韓 杰，李煥利，李慧娜，苗寶亮，石宏斌

(1. 許昌學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院，河南 許昌 461000；2. 許昌學(xué)院 電氣(機電)工程學(xué)院，河南 許昌 461000；3.中國人民解放軍96608部隊，河南 洛陽 471000)

近幾年來，隨著城市的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，其中大氣污染備受關(guān)注[1].我國相繼出臺了多項措施對大氣污染進行監(jiān)督和管理，其中PM2.5是衡量大氣質(zhì)量的一項重要指標(biāo)[2,3].目前，傳統(tǒng)站點式的PM2.5濃度測量方式已經(jīng)不能有效滿足國家從宏觀層面及時了解全國大氣污染情況的需求，而采用衛(wèi)星遙感技術(shù)手段，快速獲取大范圍大氣參數(shù)已經(jīng)成為環(huán)境監(jiān)測的重要途徑之一[4,5].

利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以反演得到大氣中的氣溶膠濃度，然后建立氣溶膠濃度與實測PM2.5之間的相關(guān)性模型，從而在宏觀層面對PM2.5濃度的時空分布特點進行分析.目前，眾多研究結(jié)果表明氣溶膠參數(shù)與PM2.5濃度之間存在較高的相關(guān)性.宋挺等將MODIS氣溶膠光學(xué)厚度與無錫市區(qū)PM2.5濃度進行相關(guān)性分析時，在考慮垂直分布和濕度修正后，其相關(guān)系數(shù)為0.565 9[6].張智等對西安市區(qū)MODIS氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5濃度進行回歸分析后，探討了PM2.5的時空分布特征[7].崔相輝等在京津冀地區(qū)以MODIS氣溶膠產(chǎn)品和氣象參數(shù)為影響因子，建立了基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的PM2.5預(yù)測模型[8].王偉齊等在北京地區(qū)建立了MODIS氣溶膠參數(shù)與不同時段PM2.5之間的回歸模型，發(fā)現(xiàn)PM2.5濃度的日變化呈現(xiàn)“雙峰型”[9].然而，基于上述研究方法開展河南省PM2.5濃度變化的研究較少.因此，本研究基于MODIS氣溶膠產(chǎn)品，建立其與PM2.5濃度的相關(guān)模型，研究2016年河南省空氣質(zhì)量和兩個目標(biāo)城市鄭州和許昌PM2.5濃度的時間變化特征，以期為河南省PM2.5的遙感監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù).

1 研究方法

首先，在MODIS官網(wǎng)上檢索獲取2016年河南省MODIS氣溶膠產(chǎn)品MOD04_L2(空間分辨率為10 km).其次，利用ENVI遙感圖像處理軟件完成影像的坐標(biāo)投影，然后利用波段運算功能實現(xiàn)由氣溶膠產(chǎn)品向PM2.5濃度的轉(zhuǎn)換，進而利用河南省矢量文件完成影像裁剪，通過將反演結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行比對分析，結(jié)合環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，評價2016年河南省空氣質(zhì)量.最后，以兩個目標(biāo)城市鄭州和許昌為例，分析PM2.5濃度的時間變化.具體技術(shù)路線如圖1所示.

圖1 技術(shù)路線

1.1 影像坐標(biāo)投影

由于MODIS氣溶膠產(chǎn)品是以HDF格式存儲的，在影像裁剪時不十分方便，因此,本研究首先利用ENVI軟件中MODIS Conversion Toolkit模塊完成影像的坐標(biāo)投影，將其轉(zhuǎn)換為TIFF文件格式，以便進一步的影像裁剪與信息統(tǒng)計.

1.2 PM2.5濃度反演

眾多研究發(fā)現(xiàn)，氣溶膠參數(shù)與PM2.5濃度之間存在較強的相關(guān)性.本研究采用已有的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，利用ENVI波段運算功能，完成由MODIS氣溶膠產(chǎn)品到PM2.5濃度的反演[10].

Y春=53.97X春+16.19,

(1)

Y夏=45.57X夏+25.85,

(2)

Y秋=49.85X秋+18.78,

(3)

Y冬=90.57X冬+21.28,

(4)

式中，Y為PM2.5濃度，X為MODIS氣溶膠參數(shù).

2 結(jié)果與分析

通過統(tǒng)計反演獲得河南省2016年每月PM2.5平均值，并將其與實測值進行對比，分析反演結(jié)果的精度.同時依據(jù)我國發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中空氣質(zhì)量等級與PM2.5濃度的關(guān)系，對2016年河南省空氣質(zhì)量等級進行評價.

2.1 PM2.5反演精度分析

將基于MODIS氣溶膠產(chǎn)品反演得到的河南省PM2.5平均值與實測值進行比較(圖2).由圖2可以看出，反演值與實測值隨月份的變化趨勢基本一致，即冬季(11、12、1月)PM2.5濃度高于其他季節(jié).另外，除5、6兩個月份外，其余月份的反演結(jié)果均比實測結(jié)果要低.研究表明，反演值相對于實測值的相對平均偏差為31.3%，出現(xiàn)該偏差的原因可能是因為本研究采用的反演模型為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其提供的反演系?shù)可能不完全適應(yīng)2016年整個河南省PM2.5反演情況.

圖2 PM2.5濃度反演值與實測值對比圖

2.2 河南省空氣質(zhì)量等級評價

依據(jù)空氣質(zhì)量等級與PM2.5濃度的關(guān)系(表1)，根據(jù)衛(wèi)星反演結(jié)果，對河南省2016年空氣質(zhì)量等級進行初步評價.研究表明，2016年河南省空氣質(zhì)量達到一級(優(yōu))的月份有2、3、7、8、9、10月，達到二級(良)的月份有1、4、5、6、12月，達到三級(輕度污染)的月份僅有11月.上述評價結(jié)果與實測結(jié)果有5個月份是相同的.今后將進一步提高反演模型精度，使評價結(jié)果與實際情況更加貼合.另外，上述秋冬季節(jié)PM2.5濃度較高、而夏季PM2.5濃度較低的原因可能是因為焚燒秸稈、汽車尾氣排放和冬季供暖等因素導(dǎo)致秋冬季節(jié)空氣質(zhì)量不好，而夏季降雨較多，在一定程度上縮短了污染物在大氣中的存留時間.

表1 空氣質(zhì)量等級與PM2.5濃度的關(guān)系

2.3 目標(biāo)城市PM2.5濃度分析

利用兩個目標(biāo)城市鄭州和許昌的行政界線對河南省PM2.5產(chǎn)品進行裁剪后，統(tǒng)計各月反演結(jié)果，并將其與實測值進行比對，初步分析兩個城市PM2.5濃度變化原因(圖3、圖4).

從圖3、圖4可以看出，對于上述兩個城市，其反演結(jié)果均比實測的PM2.5濃度高，整年P(guān)M2.5濃度變化趨勢呈現(xiàn)“U”型，即秋冬季節(jié)高，春夏季節(jié)低.上述情況與河南省PM2.5濃度年變化趨勢一致.鄭州作為河南省的省會，其全年P(guān)M2.5平均濃度(約為78.11μg·m-3)高于許昌(67.92μg·m-3).這可能主要是因為鄭州作為“新一線”城市，其人口數(shù)量和密度、汽車保有量、城市基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)等因素均會在一定程度上造成大氣中PM2.5濃度升高，空氣質(zhì)量下降，而后者的相關(guān)參數(shù)均比前者要低.

圖3 鄭州PM2.5濃度反演值與實測值對比圖

圖4 許昌PM2.5濃度反演值與實測值對比圖

3 結(jié)論

借助衛(wèi)星遙感，通過建立MODIS氣溶膠產(chǎn)品與PM2.5濃度之間的關(guān)系評價空氣質(zhì)量等級，已經(jīng)成為目前大區(qū)域大氣污染監(jiān)測與評估的重要手段.研究表明，河南省及目標(biāo)城市鄭州、許昌PM2.5濃度均呈現(xiàn)“U”型，即秋冬季節(jié)空氣質(zhì)量較差，春夏季空氣質(zhì)量較高.同時，衛(wèi)星PM2.5濃度反演結(jié)果比實測結(jié)果略低，且平均相對差異略大.因此，本研究將在今后進一步優(yōu)化反演模型，提高反演精度，深入探討城市PM2.5污染源、污染范圍和污染擴散等情況，為利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進行大氣質(zhì)量監(jiān)測及環(huán)境保護提供技術(shù)參考和理論支持.