衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

郭鳳云，劉 波，姬勇力，李勝林

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000）

近年來(lái)，衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用越來(lái)越受到國(guó)際社會(huì)的認(rèn)可，美國(guó)、日本及歐洲的一些國(guó)家近年來(lái)也大力發(fā)展環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，目前在軌運(yùn)行的國(guó)外遙感衛(wèi)星為環(huán)境監(jiān)測(cè)所提供的空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)間分辨率越來(lái)越高。隨著我國(guó)高分系列衛(wèi)星的發(fā)射和運(yùn)行，國(guó)內(nèi)已初步形成了資源、環(huán)境、氣象、海洋等系列的遙感衛(wèi)星體系，具備準(zhǔn)實(shí)時(shí)、全天候獲取各種空間數(shù)據(jù)的能力，形成集高空間、高光譜、高時(shí)間分辨率等的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。在衛(wèi)星資源大幅度改善的情況下，如何做好環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)劃，利用好現(xiàn)有資源才是我們更應(yīng)該關(guān)注和解決的問(wèn)題[1]。

1 基于衛(wèi)星遙感的地面固體污染源監(jiān)測(cè)

隨著社會(huì)快速發(fā)展，無(wú)論是鄉(xiāng)村還是城鎮(zhèn)，固體廢棄物的排放量逐年增多，市政建設(shè)、棚戶區(qū)改造、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域高速發(fā)展，其中建筑施工過(guò)程中裸土工地?fù)P塵成為影響城區(qū)空氣質(zhì)量的重要來(lái)源。常規(guī)裸土工地監(jiān)測(cè)手段主要為人工現(xiàn)場(chǎng)檢查，對(duì)于較大工地或者較遠(yuǎn)縣區(qū)的施工項(xiàng)目存在監(jiān)測(cè)不全面、人工監(jiān)測(cè)成本較高的問(wèn)題。利用高分辨率遙感衛(wèi)星影像信息提取技術(shù)開(kāi)展裸土工地污染源遙感監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)大范圍、全覆蓋的裸土工地監(jiān)測(cè)，為環(huán)保部門(mén)的污染源監(jiān)測(cè)及執(zhí)法工作提供依據(jù)，如圖1、2所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

圖2 施工裸土圖斑

針對(duì)環(huán)境保護(hù)這方面的需求，獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域2019年4月高分二號(hào)（0.8 m分辨率）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)用ENVI5.3對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正，圖像融合等一系列預(yù)處理，最終對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的施工裸土圖斑進(jìn)行邊界提取和經(jīng)緯度提取，監(jiān)測(cè)區(qū)域面積共有103.091 97 km2，其中施工裸土圖斑124個(gè)，占地面積7.276 52 km2。

基于以上圖斑信息和經(jīng)緯度、面積等統(tǒng)計(jì)信息，可為當(dāng)?shù)丨h(huán)保執(zhí)法部門(mén)提供客觀的數(shù)據(jù)支撐，節(jié)省人力成本的同時(shí)也提高了執(zhí)法的精準(zhǔn)高效（如表1）。

表1 部分圖斑的面積及經(jīng)緯度提取

2 基于衛(wèi)星遙感的新鄉(xiāng)大氣污染物監(jiān)測(cè)

大氣氣溶膠是分布在大氣中的固態(tài)或液態(tài)懸浮微粒組成的體系，是影響大氣環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要因子，而氣溶膠光學(xué)厚度（aerosol optical depth，AOD）是大氣氣溶膠最重要的參數(shù)之一。衛(wèi)星遙感[2]手段反演氣溶膠的原理主要是基于太陽(yáng)輻射在經(jīng)大氣傳輸?shù)降乇淼倪^(guò)程中，受到氣溶膠粒子的散射和吸收作用會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)太陽(yáng)輻射的變化程度可以反演氣溶膠的光學(xué)特性。衛(wèi)星遙感反演氣溶膠具有大范圍同步觀測(cè)、時(shí)效性強(qiáng)、獲取方便能優(yōu)點(diǎn)，可解決現(xiàn)有的地面環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)法進(jìn)行大尺度區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷，有效提高監(jiān)測(cè)能力。

2.1 大氣氣溶膠反演

氣溶膠的反演方法有多種，大體上可分為5 類(lèi)[3]：?jiǎn)瓮ǖ篮投嗤ǖ婪ā⒒趯?duì)比度差異的空間結(jié)構(gòu)法、基于多角度數(shù)據(jù)的反演方法、基于偏振數(shù)據(jù)的反演方法和基于星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的反演方法。本文采用多通道反演方法中最為廣泛應(yīng)用的暗像元法[4]，又叫濃密植被法，選取MODIS數(shù)據(jù)是MOD02 L1B 1km數(shù)據(jù)，處理流程如圖3所示。

圖3 大氣氣溶膠數(shù)據(jù)處理流程

基于上述所示流程圖，選取新鄉(xiāng)市2019年春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)云量較少某日的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行暗像元法氣溶膠光學(xué)厚度反演，并構(gòu)建AOD與PM10線性回歸[5-6]相關(guān)模型，得到的結(jié)果如圖4～7所示。

圖4～7是基于氣溶膠光學(xué)厚度反演得到的PM10的空間分布態(tài)勢(shì)分析圖。由圖可知，不同季節(jié)PM10呈現(xiàn)不同的分布特征，由于大氣環(huán)境比較復(fù)雜，影響氣溶膠光學(xué)厚度的因素很多，本文不作深入探討。

圖4 春季某日PM10濃度分布圖

圖5 夏季某日PM10濃度分布圖

圖6 秋季某日PM10濃度分布圖

圖7 冬季某日PM10濃度分布圖

2.2 地面站數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析

獲取了新鄉(xiāng)市2019年11月及12月地面監(jiān)測(cè)站PM10數(shù)據(jù)，并提取新鄉(xiāng)市2019-11-28～2019-12-31的所有成圖數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)地面站點(diǎn)的PM10的值（共11 d的對(duì)比數(shù)據(jù)），如表2所示。

表2 獲取的兩組數(shù)據(jù)

對(duì)11組PM10數(shù)據(jù)以地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)為Y軸衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為X軸，做回歸分析得出回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果為復(fù)相關(guān)系數(shù)值為0.916，說(shuō)明地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)獲取的PM10數(shù)據(jù)與衛(wèi)星影像獲取的PM10數(shù)據(jù)呈正相關(guān)且相關(guān)性很強(qiáng)；F顯著性水平值為7.42E-05，該值小于0.005即Sig F值的顯著性較強(qiáng)，說(shuō)明回歸模型的回歸效果較好，即遙感影像數(shù)據(jù)能很好地反應(yīng)地面PM10濃度的變化趨勢(shì)；因此可以得出衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)PM10與地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM10的值呈線性正相關(guān)，即衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映地面監(jiān)測(cè)站PM10變化趨勢(shì)（圖8）。

圖8 反演數(shù)據(jù)與地面數(shù)據(jù)線性擬合圖

通過(guò)對(duì)11組新鄉(xiāng)市地面站點(diǎn)及衛(wèi)星影像PM10數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果顯示地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)存在很強(qiáng)的相關(guān)性，通過(guò)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地面PM10污染監(jiān)測(cè)可靠且有效。

3 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合本地環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用迫切需求，本文將現(xiàn)有遙感技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際案例中，并實(shí)現(xiàn)了文中所述的兩項(xiàng)遙感技術(shù)的業(yè)務(wù)化服務(wù)，但由于大氣氣溶膠多變的時(shí)空特性、探測(cè)技術(shù)精度的限制及地域關(guān)鍵信息的缺失，氣溶膠定量反演技術(shù)并不完善，城市地區(qū)的地表類(lèi)型復(fù)雜，進(jìn)行氣溶膠反演時(shí)地表反射率的精度確定非常困難[7]，大氣氣溶膠定量反演技術(shù)仍有較大的提升空間，尤其在氣溶膠光學(xué)厚度AOD與當(dāng)?shù)豍M10污染指數(shù)建立相關(guān)模型時(shí)具有一定的區(qū)域局限性，研究其他區(qū)域時(shí)，需要重新建立適合的模型。