環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星在監(jiān)測(cè)大氣PM10中的應(yīng)用

王中挺,王子峰,厲 青,陳良富,周春艷,張麗娟(.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 0009；.中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所,北京 000；3.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 00049)

環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星在監(jiān)測(cè)大氣PM10中的應(yīng)用

王中挺1*,王子峰2,3,厲 青1,陳良富2,周春艷1,張麗娟1(1.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所,北京 100101；3.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049)

選擇京津唐地區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū),從環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星(HJ-1)的CCD數(shù)據(jù)出發(fā),利用暗目標(biāo)法反演陸地氣溶膠,然后在對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行垂直訂正和濕度校正的基礎(chǔ)上,得到PM10的反演模型,進(jìn)行PM10的反演實(shí)驗(yàn).并利用中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn).結(jié)果表明,HJ-1的時(shí)空分辨率滿足PM10周監(jiān)測(cè)的需要,結(jié)果與地面數(shù)據(jù)有一定的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)為0.58),為提高PM10的反演精度還需結(jié)合更多的地面數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的修正.

環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星；氣溶膠光學(xué)厚度；PM10

大氣中可吸入顆粒物PM10是環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo),其對(duì)人類健康的影響已經(jīng)是不爭(zhēng)的事[1-2].據(jù)《2006年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》統(tǒng)計(jì)[3],在我國(guó)監(jiān)測(cè)的 557個(gè)城市中,43.4%的城市大氣質(zhì)量沒有達(dá)標(biāo),顆粒物為主要污染物.

當(dāng)前大氣顆粒物污染監(jiān)測(cè)主要以地面監(jiān)測(cè)為主.由于地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)量有限,不能全面地反映城市環(huán)境質(zhì)量的區(qū)域狀況.近年來國(guó)內(nèi)外大量實(shí)踐表明,利用暗目標(biāo)法[4]、結(jié)構(gòu)函數(shù)法[5]等遙感監(jiān)測(cè)方法可以獲得整層光學(xué)特性——?dú)馊苣z光學(xué)厚度(AOD),并且和近地面顆粒物濃度之間建立直接相關(guān)關(guān)系[6-9],還有研究將氣溶膠光學(xué)厚度經(jīng)過混合層高度的垂直訂正與空氣水汽訂正后再和顆粒物濃度建立關(guān)系,可以獲得近地面連續(xù)分布的顆粒物濃度分布監(jiān)測(cè)結(jié)果[8,10-11].但如何將遙感方法應(yīng)用于顆粒物濃度分布的監(jiān)測(cè)仍依賴于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間和時(shí)間分辨率.如MODIS數(shù)據(jù)每天有2次覆蓋,但目前NASA公布的氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品只有 10km,在城市污染監(jiān)測(cè)方面仍顯得粗糙;TM、CBERS02B/CCD等傳感器空間尺度能優(yōu)于 30m,完全可以滿足空間分辨率的需要,但100km的幅寬和十幾天的重返周期很難滿足實(shí)際應(yīng)用的需求.

我國(guó)于2008年9月6日發(fā)射的環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星(HJ-1)的A、B星,其搭載的CCD相機(jī),具有高地表分辨率(星下點(diǎn)分辨率為30m)、高時(shí)間分辨率(A星和B星聯(lián)合使用可以在2d覆蓋全國(guó),重返周期為 2d)等特點(diǎn),相對(duì) MODIS和 TM、CBERS02B/CCD等載荷,在時(shí)間和空間兩個(gè)方面均適合于城市群顆粒物濃度區(qū)域分布的監(jiān)測(cè),但在針對(duì)HJ-1的CCD數(shù)據(jù),如何實(shí)現(xiàn)對(duì)近地面顆粒物濃度的監(jiān)測(cè)需要進(jìn)一步的研究.

本研究從HJ-1的CCD數(shù)據(jù)出發(fā),利用暗目標(biāo)法獲得大氣整層氣溶膠光學(xué)厚度,然后利用地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高度校正與濕度校正,獲得PM10的濃度,最后利用中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的API數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 研究方法

1.1 HJ-1A/B衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)氣溶膠反演方法

在大氣水平均一假設(shè)條件下,衛(wèi)星接收到的大氣頂部的表觀反射率TOA可以表達(dá)為[12]:

式中: μs=cosθs, μv=cosθv. θs與θv分別為太陽(yáng)天頂角與觀測(cè)天頂角;S為大氣下界的半球反射率; T為大氣透過率; ρ0為大氣的路徑輻射項(xiàng)等效反射率; ρs為地表二向反射率. S、ρ0和 T(μs)T(μv)等 3個(gè)參數(shù)代表大氣的狀況, 遙感反演需要從中獲取所需氣溶膠光學(xué)厚度(AOD).實(shí)際反演中是用輻射傳輸模型在不同大氣條件和觀測(cè)幾何(太陽(yáng)天頂角、觀測(cè)天頂角和相對(duì)方位角)等條件下,計(jì)算 AOD 和 S、ρ0和 T(μs)T(μv)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立查找表,然后假定地表反射率,利用多波段數(shù)據(jù)進(jìn)行地氣解耦,得到AOD.

針對(duì)HJ-1的CCD數(shù)據(jù),本文采用暗目標(biāo)法進(jìn)行反演[13].暗目標(biāo)法的關(guān)鍵問題是要獲得相應(yīng)波段的地表反射貢獻(xiàn).其原理是對(duì)于植被密集的地表(即暗目標(biāo)),由于紅、藍(lán)波段有較小的反射率,可以通過確定地表反射率的方法來反演氣溶膠.問題是對(duì)于缺乏微米波段的CCD數(shù)據(jù)來說,如何獲得地表反射率小的暗目標(biāo)以及相應(yīng)的反射率.

首先利用歸一化植被指數(shù),設(shè)定相應(yīng)閾值,識(shí)別出暗目標(biāo);然后根據(jù)暗目標(biāo)的紅、藍(lán)波段的地表反射率的線性關(guān)系從紅、藍(lán)波段(分別對(duì)應(yīng)CCD相機(jī)的第3波段和第1波段)的表觀反射率去除地表貢獻(xiàn),獲得大氣參數(shù) S、ρ0、T(μs)T(μv),進(jìn)而得到AOD.

在具體的反演過程中,大氣參數(shù)S、ρ0和T(μs)T(μv)可以看作是大氣氣溶膠光學(xué)厚度的函數(shù),將紅、藍(lán)波段的表觀反射率代入式(1)得到 2個(gè)方程,與式(2)結(jié)合,可以得到一個(gè)三元一次方程組,未知數(shù)為大氣氣溶膠光學(xué)厚度、紅波段地表反射率、藍(lán)波段地表反射率.解這個(gè)方程組即可實(shí)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度的反演.

1.2 PM10反演方法

雖然氣溶膠光學(xué)厚度與PM10有一定的相關(guān)關(guān)系,但受氣溶膠垂直分布、濕度影響很大,需要對(duì)獲得氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行垂直和濕度訂正,再分析其與PM10的相關(guān)關(guān)系,以更好的反演PM10.本文采用 Li等[8-9]提出的方法,并根據(jù)相關(guān)研究成果[11],利用地面觀測(cè)得到的氣溶膠消光系數(shù)、相對(duì)濕度、邊界層高度等參數(shù)進(jìn)行高度、濕度等參數(shù)對(duì)氣溶膠消光系數(shù)的影響進(jìn)行分析,得到PM10反演模型,進(jìn)而獲得PM10監(jiān)測(cè)分布.

氣溶膠光學(xué)厚度[τa(λ)]是氣溶膠消光系數(shù)在高度上的積分:

氣溶膠在垂直方向的分布并不均一[14],本研究假定氣溶膠消光系數(shù)隨高度呈負(fù)指數(shù)的分布:

式中,AH 表示氣溶膠的標(biāo)高,a,0()k λ表示近地面的氣溶膠消光系數(shù).綜合式(4)、式(5)可得:

根據(jù)式(6),可以從氣溶膠整層光學(xué)厚度獲得近地面氣溶膠消光系數(shù).HA可以通過激光雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得.

研究表明,氣溶膠粒子中的水汽含量會(huì)對(duì)氣溶膠的復(fù)折射指數(shù)等產(chǎn)生明顯影響[15-17].為提高近地面氣溶膠消光系數(shù)與 PM10的相關(guān)性,需要進(jìn)行相應(yīng)的濕度訂正.定義濕度變化因子如下[11]:

式中,g為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),需要根據(jù)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合.近地面氣溶膠“干”消光系數(shù)可通過濕度變化因子進(jìn)行訂正,即:

最后,將衛(wèi)星遙感像元獲得的像元近地面氣溶膠“干”消光系數(shù)與該像元對(duì)應(yīng)的地面觀測(cè)站獲得的 PM10濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析,獲得線性系數(shù)a、b,進(jìn)而得到PM10反演公式:

2 PM10反演計(jì)算過程

根據(jù)上述PM10反演方法,利用IDL語言進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從HJ-1的CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行PM10監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示.

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

針對(duì) CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行兩方面的預(yù)處理:一是重采樣,為加快運(yùn)算速度和提高信噪比,對(duì) CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行 10×10像元的合成,重采樣成為 300m分辨率的圖像;二是輻射定標(biāo),從 CCD數(shù)據(jù)的輔助 xml文件中讀取輻射定標(biāo)系數(shù)和太陽(yáng)高度角參數(shù),將CCD數(shù)據(jù)的DN值轉(zhuǎn)換為表觀反射率.

2.2 氣溶膠反演

根據(jù)獲得的表觀反射率,基于 NDVI值進(jìn)行暗目標(biāo)的識(shí)別;利用獲得的太陽(yáng)高度角對(duì)查找表進(jìn)行插值,得到第1波段和第3波段的不同氣溶膠光學(xué)厚度下的大氣參數(shù)和S;將暗目標(biāo)的第1波段和第3波段的天頂反射率和大氣參數(shù)代入方程組(3)解方程,反演得到氣溶膠光學(xué)厚度.

2.3 PM10反演

利用激光雷達(dá)獲得的邊界層高度,獲得垂直訂正所需參數(shù);利用地面獲得的相對(duì)濕度,擬合得到濕度變化因子;對(duì)地面進(jìn)行相關(guān)分析獲得線性系數(shù),最后利用式(6)、式(8)、式(9)進(jìn)行計(jì)算,從氣溶膠光學(xué)厚度計(jì)算獲得PM10.

2.4 圖像平滑與成圖輸出

在獲得 PM10后,對(duì)結(jié)果圖像進(jìn)行平滑處理,達(dá)到內(nèi)插部分無效值并抑制異常點(diǎn)的目的,采用9×9像元的距離加權(quán)平均的濾波方法進(jìn)行;將結(jié)果導(dǎo)入 ArcMap中,進(jìn)行疊加矢量圖、分等定級(jí)以及添加圖名圖例等操作后,制成專題圖輸出.

圖1 環(huán)境衛(wèi)星PM10監(jiān)測(cè)流程Fig.1 Flow chart of PM10monitoring from HJ-1

3 結(jié)果與驗(yàn)證

為對(duì)反演算法與相應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn),選擇2009年5月25日京津唐地區(qū)的HJ-1的CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行反演試驗(yàn),由A星CCD2的2景數(shù)據(jù)合成,生產(chǎn)序列號(hào)分別為118461和11849,獲得結(jié)果如圖2所示.

從圖2可以看出,2009年5月25日京津唐地區(qū)空氣質(zhì)量較差,PM10在50μg/m3以上.據(jù)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站提供的北京和天津空氣污染指數(shù),兩地都以顆粒物污染為主,其中北京出現(xiàn)了輕微污染(API指數(shù)為128),天津空氣質(zhì)量為良(API指數(shù)為78),與算法監(jiān)測(cè)的結(jié)果相吻合.

圖2 HJ-1的PM10監(jiān)測(cè)圖(2009-05-25)Fig.2 The distribution of PM10from HJ-1(2009-05-25)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本算法的精度和可靠性,選取2009年5月2日至8月23日的環(huán)HJ-1的CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列的反演計(jì)算,地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站提供的“空氣日?qǐng)?bào)”中北京的API監(jiān)測(cè)值.在此期間,HJ-1共獲得26天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其中3d(5月2日、5月4日和6月10日)地面站點(diǎn)沒有數(shù)據(jù),在其余 23d中空氣質(zhì)量主要污染物為可吸入顆粒物.在將 API轉(zhuǎn)換為 PM10后,對(duì)二者進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果如圖3所示.

圖3 PM10結(jié)果驗(yàn)證Fig.3 The validation of PM10

根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果,衛(wèi)星探測(cè)獲得的結(jié)果與地面觀測(cè)的API指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.58.但從圖中可以看出,本算法獲得的結(jié)果偏小,原因可能是二者數(shù)據(jù)的時(shí)間、空間尺度不同,地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為單點(diǎn)數(shù)據(jù)并且是日平均的,而HJ-1獲得的PM10是衛(wèi)星過境時(shí)北京城區(qū)中心地帶的平均.

4 討論

在本算法中,假定氣溶膠為大陸型來反演PM10的,擬合的系數(shù)則是利用遙感所超級(jí)站的數(shù)據(jù)得到,而實(shí)際上氣溶膠的組分復(fù)雜,本節(jié)將對(duì)不同組分給PM10帶來的影響進(jìn)行討論.

國(guó)際氣象與大氣物理協(xié)會(huì)的輻射委員會(huì)為計(jì)算大氣輻射模型而把氣溶膠按成分分為6種:水溶性粒子、沙塵性、粒子、海洋性粒子、煤煙、火山灰、75%硫酸水溶液滴.陸地氣溶膠主要由水溶性粒子、沙塵性粒子、煤煙等3種粒子構(gòu)成.

假定邊界層高度相同,不考慮相對(duì)濕度的影響,得到不同氣溶膠粒子 PM10濃度隨氣溶膠光學(xué)厚度變化如圖4所示.

圖4 典型氣溶膠粒子PM10隨光學(xué)厚度變化Fig.4 PM10of typical aerosol in differnent AOD

從圖 4可以看出,不同類型氣溶膠粒子的PM10值隨光學(xué)厚度變化有著較大的不同,尤其是沙塵型粒子隨著光學(xué)厚度的增大有著較大的增加,而水溶型和煤煙型較為接近,隨光學(xué)厚度的增加,PM10值增大幅度較小.

5 結(jié)論

5.1 HJ-1具有監(jiān)測(cè)PM10的能力.在空間分辨率上,300米的分辨率可以很好的表現(xiàn)PM10的面狀分布;在時(shí)間分辨率上,5月～8月間共 115d,除去云影響數(shù)據(jù),有26d能夠進(jìn)行監(jiān)測(cè),平均4～5d能夠獲得一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可以滿足周監(jiān)測(cè)的需要.

5.2 HJ-1的PM10與地面較為相關(guān).監(jiān)測(cè)結(jié)果與地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有一定的相關(guān)性,能夠在區(qū)域尺度上反映顆粒物濃度的空間分布差異,結(jié)合地面PM10觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的標(biāo)定,將有助于實(shí)現(xiàn)區(qū)域尺度上PM10濃度空間分布的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè).

5.3 氣溶膠類型會(huì)較大的影響反演.不同類型的氣溶膠粒子與PM10之間的線性關(guān)系有著較大的區(qū)別,為進(jìn)一步提高 PM10監(jiān)測(cè)精度需要在下一步的工作中準(zhǔn)確獲取氣溶膠粒子類型,并利用更多地面數(shù)據(jù)進(jìn)行討論.

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致謝：本文的空氣質(zhì)量地面觀測(cè)數(shù)據(jù)由中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站提供,特此表示感謝.

Monitoring of PM10from HJ-1 CCD data.

WANG Zhong-ting1*, WANG Zi-feng2,3, LI Qing1, CHEN Liang-fu2, ZHOU Chun-yan1, ZHANG Li-juan1(1.Environmental Satellite Application Center, State Environmental Protection Ministry,Beijing 100029, China；2.Institute of the Remote Sensing Applications, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101,China；3.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science,2011,31(2)：202～206

AOD (aerosol optical depth) over land surfaces was retrieved by DDV (dark dense vegetation) method, then based on the vertical and RH (relative humidity) correction, the model of PM10retrieval was established. In order to validate the model, PM10in the Beijing-Tianjin-Tangshan area was retrieved from May to August, 2009, and was compared against the ground-based measurements provided by China National Environmental Monitoring Centre. The results showed that, HJ-1 data can meet the requirement of weekly monitoring of PM10, and the correlation coefficient between the retrieved and measured PM10was 0.58. However, the HJ-1 retrieved PM10had a negative bias from the ground-based measurements, and further improvement would be conducted to improve the retrieving accuracy.

HJ-1；aerosol optical depth (AOD)；PM10

X87

A

1000-6923(2011)02-0202-05

2010-05-20

國(guó)家“973”項(xiàng)目(2010CB950801)

* 責(zé)任作者, 工程師, wang.zhongting@gmail.com

王中挺(1980-),男,河南鄭州人,工程師,博士,目前主要從事大氣環(huán)境遙感的工作.已發(fā)表論文近20篇.