大氣PM2.5遙感反演研究進展*

于 雪 趙文吉 孫春媛 熊秋林 歐 陽

(首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京 100048)

大氣PM2.5遙感反演研究進展*

于 雪 趙文吉#孫春媛 熊秋林 歐 陽

(首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京 100048)

PM2.5是中國空氣質(zhì)量的重要評價指標，影響著環(huán)境和人體健康。近年來，遙感反演已逐漸成為監(jiān)測PM2.5的熱點。介紹了大氣PM2.5反演常用的遙感數(shù)據(jù)優(yōu)缺點及適用范圍，對遙感反演方法進行歸納和總結(jié)，闡述構(gòu)建PM2.5與氣溶膠光學厚度關系模型、消除氣象因素和垂直分布等參數(shù)影響的方法，并展望PM2.5遙感反演在高時空分辨率數(shù)據(jù)和模型耦合等方面的發(fā)展趨勢。

PM2.5衛(wèi)星遙感 反演算法 氣溶膠光學厚度 關系模型

PM2.5是中國空氣質(zhì)量的重要評價指標，因組成復雜、易吸附有毒有害物質(zhì)以及在大氣中滯留時間長等特點，對人體健康、氣候和天氣過程產(chǎn)生重要影響，被學者廣泛研究[1]582，[2]。目前，PM2.5的監(jiān)測方法分為地面和遙感監(jiān)測。地面監(jiān)測雖精度高，但由于成本昂貴、站點分布不均且稀少，無法獲得大面積連續(xù)的PM2.5數(shù)據(jù)[3]3-4；衛(wèi)星遙感技術具有空間覆蓋范圍大、不同尺度采集數(shù)據(jù)和受限制條件少等優(yōu)勢，常用于監(jiān)測大范圍的PM2.5時空分布[4]，既能指導地面監(jiān)測站的布設又可模擬霧霾的發(fā)生。氣溶膠光學厚度(AOD)是反演PM2.5濃度的常見衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，用于描述氣溶膠對光的衰減作用。研究表明，遙感反演的AOD與地面監(jiān)測PM2.5濃度具有較高的相關性。因此，學者們通過衛(wèi)星遙感反演AOD，經(jīng)過垂直和濕度校正，建立AOD與PM2.5的關系模型來研究PM2.5的濃度、來源和傳輸機理。

從20世紀70年代遙感反演氣溶膠興起到90年代遙感蓬勃發(fā)展，從海洋上空反演到陸地反演，從高級甚高分辨率輻射計(AVHRR)到多角度成像光譜儀(MISR)，再到多光譜多角度偏振探測器(POLDER)的出現(xiàn)逐步提升了PM2.5反演的精度。反演方法基于KAUFMAN[5]建立的暗像元法不斷改進，衍生新的算法。中國衛(wèi)星遙感反演PM2.5起步較晚，研究體系尚不完善，但近幾年已很重視該領域的研究。然而，有限的監(jiān)測站使得衛(wèi)星遙感監(jiān)測變成強化大氣環(huán)境監(jiān)測監(jiān)管的短板。

本研究針對PM2.5遙感反演數(shù)據(jù)的來源進行詳細介紹，在此基礎上對遙感反演方法進行歸納和對比，分析其優(yōu)缺點；論述如何建立PM2.5與AOD關系模型并消除參數(shù)影響，最后展望遙感反演的發(fā)展趨勢。本研究對衛(wèi)星反演氣溶膠的方法改進、模型構(gòu)建和廣泛應用具有重要意義。

1 PM2.5反演常用的遙感數(shù)據(jù)

AVHRR是最早用于AOD反演的衛(wèi)星傳感器。由于海洋表面相對均一，反射率很小且近似為常數(shù)，因此早期的氣溶膠反演主要集中于海洋和大水體表面上空。趙柏林等[6]利用AVHRR數(shù)據(jù)反演海上AOD；另一個長期用于探測氣溶膠特性的傳感器是1978年發(fā)射，最初搭載于Nimbus-7上的臭氧總量繪圖光譜儀(TOMS)。

氣溶膠遙感的飛速發(fā)展是在美國國家航空航天局(NASS)發(fā)射探測衛(wèi)星TERRA之后，該衛(wèi)星上攜帶著特別為氣溶膠遙感而設計的傳感器——中分辨率成像光譜儀(MODIS)和MISR。MODIS實現(xiàn)了全球覆蓋，數(shù)據(jù)可直接下載，在中國應用廣泛，但受云影響較大。最新產(chǎn)品是C6，增加了3 km(僅限于AQUA)分辨率的AOD產(chǎn)品。LEVY等[7]驗證了C6產(chǎn)品比C5具有更高的精度和覆蓋率，然而AOD C6產(chǎn)品發(fā)布時間較晚(2014年初發(fā)布)，因此在PM2.5的污染研究中應用不如C5產(chǎn)品廣泛。而MISR可對高反射率地表進行反演，因此被一些學者用來與MODIS相互補充，從而提高PM2.5反演精度[8]。MISR重返周期為2～9 d，無法檢測日常數(shù)據(jù)，但可作為長期數(shù)據(jù)研究支撐。

臭氧觀測儀(OMI)是通過可見光和紫外光波段反演大氣氣溶膠的高分辨率傳感器，于2004年發(fā)射。空間分辨率較高，每天實現(xiàn)一次全球覆蓋。但因反演的紫外光波段易受瑞利散射影響，在AOD低值區(qū)反演精度較低。STRAWA等[9]將OMI與MODIS結(jié)合，應用廣義加和模型來提高AOD與PM2.5的相關性；WONG等[10]901-906驗證發(fā)現(xiàn)，OMI的反演精度較MODIS和MISR產(chǎn)品低。

2011年發(fā)射的國家極地軌道伴隨衛(wèi)星(Suomi NPP)上搭載的可見光紅外成像輻射儀(VIIRS)是超過服役期的MODIS衛(wèi)星的繼承和發(fā)展，主要用于觀測全球性的陸地、海洋和大氣。但反演氣溶膠精度不如MODIS產(chǎn)品高。蘇城林等[11]將VIIRS反演的高分辨率(750 m)的AOD與全球氣溶膠監(jiān)測網(wǎng)(AERONET)、MODIS的氣溶膠產(chǎn)品對比，發(fā)現(xiàn)VIIRS與兩者具有顯著的相關性；WANG等[12]研究驗證了利用VIIRS的晝/夜波段反演夜間PM2.5的可能性。

云-氣溶膠激光雷達和紅外探測者衛(wèi)星(CALIPSO)是高分辨率觀測全球范圍內(nèi)氣溶膠垂直廓線的衛(wèi)星，可利用激光器探測到的信息獲取氣溶膠的垂直分布、多種氣溶膠類型以及PM2.5的空間分布[10]899-900，[13-14]。BRéON等[15]3106-3110對比分析了POLDER、MODIS和CALIPSO反演AOD的精度，結(jié)果表明，CALIPSO的相關系數(shù)最高。但因重返周期和分辨率的限制，目前應用最廣泛的還是MODIS和MISR傳感器。

中國對氣溶膠的遙感反演始于1988年，風云系列衛(wèi)星主要涉及AOD和紫外廓線的反演，很少涉及PM2.5的反演。周永波等[16]對比了風云三號(FY-3A)和MODIS C5在中國渤海、黃海以及東海海域的氣溶膠樣品，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擬合度均較高。2002年，中國成功發(fā)射了海洋一號衛(wèi)星，衛(wèi)星上有效載荷包括電荷耦合元件(CCD)成像儀和海洋水色掃描儀。自此形成了氣象、海洋以及資源3大遙感衛(wèi)星系列，對中國氣溶膠的監(jiān)測發(fā)揮重要作用[17]。2008年，發(fā)射的環(huán)境與減災衛(wèi)星(HJ-1)攜帶了高光譜傳感器和寬覆蓋多波段傳感器。王中挺等[18]采用改進的暗像元法評價了基于HJ-1的CCD相機在陸地氣溶膠監(jiān)測中的應用潛力和可行性。資源三號(ZY-3)是中國第一顆民用高分辨率測繪衛(wèi)星，對于定量遙感具有重要意義。秦雁等[19]分析了中國香港地區(qū)ZY-3的AOD數(shù)據(jù)，以識別局地大氣污染源，為中國城市區(qū)域氣溶膠自動監(jiān)測提供參考。

2 AOD遙感反演算法

根據(jù)采用的數(shù)據(jù)不同，KAUFMAN等[20]和KING等[21]將衛(wèi)星遙感氣溶膠的標量方法分為6類：單通道算法、多通道算法、多通道多角度算法、暗像元法、結(jié)構(gòu)函數(shù)法和偏振算法。本研究針對遙感反演中常用的算法進行簡要的概述、分析和比較。

2.1 暗像元法

KAUFMAN等[22]建立的基于陸地地表反演AOD的暗像元法是目前陸地上空使用最廣泛的算法。該法利用了植被密集、具有較低反射率的地表在近紅外(2.13 μm)與紅(0.66 μm)、藍(0.47 μm)通道反射率具有良好相關性的特性。李成才[23]采用暗像元法反演北京地區(qū)AOD時發(fā)現(xiàn)，由于降雪和綠色植被稀疏，估算的北京地表反射率可能偏小。該法局限于暗目標區(qū)域，受地物類型的限制大。對于城市、半干旱和干旱等高反射率地區(qū)無法獲取AOD，氣溶膠模型誤用的敏感性較高，使用前需要先驗知識確定氣溶膠的類型。

2.2 深藍算法(DB)

目前，暗像元法有很多改進算法，如DB。DB處理的數(shù)據(jù)來源是藍色波段(412～470 nm)光譜[24]，藍色波段在亮地表區(qū)域具有較低地表反射率，且受氣溶膠垂直廓線影響偏低，所以利用這一特性反演植被、裸土、水體和沙漠等高反射率的區(qū)域。SAYER等[25]研究發(fā)現(xiàn)，亮地表應用DB比暗像元法反演AOD更精確。但DB的精度受藍色波段地表反射率數(shù)據(jù)庫的精度限制。

2.3 雙星協(xié)同反演算法

為消除氣溶膠模式選取的誤差，唐家奎等[26]提出了基于TERRA和AQUA雙星的MODIS數(shù)據(jù)的協(xié)同反演算法。該法事先不需要假設氣溶膠類型，可同時獲得兩次過境時間的氣溶膠信息。因此，可用來分析區(qū)域氣溶膠動態(tài)變化規(guī)律，有效提高了大氣污染的監(jiān)測質(zhì)量。胡秀清等[27]將FY-1C/1D氣溶膠衛(wèi)星成功應用于全球海上AOD反演，從兩個衛(wèi)星連續(xù)的反演結(jié)果獲得清晰的全球氣溶膠主要排放地和季節(jié)變化。雙星協(xié)同反演算法無需使用地表反射率數(shù)據(jù)庫，對城市等高反射率地區(qū)效果明顯。但使用兩顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演會受到不同衛(wèi)星傳感器性能差異和遙感圖像匹配的影響，同一像元可能出現(xiàn)云污染，影響反演AOD的精度，且計算量較大，造成結(jié)果誤差較大，應用并不廣泛。

2.4 結(jié)構(gòu)函數(shù)法

20世紀90年代，HOLBEN等[28]利用結(jié)構(gòu)函數(shù)法減少地表二向反射特性的影響，從而反演了AOD；孫林[3]23-30基于結(jié)構(gòu)函數(shù)法開展了城市地區(qū)的二向性反射分布函數(shù)(BRDF)模型研究，用于北京地區(qū)的AOD反演；周春艷等[29]提出新的結(jié)構(gòu)函數(shù)公式用于HJ-1A/B衛(wèi)星的CCD數(shù)據(jù)，獲取北京地區(qū)的AOD時空分布情況。結(jié)構(gòu)函數(shù)法對地表反射率的限制很小，故可用來反演干旱、半干旱和城市等高反射率地區(qū)的AOD。但是，結(jié)構(gòu)函數(shù)法存在一些問題(參考圖像因分辨率限制，幾何條件存在差異；在衛(wèi)星觀測時段不可避免受到云、霧、雨和雪等影響，很難在短時段內(nèi)獲取清晰圖像；圖像選擇具有主觀性、時間變異性)，因而造成了反演誤差。

2.5 偏振算法

隨著遙感的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，地表反射率相對于大氣來說一般是低偏振或無偏振的，對大氣頂?shù)钠褫椛湄暙I小，因而可通過多角度偏振探測器測量后向散射的偏振特性，得到受地表反射和散射影響較小的氣溶膠信息[15]3104-3105。POLDER是可獲取全球氣溶膠偏振信息的探測器。DUBOVIK等[30]將多角度、多光譜、偏振和強度等信息融合在一起，研究出將前向模型和數(shù)值分別考慮其中的反演算法。中國也開展了關于POLDER數(shù)據(jù)的反演工作[31-32]。

2.6 其他算法

適用于復雜地表的簡化的氣溶膠反演算法(SARA)是由BILAL等[33-34]首次提出，并在中國香港和北京地區(qū)進行驗證，分辨率高達500 m，為目前利用MODIS傳感器反演氣溶膠的最高分辨率。該法無需建立查找表，但因算法成立條件是假設地面的單次散射反照率與不對稱因子在反演地區(qū)沒有變化，SARA較適合城市尺度的研究。最大的局限性是必須要有AERONET站點提供反演所需要的參數(shù)(單次反照率和幾何對稱因子)，若某區(qū)域沒有AERONET，此法不能實現(xiàn)。LI等[35]采用SARA反演出京津冀地區(qū)秋冬兩季500 m分辨率的AOD及Angstrom指數(shù)，驗證了SARA對不同污染條件適用性較好；LUO等[36]在SARA的基礎上引入暗像元理論，代替MOD09地表反射率產(chǎn)品，簡化了反演過程。

大氣化學傳輸模型可提供區(qū)域到全球尺度的氣溶膠的質(zhì)量濃度、組分和光學性質(zhì)等信息，與遙感耦合可提高PM2.5反演精度。如多尺度空氣質(zhì)量(CMAQ)模式衛(wèi)星遙感產(chǎn)品源同化模型、大氣化學傳輸模型(GEOS-Chem)均取得有效的結(jié)果[37-38]。LI等[39]采用GEOS-Chem模擬美國地區(qū)2008—2010年的AOD，并與MISR反演的AOD和AERONET監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行對比分析得到較好的一致性。

3 PM2.5濃度估算方法

通過建立PM2.5與AOD間的統(tǒng)計關系是當前獲取地面PM2.5濃度的重要研究方法。研究發(fā)現(xiàn)，AOD與地面PM2.5濃度間的相關性較高，驗證了AOD估算地面PM2.5濃度的可行性[40-41]。研究者應用簡單線性模型建立PM2.5與AOD二元關系時發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星觀測的AOD受氣象因素(如相對濕度、邊界層高度、溫度和風速)和氣溶膠垂直分布的影響，常規(guī)監(jiān)測的PM2.5濃度是經(jīng)50 ℃烘干的近地面干粒子濃度，因此氣象因素和垂直分布影響兩者的線性相關性[42]。

針對上述影響因素，WANG等[43]將垂直分布和相對濕度等影響因子引入PM2.5—AOD相關模型，有效減少了AOD與地面PM2.5濃度間的不確定性；氣象因素和地理要素的引入，提高了PM2.5與AOD的相關性[44]。LIU等[45]綜合考慮氣象、季節(jié)和地理，通過建立多元線性回歸模型定量描述了相對濕度、垂直分布對AOD—PM2.5關系的影響。LIU等[46]在2009年利用研發(fā)的兩層級廣義加和模型(GAM)成功估算新英格蘭地區(qū)的PM2.5濃度，但該模型缺點是需要大量地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模型的驗證。LEE等[47]利用線性混合效應回歸模型(LME)估算美國東北部PM2.5的逐日變化。HU等[48]開發(fā)了地理加權(quán)回歸模型(GWR)，利用氣象因素和土地利用信息估算了美國東南部的PM2.5地面濃度，研究證明，GWR比最小二乘回歸模型精度更高。

LIN等[49]基于物理機理的半經(jīng)驗公式法，依據(jù)PM2.5與AOD以及濕度、邊界層高度和垂直分布等特征，建立了PM2.5估算公式。但PM2.5與AOD間的物理機理較復雜，參數(shù)難以獲取，反演PM2.5效果并不理想[50]25-26。為更精確獲取PM2.5的濃度分布，KLOOG等[1]584-589將多角度大氣校正(MAIAC)算法處理過的AOD數(shù)據(jù)利用三級混合效應模型成功回歸了地面PM2.5濃度(平均樣本的R2=0.88)。但是，MAIAC數(shù)據(jù)目前還難以在北美及亞馬遜以外的地區(qū)應用。因此，一些學者采取土地利用回歸模型(LUR)內(nèi)插得到更高分辨率的PM2.5地面濃度[51]。也有研究者基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)合AOD、地面監(jiān)測和氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建復雜的模型[52]，其反演結(jié)果優(yōu)于多元線性和簡單線性回歸模型。

復雜統(tǒng)計模型的缺陷是必須要有海量地基數(shù)據(jù)支撐，而且需要大量的地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合和驗證，因此必須在有地面監(jiān)測數(shù)據(jù)的區(qū)域使用。中國從2013年開始監(jiān)測PM2.5，2013年前沒有足夠的數(shù)據(jù)進行建模，模型的準確性和可行性無法估算[50]29-30。

4 結(jié)語與展望

國外基于衛(wèi)星的反演方法已逐漸業(yè)務化，而中國正處于發(fā)展階段，地面監(jiān)測PM2.5時間開始較晚，先驗知識庫建立不完善。盡管衛(wèi)星遙感監(jiān)測相對于地面監(jiān)測有著很顯著的優(yōu)勢，但問題依然存在。

高時空分辨率以及高光譜衛(wèi)星的出現(xiàn)提高了衛(wèi)星遙感監(jiān)測的精度。如中國采用具有較高空間分辨率(30 m)的環(huán)境一號衛(wèi)星CCD相機提取城市地區(qū)AOD。高分辨率的Landsat-8和Suomi NPP衛(wèi)星也是未來研究PM2.5污染的重要來源。

衛(wèi)星遙感監(jiān)測AOD受氣象和地形因素影響，會造成數(shù)據(jù)缺失，而中國當前所處的復合型大氣污染狀況也增加了反演難度。利用數(shù)據(jù)融合方法，將不同遙感數(shù)據(jù)源進行融合研究，可減少單一數(shù)據(jù)造成的反演精度不高等問題。

將遙感反演與大氣動力學模式耦合也可在一定程度上彌補地面觀測在區(qū)域大范圍監(jiān)測的不足，既可預測PM2.5濃度，又能估算組分。如當前應用CMAQ模型和GEOS-Chem已取得不錯的成果。

AOD與地面PM2.5間存在很大的不確定性，氣溶膠的垂直廓線會受到氣象因素和污染傳輸影響。增加土地利用信息和氣象因素的訂正，利用有限的地面監(jiān)測數(shù)據(jù)建立恰當?shù)腁OD與PM2.5統(tǒng)計模型，如LUR、混合效應模型和神經(jīng)網(wǎng)絡分析等高級統(tǒng)計模型，消除氣溶膠垂直分布、粒子吸濕性增長和土地利用信息等對PM2.5濃度反演的影響，也是未來遙感反演的重要研究途徑之一。

基于中國自主研發(fā)建立的衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)，利用高時空分辨率的遙感數(shù)據(jù)，通過改進現(xiàn)有算法，消除影響PM2.5與AOD關系的不確定性，結(jié)合地面實測數(shù)據(jù)，反演全國乃至全球范圍內(nèi)的AOD，對中國防治大氣污染和保護環(huán)境具有重要現(xiàn)實意義，也為中國建立遙感監(jiān)測系統(tǒng)奠定基礎。

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ProgressstudyonremotesensingretrievalofatmosphericPM2.5concentration

YUXue，ZHAOWenji，SUNChunyuan，XIONGQiulin，OUYang.

(CollegeofResourceEnvironmentandTourism，CapitalNormalUniversity，BeijingKeyLaboratoryofResources，EnvironmentandGeographicInformationSystem，Beijing100048)

PM2.5is an important index of air quality，affecting the environment and human health. Using remote sensing technology to estimate the concentration of PM2.5has been regarded as the focus of the researches in recent years. The advantages and disadvantages of atmospheric remote data and applications were reviewed. The principles of different retrieval methods were compared and summarized. Then AOD-PM2.5relationship model which eliminates the impact of meteorological and vertical distribution factors on remote sensing was demonstrated. The development trend of high spatial-temporal resolution satellite data and coupling model was prospected.

PM2.5; remote sensing; retrieval algorithm; AOD; relationship model

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.023

于 雪，女，1992年生，碩士研究生，研究方向為PM2.5遙感反演與時空分布。#

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*國家青年科學基金資助項目(No.41101404)；北京城市可吸入顆粒物濃度遙感數(shù)據(jù)反演及時空分布分析博士點基金資助項目(No.20111102110004)；北京市教委科技計劃項目(No.KM201110028013)。

2016-05-21)