遙感技術在霧霾監測中的應用

趙劍橋

[摘要] 隨著經濟的迅速發展，霧霾污染日趨嚴重，不僅威脅交通運輸安全，也嚴重危害人體健康。目前衛星遙感技術正成為我國監測霧霾的重要手段。借助衛星遙感技術，能夠實現對氣溶膠、NO2與SO2有害氣體、機動車尾氣、秸稈焚燒、沙塵暴、工礦企業污染等的監測，為監管、治理霧霾提供了信息來源與技術支持。

[關鍵詞] 遙感技術；霧霾；氣溶膠；沙塵暴

[中圖分類號]X851 [文獻標識碼]A

隨著經濟的迅速發展，霧霾污染日趨嚴重，不僅威脅交通運輸安全，也嚴重危害人體健康。如何科學、準確地監測霧霾，以尋找應對辦法，已經成為一個社會熱點問題。目前衛星遙感技術正成為我國監測霧霾的重要手段。

對于空氣質量的監測，傳統方法主要是通過固定站點的觀測儀器獲取大氣污染物的濃度數據，可是這種觀測方式及其觀測結果只能反映特定區域的大氣污染情況，并不能全面反映更大范圍的大氣污染特征，而衛星遙感監測正好彌補了監測點分布不均的問題。遙感影像是通過獲取地物的反射、輻射和散射的電磁波信息進行成像。因為霧霾粒子的散射和吸收會對地物電磁波的輻射傳輸造成不同影響，因此分析遙感影像的特殊信息，能夠獲取霧霾顆粒的濃度情況。借助衛星影像遙感影像數據，能夠實現對特定區域PM2.5空間分布與變化情況的快速反映，更宏觀地監測空氣質量。

1 監測氣溶膠

霧霾最常用的表征之一就是氣溶膠光學厚度（AOD），它表征大氣柱中氣溶膠顆粒物整體消光能力。衛星遙感是觀測氣溶膠空間分布的重要手段，能夠在大氣顆粒物保持自然狀態的情況下，快速獲取區域范圍內的氣溶膠顆粒物空間分布、面積、等級、頻次等，有助于全面掌握霧霾的產生、變化狀況，在霧霾監測應用中有非常明顯的優勢。目前，得到氣溶膠光學厚度的方法主要是通過衛星遙感影像數據如MODIS數據等，進行氣溶膠光學厚度的反演，這在實踐應用中已經取得一定成效。

2 監測NO2、SO2有害氣體

NO2、SO2等有害氣體都是產生霧霾的重要物質來源，通過遙感技術可以有效監測NO2、SO2等污染氣體柱濃度，對于霧霾的預測與預警作用極大。

當植物被NO2、SO2等有害氣體污染后，其對紅外光的反射率會下降，而這種顏色變化以及動態標志不同于正常植被呈現的顏色。因此能夠通過遙感影像數據分析植被遭受污染的情況。在不同的像元上衛星遙感對植物的監測會有所呈現，按照標準將像元信息與實際的土壤、植被、水體等進行對比，研究它們之間的相關內容，分類對照這些不同的像元信息。污染氣體的信息與這些不同的像元信息相疊加以后，能夠使污染物氣體累加濃度信息得以顯現。

3 監測機動車尾氣

機動車尾氣遙感監測是通過紅外線和紫外線激光光譜實現的，即光譜吸收原理。機動車尾氣遙感監測系統通過光源向道路對面的光學反光鏡發送紫外光和紅外光，光學反光鏡會將其反射到檢測器中。機動車行駛時要通過這些光束，這時機動車尾氣會吸收光線，改變透射光的強度，通過監測檢測器中光強的變化情況，對機動車排放的氮氧化物、碳氫化合物等的濃度進行監測。遙感裝置監測機動車尾氣，并不需要直接接觸被監測的車輛，利用機動車尾氣遙感監測技術，在不影響車輛正常行駛的情況下，能夠在0.7秒內完成車輛尾氣檢測，真實反映車輛在實際運行過程中各種污染物的排放情況。利用遙感技術還能夠實現對機動車速度的監測，從而確定其運行特征，有效避免非正常運行對汽車監測準確度的影響。

4 監測秸稈焚燒

秸稈露天焚燒過程中釋放各種氣態污染物和顆粒物，并產生大量有毒有害物質，是我國大氣污染的重要來源之一。遙感火點探測利用火點高溫像元與背景常溫像元在中紅外和熱紅外波段輻射能量的差異來識別地面火點。隨著衛星遙感的快速發展，擁有較高時間分辨率、空間分辨率和光譜分辨率的MODIS數據已經廣泛應用于火災監測。通過遙感影像火點監測技術能夠獲取區域秸稈燃燒空間分布、火點起源、火源擴散等情況，可以實現對秸稈焚燒的監測，如北京市環境監測中心結合地面地理信息數據，在每年6～10月的每一天，對北京市及周邊的農業用地進行火點遙感監測，為監管工作提供信息來源。通過衛星遙感監測技術來獲取秸稈燃燒的位置、范圍及擴散趨勢，目前在我國得到了廣泛推廣與應用。

5 監測沙塵暴

浮塵、揚沙和沙塵暴都是沙塵天氣，這是由于大量飄浮在空中的微細塵粒或煙粒等影響空氣，導致有效水平能見度小于10km。通過衛星遙感技術監測沙塵暴，可以結合大氣流場預測，根據沙塵的實時遷移變化情況判斷其影響范圍，并對未來的空氣狀況進行預測和預警，從而防范沙塵天氣的不利影響。目前我國已經實現利用風云四號氣象衛星動態監測沙塵暴。2017年2月27日，我國新一代靜止軌道氣象衛星風云四號A星首批圖像與數據公布，標志著我國靜止軌道氣象衛星成功實現了升級換代。通過風云四號氣象衛星動態監測圖像，可以清楚地看到沙塵影響范圍、移動方向和擴展情況等。

6 監測工礦企業污染

衛星遙感監測實現了對建筑揚塵、平房燃煤等的動態監測，為監管潛在污染源提供了技術支持。例如，全北京的混凝土攪拌站在空間分辨率達到亞米級的衛星照相機鏡頭前，可謂無處遁形。再如，河北省利用高分辨率（優于2m）的多光譜衛星影像，采集省內的揚塵地表圖斑，直觀展示全省范圍內的揚塵類型、分布和面積情況。通過衛星遙感技術監測工礦企業的污染，為排放源控制及產業結構優化的升級決策提供了基本信息支持。

綜上所述，面對我國嚴峻的霧霾污染狀況，應當進一步發展遙感探測技術，促進遙感監測技術的不斷提高，通過遙感技術結合地面監測的方式，讓霧霾“無處可逃”。

[參考文獻]

[1] 申明.衛星遙感監測：捕捉霧霾的“天眼”[N].科技日報，2015-10-28（03）.

[2] 丁釗煜，魏青，周陽.遙感監測技術在河北省霧霾監測中的應用[J].河北省科學院學報，2016 （4）：53-57.

[3] 戴羊羊，李成范，周時強，等.基于遙感的上海地區霧霾監測研究[J].測繪工程，2015 （12）：29-32.

[4] 王鵬.遙感技術在大氣環境監測中的應用[J].資源節約與環保，2016（11）：125-126.

[5] 關佩琪，關綺文.淺談汽車尾氣遙感監測技術的原理及應用[J].企業技術開發，2015（24）：21-23.

[6] 張英濤.保定引進無人機和尾氣遙感系統監測污染[N].河北日報，2017-11-07（11）.