郭鳳云，劉 波，姬勇力，李勝林

（1.中國電子科技集團公司第二十二研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000）

近年來，衛(wèi)星遙感技術在環(huán)境保護中的應用越來越受到國際社會的認可，美國、日本及歐洲的一些國家近年來也大力發(fā)展環(huán)境遙感監(jiān)測技術，目前在軌運行的國外遙感衛(wèi)星為環(huán)境監(jiān)測所提供的空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率越來越高。隨著我國高分系列衛(wèi)星的發(fā)射和運行，國內已初步形成了資源、環(huán)境、氣象、海洋等系列的遙感衛(wèi)星體系，具備準實時、全天候獲取各種空間數(shù)據(jù)的能力，形成集高空間、高光譜、高時間分辨率等的對地觀測系統(tǒng)。在衛(wèi)星資源大幅度改善的情況下，如何做好環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃，利用好現(xiàn)有資源才是我們更應該關注和解決的問題[1]。

1 基于衛(wèi)星遙感的地面固體污染源監(jiān)測

隨著社會快速發(fā)展，無論是鄉(xiāng)村還是城鎮(zhèn)，固體廢棄物的排放量逐年增多，市政建設、棚戶區(qū)改造、房地產開發(fā)等領域高速發(fā)展，其中建筑施工過程中裸土工地揚塵成為影響城區(qū)空氣質量的重要來源。常規(guī)裸土工地監(jiān)測手段主要為人工現(xiàn)場檢查，對于較大工地或者較遠縣區(qū)的施工項目存在監(jiān)測不全面、人工監(jiān)測成本較高的問題。利用高分辨率遙感衛(wèi)星影像信息提取技術開展裸土工地污染源遙感監(jiān)測，實現(xiàn)大范圍、全覆蓋的裸土工地監(jiān)測，為環(huán)保部門的污染源監(jiān)測及執(zhí)法工作提供依據(jù)，如圖1、2所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

圖2 施工裸土圖斑

針對環(huán)境保護這方面的需求，獲取監(jiān)測區(qū)域2019年4月高分二號（0.8 m分辨率）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，應用ENVI5.3對數(shù)據(jù)進行正射校正，圖像融合等一系列預處理，最終對監(jiān)測區(qū)域的施工裸土圖斑進行邊界提取和經緯度提取，監(jiān)測區(qū)域面積共有103.091 97 km2，其中施工裸土圖斑124個，占地面積7.276 52 km2。

基于以上圖斑信息和經緯度、面積等統(tǒng)計信息，可為當?shù)丨h(huán)保執(zhí)法部門提供客觀的數(shù)據(jù)支撐，節(jié)省人力成本的同時也提高了執(zhí)法的精準高效（如表1）。

表1 部分圖斑的面積及經緯度提取

2 基于衛(wèi)星遙感的新鄉(xiāng)大氣污染物監(jiān)測

大氣氣溶膠是分布在大氣中的固態(tài)或液態(tài)懸浮微粒組成的體系，是影響大氣環(huán)境質量的一個重要因子，而氣溶膠光學厚度（aerosol optical depth，AOD）是大氣氣溶膠最重要的參數(shù)之一。衛(wèi)星遙感[2]手段反演氣溶膠的原理主要是基于太陽輻射在經大氣傳輸?shù)降乇淼倪^程中，受到氣溶膠粒子的散射和吸收作用會發(fā)生變化，根據(jù)太陽輻射的變化程度可以反演氣溶膠的光學特性。衛(wèi)星遙感反演氣溶膠具有大范圍同步觀測、時效性強、獲取方便能優(yōu)點，可解決現(xiàn)有的地面環(huán)境監(jiān)測無法進行大尺度區(qū)域環(huán)境空氣質量監(jiān)測的問題，彌補了傳統(tǒng)技術的缺陷，有效提高監(jiān)測能力。

2.1 大氣氣溶膠反演

氣溶膠的反演方法有多種，大體上可分為5 類[3]：單通道和多通道法、基于對比度差異的空間結構法、基于多角度數(shù)據(jù)的反演方法、基于偏振數(shù)據(jù)的反演方法和基于星載激光雷達數(shù)據(jù)的反演方法。本文采用多通道反演方法中最為廣泛應用的暗像元法[4]，又叫濃密植被法，選取MODIS數(shù)據(jù)是MOD02 L1B 1km數(shù)據(jù)，處理流程如圖3所示。

圖3 大氣氣溶膠數(shù)據(jù)處理流程

基于上述所示流程圖，選取新鄉(xiāng)市2019年春、夏、秋、冬4個季節(jié)云量較少某日的MODIS數(shù)據(jù)進行暗像元法氣溶膠光學厚度反演，并構建AOD與PM10線性回歸[5-6]相關模型，得到的結果如圖4～7所示。

圖4～7是基于氣溶膠光學厚度反演得到的PM10的空間分布態(tài)勢分析圖。由圖可知，不同季節(jié)PM10呈現(xiàn)不同的分布特征，由于大氣環(huán)境比較復雜，影響氣溶膠光學厚度的因素很多，本文不作深入探討。

圖4 春季某日PM10濃度分布圖

圖5 夏季某日PM10濃度分布圖

圖6 秋季某日PM10濃度分布圖

圖7 冬季某日PM10濃度分布圖

2.2 地面站數(shù)據(jù)驗證分析

獲取了新鄉(xiāng)市2019年11月及12月地面監(jiān)測站PM10數(shù)據(jù)，并提取新鄉(xiāng)市2019-11-28～2019-12-31的所有成圖數(shù)據(jù)對應地面站點的PM10的值（共11 d的對比數(shù)據(jù)），如表2所示。

表2 獲取的兩組數(shù)據(jù)

對11組PM10數(shù)據(jù)以地面站點數(shù)據(jù)為Y軸衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為X軸，做回歸分析得出回歸統(tǒng)計結果為復相關系數(shù)值為0.916，說明地面監(jiān)測站點獲取的PM10數(shù)據(jù)與衛(wèi)星影像獲取的PM10數(shù)據(jù)呈正相關且相關性很強；F顯著性水平值為7.42E-05，該值小于0.005即Sig F值的顯著性較強，說明回歸模型的回歸效果較好，即遙感影像數(shù)據(jù)能很好地反應地面PM10濃度的變化趨勢；因此可以得出衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)PM10與地面監(jiān)測站點PM10的值呈線性正相關，即衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)能準確反映地面監(jiān)測站PM10變化趨勢（圖8）。

圖8 反演數(shù)據(jù)與地面數(shù)據(jù)線性擬合圖

通過對11組新鄉(xiāng)市地面站點及衛(wèi)星影像PM10數(shù)據(jù)進行回歸分析，結果顯示地面站點數(shù)據(jù)與衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)存在很強的相關性，通過衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進行地面PM10污染監(jiān)測可靠且有效。

3 結 語

結合本地環(huán)境保護領域應用迫切需求，本文將現(xiàn)有遙感技術應用到實際案例中，并實現(xiàn)了文中所述的兩項遙感技術的業(yè)務化服務，但由于大氣氣溶膠多變的時空特性、探測技術精度的限制及地域關鍵信息的缺失，氣溶膠定量反演技術并不完善，城市地區(qū)的地表類型復雜，進行氣溶膠反演時地表反射率的精度確定非常困難[7]，大氣氣溶膠定量反演技術仍有較大的提升空間，尤其在氣溶膠光學厚度AOD與當?shù)豍M10污染指數(shù)建立相關模型時具有一定的區(qū)域局限性，研究其他區(qū)域時，需要重新建立適合的模型。