“空天地”一體化監測技術在京津冀大氣污染防治工作中的應用

劉旭 閆益康 王海新 吳思莉

摘 要：利用衛星遙感技術反演大氣氣溶膠光學厚度，對W區及周邊大尺度范圍內的顆粒物區域傳輸與本地排放進行了分析；利用大氣顆粒物監測激光雷達，對W區主城區及開發區等重點區域進行了激光水平掃描，利用消光系數、退偏振比等重要參數對W區顆粒物污染進行了分析；利用多參數微型空氣站，對W區重點監測區域進行了網格化空氣質量監測監管。將衛星遙感技術、激光雷達技術與微型站地面監測技術結合起來，為W區環境空氣質量監管提供了可靠依據，為大氣環境質量監管提供了典型案例。引入了多源信息集成與融合技術，提出一種基于衛星遙感、激光雷達、微型空氣站和視頻監控技術的空氣質量監測系統模型，并將該模型應用于空氣質量的監測與評價中。

關鍵詞：衛星遙感；激光雷達；網格化管控技術；細顆粒物；可吸入顆粒物

中圖分類號：X51 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0001-06

Abstract： The atmospheric aerosol optical thickness is inversed by satellite remote sensing technology， the regional transmission and local emission of particulate matter in W area and surrounding large scale range are analyzed， and the Lidar is used to monitor atmospheric particulate matter. The laser horizontal scanning was carried out in the main urban area and development zone of W area， and the particle pollution in W area was analyzed by using important parameters such as extinction coefficient， depolarization ratio and so on. The gridding air quality monitoring and supervision has been carried out in the key monitoring area of W area. The combination of satellite remote sensing technology， Lidar technology and micro station ground monitoring technology provides a reliable basis for the supervision of ambient air quality in W area and a typical case for the supervision of atmospheric environmental quality. In this paper， the technology of multi-source information integration and fusion is introduced， and an air quality monitoring system model based on satellite remote sensing， Lidar， micro air station and video monitoring technology is proposed， and the model is applied to the monitoring and evaluation of air quality.

Keywords： satellite remote sensing； Lidar； gridding control technology； fine particles； respirable particles

1 概述

在T市乃至全國范圍內，顆粒物污染已經對公眾健康和生態環境構成了巨大的威脅[1]。2013年9月，國務院發布了“大氣十條”政策，出臺了大氣污染監測、防治的十項措施。2017年，T市發布了“十三五”生態環境保護規劃，對顆粒物等大氣環境污染物防治提出了更高的要求。W區在T市范圍內面臨較大的環保壓力，尤其是在環境空氣污染物減排、預防等方面，仍有較大提升空間。

目前，對顆粒物污染的常規檢測手段主要是通過地面儀器進行連續采樣監測，通常監測站點數量有限[2]，難以在大區域尺度范圍內掌握顆粒物的污染分布狀況[3-4]。與之相比，衛星遙感監測具備大區域范圍內連續觀測的優勢[5]，能夠在不同尺度上反映顆粒物的宏觀分布趨勢，為顆粒物的來源、分布等分析提供重要依據。大氣探測激光雷達以激光為光源，通過探測激光散射信號并進行數據反演[6-8]，從而得到大氣中氣溶膠粒子的相關信息，在較大尺度范圍內形成顆粒物濃度連續監測，為區域內顆粒物分布和監測點位布設提供數據基礎。空氣質量監測微型站設備可以用于構建空氣環境質量監測、預警、預報平臺，實現網格化、大面積聯防管控，促進環境污染大數據監測[9-11]，實現對現有國控站、市控站監測點位的低成本、小型化監測點位補充，網格化監測網絡結合云計算、大數據，實現區域環境質量精細化管控。

2 實驗部分

衛星遙感顆粒物監測技術可以實現大區域范圍的顆粒物濃度監測，本文通過衛星遙感得到的后向散射消光系數，反演了大氣氣溶膠光學厚度，對京津冀區域內PM2.5濃度分布進行了分析。

針對W區PM2.5區域性污染，本文利用激光發射器發射脈沖激光，與大氣顆粒物相互作用產生后向散射光，由信號接收系統接收后，反演出大氣顆粒物的消光系數和退偏振度系數的空間分布，進而描述出W區大氣質量狀況。

根據激光雷達的監測結果，本文利用中國節能環保集團微型站監測設備和系統對W區顆粒物濃度熱點區域進行現場實際調研和考察，并根據實地考察及分析結果，我們將W區的重點監測區域分為了三個部分進行重點監測。在構建微型站監測網絡的同時，我們同步建設了重點污染區域視頻監控設施，實現污染實時發現、證據留存、監督整改等功能。

3 結果與分析

3.1 衛星遙感反演京津冀地區PM2.5時空分布

如圖1所示為2018年8月24日-28日， PM2.5平均濃度的空間分布圖示。其中，箭頭指向的區域為T市W區。對京津冀的衛星遙感統計時間分為三個時段，分別是00-06LT、07-18LT（Day）、19-23LT，圖中未顯示時段代表無數據。受8月23日污染影響（PM2.5為69？滋g/m3）以及夜間顆粒物沉降導致的濃度富集因素，8月24日凌晨（00-06LT）包括W區（主要分布在W區東部）在內的T市和C市北部的PM2.5濃度仍然偏高，平均濃度超過50？滋g/m3；24日白天，整個京津冀地區空氣質量明顯改善，W區平均顆粒物濃度低于25？滋g/m3；自25日起，空氣污染從京津冀南方開始加重，向北方延伸，至27日白天形成了以石家莊和北京市為中心的南北兩個污染區，W區的空氣質量也受到影響；27日夜間至28日，懸浮顆粒物濃度下降，空氣質量得以改善。

整體而言，24-28日期間，除24日早間，其他時間W區空氣質量均優于京津冀的平均狀態。

根據氣象數據，對氣團流動因素進行結合，實現8月24日-8月28日的W區環境空氣質量后向軌跡追蹤。如圖2所示為T市W區8月24日至8月28日期間逐日氣團后向軌跡分布。

8月24日，W區氣團來自于較潔凈的黑龍江和內蒙古等地，攜帶的清潔氣流有利于23日夜間富集的污染物的消散；從8月25日開始，來自東北地區的氣團逐漸減弱，至26-27日演變為來自于京津冀南部的氣團，此時京津冀南部地區的污染加重，從而會對W的空氣質量產生不利影響。至28日，達到W的氣團則變為發源于黃海海域的長距離輸送的氣團，向W輸入清潔氣流，有助于W空氣質量的改善。

3.2 激光雷達反演W城區PM2.5區域分布

2018年8月25日至2018年8月28日，本文以保利·上河雅頌南區24號樓樓頂為中心，開展半徑10km內雷達掃描，經由散射信號接收系統接收信號后，計算反演出激光雷達水平觀測的部分消光系數圖，圖中底圖為高清地圖，圓形區域為測試區域。

以27日/28日兩天的激光雷達掃描結果為例，如圖3為2018年8月27日05：05-09：32和8月27日20：02-28日01：21消光系數圖。27日05：05-06：11時間段內在監測點東北方向出現輕度污染，泉旺路，北財源道內開始形成團狀污染，經地圖查看，污染可能來自周圍一些藥業、化工公司。07：18分，觀測點北面出現片狀污染區域且東北方向較嚴重，至08：25，污染擴散北偏東0-20°范圍內形成嚴重片狀污染，09：32，監測區域出現潔凈空氣。27日20：02-22：00，泉達路、前進道、富民道范圍內出現團狀污染，至23：07，這個區域又出現團狀污染，并且泉水道、建設路出現條狀污染，至28日00：14，南東路、京福公路條狀污染。受東南風影響（12km/h），區域內呈現清潔狀態。

2018年8月25-28日激光雷達水平觀測結果顯示：

（1）監測范圍內05：00-10：00左右時間段顆粒物污染程度明顯高于其他時間段。導致該現象產生的原因為：其一，夜晚氣溫較白天低，大氣邊界層高度下降，大氣對流減弱，顆粒物污染沉降，不利于污染物擴散；其二，應考慮周邊企業在此時間段內存在生產經營行為。

（2）監測點周圍顆粒物污染較為嚴重。這與監測點處于W區城區中心，周圍人口密集高，建筑物密集，交通與生產生活的污染排放較大有關。

3.3 環境空氣質量微型站監測

3.3.1 比對學習和數據處理平臺

中節能天融科技有限公司是專業的環境監測專業公司，在空氣質量微型站監測設備、平臺和數據處理方面具備雄厚的技術基礎和豐富的實踐經驗。

由于環境空氣質量微型站監測設備多為光散射法監測，與國控空氣站、市控空氣站的監測方法有所區別，其監測數值與精度也有較大差異，因此多以微型站設備監測數據的趨勢作為微型站設備的監測結果。為提高微型站監測設備的監測精度和數據水平，將微型站監測設備安裝至國控站或市控站附近進行比對學習，是非常必要的一種校準手段。為支持本文監測項目的進行，提前將10臺微型站監測設備安裝至W區政府大樓樓頂，與國控站數據進行比對學習。通過多參數比對學習方法，天融科技技術人員將微型站設備數據與市控站標準數據進行擬合，得到了微型站設備W區域系列參數，并將比對學習的參數定制化地加入到W設備數據平臺，為下一步的各個點位的監測數據準確性提供了保障。

3.3.2 微型站設備監測區域板塊劃分及點位布設

如圖6所示，W區微型站設備監測板塊劃分結果如下：

（1）工業園區重點監測板塊（加密監測）：面積為2km*3km，機械類、電子制造、紡織類、制藥類、涂料類企業密布。在該區域內進行加密布設微型站設備，監測該區域內顆粒物污染情況。該區域顆粒物污染原因推測為機械、電子、紡織、涂料、制藥等企業的工業粉塵、供熱燃氣鍋爐等產生的一次顆粒物，以及上述工業企業排放的某些污染氣體組分（二氧化硫、氮氧化物、碳氫化合物等）之間，或這些組分與大氣中的正常組分（如氧氣）之間通過光化學氧化反應、催化氧化反應或其他化學反應轉化生成的二次顆粒物。

（2）前進道監測板塊：該區域多為新居民區，在建工地分布較多，在該區域內布設微型站監測設備，重點監測該區域內及周邊建筑工地揚塵顆粒物、油煙顆粒物等污染情況；該區域污染原因推測為飯店餐飲油煙等產生的一次顆粒物、機動車尾氣等產生的二次顆粒物等因素。

（3）W主居民區監測板塊：該區域主要為居民辦公區，主要監測目標為該區域及周邊的機動車尾氣、餐飲油煙污染、機動車揚塵等造成的二次顆粒物污染情況；該區域顆粒物污染原因推測為建筑工地的建筑揚塵、飯店餐飲油煙等產生的一次顆粒物、機動車尾氣等產生的二次顆粒物等因素。

根據監測板塊劃分結果，天融科技技術人員按照國家相關標準和實地考察結果，在計劃監測區域進行了點位選擇，布設10臺微型站監測設備。

3.3.3 重點污染天氣及其網格化分析

在微型站監測時段內，10月3-5日和10月13-15日是兩個污染較為嚴重的時段，本文根據網格化環境空氣質量監測結果，對上述兩個時段進行了重點分析。

根據網格化監測板塊結果，天融科技對W區兩個重點時段顆粒物污染數據進行分析，并對數據分析結果進行評價。

結論如下：

（1）在3日23：00-4日7：00、4日23：00-5日5：00等夜晚時間段，顆粒物濃度處于明顯的上升階段，13日的12：00-20：00、14日的18：00-24：00顆粒物濃度上升明顯，并整體呈現長時間的顆粒物污染情況。

（2）顆粒物的污染時間多為傍晚和深夜，清晨到上午會得到緩解，結合監測熱點板塊的特征可推測，造成顆粒物污染的主要因素多為企業生產排污、施工場地揚塵、下班時間交通擁堵產生的大量汽車尾氣以及餐飲集中區域的油煙排放有關。

4 結論和建議

本文將衛星遙感、激光雷達和地面網格化管控技術有機結合，對W區大氣環境質量進行了大區域尺度（衛星遙感）、城區尺度（激光雷達）和熱點網格尺度（微型站監測）的三個尺度的監測，并對每個尺度進行了W區域定制化研究和分析。同時，本文利用視頻監控設施對重點監控區域進行實時監控、證據留存、智能識別和整改監督。主要監測內容包括空氣質量視頻監控、工業廢氣視頻監控、建筑工地視頻監控、渣土場及車輛視頻監控、機動車檢測線視頻監控、高空瞭望監控視頻、污染源排水口視頻監控和水環境視頻監控內容。

本文得到結論如下：

（1）8月24-28日期間W區的空氣質量主要受區域氣團傳輸的影響。

（2）除了區域傳輸外，W區污染還受到本地排放的影

響，但是本地排放的影響范圍小，作用時間短，且密集的建筑物和發達的交通加重了W區的夜間污染。

（3）顆粒物污染時間多集中在下午至傍晚（11：00-16：00）、凌晨至清晨（0：00-7：00）這兩個時間段，因此我們對W區的重點監測區域做如下分析：

a.工業園區重點監測板塊（加密監測）：該區域以機械類、電子制造、紡織類、制藥類、涂料類企業為主，因此考慮到夜晚顆粒物沉降因素外，還應考慮該區域生產企業存在夜間生產行為或減排設施工況不正常的因素，建議加強對企業偷排漏排、違規生產等現象的管控。

b.前進道監測板塊：該區域多為新居民區，在建工地分布較多，施工揚塵為顆粒物污染的主要貢獻源，應聯合住建委等相關監管部門做好施工場地的監管，嚴格執行進出車輛路面硬化、運貨車輛加蓋苫布、道路即時噴淋等措施，同時主干道路機動車尾氣等產生的二次顆粒物等因素也應予以考慮，加強進出車輛的管控。

c.W主居民區監測板塊：該區域多為生活居民區，主要污染源為機動車尾氣、餐飲油煙污染、機動車揚塵等造成的二次顆粒物污染，因此應對主要路段加強上下班時段車流量的疏通，防止交通擁堵產生大量尾氣，夜晚應加強餐飲集中區域的油煙排放，禁止路邊燒烤等不規范的餐飲經營行為。

本文根據環境監管的整體流程，構建基于多源融合的環境大數據的分析服務體系。環境大數據分析服務體系包括數據收集、數據融合及數據運用三個階段，整個過程囊括了從環境監測到環境監管過程中的說清現狀、發現問題、分析問題、溯源追因四個過程。環境大數據分析服務體系從全方位監測出發，最終實現全方位監管。通過衛星遙感監測服務，客觀監測PM2.5等指標，評估大尺度區域空氣質量，劃定污染重點關注區域；運用激光雷達監測服務，監測空氣污染分布和垂直擴散、傳輸等情況，將污染范圍細化，定位區域；圍繞制定的區域，劃分網格，布設微型空氣質量監測站，精準確定區域自身污染源和跨界污染源，實現污染的追根溯源；同時，采用視頻監控服務，對污染事件的發現進行取證，對污染事件后續處理情況進行實時監督，過程跟進。

多源融合技術將衛星遙感、激光雷達、微型空氣站和視頻監控技術等“空天地”多維度的環境監測技術進行一體化融合，實現宏觀微觀監測融合、人防技防管控融合，從而實現說清污染來源、分析污染規律、發現污染成因、鎖定污染元兇的精準溯源的目的，具備專業技術融合、無需建設施工、數據實時分析等優勢。

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