基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的灰霾污染遙感監(jiān)測方法及系統(tǒng)設(shè)計

李正強，許 華，張 瑩，李 莉，李東輝，侯偉真，呂 陽，顧行發(fā)，陳興峰，陳 澄，張鳳霞，馬

中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所國家環(huán)境保護衛(wèi)星遙感重點實驗室，北京100101

灰霾污染已經(jīng)成為中國社會發(fā)展過程中的重大環(huán)境問題。2013年1月發(fā)生的嚴重灰霾污染，波及華北及華東大部分地區(qū)，覆蓋區(qū)域超過140萬平方公里，直接影響人口數(shù)量超過8億，其中受到嚴重污染影響的約2.5億，其覆蓋范圍、持續(xù)時間、污染程度等方面均屬全球罕見，引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。2013年9月，國務(wù)院頒布《大氣污染防治行動計劃》，提出了10條共35項措施推動大氣污染治理和空氣質(zhì)量改善，并由此對大氣污染、尤其是灰霾污染監(jiān)測提出了迫切需求。

霾是大氣污染的一種現(xiàn)象，主要由大氣中的懸浮顆粒物質(zhì)造成，通常顆粒會通過吸水而膨脹，導(dǎo)致體積增大，對太陽光的衰減(消光)增強，使能見度顯著降低。在城市區(qū)域，由于人為顆粒物排放較多，為霧轉(zhuǎn)化為霾提供了有力條件，霾常常與霧同時或相繼發(fā)生，因此籠統(tǒng)上稱為霧霾［1］。灰霾常特指較高濃度的大氣細顆粒物污染現(xiàn)象，由于細顆粒物散射較短波長太陽輻射的能力較強，往往導(dǎo)致天空呈現(xiàn)橙灰等顏色，故此被稱為灰霾。學(xué)術(shù)上，將大氣中懸浮顆粒統(tǒng)一稱為氣溶膠，它特指1納米～100微米之間的大氣顆粒物質(zhì)，1納米以下常被認為是氣－粒轉(zhuǎn)換的邊界尺寸［2］，而100微米以上的大氣懸浮顆粒物質(zhì)(雨、雪、雹等)則會快速降落至地面。粒徑在0.1～10微米的典型氣溶膠粒子在大氣光學(xué)、大氣輻射、大氣化學(xué)、大氣污染和云物理學(xué)等方面具有重要影響，是大氣中最重要的成分之一，其分布可隨時空有較大變化，且具有明顯的空間垂直分布特性，大部分顆粒物都聚集在大氣邊界層之內(nèi)［3］，濃度高時可造成顯著的灰霾污染。遙感手段通過觀測大氣顆粒物與輻射(例如太陽光)的相互作用，可以了解氣溶膠在大氣層中的含量等參數(shù)，是獲得灰霾時空分布信息的有力工具。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

灰霾遙感的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)目前主要是衛(wèi)星觀測到的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)，AOD指垂直大氣柱中氣溶膠消光系數(shù)隨高度(從地面到大氣頂)的積分。這里，我們以較易獲取的中分辨率成像光譜儀(MODIS)的AOD數(shù)據(jù)進行說明。MODIS傳感器搭載在美國宇航局于1999年發(fā)射的TERRA(過境時間為地方時10：30 am)和2002年發(fā)射的AQUA衛(wèi)星(過境時間為地方時13：30 pm)上，并通過星上轉(zhuǎn)發(fā)器實時向地面直接廣播，全球可以免費接收數(shù)據(jù)，因此在許多國家和地區(qū)得到了廣泛的使用。

MODIS傳感器軌道高度距離地球705 km，最大空間分辨率為250 m，最大掃描寬度2 330 km。MODIS有36個波段，波長范圍為0.4～14.4 μm，它采用暗目標法［4］等原理在陸地上空反演氣溶膠光學(xué)厚度［5］。該方法通過2.12 μm波段來識別植被、土壤等暗目標，并認為暗目標在紅光(0.66 μm)和藍光(0.47 μm)波段地表反射率較低，衛(wèi)星入瞳處的信號在這種情況下與氣溶膠光學(xué)厚度線性相關(guān)，并據(jù)此反演0.55 μm波長的AOD。由于需要通過多像素平均來提高信噪比，因此目前的AOD產(chǎn)品空間分辨率為10 km。在進行氣溶膠光學(xué)厚度反演前，需要進行云檢測，因此在判定有云的地表上空將無AOD數(shù)據(jù)。此外，由于暗目標法原理的限制，在冰、雪等亮地表上空，將無法進行反演。在這種情況下，MODIS提供了基于深藍算法［6］的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)。MODIS的氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品經(jīng)過了幾次重大版本修改后，已較為穩(wěn)定，并在全球范圍內(nèi)開展了較為系統(tǒng)的檢驗。驗證結(jié)果顯示，與地基氣溶膠自動觀測網(wǎng)(AERONET)［7］比較，陸地上空氣溶膠光學(xué)厚度的反演誤差約為 ±(0.05 ±0.15%)［8］。

1.2 氣象資料

由于目前衛(wèi)星傳感器資料的限制，研究灰霾污染遙感監(jiān)測仍需要用到一些輔助的同步氣象資料。通過模式精細化模擬后，氣象資料具有較好的時空分辨率可以與衛(wèi)星數(shù)據(jù)配合使用。為了獲得大氣邊界層高度(PBLH)和相對空氣濕度(RH)，利用全球氣象預(yù)報系統(tǒng)同化國際氣象組織基準站的觀測數(shù)據(jù)，獲得再分析氣象場。隨后，利用中尺度預(yù)報模式可將再分析資料的時空分辨率精細化，獲得配合衛(wèi)星遙感使用的氣象場資料。

2 遙感監(jiān)測方法及系統(tǒng)設(shè)計

衛(wèi)星遙感獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)，是整層大氣顆粒物含量的光學(xué)參數(shù)。通過AOD可進一步獲得灰霾污染狀況的定量數(shù)值，并估計出空氣質(zhì)量指數(shù)。首先介紹遙感光學(xué)參數(shù)與近地面環(huán)境監(jiān)測參數(shù)(灰霾指數(shù)和空氣質(zhì)量指數(shù))之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并建立相關(guān)估算方法;隨后，介紹灰霾污染遙感監(jiān)測系統(tǒng)的搭建，以及遙感影像的數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測應(yīng)用。

2.1 衛(wèi)星遙感灰霾指數(shù)

衛(wèi)星遙感灰霾指數(shù)定義為0～4的整數(shù)，分別代表無灰霾、輕微灰霾、輕度灰霾、中度灰霾、重度灰霾。依據(jù)氣象學(xué)標準，灰霾指數(shù)與近地面層的大氣能見度相關(guān)：能見度在5～10 km為輕微霾，3～5 km為輕度霾，2～3 km為中度霾，2 km以下為重度霾(《霾觀測和預(yù)報等級》(QX/T 113—2010))。通常，除了云和霧等情況外，大氣氣溶膠的消光(吸收和散射)對能見度有決定性影響，因此理論上，在給定的大氣模式條件下，大氣消光與氣溶膠光學(xué)厚度有較好相關(guān)性。Baumer等人［9］根據(jù)氣溶膠垂直消光特性與近地面能見度的觀測給出了氣溶膠光學(xué)厚度與能見度和邊界層高度的經(jīng)驗公式。本文基于該經(jīng)驗公式獲得AOD至能見度的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并考慮大氣邊界層的變化情況，模擬了氣溶膠光學(xué)厚度與灰霾指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。在不同邊界層高度(PBLH)情況下，灰霾等級有著不同的變化，但灰霾指數(shù)總隨光學(xué)厚度增長而增加。

圖1 灰霾指數(shù)與氣溶膠光學(xué)厚度的關(guān)系

2.2 衛(wèi)星遙感估算空氣質(zhì)量指數(shù)

空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)可定義為0～500之間的整數(shù)，分別代表優(yōu)(0～50)、良(51～100)、輕度污染(101～150)、中度污染(151～200)、重度污染(201～300)和嚴重污染(301～500)。2013年12月，環(huán)保部通報中國中東部大面積灰霾污染其首要污染物均為 PM2.5(http：//news．hangzhou．com．cn/gnxw/content/2013 －12/04/content_4990452．htm)，而PM2.5包含于PM10中，因此嚴重灰霾污染時空氣質(zhì)量指數(shù)主要由顆粒物濃度決定。氣溶膠光學(xué)厚度與顆粒物濃度PM10(空氣動力學(xué)直徑小于10 μm的顆粒物)有較好的相關(guān)性。基于Koelemeijer等人［10］的研究結(jié)果，AOD與PM10線性相關(guān)的典型斜率為214 μg/m3。此外，不同天氣情況下，大氣層結(jié)構(gòu)情況不同，該關(guān)系還受氣溶膠垂直分布和吸濕特性的影響［11-12］。研究假設(shè)氣溶膠垂直分布為e指數(shù)形式，并滿足Kotchenmther等人［13］提出的氣溶膠消光系數(shù)與環(huán)境相對濕度的關(guān)系，來校正上述影響。已有的研究表明，以上2個假設(shè)基本適用于中國地區(qū)［14］。最后，依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》(試行)(HJ 633—2013)，嚴重灰霾污染時可用PM10換算AQI。因此與圖1類似，模擬了氣溶膠光學(xué)厚度與嚴重污染時的空氣質(zhì)量指數(shù)等級之間的關(guān)系。

圖2給出了不同空氣濕度條件下的空氣質(zhì)量指數(shù)等級。模擬結(jié)果表明，對于給定的邊界層高度，在相同空氣質(zhì)量指數(shù)的情況下，RH越高，AOD越大。這可由著名的吸濕增長特性解釋，即嚴重灰霾污染時空氣質(zhì)量指數(shù)由顆粒物干成分質(zhì)量決定，隨著空氣濕度增加，干成分吸水導(dǎo)致整個顆粒物體積增大，消光增強，表現(xiàn)為AOD增大。

圖2 空氣質(zhì)量指數(shù)等級與氣溶膠光學(xué)厚度的關(guān)系

2.3 灰霾污染遙感監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

灰霾污染遙感監(jiān)測系統(tǒng)需要具有自動化的數(shù)據(jù)處理能力和可視化的監(jiān)視、分析環(huán)境，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)配置需要考慮多方面的需求?；贛ODIS數(shù)據(jù)實例，簡要介紹灰霾遙感監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。

如圖3所示，系統(tǒng)的處理流程可分為數(shù)據(jù)源、預(yù)處理、產(chǎn)品生產(chǎn)和共享發(fā)布：1)MODIS上午星(Terra)和下午星(Aqua)可實現(xiàn)中國大部分地區(qū)每日兩次的遙感監(jiān)測;使用MOD04大氣數(shù)據(jù)產(chǎn)品，不僅包含覆蓋陸地和海洋的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)集，還提供了云掩碼數(shù)據(jù)。2)產(chǎn)品生產(chǎn)之前需要經(jīng)過預(yù)處理步驟，每景MOD04數(shù)據(jù)的觀測時間大約為5 min，而感興趣區(qū)可能出現(xiàn)在好幾景影像上，因此，利用拼接、裁剪、幾何投影和格式轉(zhuǎn)化等自動化工具實現(xiàn)影像的流水線處理。由于灰霾污染監(jiān)測中云的影響較大，預(yù)處理中也包含云掩膜的功能。3)系統(tǒng)針對氣溶膠光學(xué)厚度信息和氣象分析資料，基于上述灰霾污染遙感模型，計算感興趣區(qū)的大氣污染狀況(灰霾指數(shù)和空氣質(zhì)量指數(shù)等級)，同時生產(chǎn)產(chǎn)品的元數(shù)據(jù)。4)產(chǎn)品成果的共享發(fā)布以圖件和簡報的形式體現(xiàn)。系統(tǒng)具有自動運行能力，并可利用GIS信息完成初步制圖和簡報生成功能，最后，經(jīng)過專業(yè)人員修改和審核的監(jiān)測結(jié)果可由Web形式發(fā)布共享。

系統(tǒng)實現(xiàn)上，以一種低成本、高可靠、按需擴展的分布式存儲為核心，構(gòu)建灰霾污染遙感監(jiān)測流水線系統(tǒng)。如圖4所示，該系統(tǒng)包括：1)分布式存儲集群。每個Linux存儲節(jié)點以高速局域網(wǎng)互聯(lián)，節(jié)點可動態(tài)加入存儲集群，實現(xiàn)可持續(xù)擴展，性能可隨著系統(tǒng)擴展而增強。2)Linux計算節(jié)點。將高性能的服務(wù)器部署在高速局域網(wǎng)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)下載、影像預(yù)處理。3)產(chǎn)品生產(chǎn)。任務(wù)調(diào)度使用系統(tǒng)的守護進程進行數(shù)據(jù)監(jiān)控或定時器觸發(fā)。4)圖形工作站。將高性能的圖形顯示工作站部署在局域網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))上，進行自動化與人工相結(jié)合的產(chǎn)品制圖和簡報生產(chǎn)。5)產(chǎn)品提交給分布式存儲集群后，可通過Web服務(wù)共享。流水線采用了一種基于異構(gòu)分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的系統(tǒng)架構(gòu)，集群存儲空間和計算資源被虛擬成為一系列的服務(wù)，具有經(jīng)濟、靈活、穩(wěn)定、擴展性強等技術(shù)特點，可以滿足衛(wèi)星遙感監(jiān)測灰霾的業(yè)務(wù)化需求。

圖3 灰霾污染衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

圖4 灰霾污染衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

3 結(jié)果及驗證

3.1 研究區(qū)域及遙感結(jié)果

基于上述方法，選擇2013年10月5—7日的MODIS數(shù)據(jù)開展監(jiān)測實驗，獲得了華北地區(qū)陸地上空灰霾指數(shù)以及重度來霾時的空氣質(zhì)量指數(shù)等級(圖5)。需要指出的是，在解譯遙感分布圖時，應(yīng)首先注意圖上空白區(qū)域是有云－霧覆蓋的區(qū)域，屬于衛(wèi)星數(shù)據(jù)目前無法反演AOD的范圍。通常，可將云－霧分為受污染型和未受污染型。由于灰霾、云－霧的空間連續(xù)分布特性，云－霧的受污染類型在遙感尺度下不太可能出現(xiàn)突變，因此對于空白區(qū)域，可以依據(jù)周圍灰霾等級和梯度變化情況作出估計。例如，10月5日，河北、北京、河南北部等空白區(qū)域應(yīng)是受到污染的云－霧(從同期地面觀測可證實，AQI較高)。10月6日，山西區(qū)域的空白應(yīng)是受污染的云－霧。10月7日河北南部及其與河南、山東交界處的空白區(qū)域應(yīng)是受污染的云－霧，從空白區(qū)域中心處殘留(河北的東南邊界)的衛(wèi)星遙感結(jié)果看，該區(qū)域污染程度較高，延續(xù)了6日的重度污染。

圖5 灰霾指數(shù)(左)和空氣質(zhì)量指數(shù)(右)衛(wèi)星遙感圖(上：2013-10-05;中：2013-10-06;下：2013-10-07)

從圖5上衛(wèi)星遙感有值的區(qū)域可以看到：1)衛(wèi)星遙感可以很好地反映灰霾污染程度的變化。例如，10月6日，山東西北部衛(wèi)星遙感顯示出污染等級的連續(xù)梯度變化，在自西北到東南方向約100 km的距離內(nèi)，從嚴重灰霾污染逐漸變化為無灰霾，同時，從重度或嚴重污染變?yōu)閮?yōu)。2)衛(wèi)星遙感有助于發(fā)現(xiàn)可能的傳輸通道。在10月5、7日圖上，從山西省的灰霾污染狀況可明顯看出，其主要污染帶是中部(由縱貫?zāi)媳钡拇笸?、忻州、太原、臨汾、運城5大盆地組成的狹長地帶)，當(dāng)該縱貫線上為輕或中度灰霾時(10月5日)，與其相鄰的山西東部和西部無灰霾，當(dāng)其為重度灰霾時(10月7日)，與其相鄰的區(qū)域為輕度灰霾。若有合適的風(fēng)向、風(fēng)力等條件，將有可能形成灰霾向西北或東南傳輸?shù)耐ǖ馈?)衛(wèi)星遙感可獲得宏觀的灰霾空間分布概況。從該研究區(qū)域在這個時段的監(jiān)測看，河北(尤其南部)、山西(尤其南北縱貫盆地)、河南(北部)、山東(西北部)及其交界區(qū)域是灰霾的重污染區(qū)域，而內(nèi)蒙、遼寧、山東東部等區(qū)域的灰霾污染則較少。

3.2 衛(wèi)星面覆蓋觀測與地面點監(jiān)測結(jié)果對比

為驗證衛(wèi)星遙感結(jié)果，選擇該區(qū)域內(nèi)12個環(huán)保監(jiān)測站同期的AQI與衛(wèi)星估算的AQI對比(表1)，選擇城市區(qū)域的多個監(jiān)測站點計算該城市平均空氣質(zhì)量指數(shù)。很多情況下，這些城市監(jiān)測站分布在城市中心區(qū)域約20～30 km的范圍內(nèi)，由于衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的空間分布率約為10 km，因此衛(wèi)星估計的空氣質(zhì)量指數(shù)選取3×3像元(約30×30 km)，并取均值進行對比。表1中列出了衛(wèi)星遙感監(jiān)測與環(huán)保站點監(jiān)測的AQI等級對比結(jié)果。對灰霾污染期間空氣質(zhì)量指數(shù)等級的相對誤差進行統(tǒng)計，有效樣本數(shù)19個，結(jié)果顯示衛(wèi)星遙感與地面監(jiān)測站的AQI等級監(jiān)測結(jié)果之間平均相對誤差為16%。在88%的樣本中，衛(wèi)星遙感能夠較好地反映空氣質(zhì)量指數(shù)等級，誤差不大于1級，這說明衛(wèi)星遙感能夠較真實地獲得灰霾污染狀況。此外，基于2013年10月整個華北地區(qū)的衛(wèi)星遙感結(jié)果與12個地面監(jiān)測站進行了系統(tǒng)對比驗證(樣本數(shù)160個)，結(jié)果表明，衛(wèi)星遙感獲得灰霾污染情況下的AQI等級與站點觀測值的平均偏差為0.7級。

表1 衛(wèi)星遙感AQI與地面站AQI監(jiān)測結(jié)果對比

從表1還可以看出，衛(wèi)星遙感監(jiān)測灰霾污染情況下的AQI等級與地面監(jiān)測站結(jié)果的差異普遍在±1級之間，但通常低于站點監(jiān)測結(jié)果，其原因主要是衛(wèi)星遙感與地面監(jiān)測之間的時空代表性有所不同。首先，采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)大概在每天10：30 am過境，衛(wèi)星數(shù)據(jù)僅代表過境時刻的瞬時值，而地面監(jiān)測站公布的是空氣質(zhì)量指數(shù)的日均值，考慮到灰霾污染程度的日變化(一般夜間嚴重)，雖然10：30 am有較好的代表性，但不可避免仍可能與日均值存在差異。其次，衛(wèi)星監(jiān)測的面平均數(shù)據(jù)與環(huán)境監(jiān)測站的點監(jiān)測數(shù)據(jù)之間存在區(qū)域代表性的問題，尤其是目前的城市監(jiān)測站多布置在污染程度相對較高的城市中心，對整個區(qū)域的代表性較弱。例如，從空間分布上來看(如圖6)，濟南市南面臨山，環(huán)保監(jiān)測主要在市區(qū)進行，而衛(wèi)星監(jiān)測明顯體現(xiàn)出其南部山區(qū)空氣質(zhì)量較好，在約30 km的范圍內(nèi)，AQI等級從4級下降至1級，因此空間平均后衛(wèi)星監(jiān)測AQI低于站點監(jiān)測值。

衛(wèi)星監(jiān)測唐山地區(qū)10月6日結(jié)果較差的主要原因是，當(dāng)天遙感手段僅在唐山地區(qū)東南區(qū)域獲得一個像素的有效值，導(dǎo)致唐山市污染觀測不完全，造成監(jiān)測值偏低。有云區(qū)域無法獲得衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果，是當(dāng)前灰霾衛(wèi)星遙感的不足之處。

圖6 濟南市衛(wèi)星遙感空氣質(zhì)量指數(shù)等級分布圖(2013-10-06)

4結(jié)論

衛(wèi)星遙感可以獲得大范圍內(nèi)灰霾污染的定量監(jiān)測結(jié)果，具有客觀、統(tǒng)一、快速區(qū)域覆蓋等優(yōu)勢。介紹了基于氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)合氣象數(shù)據(jù)的灰霾污染遙感監(jiān)測方法，包括衛(wèi)星遙感灰霾指數(shù)的算法，以及衛(wèi)星遙感估算灰霾污染情況下空氣質(zhì)量指數(shù)等級的算法。隨后，以中分辨率成像光譜儀MODIS為例，提出了灰霾污染遙感監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，介紹了數(shù)據(jù)流程和系統(tǒng)架構(gòu)?；谒l(fā)展的方法和系統(tǒng)，選擇華北地區(qū)，在2013年10月開展了監(jiān)測驗證，通過對比地面監(jiān)測站的空氣質(zhì)量指數(shù)，顯示灰霾污染時88%的衛(wèi)星遙感監(jiān)測結(jié)果誤差不大于1個AQI等級，平均的AQI偏差為0.7級，能夠比較真實地反映灰霾污染狀況。在此基礎(chǔ)上分析認為，衛(wèi)星遙感可以很好地反映灰霾污染程度的變化，有助于發(fā)現(xiàn)可能的傳輸通道，并獲得灰霾的空間分布狀況。此外，站點觀測數(shù)據(jù)僅代表觀測點處局部的情況，而遙感方法可基于統(tǒng)一標準提供面覆蓋的灰霾污染狀況，從這一點上來說，遙感方法比現(xiàn)有地面監(jiān)測更適合于大范圍內(nèi)灰霾污染的對比評價。這些宏觀信息的獲取能夠為灰霾監(jiān)測、預(yù)警、防控等，尤其是全國范圍內(nèi)的灰霾污染治理效果評價提供重要支撐。

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