CALPUFF使用最新的土地利用数据
下垫面 ( underlying surface) 是指与大气下层直接接触的地球表面。大气圈以地球的水陆表面为其下界，称为大气层的下垫面。在模拟区域和污染源确定的情况下，下垫面参数是影响大气扩散最重要的参数，对污染物浓度预测结果影响很大。
9.1.1 CALPUFF模型下垫面参数介绍
CALPUFF模型中使用更多的参数来表述下垫面，下垫面参数采用粗糙度、反照率、反照率、土壤热通量、人类活动热通量和叶面积指数表示。土地利用类型基于美国地表土地利用分类系统，分为14种，土地利用类型及其参数见下表。
| 土地利用类型 | 描述 | 粗糙度 | 反照率 | 波文比 | 土壤热通量 | 叶面积指数 |
| 10 | 城市 | 1.0 | 0.18 | 1.5 | 0.25 | 0.2 |
| 20 | 非灌溉农业用地 | 0.25 | 0.15 | 1.0 | 0.15 | 3.0 |
| -20 | 灌溉农业用地 | 0.25 | 0.15 | 0.5 | 0.15 | 3.0 |
| 30 | 草地 | 0.05 | 0.25 | 1.0 | 0.15 | 0.5 |
| 40 | 林地 | 1.0 | 0.10 | 1.0 | 0.15 | 7.0 |
| 51 | 小水体 | 0.001 | 0.10 | 0.0 | 1.0 | 0.0 |
| 54 | 港湾/河口 | 0.001 | 0.01 | 0.0 | 1.0 | 0.0 |
| 55 | 大水体 | 0.001 | 0.10 | 0.0 | 1.0 | 0.0 |
| 60 | 湿地 | 1.0 | 0.10 | 0.5 | 0.25 | 2.0 |
| 61 | 森林湿地 | 1.0 | 0.1 | 0.5 | 0.25 | 2.0 |
| 62 | 非森林湿地 | 0.2 | 0.1 | 0.1 | 0.25 | 1.0 |
| 70 | 荒地 | 0.05 | 0.3 | 1.0 | 0.15 | 0.05 |
| 80 | 冻原 | 0.2 | 0.3 | 0.5 | 0.15 | 0 |
| 90 | 雪地 | 0.05 | 0.7 | 0.5 | 0.15 | 0 |
9.1.2 土地利用数据
9.1.2.1 模型自带GLCC土地利用数据介绍
CALPUFF模型中所有参数均为网格化的，下垫面参数也不例外，故需要给每个网格赋值一个下垫面参数，CALPUFF考虑到我们给每个网格设置参数，在模拟网格数很多时，实在很不方便，而且在大多情况下我们也难于判断每个网格的下垫面，故它提供了一个前处理程序，程序可以读取预定格式的土地利用数据，给出每个网格的下垫面参数，CALPUFF官方提供全球范围的土地利用数据，数据免费，数据如下：
| 数据集 | 覆盖范围 | 分辨率 | 数据日期 | 数据集关键字 |
| Global Land Cover Characterization (GLCC) | 全球 | 30秒 （~1km） | 1997 (Version 1) 1999 (Version 2) | GLAZNA(北美) GLAZSA(南美) GLAZEU(欧洲) GLAZAS(亚洲) GLAZAF(非洲) GLAZAP(澳洲) |
| National Land Cover Data (NLCD) | 美国 | 30m | 2011,2006, 2001,1992 | NLCD92 NLCDTF NLCD01 |
| USGS Land Use Land Cover (LULC) | 美国 | 1:100,000 1:250,000 | Early 1990s | CTG |
| Corine | 欧洲 | 100m 250m | 1990,2000,2006 | GEN |
此处可以看出我国能用的土地利用数据只有Global Land Cover Characterization (GLCC)（百度网址链接：提取码：i1wq），1999年制作，1km分辨率，我国由于近20多年城市化、工业化的突飞猛进，这个数据放在中国就很不够看。
因此，我们需要更新、精确度更高的土地利用数据。
9.1.2.2 MODIS数据介绍
9.1.2.2.1 MODIS数据特点及技术指标
（1）概况
MODIS全称Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，即中分辨率成像光谱仪。1998年MODIS机载模型器安装到EOS-AM（上午轨道）和PM（下午轨道）系列卫星上，从1999年12月正式向地面发送数据。MODIS是NASA地球行星使命计划中总数为15。插话啥时候能看见CNSA发布的免费数据。
（2）数据特点
MODIS数据主要有四个特点：
①全球免费：NASA对MODIS数据实行全球免费接收的政策（TERRA卫星除MODIS外的其他传感器获取的数据均采取公开有偿接收和有偿使用的政策），这样的数据接收和使用政策对于目前我国大多数科学家来说是不可多得的、廉价并且实用的数据资源；
②光谱范围广：MODIS数据涉及波段范围广（共有36个波段，光谱范围从0.4um-14.4um），数据分辨率比NOAA-AVHRR有较大的进展（辐射分辨率达12bits，其中两个通道的空间分辨率达250m，5个通道为500m，另29个通道为1000m）。这些数据均对地球科学的综合研究和对陆地、大气和海洋进行分门别类的研究有较高的实用价值；
③数据接收简单：MODIS接收相对简单，它利用X波段向地面发送，并在数据发送上增加了大量的纠错能力，以保证用户用较小的天线（仅3m）就可以得到优质信号；
④更新频率高：TERRA和AQUA卫星都是太阳同步极轨卫星，TERRA在地方时上午过境，AQUA在地方时下午过境。TERRA与AQUA上的MODIS数据在时间更新频率上相配合，加上晚间过境数据，对于接收MODIS数据来说可以得到每天最少2次白天和2次黑夜更新数据。这样的数据更新频率，对实时地球观测和应急处理（例如森林和草原火灾监测和救灾）有较大的实用价值。
（3）数据产品分级
按数据产品特征划分：主要产品包括校正数据产品、陆地数据产品、海洋数据产品和大气数据产品；若按处理级别划分，又可以分为以下6种：
- 0级产品：也称原始数据
- 1级产品：指L1A数据，已经被赋予定标参数
- 2级产品：指L1B级数据，经过定标定位后数据，本系统产品是国际标准的EOS-HDF格式。包含所有波段数据，可能是应用比较广泛的一类数据
- 3级产品：在1B数据的基础上，对由遥感器成像过程产生的边缘畸变（Bowtie效应）进行校正，产生L3级产品
- 4级产品：由参数文件提供的参数，对图像进行几何纠正，辐射校正，使图像的每一点都有精确的地理编码、反射率和辐射率。L4级产品的MODIS图像进行不同时相的匹配时，误差小于1个像元。该级产品是应用级产品不可缺少的基础
- 5级及以上产品：根据各种应用模型开发L5级产品。
（4）MODIS Tile产品数据组织方式
MODIS陆地标准产品数据都采用TILE类型进行组织即以地球为参照系， 采用了SIN（ISIN，正弦曲线投影） 地球投影系统，将全球按照10°经度*10°纬度（1200KM*1200KM）的方式分片（如下图），全球陆地被分割为600多个Tile，并对每一个Tile赋予了水平编号和垂直编号。左上角的编号为（0，0）右下角的编号为（35，17）。
9.1.2.2.2 MCD12Q1数据介绍
MODIS三级数据土地覆盖类型产品（Land Cover data）是根据一年的Terra和Aqua观测所得的数据经过处理，描述土地覆盖的类型。该土地覆盖数据集中包含了17个主要土地覆盖类型，根据国际地圈生物圈计划（IGBP），其中包括11个自然植被类型，3个土地开发和镶嵌的地类和3个非草木土地类型定义类。
MODIS Terra + Aqua三级土地覆盖类型年度全球500米产品MCD12Q1采用五种不同的土地覆盖分类方案，信息提取主要技术是监督决策树分类。下面是该数据中包含的五个数据集，五个分类方案如下：
- 土地覆盖分类1：国际地圈生物圈计划IGBP的全球植被分类方案
- 土地覆盖分类2：美国马里兰大学（UMD格式）方案
- 土地覆盖分类3：基于MODIS叶面积指数/光合有效辐射方案
- 土地覆盖分类4：基于MODIS衍生净初级生产力（NPP）方案
- 土地覆盖分类5：植物功能型（PFT）方案
下表为土地利用数据分类
| 分类 | IGBP (类型1) | UMD (类型2) | LAI/fPAR (类型3) | NPP (类型4) | PFT （类型5） |
| 0 | 水体 | 水体 | 水体 | 水体 | 水体 |
| 1 | 常绿针叶林 | 常绿针叶林 | 谷类及草本作物 | 常绿针叶林 | 常绿针叶林 |
| 2 | 常绿阔叶林 | 常绿阔叶林 | 灌木 | 常绿阔叶林 | 常绿阔叶林 |
| 3 | 落叶针叶林 | 落叶针叶林 | 阔叶作物 | 落叶针叶林 | 落叶针叶林 |
| 4 | 落叶阔叶林 | 落叶阔叶林 | 稀树草原 | 落叶阔叶林 | 落叶阔叶林 |
| 5 | 混交林 | 混交林 | 阔叶林 | 一年生阔叶植被 | 灌木 |
| 6 | 郁闭灌丛 | 郁闭灌丛 | 针叶林 | 一年生草本植被 | 草地 |
| 7 | 开放灌丛 | 开放灌丛 | 无植被覆盖区 | 无植被覆盖区 | 谷类作物 |
| 8 | 多树的草原 | 多树的草原 | 城市 | 城市 | 阔叶作物 |
| 9 | 稀树草原 | 稀树草原 | 城市和建成区 | ||
| 10 | 草原 | 草原 | 雪、冰 | ||
| 11 | 永久湿地 | 贫瘠及稀疏植被区 | |||
| 12 | 作物 | 作物 | |||
| 13 | 城市和建成区 | 城市和建成区 | |||
| 14 | 作物和自然植被 的镶嵌体 | ||||
| 15 | 雪、冰 | ||||
| 16 | 裸地或低植被覆盖地 | 裸地或低植被 覆盖地 | |||
| 254 | 未分类区 | 未分类区 | 未分类区 | 未分类区 | 未分类区 |
| 255 | 填充值 | 填充值 | 填充值 | 填充值 | 填充值 |
数据的下载地址为http://e4ftl01.cr.usgs.gov/MOTA/MCD12Q1.051/2013.01.01/，中国区域的数据可以根据上图计算出，我们只需下载几个文件就可以。数据为HDF格式，可以用Globemapper软件打开。打开后如下图所示。
9.1.2.2.3 数据计算
现在我们已有2013年的500米分辨率的土地利用数据，只需要将该数据读取，然后将对应数值赋予CALPUFF网格就可以。因为国际地圈生物圈计划IGBP的全球植被分类方案与CALPUFF的美国地表土地利用分类系统分类并不一致，故需要做一个转换。对应土地利用类型如下。可以看出有以下几个缺点
- IGBP并没有冻原，不过并不影响中国，因为咱国家并没有冻原，即使有，也不会再上面建设大气污染项目
- 无法区分农业用地的灌溉用地和非灌溉用地
- 无法区分森林湿地和非森林湿地
土地利用数据类型对应表
| 数值 | Land Use | 土地分类 | Calpuff | IGBP |
| 1 | Urban or built-up land | 城市或建筑物 | 11 | 13 |
| 2 | Agricultural land | 农业用地 | 21 | 12 14 |
| 3 | Rangeland | 草地 | 31 | 8-10 |
| 4 | Forest land | 森林 | 41 | 1-7 |
| 5 | Water | 水面 | 51 | 0 |
| 6 | Wetland | 湿地 | 61 | 11 |
| 7 | Barren land | 荒地 | 71 | 16 |
| 8 | Tundra | 冻原 | 81 | – |
| 9 | Perennial snow or ice | 雪地 | 91 | 15 |
9.1.2.2.4 数据更新
按照上述需求，用户可自行更新该数据。对于环安CALPUFFSystem软件来说用户只需下载所在年份的hdf数据，然后按照软件要求的格式重新命名放置到data\Landusedata下面即可
2016年MODIS卫星数据（百度网盘，提取码：8fkm）
2020年MODIS卫星数据（百度网盘，提取码：alq7）
9.1.2.3 GlobeLand30数据
9.1.2.3.1 数据介绍
30米全球地表覆盖数据GlobeLand30是中国研制的30米空间分辨率全球地表覆盖数据，2014年发布GlobeLand30 2000和2010版。自然资源部于2017年启动对该数据的更新，目前，GlobeLand30 2020版已完成。
1 数学基础
GlobeLand30数据采用WGS-84坐标系。
南纬85°-北纬85°之间的区域，投影方式采用UTM投影， 6度分带，坐标单位为米，坐标不加带号。
南北纬85°-90°之间的区域，投影方式采用极地方位投影，投影面切于地球南北极点。
2 分类系统
GlobeLand30数据共包括10个一级类型，分别是：耕地、林地、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久积雪。分类系统定义见表1。
表1 GlobeLand30分类系统
| 类型 | 内容 | 代码 |
| 耕地 | 用于种植农作物的土地，包括水田、灌溉旱地、雨养旱地、菜地、牧草种植地、大棚用地、以种植农作物为主间有果树及其他经济乔木的土地，以及茶园、咖啡园等灌木类经济作物种植地。 | 1 |
| 林地 | 乔木覆盖且树冠盖度超过30%的土地，包括落叶阔叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、常绿针叶林、混交林，以及树冠盖度为10-30%的疏林地。 | 2 |
| 草地 | 天然草本植被覆盖，且盖度大于10%的土地，包括草原、草甸、稀树草原、荒漠草原，以及城市人工草地等。 | 3 |
| 灌木地 | 灌木覆盖且灌丛覆盖度高于30%的土地，包括山地灌丛、落叶和常绿灌丛，以及荒漠地区覆盖度高于10%的荒漠灌丛。 | 4 |
| 湿地 | 位于陆地和水域的交界带，有浅层积水或土壤过湿的土地，多生长有沼生或湿生植物。包括内陆沼泽、湖泊沼泽、河流洪泛湿地、森林/灌木湿地、泥炭沼泽、红树林、盐沼等。 | 5 |
| 水体 | 陆地范围液态水覆盖的区域，包括江河、湖泊、水库、坑塘等。 | 6 |
| 苔原 | 寒带及高山环境下由地衣、苔藓、多年生耐寒草本和灌木植被覆盖的土地，包括灌丛苔原、禾本苔原、湿苔原、高寒苔原、裸地苔原等。 | 7 |
| 人造地表 | 由人工建造活动形成的地表，包括城镇等各类居民地、工矿、交通设施等，不包括建设用地内部连片绿地和水体。 | 8 |
| 裸地 | 植被覆盖度低于10%的自然覆盖土地，包括荒漠、沙地、砾石地、裸岩、盐碱地等。 | 9 |
| 冰川和永久积雪 | 由永久积雪、冰川和冰盖覆盖的土地，包括高山地区永久积雪、冰川，以及极地冰盖等。 | 0 |
3 数据内容
GlobeLand30分幅数据由地表覆盖数据文件、坐标信息文件、分类影像接图表文件、元数据文件4部分组成。其中：
1) 地表覆盖数据文件是指存储分幅地表覆盖分类信息的文件；
2) 坐标信息文件是指记录分幅数据坐标信息的文件；
3) 分类影像接图表文件是指记录分类所用的主要影像范围及获取时间的矢量文件；
4) 元数据文件指记录分幅数据元数据信息的文件。
为便于数据拷贝和下载传输，将分幅数据进行压缩处理，形成了一个zip格式的压缩文件，压缩文件中包括上述4类文件。
4 存储单元
根据所位于的纬度情况，GlobeLand30数据采用3种分幅方式存储，具体如下：
1)在南北纬60°区域内，按照5°(纬度)×6°(经度)的大小进行分幅，其中央经线与其所在6度带一致；
2)在南北纬60°至85°区域内，按照5°(纬度)×12°(经度)的大小进行分幅。由于分幅跨2个6度带的图幅，按照奇数6度带的中央经线进行投影。
3)在南北纬85°以上区域，保存为1幅。
数据名称由16位字符组成，具体规则如下：
南北纬缩写(1位)+6度带号(2位)+“_”+起始纬度(2位)+“_”+产品年代(4位)+LC(地表覆盖缩写)+分辨率(3位)。其中：
1)南北纬纬度缩写：N表示北纬，S表示南纬。
2)6度代号：图幅所在的6度分带的带号值。对于跨2个6度带的图幅，代号应填写奇数带号。
3)起始纬度：在北半球填写图幅下边缘线的纬度值，在南半球填写图幅上边缘线的纬度值。
4)产品年代：表示地表覆盖产品年代版本，如2000年、2010年等。
5)分辨率：LC产品的分辨率，只表示整米，不满3位的在前面加0。如30米用030表示。
对于南北纬85°以上区域，数据命名按：南北纬缩写(1位)+00(2位)+“_”+85(2位)+“_”+产品年代(4位)+LC(地表覆盖缩写)+分辨率(3位)。
例如：N49_25_2000LC030图幅，表示的是北半球49带(经度范围东经108°-114°)北纬25°至30°矩形区域内的2000年期30米地表覆盖数据。
不同类型文件命名规则如下：
1)地表覆盖数据文件命名：分幅数据名称+“.tif”
2)坐标信息文件命名：分幅数据名称+“.tfw”
3)分类影像接图表文件命名：分幅数据名称+“_IMG.shp”
4)元数据文件命名：分幅数据名称+ “_MAT.xml”(2000和2010版) /“_MAT.xls”(2020版)
图2 GlobeLand30 V2000和V2010数据分幅分布
GlobeLand30 V2000版和V2010版分幅总数均为853幅，其分布如图2所示。GlobeLand30 V2020版分幅总数为966幅，其分布如图3所示。
图3 GlobeLand30 V2020数据分幅分布
5 数据源
GlobeLand30数据研制所使用的分类影像主要是30米多光谱影像，包括美国陆地资源卫星(Landsat)的TM5、ETM+、OLI多光谱影像和中国环境减灾卫星(HJ-1)多光谱影像，2020版数据还使用了16米分辨率高分一号(GF-1)多光谱影像。
影像选取原则是：在保障影像无云(少云)前提下，择优选择数据生产基准年或更新年度年±2年内植被生长季的多光谱影像。对于获取困难区域，可放宽影像获取时间，确保影像全球覆盖的完整性。
6 精度
GlobeLand30 V2010数据精度评价由同济大学牵头完成。从全球853幅数据中抽取80个图幅，布设超过15万个检验样本，得出GlobeLand30 V2010数据的总体精度为83.50%，Kappa系数0.78。
GlobeLand30 V2020数据精度评价由中国科学院空天信息创新研究院牵头完成。基于景观形状指数抽样模型进行全套数据布点，共布设样本超过23万个。得出GlobeLand30 V2020数据的总体精度为85.72%，Kappa系数0.82。
9.1.2.3.2 数据更新
按照上述需求，用户可自行更新该数据。对于环安CALPUFFSystem软件来说用户只需下载所在年份的geotiff数据，然后按照软件要求的格式重新命名放置到data\Landusedata\glcc下面即可。注由于不同来源的数据其分类不一致，可使用地理信息软件将其重分类为上述代码。
9.1.2.3.3 使用示例
