李旭文，姜晟，牛志春，茅晶晶，侍昊，王甜甜，丁銘

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036)

·前沿評述·

基于Landsat TM/ETM+/OLI遙感大數(shù)據(jù)分析南京市1984—2015年大氣能見度變化趨勢

李旭文，姜晟，牛志春，茅晶晶，侍昊，王甜甜，丁銘

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036)

對南京市1984—2015年Landsat 4/5/7/8衛(wèi)星TM/ETM+/OLI傳感器獲取的遙感數(shù)據(jù)，利用ENVI遙感軟件的FLAASH大氣校正模塊，進行了區(qū)域大氣能見度(VIS)遙感反演。結(jié)果表明，時間跨度達30余年的Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)影像序列反演的VIS呈明顯的下降趨勢，20世紀80年代數(shù)值較高，“差”能見度(<10 km)的觀測率不到6%，21世紀以來VIS下降明顯，“差”能見度的觀測率為20%～25%。與2010—2015年南京市PM10、PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比，在城市空氣清潔及污染較輕時，星地監(jiān)測結(jié)果有較好的一致性，但中到重污染天氣時FLAASH算法反演VIS偏高，側(cè)重于代表離主城區(qū)距離遠的偏遠鄉(xiāng)野山林地區(qū)的能見度狀況。

Landsat ；TM；ETM+；OLI；區(qū)域大氣能見度；遙感反演；空氣質(zhì)量；南京市

空氣質(zhì)量的下降常表現(xiàn)為空氣渾濁、能見度顯著降低，是十分典型的環(huán)境光學現(xiàn)象[1-4]。近年來，隨著在軌運行的衛(wèi)星多光譜、高光譜傳感器越來越多，獲取的全球各地遙感信息愈加豐富，及時性也顯著提高。多數(shù)衛(wèi)星影像傳感器具有合理的覆蓋可見光、近紅外和反射紅外的波段設(shè)置，基于衛(wèi)星遙感影像自身的多波段信息反演區(qū)域的大氣能見度水平、得到氣溶膠光學厚度(AOT)的空間分布，進而使得對區(qū)域空氣質(zhì)量和灰霾進行評價的研究得到重視[5-7]，成為地面監(jiān)測的重要補充。美國Landsat系列衛(wèi)星為主的對地觀測有40多年的全球各地歷史遙感資料，通過互聯(lián)網(wǎng)為全球提供公益共享服務(wù)，具有低成本、可有效監(jiān)測區(qū)域面上分布等獨特的優(yōu)勢，尤其是20世紀80年代中期以來，相繼有Landsat 4、5、7、8號衛(wèi)星的TM、ETM+、OLI傳感器獲得了完整性最好、輻射定標精度高的遙感影像海量“大數(shù)據(jù)”，可以有效地定量反演當時的大氣能見度水平。

在20世紀80、90年代乃至21世紀初，我國各地空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)極少甚至缺乏，人們只能憑印象來回憶那些時期的空氣質(zhì)量和藍天狀況，而長時間序列的Landsat衛(wèi)星光學遙感影像資料，通過光譜特征客觀記錄了這一時期區(qū)域經(jīng)濟社會活動與區(qū)域大氣清潔度的關(guān)聯(lián)，因此，挖掘Landsat 影像的大氣遙感信息，對于回顧研究區(qū)域大氣污染的中長期歷史趨勢有重要的甚至獨一無二的價值。

國內(nèi)外研究者利用Landsat數(shù)據(jù)開展了大氣校正研究[8-13]。王耀庭等[11]采用Landsat TM表觀反射率標準方差之比法對北京地區(qū)的氣溶膠空間分布進行了半定量描述，計算了同一日大氣能見度空間分布。Adler-Golden等[12]對基于MODTRAN 5改進后的FLAASH反演能見度的效果進行了分析，認為對于Landsat TM及后續(xù)傳感器以0.69與2.2 μm波段的反射率比值取0.5、2.2 μm波段反射率上限值取0.08，通過暗像元法反演的區(qū)域大氣能見度更為精確，這一研究成果也被新版本的ENVI軟件采納；侯東等[13]對北京地區(qū)Landsat TM影像表觀反射率用FLAASH大氣校正軟件處理，反演影像獲取時的氣象視距，與根據(jù)AERONET北京站氣溶膠光學厚度觀測數(shù)據(jù)計算的氣象視距十分接近。

文獻[14]利用ENVI遙感軟件的FLAASH大氣校正模塊，對Landsat 7 ETM+數(shù)據(jù)遙感反演了太湖地區(qū)的區(qū)域大氣能見度信息，文獻[15]利用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)遙感反演了江蘇鹽城市區(qū)域大氣能見度信息，均顯示與地面能見度觀測結(jié)果有較好的一致性，表明Landsat TM以來的傳感器獲取的多光譜遙感影像對區(qū)域大氣污染監(jiān)測和評價有很好的可行性和業(yè)務(wù)化價值。

為了分析20世紀80、90年代南京市區(qū)域大氣能見度狀況，在USGS Landsat數(shù)據(jù)下載服務(wù)網(wǎng)站[16]系統(tǒng)收集了1984年5月—2015年12月間過境南京市的美國Landsat TM、ETM+和OLI影像大數(shù)據(jù)，時間跨度達31年余，對該區(qū)域大氣能見度信息進行遙感反演提取，可以在一定程度客觀分析、回顧南京市大氣渾濁度中長期變化趨勢，為空氣質(zhì)量的持續(xù)改善效果提供一個獨特的評估視角。

1 方法與資料

1.1 研究流程

研究的數(shù)據(jù)處理流程見圖1。

圖1 基于Landsat遙感大數(shù)據(jù)分析南京市1984—2015年區(qū)域大氣能見度變化的數(shù)據(jù)處理流程

1.2 區(qū)域大氣能見度遙感反演方法

大氣能見度代表了一定區(qū)域的大氣渾濁狀況，與空氣中PM10、PM2.5質(zhì)量濃度以及水平和垂直方向空間分布有直接的關(guān)系，是反映大氣氣溶膠特性、評價區(qū)域灰霾問題的重要參數(shù)，晝間人眼能見度是指視力正常的人能從背景(天空或地面)中識別出具有一定大小的目標物的最大距離，取決于正常人眼的視覺感閾(Contrast Threshold)。但是氣象觀測以及遙感應(yīng)用中表征區(qū)域大氣能見度使用的是具有客觀比較意義的氣象視距。在國際上最常用的MODTRAN輻射傳輸計算方程中，大氣能見度(Visibility，VIS)定義為0.55 μm中心波長與水平方向大氣光學厚度有關(guān)的數(shù)值，采用以下公式來計算[12]：

(1)

式中：VIS——大氣能見度，km；

E550——0.55 μm波長處的氣溶膠消光系數(shù)；

0.011 59——0.55 μm波長處分子瑞利散射帶來的消光貢獻。

由于大氣中的消光系數(shù)隨波長的增長而減小，所以波長增加時，能見度將增大，為便于比較，采用0.55 μm波長的消光系數(shù)近似表示可見光波段平均消光系數(shù)。除了沙塵暴、火山爆發(fā)等自然災(zāi)害天氣現(xiàn)象導(dǎo)致大氣中顆粒物粒徑譜顯著變化外通常在2.1～2.2 μm波長處受到氣溶膠帶來的消光影響很小，也就是說氣溶膠在2.1(2.2)μm波長是“透明”的，對該波長區(qū)域的輻射影響甚微。

Landsat TM及后續(xù)傳感器的多光譜影像數(shù)據(jù)在ENVI軟件開展FLAASH大氣校正處理時，可以計算得到影像整景范圍的區(qū)域性大氣能見度“平均”值。在FLAASH大氣校正處理時，假設(shè)地表為朗伯體反射面，衛(wèi)星傳感器接收到的輻亮度L*為[17]：

(2)

式中：aρ/(1-ρeS)——太陽輻射經(jīng)大氣入射到地表像元后，反射再經(jīng)大氣直接進入傳感器的輻亮度貢獻；

bρe/(1-ρeS)——經(jīng)大氣散射后的一部分散射光，又重新漫入射地表像元，反射后通過大氣進入傳感器的輻亮度貢獻；

ρ——像元的地表反射率；

ρe——像元及鄰域像元的空間平均地表反射率；

S——大氣球面反照率；

a、b——則由傳感器成像時的大氣狀況和觀測幾何條件決定，與地表反射率無關(guān)。

ρ和ρe的區(qū)別主要來自于大氣散射引起的“鄰近像元效應(yīng)”。ρe為地表及鄰近像元通過點擴散函數(shù)(PSF)空間卷積得到的像元和其周邊像元混合的“平均”反射率，嚴格意義上說，式(2)中分子和分母的ρe項是通過不同的PSF得到的，但由于ρeS乘積結(jié)果數(shù)值通常很小，在處理時為簡便起見，一般把分子分母的ρe近似視為同一PSF而來，ρe也通過上式來近似估算：

(3)

FLAASH軟件中為計算地表的真實反射率，首先需要對景內(nèi)能見度水平VIS(實質(zhì)上也就是氣氣溶膠“平均”光學厚度)進行估計，然后計算得到式(2)中的a、b、S參數(shù)。

多年來，研究人員發(fā)展了基于影像自身的多光譜/高光譜信息反演能見度的多種算法。最為著名、應(yīng)用最廣、效果最佳的為Kaufman[7]提出的基于陸地濃密植被“暗”像元算法。Kaufman等[7]在全球大量地物類型遙感光譜觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，經(jīng)統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，在航空和衛(wèi)星遙感影像中存在一些光譜上相對較“暗”的地物類型，在可見光—近紅外—短波紅外區(qū)間的光譜反射率通常<0.1，其在一定波段對之間存在較為確定的反射率比值關(guān)系。例如，陸地稠密植被在短波紅外(中心波長2.1～2.2 μm，對應(yīng)Landsat 8 OLI波段7)的反射率ρ2.1(2.2)很低，通常<0.1，且與可見光區(qū)間紅光波段的反射率ρ0.66(對應(yīng)中心波長為0.654 6 μm 的OLI波段4)、藍光波段的反射率ρ0.48(對應(yīng)中心波長為0.483 6 μm的OLI波段2)存在穩(wěn)定的比率關(guān)系，見式(4)，植被指數(shù)NDVI值高、符合式(4)比例關(guān)系的像元即為植被型“暗”像元。

ρ2.1(2.2)≤0.1

ρ0.66=ρ2.1(2.2)/2或ρ0.48=ρ2.1(2.2)/4

(4)

在MODTRAN輻射傳輸模型中，氣象視距(VIS)是用來表征大氣渾濁狀況的主要輸入?yún)?shù)，選擇大氣模式和氣溶膠模式后，通過假設(shè)氣溶膠濃度在邊界層垂直方向的指數(shù)衰減分布特征，可以將水平方向能見度VIS和垂直方向的光學厚度(AOT)進行關(guān)聯(lián)[17]，一旦確定了遙感影像景里的能見度值，在一定的氣溶膠模式下，就可以得到氣溶膠光學厚度、大氣消光系數(shù)等遙感影像大氣校正所需的參數(shù)。

南京市地處亞熱帶北緣，年均降水量較充沛，茂密植被地物很多，對不同時期的Landsat TM/ETM+/OLI影像，以0.66 μm處的波段和2.2 μm處的波段為組合進行茂密植被“暗”像元搜索，除冬季植被蕭疏枯萎，部分Landsat影像無法反演得到能見度值外，大部分時相數(shù)據(jù)均能夠反演出VIS值。

為統(tǒng)一起見，現(xiàn)根據(jù)多年來全球各地大量的遙感大氣校正應(yīng)用經(jīng)驗，取ρ2.1(2.2)上限為0.08，0.66和2.2 μm，通道反射率比率關(guān)系取0.5，以更精準地找到符合式(4)約束關(guān)系的“暗”像元集合。MODTRAN輻射傳輸方程反演的VIS值為5～300 km，<5 km時截取為5 km。

精確的大氣校正需要每景影像成像時的大氣水汽、氣溶膠類型及物理特性(如氣溶膠標高)、大氣輻射吸收氣體(如CO2等)的精確濃度等MODTRAN做高精度大氣垂直訂正所需的參數(shù)，由于研究用遙感數(shù)據(jù)的時間跨度長達30余年，難以系統(tǒng)地收集，統(tǒng)一結(jié)合南京市Landsat影像數(shù)據(jù)的成像日期和地理緯度、氣候特點直接使用相對合理的經(jīng)驗缺省值。

2 數(shù)據(jù)資料

2.1 Landsat遙感影像

在USGS Glovis網(wǎng)站[16]系統(tǒng)收集了1984年5月—2015年12月間過境南京市的Landsat TM、ETM+和OLI影像，構(gòu)成本研究所用的遙感“大數(shù)據(jù)”，其中部分影像有一定的云量，但是仍可用于遙感反演研究區(qū)域能見度，因為被云層擋住全部或部分太陽輻射的陰影區(qū)像元，只要在衛(wèi)星觀測的垂直方向的光程未受到云層的阻擋，又屬于較茂密的植被類型，其ρ0.66和ρ2.1關(guān)系也能符合或接近“暗”像元尋找的條件，即在可見光的0.66 μm中心波長處的波段陸面光譜反射特性對衛(wèi)星接收到的總輻亮度的貢獻占比越小越好，可以認為衛(wèi)星傳感器接收到的陰影區(qū)的植被像元的輻亮度主體部分都是代表了大氣本身帶來的程輻射貢獻，這部分Landsat影像均參加區(qū)域能見度趨勢分析，只有云量超過80%、難以搜索到有效“暗”像元的影像被剔除。

由于不同時期在軌運行的Landsat衛(wèi)星數(shù)量不同，1999年以前基本上以Landsat 5 TM數(shù)據(jù)為主，在80年代還有零星的Landsat 4 TM數(shù)據(jù)，1999—2010年為Landsat 5和7雙星TM/ETM+數(shù)據(jù)，2011—2013年3月間僅有Landsat 7 ETM+數(shù)據(jù)，2013年4月—2015年底為Landsat 7和8雙星ETM+/OLI數(shù)據(jù)。在ENVI 5.3遙感軟件中，對Landsat影像完成輻射校正等預(yù)處理工作，得到輻亮度影像。

在ENVI的FLAASH大氣校正工具中，對輻亮度影像進行區(qū)域能見度遙感反演計算，根據(jù)南京市所處地理位置和氣候特點，每年3月中旬—6月下旬、9月中旬—11月底大氣模式采用MLS(中緯度夏季)模式，6月下旬—9月初采用Tropical模式，12月—次年3月初采用MLW中緯度冬季)模式。氣溶膠模式依賴的主要參數(shù)—VIS的反演采用利用Landsat系列傳感器的波段對(0.66 μm，2.2 μm)，氣溶膠標高取缺省值(1.5 km)，其余參數(shù)采用FLAASH軟件設(shè)置的缺省值。

2.2 地面空氣自動監(jiān)測數(shù)據(jù)

現(xiàn)選取南京市環(huán)境監(jiān)測中心站管理的包括南京草場門、邁皋橋、瑞金路、山西路、玄武湖、中華門、奧體中心、仙林大學城、浦口在內(nèi)的9個代表主城區(qū)的空氣自動站， 統(tǒng)計了其2010—2015年對應(yīng)Landsat 系列衛(wèi)星過境時間的上午11：00空氣自動監(jiān)測PM10、PM2.5小時均值數(shù)據(jù)，取算術(shù)平均值代表星地同步南京市主城區(qū)地面監(jiān)測值，來分析比較遙感反演VIS結(jié)果。

3 結(jié)果討論

3.1 遙感反演1984—2015年VIS趨勢

由于遙感反演區(qū)域大氣能見度VIS的算法建立在對濃密植被“暗”像元搜索的基礎(chǔ)上，南京市地理、氣候上處于亞熱帶北緣，在冬季及早春這段時間(主要是每年的1—2月)由于植被葉落枯黃、早期的TM傳感器輻射定標精度比后續(xù)傳感器略粗等原因，部分時相的遙感影像反演不出VIS值，因此這部分遙感數(shù)據(jù)也沒有參與統(tǒng)計分析，實際有效的遙感反演能見度有347個數(shù)據(jù)值。對VIS結(jié)果按“差” (<10 km)、“一般”(10～15 km)、“較好”(15～20 km)、“好”(20～40 km)、 “極好”(>40 km)分級統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 南京市逐年Landsat影像遙感反演能見度VIS值分級統(tǒng)計結(jié)果①

①1986年Landsat影像云量很多，該年缺有效的遙感數(shù)據(jù)。

3.1.1 “差”能見度的衛(wèi)星觀測率

由表1可見，由于各年度可用于反演遙感影像數(shù)據(jù)景數(shù)存在差異，按年度評估 “差”能見度出現(xiàn)比例存在波動，但總趨勢是20世紀80年代中期至進入21世紀以來“差”能見度的出現(xiàn)頻率明顯增加。

如果以5年為評價周期，則趨勢十分明顯，1984—1990年，“差”能見度衛(wèi)星觀測率占比不到6%；1991—1995年衛(wèi)星觀測率為7.14%，略有增加；1996—2000年仍為7.14%；2001—2005年間增加迅猛，“差”能見度衛(wèi)星觀測率達25%，2006—2010年間接近23%，2011—2015年則略有下降，也接近20%。以10年期為評價周期，則“差”能見度衛(wèi)星觀測率在1984—1990年為5.71%，1991—2000年為7.14%，2001—2010年為23.94%，2011—2015年間為19%(表2)。由于受在軌運行衛(wèi)星數(shù)量、重訪周期較長(16 d)、過境南京時天氣狀況等因素限制，各時段影像數(shù)據(jù)樣本數(shù)量不一致，難以像地面空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)在時間上具有的高密度數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢，因此上述分析并不是基于嚴格統(tǒng)計學意義的分析，而是基于對地觀測可用影像這一限制條件下的“現(xiàn)象”級趨勢分析。

雖然存在一定的局限性，但反演結(jié)果數(shù)據(jù)相當明顯地呈現(xiàn)了自20世紀80年代中期至2015年底的30余年內(nèi)區(qū)域大氣能見度下降的趨勢，尤為明顯的一點就是21世紀15年間，Landsat遙感影像觀測到的“差”能見度現(xiàn)象發(fā)生頻率大致占到有效衛(wèi)星觀測日數(shù)約20%～25%比例。

表2 南京市1984—2015年Landsat遙感影像反演區(qū)域大氣能見度等級分布頻率統(tǒng)計

3.1.2 “好”“極好”能見度的衛(wèi)星觀測率

遙感反演得到的“好”與“極好”大氣能見度的比例呈明顯下降趨勢，“極好”能見度衛(wèi)星觀測率從20世紀80年代的17%左右大幅下降為21世紀以來不到5%，“好”大氣能見度衛(wèi)星觀測率也從20世紀80年代37%強減少為2011年來23%。

3.2 與2013—2015年空氣自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較

對南京市9個空氣自動站衛(wèi)星過境時刻的小時均值進行了散點圖分析，見圖2(a)(b)(c)(d)。其中，(a)(b)分別為所有347景反演VIS與地面空氣自動監(jiān)測PM2.5、PM10數(shù)據(jù)的散點關(guān)系圖；(c)(d)分別為剔除了地面ρ(PM2.5)>100 μg/m3、ρ(PM10)>140 μg/m3的Landsat影像后反演結(jié)果的散點關(guān)系圖。

圖2 遙感反演VIS與地面空氣質(zhì)量自動監(jiān)測PM2.5、PM10的散點圖

由圖2可見，總體上隨著空氣顆粒物濃度增加，遙感反演VIS呈現(xiàn)冪函數(shù)下降特征，以PM2.5相對明顯一些。但是也看出，當處于中度以上、重污染、嚴重污染天氣時，少數(shù)影像的衛(wèi)星遙感反演VIS出現(xiàn)較高值，>10 km甚至>20 km以上，星地監(jiān)測結(jié)果存在較大偏離。當剔除了部分地面PM2.5、PM10高濃度值的遙感影像反演VIS后，散點圖上的VIS與地面顆粒物濃度關(guān)聯(lián)性有所提高，尤其以PM2.5更為明顯。

對造成部分時相星地監(jiān)測結(jié)果不一致的可能原因進行初步的探討：(1)遙感反演算法得到的是代表衛(wèi)星影像覆蓋的地理范圍的區(qū)域性水平，找到的“暗”像元多數(shù)情況下一般是城市外周的山林、濕地水草、農(nóng)田作物等生物量高的茂密植被地物，當空氣污染處于中度到重度時，遙感“暗”像元分布在遠離南京市區(qū)上百公里的影像全景南部蘇皖省界高淳、溧陽、廣德等地的山區(qū)，而南京市空氣自動站更多地布設(shè)在建成區(qū)，偏重于反映人口密集的主城區(qū)域大氣污染狀況，形象地說，遙感反演結(jié)果更趨于反映污染程度較輕的“鄉(xiāng)野”區(qū)域的大氣渾濁狀況，空氣自動站著重點在于監(jiān)測城區(qū)大氣污染狀況，星地監(jiān)測結(jié)果的不同可能潛在指示了空氣中到重度污染時，氣象上往往屬于靜穩(wěn)天氣系統(tǒng)，污染物擴散條件較差，主城區(qū)空氣和外圍地區(qū)存在明顯的水平不均勻性；(2)遙感反演算法得到的也不是嚴格意義的區(qū)域級“平均”，而是基于對Landsat影像覆蓋區(qū)域內(nèi)(面積約34 000 km2)植被“暗”像元搜索結(jié)果計算，符合條件的“暗”像元的數(shù)量、空間分布因季節(jié)、景內(nèi)云覆蓋程度、成像時刻的大氣水汽含量等有所不同，冬季、早春以及夏秋作物收割期地表裸露較多，這些因素會一定程度上約束“暗”像元可搜索的地理范圍。因此遙感反演VIS也是一種基于“現(xiàn)象”觀測的數(shù)據(jù)。表3為2013年10月14日、12月1日星地反演(監(jiān)測)結(jié)果和“暗”像元分布。

表3 典型空氣質(zhì)量狀況下星地結(jié)果的比較

①為江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心大氣超級站的觀測數(shù)據(jù)。

今后為了提高對城市空氣的遙感監(jiān)測效果，可以選擇城區(qū)內(nèi)或近郊更有代表性的大面積山林、濕地植被、菜地作為固定區(qū)域，如南京市紫金山、老山、八卦洲、棲霞山，參考植被“暗”像元在Landsat OLI傳感器可見光～反射紅外區(qū)域各波段的比值關(guān)系經(jīng)計算得到這些確定的“暗”像元區(qū)域在紅光(藍光)波段的反射率，后通過MODTRAN輻射傳輸方程在不同預(yù)設(shè)VIS值條件下模擬得到衛(wèi)星高度的天頂輻亮度，在完成相應(yīng)的查找、插值計算，使模擬輻亮度與衛(wèi)星觀測值一致，此時對應(yīng)的VIS可更密切地與城市空氣污染狀況關(guān)聯(lián)，這方面的定量化研究和算法實現(xiàn)，有待今后開展深入的工作。

4 結(jié)語

衛(wèi)星遙感反演值能夠較好地反映區(qū)域尺度的大氣能見度水平，是空氣質(zhì)量監(jiān)測信息的有益補充和重要參考。1984—2014年Landsat系列衛(wèi)星遙感影像反演結(jié)果表明，30余年來南京市區(qū)域大氣能見度呈下降趨勢，“差”能見度的出現(xiàn)頻率自21世紀以來增加明顯，約占1/5～1/4，高能見度的出現(xiàn)比例則顯著減少，衛(wèi)星觀測通過一個獨特的視野反映了南京市區(qū)域大氣渾濁情況的中長期變化特征。

研究也發(fā)現(xiàn)，有少部分星地監(jiān)測結(jié)果存在較大的差距，尤其是冬春季、空氣中度及更嚴重污染程度時，遙感反演的區(qū)域大氣能見度數(shù)值偏高，其原因初步推測大致緣于：星、地反演(測量)原理的不同，空氣污染較嚴重時往往處于靜穩(wěn)天氣條件下，城市建成區(qū)內(nèi)工業(yè)源、機動車排放等多種來源污染相互疊加，區(qū)域空氣水平和垂直對流擴散不暢，可能導(dǎo)致城市與鄉(xiāng)村空氣中顆粒物濃度存在較大的空間分布差異，城區(qū)大氣能見度只有數(shù)公里，有時不到1 km，城區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)不一定是水平均勻大氣，空氣污染物的城區(qū)—鄉(xiāng)村分布可能有較大的差別。

在邊界層內(nèi)氣溶膠粒子數(shù)密度的垂向分布廓線也可能不滿足指數(shù)衰減假設(shè)，重污染天氣下氣溶膠濃度高、粒徑譜構(gòu)成比較復(fù)雜，AOT值大，而FLAASH大氣校正軟件的算法主要目的是盡可能找出光譜上最“暗”的濃密植被區(qū)域，這些區(qū)域像元的輻亮度基本上來自大氣氣溶膠散射貢獻(大氣程輻射)，通過植被指數(shù)(NDVI)來找出濃密植被“暗”像元，在區(qū)域大氣很清潔時，能夠找出數(shù)量多、分布均勻的像元，代表整景的區(qū)域大氣狀況；當空氣污染趨于加劇時，F(xiàn)LAASH傾向于在偏遠地區(qū)找“暗”像元，而沒有選取主城區(qū)的植被區(qū)域。

總體而言，由于MODTRAN輻射傳輸方程以及FLAASH大氣校正軟件算法主要目的是盡可能剔除大氣對輻射的吸收散射分量、獲得地表物質(zhì)的真實反射率，是國外學者對美國本土的大氣特征研究建立的，更適合于空氣清潔到輕度污染情景，沒有充分考慮到空氣污染較嚴重的情形，對于我國現(xiàn)階段重污染天氣相對頻發(fā)的時期，需加強研究針對性更強的大氣污染遙感信息提取方法，更好地為提高區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)警預(yù)報精度提供技術(shù)支撐。

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欄目編輯 李文峻

Trends of Nanjing Atmospheric Visibilities from 1984 to 2015 Based on Landsat TM/ETM+/OLI Remote Sensing Big Data

LI Xu-wen， JIANG Sheng， NIU Zhi-chun， MAO Jing-jing， SHI Hao，WANG Tian-tian，DING Ming

(JiangsuEnvironmentalMonitoringCenter，Nanjing，Jiangsu210036，China)

Landsat 4/5/7/8 remote sensing data for the Nanjing area spanning the years from 1984 to 2015 were obtained using TM/ETM+/OLI sensors and processed with FLAASH atmospheric correction module of ENVI remote sensing software， from which the remote sensing retrieval of regional atmospheric visibilities (VIS) were extracted. The results showed that the VIS retrieved from Landsat image series spanning more than 30 years showed evident declining trends. VIS in the 1980s were relatively higher， with poor VIS (<10 km) observed at a 6% frequency. VIS were obviously decreased since the beginning of this century， with poor VIS occurred at a frequency of about 20%～25% based on satellite remote sensing. The VIS data were compared with PM10and PM2.5monitoring data in Nanjing from 2010 to 2015， and it was found that these two data sets showed reasonable consistency when air quality was good or only slightly polluted， but in the cases of moderate to heavy air pollution， VIS retrieved by FLAASH were higher than the ground monitoring values.This might indicate VIS tends to represent local visibilities in the rural or forest areas which were far away from urban area.

Landsat; TM，ETM+; OLI，Regional atmospheric visibility; Remote sensing retrieval; Air quality; Nanjing

2016-03-15

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項基金資助項目(201309008)；江蘇省環(huán)境監(jiān)測科研基金資助項目(1217)

李旭文(1966—)，男，研究員級高工，碩士，從事環(huán)境信息系統(tǒng)、環(huán)境遙感應(yīng)用、生態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域的研究工作。

X87

B

1674-6732(2016)04-0001-08