基于衛星遙感的大氣環境監測技術應用

郭思曉 張霄 周思寧 蘇樅樅 趙全 劉洋

【摘要】 本文主要闡述衛星遙感技術應用于大氣環境監測的必要性和可行性，并簡要分析目前國內外的主要研究方法，著重介紹了沈陽地區環境監測中應用衛星遙感技術的現狀，最后展望了衛星遙感技術應用于大氣環境監測的前景和未來。

【關鍵詞】 衛星遙感;大氣，環境監測

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2022.01.033

Application of Atmospheric Environment Monitoring Technology Based on Satellite Remote Sensing

GUO Si-xiao，ZHANG Xiao，ZHOU Si-ning，SU Cong-cong，ZHAO Quan，LIU Yang

（Shenyang Environmental Monitoring Centre，Shenyang 110015，China）

Abstract： This article mainly elaborates the necessity and feasibility of the application of satellite remote sensing technology to atmospheric environmental monitoring，and briefly describes the current main research methods at home and abroad，focusing on the status of the application of satellite remote sensing technology in environmental monitoring in Shenyang，and finally prospects the satellite remote sensing technology application to the prospect and future of atmospheric environment monitoring.

Key words： satellite remote sensing;atmospheric;environment monitoring

沈陽區域大氣環境污染是環境監測的重要工作內容，企業偷排、漏排及農戶焚燒秸稈等污染行為呈現越來越隱蔽的特征，傳統采用傳感器和依靠單一衛星監測的手段，已無法滿足對污染溯源以及精準監測管理的要求。基于多源衛星的大氣環境污染監測，通過加強衛星觀測頻次和精度，融合大氣化學的傳輸沉降模式，可以對污染源進行精準分析，并對污染的追根溯源及源頭整改提供科學依據。

1 衛星遙感技術應用于大氣環境監測的必要性和可行性

以國家、省、市、縣（區）監測站為核心的四級監測網絡體系是我國目前環境監測所采用的主要方式。傳統以點為主的環境監測方法，監測點分布主要集中在城區，而且數量有限，在“由點及面”的插值過程中不能保證插值精度[1]。由于臭氧、二氧化硫、二氧化碳、甲烷、氣溶膠光學厚度和可吸入顆粒物濃度都有各自的輻射和吸收光譜，因此，可以利用衛星遙感提供的大氣散射、吸收和輻射的光譜特征值進行反演，進而提取大氣中各成分的濃度值，實現對大氣環境的監測[2-3]。美國是世界上最早使用遙感衛星進行環境監測的國家，通過它的多個衛星系統，從巖石圈、水圈、大氣圈、冰層圈和生物圈等方面觀測和研究地球的環境狀況。近年來，我國遙感衛星技術發展迅速，建立了由資源系列衛星、海洋系列衛星、氣象系列衛星和遙感系列衛星組成的遙感衛星體系[4]，繼而以多源衛星為基礎構建一個可以實現地區化反演模型、數據處理、環境監測指標提取的環境監測系統。

2 衛星遙感技術應用于大氣環境監測的主要方法

在大氣顆粒物衛星遙感監測研究中，被公認的反映區域大氣顆粒物污染狀況精度較高的數據源是氣溶膠光學厚度數據[5]，其估算顆粒物質量濃度的方法主要分為以下五個類型。

1）PM2.5與氣溶膠光學厚度（AOD）簡單線性回歸。基于PM2.5和氣溶膠光學厚度（AOD）之間的相關性系數，在此基礎上建立一元線性回歸模型。

2）考慮大氣和氣溶膠垂直分布的影響構建的PM2.5和氣溶膠光學厚度（AOD）線性回歸模型。這類模型是通過混合層高度和濕度因子等因素對氣溶膠光學厚度進行修正的基礎上，再與PM2.5進行相關性分析和建模。

3）在考慮多種氣象要素以及地表參數的基礎上，構建PM2.5和氣溶膠光學厚度（AOD）的多元回歸模型、線性混合效應模型、廣義相加模型等。

4）將大氣環境數值模擬技術與衛星遙感反演數據相結合，利用模型擬合氣溶膠垂直廓線，根據衛星遙感數據計算出PM2.5質量濃度的換算系數，進而估算PM2.5的質量濃度。

5）機器學習方法，通過深度學習建立PM2.5與氣溶膠光學厚度（AOD）和多個氣象要素的計算模型。其中STET（space-time extremely randomized trees）是一種基于超隨機樹的機器學習方法（流程圖見圖1）。經與地面實測對比表明，PM2.5和PM10反演值與地面觀測值的相關系數均可達0.9以上，PM2.5反演中用到的輸入數據信息見表1。

3 衛星遙感技術在沈陽區域環境監測應用現狀

遼寧省沈陽生態環境監測中心于2011年12月針對沈陽市生態環境存在的主要問題，綜合利用MODIS、TM、HYPERION等國外衛星數據以及環境一號衛星、中巴資源衛星等國產衛星遙感數據，重點研究了沈陽市土地利用變化信息提取技術、秸稈燃燒快速監測技術、水體污染監測技術、土地沙化速度提取技術、城市熱島效應監測技術。解決多源遙感數據生態環境遙感監測的關鍵技術和衛星遙感反演數據與地面臺站觀測數據的融合技術。形成多遙感數據的生態環境遙感監測算法、方法及模型，開發出沈陽市生態環境遙感監測與預警系統軟件。

2021年沈陽生態環境監測中心以沈陽地區為研究區域，綜合利用地面監測空氣質量數據、多源衛星遙感氣溶膠產品、衛星遙感火點產品和靜止衛星影像產品等，探究特定污染因子影響（霧霾頻發時段、沙塵季節、秸稈焚燒季節）背景下，大氣細顆粒物質量濃度的變化特征與影響因素，分析氣溶膠光學厚度與大氣細顆粒物質量濃度的相關性，建立細顆粒物質量濃度衛星遙感估算模型，為大氣污染的遙感監測研究提供有效的技術方法。通過沈陽地區顆粒物光學特性（AOD）和質量濃度的時空分布總體特征，做出相應年份、季節分布圖和污染事件分布圖，建立適用于沈陽地區的衛星遙感地面顆粒物濃度估算模型，并基于顆粒物估算模型初步實現顆粒物污染事件預警功能。

4 衛星遙感技術在大氣監測領域應用前景

衛星遙感技術的應用，大大提高了城市大氣污染監測的能力和水平，且進一步擴展了大氣污染監測的范圍。通過衛星遙感不僅可以了解污染物（顆粒物、污染氣體等）的總量及水平分布，還可以進一步獲取其垂直廓線，這有助于深入了解污染物的分布和輸送特征。雖然可以利用氣球探空、飛機、火箭和雷達等技術進行測量其垂直分布特征，但費用巨大，且不能滿足大面積大氣污染監測的需要。綜合利用地面監測空氣質量數據、多源衛星遙感氣溶膠產品、衛星遙感火點產品和靜止衛星影像等，分析氣溶膠光學厚度與大氣細顆粒物質量濃度的相關性，建立細顆粒物質量濃度衛星遙感估算模型，能夠為大氣污染的遙感監測研究提供有效的技術方法。

【參考文獻】

[1] 李正珊.多源遙感衛星環境監測綜合應用平臺的設計與實現[D].上海：華東師范大學，2017.

[2] 程立剛，王艷姣，王耀庭.遙感技術在大氣環境監測中的應用綜述[J].中國環境監測，2005（5）：17-23.

[3] 汪曦，陳仁杰，闞海東.遙感技術在大氣污染物監測中的應用進展[J].環境與健康雜志，2011（10）：924-927.

[4] 匡昭敏，陳超泉，黃永辯，等.基于RS和GIS的生態環境監測評估應用系統[J].計算機工程，2008（8）：258-260.

[5] 張小強.基于MODIS數據的城市地區氣溶膠光學厚度遙感反演研究[D].西寧：蘭州大學，2009.

【作者簡介】

郭思曉（1985-），女，工程師，碩士，研究方向為環境監測。