基于遙感影像和環(huán)?；緮?shù)據(jù)的PM2.5監(jiān)測方法比較

逯喜宏++周軍其++林宏波

【摘 要】 PM2.5的常用的監(jiān)測方法是建立環(huán)?；纠脙x器進行監(jiān)測，這種方法的優(yōu)點是可以獲得精度較高且連續(xù)觀測的數(shù)據(jù)，不足之處在于不能全面獲取一個地區(qū)PM2.5時空分布信息，且建站的成本高，周期長。與常用監(jiān)測方法相對應的是利用遙感影像進行PM2.5的監(jiān)測，該方法的優(yōu)點是能夠?qū)M2.5進行大范圍的監(jiān)測，缺點在于無法得到PM2.5成分。本文的觀點是要實現(xiàn)PM2.5的快速有效監(jiān)測，就必須將這兩種方法結(jié)合起來。為此，本文提出了一種新的PM2.5的監(jiān)測方法。

【關鍵詞】 PM2.5 遙感影像 環(huán)保基站數(shù)據(jù) 監(jiān)測

2013年12月8日，中央氣象臺持續(xù)發(fā)布霧和霾橙色雙預警，中國大陸共有25個省、104座城市出現(xiàn)霧霾天氣，覆蓋了我國將近一半的國土。[1]越來越嚴重的霧霾天氣受到了政府和公眾的高度關注，治理霧霾已經(jīng)成了一件刻不容緩的大事。霧霾其實就是空氣中懸浮的顆粒物的總稱，通常情況下，按照直徑的大小，將空氣中懸浮的顆粒物分為三類，第一類是直徑大于10微米而小于100微米總的懸浮顆粒物；第二類是直徑大于2.5微米而小于10微米的可吸收顆粒物；第三類是直徑小于等于2.5微米的顆粒物。[2]

PM2.5指直徑小于等于2.5微米的可吸入顆粒物。[3]城市大氣中PM2.5的來源和成分十分復雜：來源上，各種燃燒的過程如煤炭燃燒、油氣的燃燒以及機動車排放的尾氣等；成分上，有二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx），以及揮發(fā)性的有機化合物（VOCs）等。PM2.5是霧霾天氣的“罪魁禍首”，更是普通民眾的“健康殺手”：若PM2.5隨著呼吸進入人體，沉積在下呼吸道和肺泡中，會引起鼻炎、支氣管炎等病癥。[4]若PM2.5的濃度在0—75微克/立方米內(nèi)，人可以在戶外活動。若超過75微克/立方米，就不適合在戶外運動了。人口密度越大的地區(qū)，經(jīng)濟越發(fā)達的地區(qū)，出現(xiàn)霧霾天氣的天數(shù)越多。在經(jīng)濟較為發(fā)達的東南沿海一帶，7天內(nèi)每天都是霧霾天氣，污染已經(jīng)到了十分嚴重的地步。而在人口稀少、經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，如西藏、內(nèi)蒙、新疆、青海等省，7天內(nèi)基本沒有霧霾天氣，空氣污染相對比較輕。

2014年5月17全國的PM2.5濃度大多都在輕度污染以上。我國的最南部地區(qū)PM2.5的數(shù)值在正常的范圍內(nèi)，空氣質(zhì)量好。我國中原地區(qū)，東部地區(qū)和北京天津等地的PM2.5濃度超標，污染處于比較嚴重的狀態(tài)。

我國的PM2.5的污染程度越來越嚴重，已經(jīng)到達非治不可的地步。目前，對于PM2.5的監(jiān)測有兩種方法，即環(huán)?；緮?shù)據(jù)法和遙感影像法，下面就針對這兩種方法進行詳細的介紹。

1 用遙感影像和環(huán)?；緮?shù)據(jù)監(jiān)測PM2.5的原理及方法

1.1 遙感影像

1.1.1 原理

根據(jù)普朗克原理，每種氣體都有其固有的輻射和吸收光譜。結(jié)合表1可以看出：在1.4、1.9、2.7、6.3微米以及21～100微米之間，有水汽的強振轉(zhuǎn)吸收帶；在2.7、4.3和14.7微米附近有二氧化碳的強振轉(zhuǎn)吸收帶。由于不同PM2.5氣體的輻射和吸收光譜是不同的，這樣就在遙感影像上留下了不同的印記 ，通過遙感影像的分析和解譯，就可以判斷出PM2.5的對于大氣的污染情況。[4]

1.1.2 方法

這里以ESRI北京公司遙感應用事業(yè)部提出的一種方法進行說明。在他們的新浪博客“ENVI/IDL技術”中，對于遙感影像反演的方法進行了詳細介紹。他們采用MODIS影像進行了研究。MODIS影像是目前最先進的多光譜遙感傳感器，有36個觀測通道，覆蓋了當前主要遙感衛(wèi)星的主要觀測數(shù)據(jù)。利用反演得到的氣溶膠光學厚度空間分布數(shù)據(jù)結(jié)合PM2.5實測數(shù)據(jù)建立相關模型，即可實現(xiàn)PM2.5的遙感監(jiān)測。

1.2 環(huán)?；緮?shù)據(jù)

1.2.1 原理

以恒速抽取定量體積空氣，使環(huán)境空氣中的PM2.5和PM10被截留在已知質(zhì)量的濾膜上，根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量差和采樣體積，計算出PM2.5和 PM10的濃度。[5]

1.2.2 方法

振蕩天平法：振蕩天平法PM2.5顆粒物監(jiān)測儀由PM10采樣頭、PM2.5切割器、濾膜動態(tài)測量系統(tǒng)、采樣泵和儀器主機組成。[6]

氣體采樣：流量為每小時1立方米的環(huán)境空氣樣品經(jīng)過PM10采樣頭和PM2.5切割器后成為符合技術要求的PM2.5顆粒物樣品氣體。

分離氣體：PM2.5樣品氣體進入膜動態(tài)測量系統(tǒng)后首先會經(jīng)過干燥器，在那里樣品的相對濕度降到一定的程度，隨后樣品氣體會根據(jù)系統(tǒng)切換閥的狀態(tài)流向不同的部件。

測量第一階段：計算樣品的質(zhì)量濃度。PM2.5樣品會直接到達振蕩傳感器，樣品中的顆粒物被收集在濾膜上，利用儀器測量顆粒物的質(zhì)量，同時計算出樣品的質(zhì)量濃度。測量第二階段：測量揮發(fā)掉氣體的質(zhì)量和濃度。

1.2.3 Beta射線法

首先，將PM2.5顆粒物樣品氣體的相對濕度調(diào)整到35%以下，樣品進入儀器主機后顆粒物被收集在可以自動更換的濾膜上。其次，根據(jù)射線信號的強度變化計算出采樣時間段內(nèi)氣體的濃度值。

2 遙感影像和環(huán)保基站數(shù)據(jù)結(jié)合，是未來PM2.5監(jiān)測的有效方法

2.1 目前已經(jīng)成熟的技術

如前所述，利用遙感影像和環(huán)?；緮?shù)據(jù)進行PM2.5的監(jiān)測，都有各自的優(yōu)點和不足之處，那么有沒有一種方法，能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點集中起來，獲得能夠代表一個地區(qū)高精度的PM2.5的監(jiān)測數(shù)據(jù)endprint