許軍強(qiáng) 袁晶 盧意愷 李光輝

摘要：大氣可吸入顆粒物PM10已成為影響我國空氣質(zhì)量的首要污染物，對(duì)城市人居生態(tài)環(huán)境的改善和居民健康身體產(chǎn)生了不良影響，因此反演城市區(qū)域PM10濃度具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。本文以鄭州市區(qū)為研究對(duì)象，基于HJ-1的CCD數(shù)據(jù)反演了鄭州市城區(qū)大氣層氣溶膠光學(xué)厚度（AOD），獲取了近地面“干”消光系數(shù)（AODSEC-RH），建立了PM10濃度反演模型，實(shí)現(xiàn)了利用HJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演區(qū)域PM10濃度的目的。該方法僅利用環(huán)境一號(hào)（HJ-1）的CCD數(shù)據(jù)和地面環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)便可快速反演出區(qū)域PM10濃度，對(duì)追蹤研究區(qū)污染物來源，提高環(huán)境執(zhí)法監(jiān)督加強(qiáng)大氣污染防治具有重要意義。

關(guān)鍵詞：氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）;PM10;反演

中圖分類號(hào)：X831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）04-0-02

Abstract：Inhalable particulate matter PM10 has become the primary pollutant affecting air quality in China， which has a negative impact on the improvement of urban human settlements ecological environment.Therefore，the inversion of PM10 concentration in urban areas has important theoretical and practical significance.In this paper，the atmospheric aerosol optical depth （AOD） of Zhengzhou city is inverted based on HJ-1 CCD data，and the near-surface “dry” extinction coefficient （AODSEC-RH） is obtained.The inversion model of PM10 concentration is established.The purpose of inversion of regional PM10 concentration using HJ-1 satellite data is realized. This method only uses the CCD data of Environment-1 （HJ-1） and the ground ring.The PM10 concentration can be quickly retrieved from the measured data of environmental quality monitoring stations，which is of great significance for tracing the source of pollutants in the study area， improving the supervision of environmental law enforcement and strengthening the prevention and control of air pollution.

Key words：Aerosol optical depth （AOD）;PM10;Inversion

工業(yè)化伴隨著大量的資源消耗和持續(xù)的大氣環(huán)境破壞，對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。因此，大氣污染問題已成為政府和民眾關(guān)注的社會(huì)熱點(diǎn)問題之一[1]。各國工業(yè)化的發(fā)展在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也加重了對(duì)大氣環(huán)境的污染，我國也不例外。近年來，作為大氣污染管理和預(yù)報(bào)的重要依據(jù)的大氣污染監(jiān)測技術(shù)取得了長足發(fā)展，并在環(huán)境保護(hù)管理工作中發(fā)揮著越來越重要作用[2]。大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的半徑大約為0.1～10μm的各種固態(tài)和液態(tài)的粒子，其不僅影響城市空氣質(zhì)量的主要污染物，還對(duì)氣候系統(tǒng)存在直接和間接輻射強(qiáng)迫。大氣氣溶膠通過成云作用及非均相化學(xué)反應(yīng)參與大氣中的各種化學(xué)過程，對(duì)全球尺度的氣候變化產(chǎn)生重要的作用[3]。大氣顆粒物是指分散在大氣中的固態(tài)或液態(tài)的顆粒狀物質(zhì)，顆粒物的粒徑會(huì)存在差異[4]。根據(jù)顆粒物直徑的不同，通常把直徑小于100μm的顆粒物稱為總懸浮顆粒物（TSP），把直徑小于10μm的顆粒物稱為可吸入顆粒物（PM）?？晌腩w粒物又分為細(xì)粒子（直徑小于2.5μm的顆粒物，簡稱PM2.5）和粗粒子（直徑大于2.5μm小于10μm的顆粒物，簡稱PM10）。PM10是環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的重要指標(biāo)之一，也是我國大中城市的首要污染物，在氣候強(qiáng)迫、酸沉降和大氣化學(xué)過程等方面具有重要作用;PM10可通過呼吸道進(jìn)入人體且部分粒子可以附在呼吸道上，對(duì)人體健康影響較大;另外當(dāng)PM10進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后會(huì)以不同的形態(tài)溶出，從而引起生態(tài)危害[5-7]。

遙感技術(shù)具有覆蓋廣、速度快、成本低，周期短等優(yōu)勢?？梢杂糜谧粉櫸廴驹?，研究污染物的空間分布狀況和時(shí)空運(yùn)移形跡;也可以用于反演局部或區(qū)域污染物的濃度，研究大氣污染物的類型和大氣污染嚴(yán)重程度，為大氣環(huán)境管理和大氣污染防治提供技術(shù)支撐[8]。本文借助我國的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座（HJ-1A/B）寬覆蓋、較高時(shí)間分辨率和空間分辨率等特點(diǎn)[9-10]，利用環(huán)境一號(hào)（HJ-1）的CCD數(shù)據(jù)和地面環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)，建立了PM10濃度的反演模型，并利用反演模型快速反演了鄭州市城區(qū)PM10的濃度，取得較好的效果。

1 研究區(qū)概況

鄭州市是河南省省會(huì)城市，也是中部重要的中心城市，地理位置112°42′—114°13′E， 34°16′—34°58′N，地區(qū)總?cè)丝诩s1012萬，全市東西長166 km，南北寬75km，總面積約7446km2。該區(qū)域地處黃河中下游和伏牛山脈東北翼向黃淮平原過渡的交接地帶，地形西高東低，西部為低山丘陵，東邊為豫東平原。氣候?qū)俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，該地區(qū)冷暖氣團(tuán)交替頻繁，春夏秋冬四季分明，多年年平均氣溫約15.6℃，年平均降雨量約542.15mm，無霜期約209d，全年日照時(shí)間約1 870h。本文選擇的研究區(qū)域?yàn)猷嵵菔惺休爡^(qū)（城區(qū)），研究區(qū)總面積約600 km2。

2 數(shù)據(jù)源

文中使用的數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)等。

2.1 遙感數(shù)據(jù)

環(huán)境一號(hào)（HJ-1）衛(wèi)星系統(tǒng)由兩顆光學(xué)衛(wèi)星（HJ-1A衛(wèi)星和HJ-1B衛(wèi)星）和一顆雷達(dá)衛(wèi)星（HJ-1C衛(wèi)星）組成，是我國首顆在環(huán)境監(jiān)測和減災(zāi)應(yīng)急領(lǐng)域發(fā)射的國產(chǎn)民用專用衛(wèi)星，載荷包括CCD傳感器、超光譜成像儀和紅外相機(jī)。CCD相機(jī)設(shè)置了4個(gè)波段，幾何分辨率達(dá)到30米，具有中空間分辨率和寬譜段的特點(diǎn)[11]，本次使用的遙感數(shù)據(jù)源即為CCD傳感器獲取的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源為2015年4月18日的HJ-1的CCD數(shù)據(jù)。

2.2 環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)

按照衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)相，共收集了2015年4月18日鄭州市煙廠、供水公司、醫(yī)學(xué)院、鄭紡機(jī)、四十七中、銀行學(xué)校、十一中和市監(jiān)測站等8個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)。

2.3 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)主要指的是相對(duì)濕度、能見度和風(fēng)速等數(shù)據(jù)，根據(jù)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)相，收集了2015年4月18日的相對(duì)濕度、能見度、風(fēng)級(jí)和風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)。

3 反演方法

3.1 AOD反演

假設(shè)地表為朗伯體，大氣較為均一，則衛(wèi)星接收到的大氣頂層反射率為[12]：

3.2 AOD的訂正

AOD訂正主要包括標(biāo)高訂正和濕度訂正兩部分，通過AOD訂正，我們可以得到近地面“干”消光系數(shù)（AODSEC-RH）。

3.3 線性擬合

通過數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)8個(gè)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)PM10濃度（單位：ug/m3）與AODSEC-RH 值有較好的線性相關(guān)性，我們對(duì)其進(jìn)行線性回歸，得到PM10-AODSEC-RH回歸模型：

式中，y為PM10濃度，x為近地面“干”消光系數(shù)。模型相關(guān)系統(tǒng)數(shù)為0.808，相關(guān)性較好，可以使用該模型反演研究區(qū)PM10濃度。

3.4 PM10衛(wèi)星遙感監(jiān)測分布圖

根據(jù)上述建立的AODSEC-RH與PM10之間回歸模型，利用遙感圖像處理軟件ENVI的波段運(yùn)算功能，計(jì)算出研究區(qū)2015年4月18日的PM10濃度遙感反演結(jié)果。對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行密度分割，得到鄭州市主城區(qū)PM10濃度遙感反演分級(jí)圖（圖2）。

4 結(jié)論

本文提供了一種基于HJ-1的CCD數(shù)據(jù)和地面站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)快速獲取PM10濃度的方法，該方法基于鄭州市城區(qū)HJ-1的CCD數(shù)據(jù)，首先采用暗目標(biāo)法反演出AOD， 然后進(jìn)行AOD訂正得到近地面“干”消光系數(shù)（AODSEC-RH），最后通過比較分析和線性擬合AODSEC-RH與地面環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)實(shí)測PM10數(shù)據(jù)，建立了AODSEC-RH與PM10之間的模型關(guān)系，利用該模型獲取了鄭州市城區(qū)PM10濃度衛(wèi)星遙感反演分級(jí)圖。

基于HJ-1的CCD數(shù)據(jù)快速獲取PM10濃度的方法為研究PM10污染物時(shí)空分布變化供了一個(gè)新思路，對(duì)追蹤研究區(qū)污染物來源，提高環(huán)境執(zhí)法監(jiān)督、加強(qiáng)大氣污染防治和提升環(huán)境保護(hù)管理水平具有重要意義。

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收稿日期：2019-03-12

作者簡介：許軍強(qiáng)（1981-），男，畢業(yè)于吉林大學(xué)，碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檫b感技術(shù)應(yīng)用研究，公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇。