劉 銳，廖卉芃，楊衛(wèi)軍，郭 亮，陳冬瓊

（1.廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075；2.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060）

衛(wèi)星遙感是觀測(cè)地表活動(dòng)情況的主要手段之一。在新型冠狀病毒肺炎等重大衛(wèi)生公共事件發(fā)生時(shí)，政府需要通過(guò)科學(xué)信息快速判斷居家隔離等防控干預(yù)措施是否有效，而遙感能夠通過(guò)觀測(cè)地表人類活動(dòng)變化情況，一定程度上反映疫情防控措施是否到位，為后續(xù)進(jìn)行宏觀調(diào)控和防控決策提供科學(xué)依據(jù)。而在后疫情時(shí)期下，遙感還能夠輔助判斷人類活動(dòng)恢復(fù)情況，為復(fù)工復(fù)產(chǎn)提供一定的科學(xué)信息。

大氣氣溶膠可用于監(jiān)測(cè)地表活動(dòng)情況，反映人類活動(dòng)變化。氣溶膠粒子指大氣中直徑為0.001～10 μm的懸浮固液體微粒，是監(jiān)測(cè)環(huán)境狀態(tài)的重要因子[1,3]。氣溶膠的來(lái)源分為自然來(lái)源和人為來(lái)源。自然來(lái)源包括森林植被的生物排放物、沙塵等；人為來(lái)源則包括汽車尾氣排放、工業(yè)排放等[1]。在自然來(lái)源的相對(duì)穩(wěn)定的情況下，氣溶膠一定程度上能夠反映城市大氣環(huán)境情況[4]，間接反映人類活動(dòng)的活躍程度。光學(xué)厚度能夠表示大氣渾濁程度，是氣溶膠的重要參數(shù)之一。

中分辨率成像光譜儀（MODIS）廣泛應(yīng)用于氣溶膠光學(xué)厚度研究。 MODIS是美國(guó)宇航局搭建的地球觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）中重要的大型遙感儀器之一，由太陽(yáng)同步極軌環(huán)境遙感衛(wèi)星Terra和Aqua裝載，其任務(wù)主要為觀測(cè)人類地表活動(dòng)情況、全球生物及地球氣候環(huán)境等[2]。MODIS數(shù)據(jù)有36個(gè)波長(zhǎng)在0.4～14.4 um間的光譜波段，包括可見(jiàn)光波段和紅外波段，獲取數(shù)據(jù)豐富。MODIS覆蓋全球，其空間分辨率在通道1和通道2為250 m；通道3至通道7為500 m；通道8至通道36為1 000 m，平均每1～2 d就能對(duì)獲取一次地表數(shù)據(jù)[2]。MODIS數(shù)據(jù)故而具有易獲取、覆蓋范圍廣、時(shí)間分辨率高的特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)觀測(cè)地球、處理應(yīng)急事件等方面的實(shí)用價(jià)值高。MODIS的通道1波長(zhǎng)為0.620～0.670 μm，通道3波長(zhǎng)為0.459～0.479 μm，其通道寬而帶窄，能夠有效修正遙感反演的氣溶膠受大氣氣體吸收的不確定性的影響，十分適合觀測(cè)地球氣溶膠特性[7]。

本研究基于MODIS影像數(shù)據(jù)反演獲得廣州市2020年1～4月的氣溶膠光學(xué)厚度氣溶膠光學(xué)厚度的分布情況，監(jiān)測(cè)城市在重大衛(wèi)生突發(fā)事件背景下的大氣環(huán)境變化，從環(huán)境遙感的角度探究傳染病疫情期間政府公共衛(wèi)生管理的有效性和疫情階段性結(jié)束后城市活動(dòng)的恢復(fù)情況。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及范圍

目前公開(kāi)的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品按數(shù)據(jù)處理級(jí)別分為6個(gè)等級(jí)，具體如表1所示。

表1 MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品按數(shù)據(jù)處理級(jí)別

本研究采用了MODIS數(shù)據(jù)L1B級(jí)產(chǎn)品（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）。考慮到云覆蓋過(guò)多會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失情況嚴(yán)重，進(jìn)而影響氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果，故選取了2020年1月至2020年4月的無(wú)云數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度反演和分析。

1.2 研究方法

本研究基于MODIS衛(wèi)星遙感影像估算研究區(qū)域的地球表面反射率，結(jié)合廣州市的大氣氣溶膠特性以及地球表面反射率與大氣頂輻射亮度的關(guān)系，進(jìn)行廣州市氣溶膠光學(xué)厚度反演，獲得2020年1～4月廣州市氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布情況，具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 氣溶膠光學(xué)厚度反演技術(shù)路線框架圖

1.2.1 大氣氣溶膠光學(xué)厚度反演

通過(guò)建立地球表面反射率與大氣頂輻射亮度的關(guān)系可對(duì)大氣氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行反演。假設(shè)地球表面是均勻的朗伯表面，且不考慮大氣吸收因素，則此時(shí)通過(guò)觀測(cè)得到的地球表面反射率為：

式中，ρ*代表通過(guò)遙感衛(wèi)星獲得的地球表面反射率；ρa(bǔ)代表大氣反射率；μ代表太陽(yáng)光入射的方向與地面法線間的夾角；φ代表太陽(yáng)所在的方位與地平面的夾角；μ0代表衛(wèi)星與觀測(cè)地連線之間的夾角；φ0代表衛(wèi)星的方位角；T(μ0)代表太陽(yáng)到地球表面的總透射率，T(μ)代表地球表面到衛(wèi)星的總透射率；s代表大氣的邦德反照率，ρ為真實(shí)的地球表面反射率。

由于大氣頂?shù)奶?yáng)輻射通量E可表示為：

式中，L代表觀測(cè)的輻亮度；τ代表光學(xué)厚度。

故而可得地球表面反射率與大氣頂輻射亮度的關(guān)系為：

因此，通過(guò)地球表面反射率可計(jì)算大氣頂輻射亮度，進(jìn)而結(jié)合區(qū)域氣溶膠特性可獲得大氣氣溶膠光學(xué)厚度。

1.2.2 基于衛(wèi)星遙感的地球表面反射率估算

暗像元法廣泛應(yīng)用于基于衛(wèi)星遙感的地球表面反射率估算，其原理為利用植被在紅光波段（MODIS通道1）和藍(lán)光波段（MODIS通道3）的反射率與波段的反射率相似的特點(diǎn)[8-9]，建立兩者之間的關(guān)系，其公式為：

式中，ρred為紅光的地球表面反射率；ρblue為藍(lán)光的地球表面反射率；ρ2.1為波段的地球表面反射率；δ為散射角；ξ可通過(guò)計(jì)算波段和獲得。

廣州市坐落在廣東省中南部地區(qū)，位于23°N，113°E，屬于海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候。本研究收集2020年1～4月的廣州市MODIS L1B影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品，篩選出90%無(wú)云覆蓋的影像，并結(jié)合新冠肺炎疫情期間的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，選取1月23日廣東省啟動(dòng)重大公共衛(wèi)生突發(fā)事件一級(jí)響應(yīng)[6]及2月10日開(kāi)始全面恢復(fù)生產(chǎn)活動(dòng)前后的遙感影像，經(jīng)過(guò)幾何校正、輻射校正、剔除云像元等預(yù)處理后，根據(jù)廣州市的地域特征，選擇城市型氣溶膠模式，通過(guò)6S輻射專屬模型構(gòu)建查找表，反演氣溶膠光學(xué)厚度，并從時(shí)間維度和空間維度分析廣州市2020年1～4月氣溶膠光學(xué)厚度分布變化。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 結(jié)果與分析

研究選取1月3日、1月31日、2月22日、2月24日、3月15日、4月9日、4月27日等7日的影像進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度反演，結(jié)果發(fā)現(xiàn)廣州市氣溶膠光學(xué)厚度值隨時(shí)間推進(jìn)變化明顯（表1）。1月3日廣州市氣溶膠光學(xué)厚度均值為0.24，方差小于0.1，地區(qū)差異性較小。1月31日廣州市氣溶膠光學(xué)厚度均值為0.04，在8日影像中均值最低，且方差小于0.01，地區(qū)差異性非常小。氣溶膠光學(xué)厚度均值在2月22日重新增加至0.43， 此后氣溶膠光學(xué)厚度均值在0.41～0.99間波動(dòng)，其中2月22日、4月9日和4月27日的方差均大于0.1，氣溶膠光學(xué)厚度地區(qū)差異較大。

表1 2020年1～4月廣州市氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖2反映了廣州市在2020年1月3日、1月31日、2月22日、2月24日、3月15日、4月9日和4月27日的氣溶膠光學(xué)厚度分布情況，圖中顏色越綠代表氣溶膠光學(xué)厚度值越低，顏色越紅則氣溶膠光學(xué)厚度值越高，黃色表示氣溶膠光學(xué)厚度值處于中間。從空間上來(lái)看，廣州市氣溶膠光學(xué)厚度有明顯的空間分布差異，總體呈現(xiàn)西北低東南高的態(tài)勢(shì)。

圖2 2020年廣州市氣溶膠光學(xué)厚度分布圖

從時(shí)序來(lái)看，1月3日廣州氣溶膠光學(xué)厚度值整體較低，特別是從化北部和增城北部，而花都西部氣溶膠光學(xué)厚度值相對(duì)偏高，但未超過(guò)0.73；1月31日廣州各區(qū)均為綠色，氣溶膠光學(xué)厚度值在0.04～0.23之間，與其他日期相比當(dāng)日全市域的氣溶膠光學(xué)厚度值明顯偏低。2月22日，全市域氣溶膠光學(xué)厚度值上升，其中南沙沿海一帶氣溶膠光學(xué)厚度值較高，范圍在0.64～1.05之間，在地圖上呈黃色和橙色；與2月22日相比，2月24日大部分位于從化、增城、白云東部和黃埔北部的地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度值降低至0.48以下，花都、白云西部、番禺和南沙的氣溶膠光學(xué)厚度則以升高為主，氣溶膠光學(xué)厚度值在0.48以上。

進(jìn)入春季以來(lái)，3月15日，城市氣溶膠光學(xué)厚度值總體增加，呈從北向南氣溶膠光學(xué)厚度值逐漸上升趨勢(shì)，除最北部小部分區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度值大于0.81之外，北部地區(qū)呈黃綠色，氣溶膠光學(xué)厚度值相對(duì)較低，主要在0.48～0.81之間；中部地區(qū)呈橙色，氣溶膠光學(xué)厚度值較高，主要在0.81～1.05之間；南部南沙區(qū)呈橙色和紅色，氣溶膠光學(xué)厚度最高，數(shù)值大于1.05；4月9日，廣州市大部分地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度值繼續(xù)上升，與3月15日相比，當(dāng)日城市大部分地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度明顯增加且值較高，僅有部分從化北部區(qū)域的氣溶膠光學(xué)厚度值維持在相對(duì)較低的狀態(tài)；4月27日，城市大部分地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度值下降，北部從化和增城的大部分地區(qū)的值降到0.48以下，中部地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度值主要在0.48至0.81之間，而南部南沙區(qū)部分區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度值大于1.05，保持在較高水平。

2.2 討 論

研究表明[4,9,11]，氣溶膠光學(xué)厚度與人為活動(dòng)和地區(qū)工業(yè)化程度相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，與其他地區(qū)相比，從化、增城、白云東部和黃浦北部氣溶膠光學(xué)厚度較低，這是由于這些地區(qū)自然資源豐富，建成區(qū)較少，空氣中的氣溶膠微粒較少，城市中心城區(qū)人為活動(dòng)活躍，人口和工業(yè)高度聚集，這些地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度也通常較高。而南沙區(qū)，特別是南沙南部，由于處于沿海地區(qū)，海風(fēng)帶來(lái)細(xì)微顆粒物，氣溶膠微粒增加，氣溶膠光學(xué)厚度更易升高。本研究結(jié)果顯示的廣州市氣溶膠光學(xué)厚度呈西北低東南高的空間分布總體特征，也與肖鐘湧等[[2]和宋巍巍等[4]研究結(jié)果一致。

結(jié)合時(shí)間序列重大社會(huì)事件來(lái)看，廣州市在1月31日的氣溶膠光學(xué)厚度氣溶膠光學(xué)厚度值明顯偏低，此時(shí)正值廣東省處于重大公共衛(wèi)生事件一級(jí)響應(yīng)狀態(tài)期間，城市大部分經(jīng)濟(jì)活動(dòng)停止，人口流動(dòng)受到限制，汽車尾氣、工業(yè)氣體等人為氣溶膠來(lái)源減少，氣溶膠光學(xué)厚度值降低。結(jié)合廣州市1～4月新冠肺炎新增病例變化情況（圖3），防控干預(yù)手段實(shí)施后一個(gè)月內(nèi)人為活動(dòng)明顯減少，且疫情得到有效控制。2月22日以后廣州市氣溶膠光學(xué)厚度值總體增加，此時(shí)疫情基本得到控制，城市已進(jìn)入復(fù)工復(fù)產(chǎn)階段，人為氣溶膠來(lái)源增加，氣溶膠微粒增多，同時(shí)，廣州3、4月份進(jìn)入春季，空氣濕度增加，部分氣溶膠粒子吸收了空氣中的水分，氣溶膠光學(xué)厚度增大。4月底城市氣候逐漸向夏季過(guò)度，空氣濕度減少，氣溶膠光學(xué)厚度降低。

圖3 2020年1～4月廣州市新冠肺炎新增病例及全市氣溶膠光學(xué)厚度變化統(tǒng)計(jì)（新冠肺炎病例數(shù)據(jù)來(lái)源：廣州市衛(wèi)生健康委員會(huì)）

通過(guò)本研究的探索，發(fā)現(xiàn)基于MODIS的氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果，能夠較好地反映當(dāng)下的人為活動(dòng)情況。在應(yīng)對(duì)傳染病大流行等重大公共衛(wèi)生突發(fā)事件，需要采取措施減少人群接觸，控制傳染途徑時(shí)，掌握氣溶膠光學(xué)厚度空間分布可幫助監(jiān)測(cè)政府干預(yù)措施的執(zhí)行情況，輔助政府決策和宏觀調(diào)控。在事件結(jié)束后，氣溶膠光學(xué)厚度空間分布可一定程度上反映城市運(yùn)行情況，幫助評(píng)估復(fù)工復(fù)產(chǎn)是否有序進(jìn)行。

衛(wèi)星遙感手段與基站探測(cè)相比，優(yōu)勢(shì)在于易獲取，成本低，更新速度快，氣溶膠光學(xué)厚度反演步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，且能夠獲取氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布信息，更好地反映莫伊區(qū)域的大氣環(huán)境[4-5]。因此，通過(guò)MODIS數(shù)據(jù)快速獲得氣溶膠光學(xué)厚度反演成果是可行的。MODIS的速度優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，使得快速監(jiān)測(cè)城市人為活動(dòng)情況，為應(yīng)對(duì)應(yīng)急事件提供科學(xué)信息成為可能。

3 結(jié) 論

本研究基于MODIS衛(wèi)星遙感影像估算研究區(qū)域的地球表面反射率，結(jié)合廣州的大氣氣溶膠特性以及地球表面反射率與大氣頂輻射亮度的關(guān)系，進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度反演，獲得2020年1～4月廣州市氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布情況。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)廣州市氣溶膠光學(xué)厚度空間分布總體特征為西北低、東南高。而全市1～4月的氣溶膠光學(xué)厚度變化反映出新冠肺炎疫情期間人為活動(dòng)減少，防控措施到位。復(fù)工復(fù)產(chǎn)期間人為活動(dòng)增多，城市逐漸恢復(fù)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。本研究表明，MODIS影像數(shù)據(jù)能夠滿足快速反演氣溶膠光學(xué)厚度，監(jiān)測(cè)城市人為活動(dòng)的應(yīng)用需求，可為政府了解重大公共衛(wèi)生突發(fā)事件下的城市運(yùn)行情況，進(jìn)行決策和調(diào)控提供科學(xué)信息支撐。未來(lái)可考慮延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間、提高影像精度，從微觀的角度探索通過(guò)氣溶膠光學(xué)厚度變化監(jiān)測(cè)城市運(yùn)行情況的方法和路徑。