衛(wèi)星遙感氣溶膠光學(xué)厚度的相關(guān)研究綜述

顧俊杰　戴一楓　金林林

摘 要：我國利用衛(wèi)星遙感技術(shù)反演氣溶膠光學(xué)厚度的研究，至今已有近20年的歷史，期間積累了大量的研究成果，尤其是近幾年因大氣污染問題日益突出，受到人們廣泛關(guān)注，該方面研究文獻(xiàn)大量增加。其中包含了不同地區(qū)衛(wèi)星遙感氣溶膠光學(xué)厚度的反演驗(yàn)證、氣溶膠光學(xué)厚度時空特征分析；衛(wèi)星遙感氣溶膠光學(xué)厚度與大氣污染相關(guān)性以及氣溶膠光學(xué)厚度在大氣污染檢測中的作用；衛(wèi)星遙感氣溶膠光學(xué)厚度與人體健康相關(guān)性研究等等。該文綜述摘錄了2005年至2016年的部分文獻(xiàn)資料，并主要列舉氣溶膠反演在污染以及人體健康方面的研究，并對今后的研究方向做了展望。

關(guān)鍵詞：氣溶膠光學(xué)厚度 衛(wèi)星遙感 綜述

中圖分類號：X51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0219-03

近年來， 環(huán)境污染問題日益凸顯，大氣氣溶膠污染逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

氣溶膠污染物不僅在大氣中停留時間久，可吸附大量有毒害物質(zhì)，且輸送距離長。其中細(xì)顆粒物不僅造成霧霾、灰霾天氣，且由于粒徑極細(xì)，可深入到細(xì)支氣管和肺泡，引起肺部疾病，心腦血管疾病等。我國的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）中就包含了兩項(xiàng)顆粒物指標(biāo)的檢測，分別是細(xì)顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）。

通過對中國環(huán)境保護(hù)部近幾年的數(shù)據(jù)分析[1]進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，不難發(fā)現(xiàn)機(jī)動車消耗燃油排放的氮氧化物占據(jù)了排放總量中相當(dāng)一部分比例，再進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，可以看出我國大氣污染雖然呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，但是污染類型由煤煙型逐漸向煤煙、機(jī)動車尾氣兩者的混合類型發(fā)展。

因此，如何有效的監(jiān)測大氣氣溶膠污染，是目前以及未來的科研重點(diǎn)。

1 衛(wèi)星遙感氣溶膠光學(xué)厚度的相關(guān)研究

2005年，李成才等[2]利用MODIS反演的氣溶膠光學(xué)厚度與北京市空氣污染指數(shù)相結(jié)合，分析了兩者的相關(guān)性，經(jīng)過垂直標(biāo)高訂正以及大氣濕度訂正后，其相關(guān)性較高，可作為對地面顆粒污染檢測的一種方法，為衛(wèi)星氣溶膠產(chǎn)品應(yīng)用于大氣污染研究提供了示范。何秀[3]等在2010年對香港元朗站、北京大學(xué)站的地基PM10的實(shí)測數(shù)據(jù)與MODIS氣溶膠光學(xué)厚度轉(zhuǎn)化的PM10濃度進(jìn)行相關(guān)性研究，在經(jīng)過垂直高度訂正及濕度訂正后相關(guān)性有所上升，這與李成才等早年的研究結(jié)果一致。

至今，北京[4-5]、重慶[6]、武漢[7]、南京[8]、濟(jì)南[9]、蘭州[10]、香港[11]、長江三角洲[12]等省市都積累了一定的研究成果。目前該方面的研究方法主要是建立氣溶膠光學(xué)厚度與空氣污染指標(biāo)的估算模型，估算模型的種類有很多，針對某一特定的區(qū)域不同的估算模型得到的估算精度也不盡相同。劉歡[6]在對重慶市冬季大氣顆粒污染物的研究中就使用了線性函數(shù)模型、對數(shù)函數(shù)模型、一元二次及一元三次模型、冪函數(shù)模型以及指數(shù)函數(shù)模型7種，在進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎惴治龊蟮贸鲆辉文Ｐ透m合估算重慶冬季的大氣污染物。

而在文獻(xiàn)[2-12]中不難發(fā)現(xiàn)，研究學(xué)者們幾乎都利用了垂直訂正和濕度訂正對研究數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度修正，事實(shí)上MODIS衛(wèi)星遙感反演得到的氣溶膠光學(xué)厚度代表的是大氣層整層的氣溶膠光學(xué)厚度，而空氣污染指標(biāo)基本需要近地面的數(shù)據(jù)支持，因此對衛(wèi)星反演結(jié)果進(jìn)行垂直尺度以及大氣濕度的訂正，是提高兩者相關(guān)性的重要手段。

總體而言，將衛(wèi)星遙感的氣溶膠光學(xué)厚度應(yīng)用于大氣污染檢測是我國近年來較為熱門的研究方向。

除此之外，因大氣污染對人體健康，尤其是心腦血管以及肺部疾病的影響，有學(xué)者拓展了研究范圍，即將衛(wèi)星遙感的氣溶膠光學(xué)厚度與大氣污染進(jìn)行相關(guān)聯(lián)的同時對一些由大氣污染引起的疾病進(jìn)行關(guān)聯(lián)性研究。

2013年汪曦[13]利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對PM2.5濃度與居民日死亡率的關(guān)聯(lián)性研究，首先建立PM2.5與氣溶膠光學(xué)厚度的估算模型，其中冪函數(shù)作為上海市PM2.5的估算模型較為準(zhǔn)確，其次用時間序列法將PM2.5濃度與對應(yīng)疾病引起的死亡率進(jìn)行擬合，其包括了心血管疾病、中風(fēng)、冠心病、呼吸系統(tǒng)疾病等，對比分析了男性與女性、低教育水平與高教育水平以及高齡與低齡對PM2.5急性效應(yīng)的不同表現(xiàn)，并且分析了滯后效應(yīng)對研究的影響，其結(jié)果具有較高的置信度。同年楊維[14]利用LANDSAT-5及HJ-1A衛(wèi)星資料，結(jié)合GIS技術(shù)及灰色關(guān)聯(lián)法，研究了呼吸道疾病與可吸入顆粒物濃度之間存在關(guān)聯(lián)，且粒徑的大小與發(fā)病人數(shù)的關(guān)聯(lián)度呈負(fù)相關(guān)。武文娟[15]在2016年利用MODIS數(shù)據(jù)及地理加權(quán)回歸模型（GWR）對華東地區(qū)心腦血管疾病與氣溶膠濃度的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究，并且構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫以及對心腦血管疾病的預(yù)防提出了建議。

2 結(jié)語

通過對文獻(xiàn)的查閱，以及整理分析，我們認(rèn)為將來的研究將主要集中在以下幾個方面。

2.1 反演算法的改進(jìn)及創(chuàng)新

雖然目前的研究中已經(jīng)成熟的運(yùn)用了多種氣溶膠反演算法，但是結(jié)合我國地形復(fù)雜多變，地表反射率參差不齊的情況，不同區(qū)域適用于不同的算法，且同一種算法仍然可以進(jìn)行擴(kuò)展改進(jìn)（例如Kaufman的擴(kuò)展暗像元法），因此如何針對某一區(qū)域進(jìn)行算法改進(jìn)，甚至進(jìn)行算法創(chuàng)新是十分必要的。這可簡化相應(yīng)地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度反演的流程，提高其反演數(shù)據(jù)的精度。

2.2 模型的建立與優(yōu)化

氣溶膠光學(xué)厚度相關(guān)性研究中，對于氣溶膠反演時使用的相關(guān)模型，如氣溶膠模型、大氣模型等，盡管官方給出了一些適用的模型提供使用，但是仍舊需要制定最適合模型來擬合研究地區(qū)的實(shí)際情況，同樣污染物與氣溶膠光學(xué)厚度的估算模型也需要優(yōu)化。

而目前關(guān)于人體健康相關(guān)性的研究當(dāng)中，由于該方面研究處于創(chuàng)新發(fā)展階段，疾病發(fā)病率、人口死亡率等估算模型仍然需要大量的研究和制定。

2.3 數(shù)據(jù)訂正

如污染物相關(guān)研究中對氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行垂直訂正和濕度訂正，人體健康相關(guān)研究中的滯后效應(yīng)修正，大氣溫度、濕度、高度以及各種光學(xué)散射（如瑞利散射、米氏散射）等，這些變量都將對數(shù)據(jù)的精度產(chǎn)生不同的影響。而大氣污染于人體健康對于暴露時間、免疫強(qiáng)弱、生活習(xí)慣以及年齡等也有一定程度的關(guān)系。所以，研究相關(guān)數(shù)據(jù)的訂正方法是十分必要的。

2.4 進(jìn)一步發(fā)展對人體健康相關(guān)性的研究

上述提到，衛(wèi)星遙感應(yīng)用于人體健康的研究目前還處于一個創(chuàng)新起步的階段，需要進(jìn)行大量研究來充實(shí)該方面的文獻(xiàn)儲備，例如《衛(wèi)星遙感氣溶膠光學(xué)厚度與我國夏季流行性感冒的發(fā)病率相關(guān)性研究》便是一個很好的課題。我們將犧牲環(huán)境、影響自身健康為代價發(fā)展了各種科學(xué)技術(shù)，其中就包括了衛(wèi)星遙感技術(shù)，而當(dāng)前衛(wèi)星遙感應(yīng)用于人體健康的研究則是將科技成果回用到對自身健康的保護(hù)，這對今后加強(qiáng)人們環(huán)境保護(hù)的意識具有重要作用。

2.5 硬件的升級及數(shù)據(jù)庫建立

我國自主研發(fā)的環(huán)境系列衛(wèi)星、風(fēng)云系列衛(wèi)星在該方面研究雖然也累計相當(dāng)一部分成果但與MODIS衛(wèi)星相比在近幾年的研究中，我國的數(shù)據(jù)來源多數(shù)還是MODIS衛(wèi)星所提供的，因此，我們不能只依賴于MODIS衛(wèi)星帶給我們的便利，提高自身的衛(wèi)星技術(shù)對我國該方面的研究會有很大幫助。

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