滩涂区域面积变化方面，2000~2009年年均围垦滩涂34，305亩，2009~2014年年均围垦滩涂49，360亩。研究还发现，沿海的浅水区域是围垦滩涂的主要区域，未来的沿海滩涂土地需求的难度将会逐渐增大。 在进行大规模的土地利用变化检测和分析时，遥感数据和技术是进行此方面研究的不二选择，但是，也存在以下一些问题。首先，遥感影像空间分辨率较低，导致海岸线模糊不清，难以准确划分。其次，海岸线应该是平均大潮线，利用卫星遥感影像提取的是瞬时海岸线，应该在其基础上进行潮位改正，才能提取出更加准确的海岸线。再次，海岸线的地理空间尺度一般都比较大，并且环境复杂，难以实地考察以对检测结果进行评价。海岸线提取难免会受各类噪声的影响导致判断错误的情况，在自动提取的基础上，辅之以目视解译能一定程度上提高其精度。 图6. 人工围垦滩涂边界，(1) 2000年；(2) 2009年；(3) 2014年；(4) 三年人工围垦滩涂边界比较 图7. 滩涂变化方块图(绿色为2009年相对于2000年变化、红色为2014相对于2009变化) 图8. 土地增加集中区域
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user: 摘 要 将小波母函数嵌入人工神经网络的神经元形成紧致型小波神经网络，将此种网络用于遥感测温的数据拟合中，提升了纯粹的BP神经网络的拟合精度。结合红沿河核电站无人机红外测温试验，对其采集的一组温度数据采用小波神经网络进行拟合。对实验数据进行了统计分析，结果表明，小波神经网络能保证拟合误差在很小的范围之内，并且优于BP神经网络。本文中对于遥感测温数据的拟合误差控制在了0.4℃以内，可以满足测量要求。 关键词 :小波神经网络，BP神经网络，遥感测温，数据拟合 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 核电站设计建设前，特别是核电站扩建前，需要进行不同潮汐状况下核电站附近海域温度场测量，对核电站设计的温排水数模和物理模拟进行验证，了解核电站温排水(冷却水)所带来的大量热量对其附近海域温度场的影响程度和范围 [ 1 ] 。近年来，无人机遥感技术在测量领域得到了飞速的发展，同时为国内外核电站附近海域温度测量提供了有效的调查手段。无人机遥感测温与传统的船只测温或航天遥感测温相比具有如下优点：1) 机动性、灵活性和安全性；2) 低空作业，获取高分辨率影像；3) 成本相对较低，操作简单；4) 具有周期短、效率高等特点 [ 2 ] 。无人机遥感技术应用到海面测温将逐步从研究开发阶段发展到了实际应用阶段。 然而，要使无人机遥感技术成为理想的测温手段，还有多个关键技术需要解决，其中就包括遥感数据的后处理技术。因为无人机在海面测温过程中会受到大气、风速等因素影响，所以应针对其遥感影像的特点以及定标参数、拍摄时的姿态数据和有关几何模型对图像进行几何和辐射校正 [ 3 ] 。在试验阶段，还需要对校正数据进行拟合，提高测量数据的精度，传统的拟合方法包括线性回归方程法、最小二乘法、神经网络法等。神经网络法是利用网络自适应映射能力实现非线性运算，能够避免人为构建数学模型带来的误差，具有较高的精度 [ 4 ] 。由于神经网络的不断发展，各种算法被引入神经网络，例如遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法等优化网络设计的算法，从而也生成了混合神经网络，小波神经网络也应运而生，小波BP神经网络是用小波基函数来取代BP神经网络中的传输函数或者把数据信号预先经过小波函数做滤波处理，再应用神经网络模型进行实验 [ 5 ] 。笔者将小波神经网络引入到无人机遥感测温数据拟合当中，得到的结果满足精度要求，并与BP神经网络结果进行对比，可以体现出小波神经网络方法的优越性。
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user: 2. 工程背景 本文以红沿河核电站测温试验为工程背景，测温试验使用无人机搭载红外热成像仪设备对红沿河核电站排水口附近小范围海面温度采集和处理，并使用海面船只和测温仪器对海面进行同步测温作为参考，主要目的是检验红外热成像仪的测温性能和效果，发现可能存在的技术问题，寻求相应的解决办法并验证无人机红外测温的可行性。在处理过程上，温度原始数据首先通过辐射校正，降低环境因素的影响，再经过影像校正和位置定位处理后叠加到地理坐标系统中，形成成果图件，船只航线与无人机航线见图1所示，将航测温度数据按照船测路线坐标提取约550组数据，并进行比较分析，本文研究目的是将其采集数据进行拟合以达到更高的精度要求。 部分测量工具及参数介绍如下： a) 固定翼电动无人机X80 (见图2) 其性能参数见表1。 云台参数见表2。 b) Optris红外热成像仪PI640 PI640的温度采集方式为视频录制，包括红外镜头和数据记录盒，见图3所示。 PI640采用短焦广角镜头，镜头焦距为10.5 mm，视场角60˚ × 45˚，具体性能参数为： 1) 数据记录盒见表3。 2) 红外镜头见表4。 c) 船载Hydrolab多参数水质仪 Hydrolab多参数水质分析仪(常规五参数分析仪)是一款新型多参数、宽量程的水质分析仪器，可用于地表水、地下水、水源水、饮用水、污水排放口、海洋等不同水体的水质在线及便携监测。监测参数包括溶解氧、pH、ORP (氧化还原电位)、电导率(盐度、总溶解固体、电阻)、温度、深度、浊度、叶绿素a、蓝绿藻、若丹明WT、铵/氨离子、硝酸根离子、氯离子、环境光、总溶解气体共十五种参数。本次测温主要参数为： 1) 最大下放深度不低于200 m； 2) 操作温度：−5℃~50℃； 3) 测温精度：0.1℃，分辨率：0.01℃； 4) 响应时间：1秒以内； d) Trimble手持便携式GPS记录仪 主要参数见表5。
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user: 3. BP神经网络的原理 人工神经网络(Artificail neural netwok，简称ANN)是由生理学上真实人脑神经网络的结构和功能以及若干基本特性的某种理论抽象、简化和模拟所构成的一种信息处理系统，可以充分逼进任意复杂的非线性关系，具有很强的自适应性和学习能力、非线性映射能力、鲁棒性和容错能力 [ 6 ] 。 BP (Back Propagation)神经网络是1986年由Pmuelhart和McCelland提出的，它是一种误差按反向传播的多层前馈网络，是目前应用最广泛的神经网络模型之一。BP神经网络具有非常强的非线性映射能力，能以任意精度逼近任意连续函数，因此在人工智能的许多领域都得到了广泛的应用 [ 3 ] 。 在本次无人机遥感红外测温实例中，BP网络为有监督学习，以航拍数据作为训练输入样本，以船测数据作为训练输出样本。隐含层节点数为6，网络最大训练次数为1000次，学习率为0.005，输入层到隐含层的初始权值W1以及隐含层到输出层的初始权值均为−0.1至0.1范围内的随机数，采用三层隐含层的BP神经网络进行拟合。选择tansig函数作为激励函数： 图1. 海面船只实测航线(左)及无人机在200米高度航测线路(右) 图2. 固定翼无人机X80 图3. 红外热成像仪 Table 1 UAV performance parameter tabl 项目 规格 空机重量 3.2 kg 最大速度 19 m/s 实用升限 3000 m 续航时间 60 min 起飞方式 手抛 降落方式 滑降 工作环境 0℃~40℃ 定位 GPS、北斗 数传频道 433 Mhz 表1. 无人机性能参数表 Table 2 Pan parameters tabl 项目 内容 备注 传感器 MPU-6050整合性6轴运动处理传感器 敏感度 131 LSBs/˚/sec 动作速度 0.10 sec/60˚ 6 V电压 尺寸 90 × 90 × 40 mm 载重 1 kg 舵机精确度 0.18˚ 表2. 云台性能参数表 Table 3 Data box performance tabl 项目 规格 尺寸 96 mm × 67 mm × 47 mm 重量 172 g 材质 铝 操作系统 Linux系统 供电电压 10~48 VDC 功耗 12 w 冷却系统 集成温控风扇 内存空间 32 GB RAM 2 GB LPDDR3 RAM 接口 2 × USB 3.0；1 × USB 2.0；RJ45；GPS； 表3. 数据记录盒性能参数表 Table 4 Infrared thermal imaging lens performance tabl 项目 规格 工作温度 0℃~50℃ 相对湿度 10%~95%，非冷凝 材质 铝，阳极氧化表面/塑料 尺寸 46 mm × 56 mm × 84 mm 重量 207g 供电电压 5 VDC (通过USB 2.0接口供电) 电流消耗 最大500 mA 数字接口 USB2.0 测温范围 −20℃~+100℃ 分辨率 640 × 480 视场角 60˚ × 45˚ 系统精度 ±2℃或±2% 灵敏度 0.075 K 帧速率 32 HZ 光谱范围 7.5~13 μm 表4. 红外热成像镜头性能参数表 Table 5 Portable GPS performance parameter tabl 项目 规格 尺寸 23.4 × 9.9 × 5.6 cm 工作温度 −20℃~+50℃ 显示 4.2寸屏幕，VGA (480*640)像素 无线 内置3.5 G通讯模块、蓝牙1.2 卫星 支持GPS L1C/A、L2C、L2E信号，L1、L2载波；GLONASS L1C/A、L1P、L2C/A、L2P 更新率 1 HZ 精度 实时和后处理：±50 cm ± 1 ppm 表5. 手持GPS性能参数表 (1) 拟合结果见图4所示。 理论研究表明，只要有足够多的隐含层神经元，三层人工神经网络可以无限地逼近任何线性和非线性函数。但BP神经网络也有一些固有缺陷，如算法容易陷入局部极小点、预测精度低、收敛速度慢等，这些缺陷限制了它在工程中的进一步应用。
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user: 4. 小波神经网络 小波神经网络是近年来新兴的一种人工神经网络，充分继承并融合了小波变换和神经网络两者的优 图4. BP神经网络温度拟合曲线 点。其思想是用已定位的小波函数代替Sigmoid函数作为激活函数，通过仿射变换建立起小波变换与网络系数之间的连接并应用于函数逼近。与前向的神经网络相比，小波神经网络依据小波分析理论确定其基元和整个结构，可避免BP神经网络等结构设计上的盲目性，此外小波神经网络不仅充分利用了小波变换的时频局部化特性而且具有更灵活有效的函数逼近能力和较强的容错能力，可有效克服普通人工神经网络模型固有的一些缺陷。 4.1. 小波分析 平方可积函数空间L 2 (R)定义： (2) 在函数空间 (或在更广泛的Hilbert空间)中，选择一个母小波函数(又称为基小波函数) ，使其满足约束条件： (3) 式(3)中 为 的Fourier变换。对 进行伸缩、平移变换得到的小波基函数系 。 (4) 其中a，b分别为伸缩、平移尺度因子。对于函数(信号) ，其连续小波变换可表示为： (5) 不同的小波基是通过平移和伸缩构成的，具有良好的局部化性质，依据小波理论由小波基构成的级数拥有最佳的函数逼近能力。 4.2. 小波神经网络 小波神经网络是基于小波分析而构成的人工神经网络模型，即使用小波基函数取代传统的激励函数Sigmoid，其函数描述是通过所选取的一簇小波基进行线性叠加实现的 [ 7 ] 。一般情况下，任意函数 由下述的小波神经网络近似描述： (6) 式中 为拟合函数(小波神经网络的输出)， 是可调权重系数， 、 分别为可调伸缩和平移因子，这使得网络学习非线性函数较为灵活，可以满足较高的逼近精度要求；便于对输入数据(或信号函数)进行时频局部分析，从而对处理本文要研究的问题时将显示出较大的优越性。 小波神经网络拟合具体算法如下： 1) 初始化网络。 2) 输入训练样本，计算网络输出。 3) 所有训练样本是否全部训练，如果是，就计算误差函数，否，则跳转到步骤2)。 4) 是否满足要求，不满足，改变权值，跳转到步骤2)。 5) 存储权值。 6) 输出结果。 基于以上分析，我们着重处理航拍温度值，将小波母函数嵌入人工神经网络的神经元形成紧致型小波神经网络，并基于此种模型对航测温度值进行拟合，利用MATLAB对模型进行了实现，并且得到拟合后的图像见图5，图6。 从图4和图5的比较中，我们可以明显的看出小波神经网络在拟合精度上相对于BP神经网络的优越性，从图6中我们可以看出小波神经网络可以将误差控制在0.4℃范围内，相对误差没有特别大的波动，函数逼近效果更好。究其原因是前者充分发挥了小波分析的时频局部特性，有效避免了陷入局部极小值等问题，而且加快了寻优速度。表6中列出了部分测量点的两种拟合方法的结果，对比可以看出小波神经网络方法的精度远高于BP神经网络。 图5. 小波神经网络温度拟合曲线 图6. 小波神经网络拟合相对误差图 Table 6 The comparison of the two fitting methods at some of the measuring point 部分测点 原始数据 小波神经网络拟合 BP神经网络拟合 船测温度值 航拍温度值 航拍与船测差值 拟合值 差值 拟合值 差值 1 17.10 19.10 2.00 17.1134 0.0134 16.9614 −0.1386 2 17.02 19.12 2.10 17.0325 0.0125 16.9658 −0.0542 3 17.12 19.08 1.96 17.1055 −0.0145 16.9932 −0.1268 4 16.96 18.98 2.02 16.9774 0.0174 17.0155 0.0555 5 17.03 18.38 1.35 17.0102 −0.0198 17.0657 0.0357 6 17.21 19.03 1.82 17.2358 0.0258 17.5263 0.3163 7 17.82 18.86 1.04 17.7449 −0.0751 17.7266 −0.0934 8 18.13 18.94 0.81 18.0558 −0.0742 17.8675 −0.2625 9 18.47 19.08 0.61 18.4355 −0.0345 18.211 −0.2590 10 18.74 19.01 0.27 18.7211 −0.0189 18.3354 −0.4046 11 18.97 19.00 0.03 18.9498 −0.0202 18.8175 −0.1525 12 18.92 18.98 0.06 18.9097 −0.0103 19.0557 0.1357 13 19.09 19.01 −0.08 19.1004 0.0104 19.1141 0.0241 14 19.10 18.98 −0.12 19.0637 −0.0363 19.1237 0.0237 15 19.31 19.26 −0.05 19.2947 −0.0153 19.1344 −0.1756 16 19.36 19.19 −0.17 19.3508 −0.0092 19.1288 −0.2312 17 19.40 19.07 −0.33 19.3893 −0.0107 19.1214 −0.2786 18 19.61 18.71 −0.90 19.5125 −0.0975 19.2106 −0.3994 19 19.51 18.52 −0.99 19.5145 0.0045 20.3042 0.7942 20 22.58 21.58 −1.01 22.5638 −0.0162 22.8204 0.2404 21 22.63 21.69 −0.94 22.7005 0.0705 22.9245 0.2945 22 23.21 22.59 −0.62 23.2087 −0.0013 22.8784 −0.3316 23 23.39 23.11 −0.28 23.3842 −0.0058 23.4007 0.0107 24 23.98 22.74 −1.24 23.9707 −0.0093 23.9112 −0.0688 25 24.01 22.91 −1.10 24.0295 0.0195 23.9293 −0.0807 26 24.08 22.88 −1.20 24.0772 −0.0028 23.9717 −0.1083 27 24.34 23.24 −1.10 24.3321 −0.0079 24.2623 −0.0777 28 23.26 22.38 −0.89 23.2904 0.0304 23.7936 0.5336 29 23.10 22.88 −0.22 23.0753 −0.0247 23.1401 0.0401 30 20.12 21.69 1.57 20.1377 0.0177 20.4386 0.3186 表6. 部分测点两种拟合方法的对比表
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user: 5. 误差对比 为了更确切的对比两种神经网络拟合出来的值，使拟合模型取得较高精度，比较两种拟合效果，为此我们引入平均相对误差R。通过对平均相对误差的观察，我们可以较容易的观测到拟合的准确性。对于我们给出的要研究的船测数据 和利用神经网络拟合出来的数据 我们定义平均相对误差： (6) 利用公式(6)，我们可以计算出由纯BP神经网络拟合出的遥感温度的平均相对误差为0.1505℃，而小波神经网络拟合出的温度的平均相对误差为0.0107℃，明显的优于传统的BP神经网络方法。我们观察结果时增加计算平均相对误差便可知道模型的准确性了。
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user: 6. 结语 本文利用小波神经网络方法对无人机在红沿河核电站进行遥感测温所得数据进行拟合，使航拍数据与船测数据的误差减小，大部分误差精度可以控制在0.4℃以内，满足测量精度要求，效果明显优于纯粹的BP神经网络拟合，具有较高的应用价值。这种方法的特点是兼顾了小波分析的时频局域化性质与传统神经网络的自学习能力，使得网络收敛速度加快、拟合精度高。因此，小波神经网络算法为无人机遥感测温数据拟合提供了一种新思路新方法，此种方法完全可以用于测温拟合的工作中，以提高测量精度，为后续对遥感红外测温的影响因素以及核电站海面温度场等研究提供了强有力的支持。
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user: 摘 要 本文利用气溶胶的复折射指数首次反演得到武汉冬季黑碳和有机碳柱质量浓度。根据反演结果，我们得到武汉冬季气溶胶各组分中黑碳和有机碳所占的比例较小，黑碳所占比例均低于2%，有机碳略高于黑碳，所占比例在3%~10%。武汉2010年冬季黑碳的柱质量浓度均值为10.447 mg/m 2 ，有机碳柱质量浓度的均值为25.406 mg/m 2 ；2011年冬季黑碳的柱质量浓度均5.997 mg/m 2 ，有机碳柱质量浓度的均值为15.259 mg/m 2 。根据BrC/BC的均值2.6，推测观测的气溶胶中含碳组分主要来自汽车尾气排放，与观测站点位于马路旁的实际情况相符。有机碳和黑碳不同的气溶胶复折射指数虚部假定会导致两者浓度的反演结果的不同，利用同步观测的黑碳仪数据，根据敏感性分析结果，得到黑碳的复折射指数假定为1.95/0.79最合理。 关键词 :黑碳，有机碳，武汉，气溶胶复折射指数 Copyright © 2017 by author and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 大气气溶胶是指悬浮在气体中的固体或液体微粒与气体载体组成的多相体系，气溶胶主要通过直接辐射强迫和间接辐射强迫影响气候系统，其中吸收性气溶胶产生的辐射强迫是全球和区域气候变化不确定性最大来源之一 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。黑碳、有机碳和沙尘作为主要的三种吸收性气溶胶，通过吸收和散射太阳辐射，影响地球大气辐射收支平衡。 黑碳气溶胶来自由化石燃料的不完全燃烧，作为典型的吸收性气溶胶，对从可见光到红外波段的太阳辐射都具有强烈吸收作用，对地–气系统产生正的辐射强迫，增加大气温度。此外，沙尘气溶胶对太阳辐射也存在一定的吸收作用。有机碳气溶胶包括燃烧过程直接产生的一次有机碳和挥发性有机物通过光化学反应生成的二次有机碳，在紫外和可见光波段也能进行有效的光吸收作用，而且吸收作用的强度随着波长增加而减弱，许多研究表明了有机碳吸收作用的光谱依赖性 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 。由于有机碳组成十分复杂，对其分子水平的认识有限，直接测量有机碳环境浓度的研究较少，有机碳的排放清单仍无从建立 [ 7 ] [ 8 ] 。 近年来，基于光学和微物理参数反演气溶胶化学组分的方法开始被提出。气溶胶复折射指数是描述气溶胶散射和吸收特性的一个重要参数，它是一个复数，实部表示气溶胶的散射能力，虚部描述气溶胶的吸收能力。全球气溶胶观测网AERONET目前在全世界范围内建立了超过400个观测站点，统一采用法国CIMEL公司生产的CE318太阳光度计，长期观测气溶胶的光学特性，提供了气溶胶粒子谱分布、复折射指数、单次散射反照率等一系列反演产品。Schuster等 [ 9 ] 根据成分的光学特性将气溶胶简化为三成分模型：BC (黑碳)、AS (硫酸铵)、AW (水)，利用气溶胶复折射指数反演得到AERONET46个站点的黑碳浓度。Arola等 [ 10 ] 在此基础上利用有机碳虚部的光谱依赖性，将440 nm和675~1020 nm的虚部分开考虑，增加了一个输入信息量，将三成分模型扩展为四成分BC (黑碳)、AS (硫酸铵)、AW (水)和BrC (有机碳)，反演出了生物质燃烧时期气溶胶中BrC的含量，首次得到全球有机碳柱浓度分布图。王玲等人 [ 11 ] 也充分利用了复折射虚部波段依赖性信息，针对北京的沙尘天气，将气溶胶化学组成扩展为BC (黑碳)、AS (硫酸铵)、AW (水)和DU (沙尘)，并反演了北京气溶胶中沙尘成分的含量。目前，王玲等人利用该方法得到北京有机碳浓度分布，相关研究在中国其他区域开展得较少。武汉作为华中地区经济、文化、教育中心，气候环境问题日益严重，研究吸收性气溶胶(主要是黑碳和有机碳，不包括沙尘)的含量和组成，对进一步分析其对辐射效应的影响、气溶胶污染的来源和成因都具有重要意义。 本文使用基于气溶胶的光学特性反演气溶胶成分的方法，利用地基太阳光度计的气溶胶光学参数产品，反演得到武汉冬季吸收性气溶胶(黑碳和有机碳)的浓度，通过两者的比值得到该站点的吸收性气溶胶主要来自汽车尾气的排放，最后通过参数的敏感性分析，得到最优的参数假设。
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user: 2. 数据和方法 2.1. 数据资料 本文使用的观测数据是位于武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室(经纬度)楼顶的CE318太阳光度计(与AERONET采用的观测仪器一致)。CE318太阳光度计能够在地面测量太阳直射辐射和天空散射辐射，观测波段包括340、380、440、500、670、870、940、1020 nm，所有通道的波段宽是10 nm。所有8个波段都可以用于太阳直接辐射测量，其中440、670、870、1020 nm 4个波段可用于天空散射辐射观测。 根据CE318的气溶胶参数反演产品，武汉2010年和2011年冬季气溶胶复折射指数虚部在440~1020 nm波段存在明显的波段依赖性，其数值在440 nm波段均大于670~1020 nm波段。气溶胶复折射指数虚部表征气溶胶的吸收特性，而武汉位于江汉平原东部，长江中游与汉水交汇处，属于亚热带季风性湿润季候，日照充足，雨量充沛，不易形成沙尘天气，所以武汉吸收性气溶胶主要考虑黑碳和有机碳气溶胶。虽然黑碳对可见光光谱范围内均有很强的吸收作用，但吸收能力随波段基本不变。有机碳在近紫外到可见光波段对太阳辐射产生一定的吸收，在紫外波段对光的吸收能力随着波段变短而增强。因此，图1和图2中显示的气溶胶复折射指数虚部的波段依赖性可以由有机碳的吸收特性来解释，这也正是本文利用气溶胶复折射指数的光谱特性反演有机碳含量的主要依据。 图1. 2010年武汉冬季气溶胶复折射指数虚部 图2. 2011年武汉冬季气溶胶复折射指数虚部 2.2. 吸收性气溶胶反演算法 本文将气溶胶模型简化为BC、AS、AW和BrC四种成分，采用体积权重法计算混合气溶胶的在各个波段的复折射指数(式1和2)，其中分别是第i种成分的复折射指数实部和体积比例，是第i种成分在波长的气溶胶复折射指数虚部， 分别代表BC、AS、AW和BrC四种成分， 分别代表太阳光度计440， 670， 870， 1020 nm四个波段。将反演得到的混合气溶胶复折射指数作为理论值，由式(1)和式(2)得到气溶胶复折射指数的计算值，不断调整各成分的体积比例，直到理论值与计算值之间的误差最小(式(3))，即可得到BC、AS、AW和BrC四种成分在混合气溶胶所占的最佳体积比例。 其中，BC、AS、AW和BrC的复折射指数参数如表1。 通过反演得到的黑碳和有机碳的体积比例可以进一步计算得到其柱状质量浓度，计算公式如下： (1) 其中，是i种成分的柱质量浓度，是i种成分的密度，BC取1.8 g/m 3 ，BrC取1.2 g/m 3 ，是i种成分的体积，由各成分体积比例乘以总体积计算得到。为气溶胶的总体积，可以有太阳光度计获得的粒子谱分布dV/dlnr在所有半径范围内积分得到。