HJ—1反演的鄭州市城區PM10衛星遙感監測分布

王毅+李光輝+黃同新+葉杰+王海俠

摘要：從HJ-1的CCD數據出發，利用暗目標法反演出AOD并制作了AOD分布圖，AOD經過標高訂正和濕度訂正，得到近地面“干”消光系數（AODSEC-RH），將AODSEC-RH與地面觀測站點PM10進行了比較分析，建立了AODSEC-RH與PM10之間的模型關系，根據AOD與AODSEC-RH以及AODSEC-RH與PM10之間的關系，對AOD分布圖經過波段運算得出了PM10衛星遙感監測分布圖。

關鍵詞：氣溶膠光學厚度；近地面“干”消光系數；可吸入顆粒物；衛星遙感監測分布圖

1 研究背景

現今社會經濟發展迅猛，對資源大量消耗的同時也對大氣環境造成了嚴重破壞，社會、經濟的可持續發展也面臨著不同程度的挑戰。霧霾天氣越來越嚴重，影響著人們的身體健康。因此，當前日益惡化的環境問題，越來越受到政府和民眾的關注[1]。選擇及使用有效合適的監測方法，對監測方法的思考研究也促成對大氣污染監測的技術和方法不斷地改進和發展，并在環境污染治理中發揮著重要的作用[2]。

大氣顆粒物（亦稱氣溶膠）是指分散在大氣中的固態或液態的顆粒狀物質，其半徑大約為0.1～10 μm，大氣氣溶膠是影響城市空氣質量的主要污染物，對局地甚至區域性環境產生危害[3]。按照空氣動力學直徑（Dp）劃分，大氣顆粒物包括總懸浮顆粒物TSP（Dp≤100 μm）和可吸入顆粒物PM10（Dp≤10 μm），其中PM10又可分為細粒子PM2.5（Dp≤2.5 μm）和粗粒子（2.5 μm

環境一號AB衛星于2008年9月成功發射，環境一號AB星的載荷包括CCD傳感器、紅外相機和超光譜成像儀。AB星分別攜帶兩臺寬覆蓋多光譜CCD相機，聯合工作可以共同完成對地刈寬為720 km、分辨率為30 m、4個譜段的推掃成像[8]。HJ-1A/B的這種較高空間、時間分辨率和寬覆蓋等特點[9]，比較適合于進行大氣污染遙感反演的研究。

研究從HJ-1的CCD數據出發，利用暗目標法反演出AOD并制作了AOD分布圖，AOD經過標高訂正和濕度訂正，得到近地面“干”消光系數（AODSEC-RH），AODSEC-RH與地面觀測站點PM10比較分析，建立了AODSEC-RH與PM10之間的模型關系，根據AOD與AODSEC-RH以及AODSEC-RH與PM10之間的關系，對AOD分布圖經過波段運算得出PM10衛星遙感監測分布圖。

2 研究區概況

研究對象是鄭州市的主城區，即選擇的區域為鄭州市轄區，鄭州市區面積600km2，位于東經112°42′～114°13′，北緯34°16′～34°58′之間，鄭州市的東西寬166 km，南北長75 km。

鄭州市北臨黃河，西依嵩山，東南為黃淮平原，東面是開封市，西面為洛陽市，南面是許昌市，北面為焦作市和新鄉市。鄭州市屬北溫帶大陸性季風氣候，四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雪（圖1）。

3 數據

在研究中使用了各種數據包括環境衛星數據、氣象數據以及地面監測站點的觀測數據。

3.1 環境衛星數據

所選擇的環境衛星數據為2015年4月28日的HJ-1的CCD數據。

3.2 監測站點數據

鄭州市設立了8個環境空氣質量地面監測站點，這8個監測站點分別是：市監測站、煙廠、醫學院、鄭紡機、銀行學校、供水公司、四十七中、十一中（圖2）。

3.3 氣象數據

結合環境衛星數據的日期，選擇了相應日期的氣象數據。氣象數據包括了風速（風級、風向）、相對濕度和能見度數據。

4 研究方法

4.1 HJ-1反演AOD

以2015年4月28日的HJ-1的CCD數據為例利用暗目標法進行了大氣層氣溶膠光學厚度（AOD）的反演，反演的AOD結果制作AOD分布圖如圖3所示。

圖3中左邊的圖例標示了AOD的值，不同的色調深淺代表了不同的AOD取值范圍，從圖例中數值所標示的顏色可以看出，淺色代表AOD值的較低的值，較深代表AOD值位于中間的值，最深代表AOD值的較高的值。

4.2 AOD的訂正

AOD進行標高訂正和濕度訂正，得到近地面“干”消光系數（AODSEC-RH）。

4.3 AODSEC-RH與PM10觀測值比較線性相關性

根據8個監測站點的經緯度坐標（表1）取AODSEC-RH值的平均值與8個監測點的PM10實際觀測值進行對照比較（濃度值的單位均為μg/m3）。

日期回歸模型R2

2015年4月28日y=1.068x+4.5790.798

通過AODSEC-RH與PM10觀測值比較散點圖（圖4），得出了PM10與AODSEC-RH之間的回歸模型，PM10-AODSEC-RH回歸模型為y=1.068x+4.579，R2為0.798，說明PM10與AODSEC-RH之間具有很好的相關性。

4.4 PM10衛星遙感監測分布

在2015年4月28日的AOD分布圖前提下，根據AOD與AODSEC-RH以及AODSEC-RH與PM10之間的關系，對AOD分布圖利用ENVI的波段運算得出了2015年4月28日的PM10衛星遙感監測分布圖。

2012年3月1日的新國標（GB3095-2012）中規定，PM10的濃度限值（μg/m3）可以按一級標準50、二級標準150進行劃分。

依照上述的標準，按一級標準50、二級標準150為節點，分類了2015年4月28日反演的PM10，重新得出了衛星遙感監測分布顯示如圖5。

圖5中依照圖中右上方的圖例所示，PM10濃度值依照由低值向高值遞增。

5 結語

由HJ-1的CCD數據利用暗目標法反演出AOD并制作了AOD分布圖，AOD經過標高訂正和濕度訂正，得到近地面“干”消光系數（AODSEC-RH），AODSEC-RH與地面觀測站點PM10比較分析，建立了AODSEC-RH與PM10之間的模型關系，根據AOD與AODSEC-RH以及AODSEC-RH與PM10之間的關系，對AOD分布圖經過波段運算得出PM10衛星遙感監測分布圖。

制作PM10衛星遙感監測分布圖可以得出城市的PM10的空間分布，這樣不僅使城市內各個地方的污染情況能夠憑圖說話，一目了然；而且也為城市PM10污染物時空分布變化研究提供數據方面的支持，對于進一步地研究城市的污染源以及區域輸送等方面具有重要的意義。城市的PM10衛星遙感監測分布圖對城市進行大氣污染的治理能夠提供幫助，為有效地改善城市的大氣污染環境做出積極的貢獻。

參考文獻：

[1]王 皓.南京市空氣污染指數與MODIS氣溶膠光學厚度的回歸分析[D].南京：南京師范大學，2006.

[2]任 佳.蘇浙皖地區AOD特征的MODIS遙感研究[D].南京：南京信息工程大學，2010.

[3]徐祥德.城市化環境大氣污染模型動力學問題[J].應用氣象學報，2002，13（增刊）：1～12.

[4]林海峰.京津冀大氣顆粒物濃度與氣溶膠光學厚度監測及相關性分析研究[D].蘭州：蘭州大學，2012.

[5]王中挺，陳良富，王子峰，等.基于環境一號衛星CCD相機的PM10監測[C]∥中華環保聯合會.大氣環境科學研究暨顆粒物污染防治與監測技術研討會論文集.杭州：中華環保聯合會，2010：58～61.

[6]于淑秋，林學椿，徐祥德.北京市區大氣污染的時空特征[J].應用氣象學報，2002，13（ 特刊）：92～99.

[7]紀 飛，蘇文穎，秦 瑜.對流層光化學過程中的氣粒轉化研究[J].大氣科學，2001，25（2）： 269～276.

[8]王 橋，魏 斌，王昌佐，等.基于環境一號衛星的生態環境遙感監測[M].北京：科學出版社，2010.

[9]白照廣.中國的環境與災害監測預報小衛星星座A/B星[J].中國航天，2009（5）：10～15.