1984—2015年太湖地區(qū)大氣能見(jiàn)度變化遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

姜 晟，李旭文，牛志春，王甜甜，茅晶晶

江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210036

1984—2015年太湖地區(qū)大氣能見(jiàn)度變化遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

姜 晟，李旭文，牛志春，王甜甜，茅晶晶

江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210036

研究收集整理了1984—2015年太湖區(qū)域342幅Landsat系列衛(wèi)星遙感影像，利用ENVI軟件FLAASH模塊計(jì)算獲取了區(qū)域大氣能見(jiàn)度均值，通過(guò)太湖周邊蘇州、無(wú)錫、常州3市地面自動(dòng)站能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)值加以驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上對(duì)1984—2015年該地區(qū)大氣能見(jiàn)度遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：太湖地區(qū)在20世紀(jì)80年代能見(jiàn)度水平相對(duì)較好，20世紀(jì)90年代后逐漸下滑，總體呈下降趨勢(shì)。2015年遙感反演能見(jiàn)度均值為14.80 km，與1984年的21.46 km相比下降了31.05%，下降速率約為0.21 km/a。

大氣能見(jiàn)度；遙感；太湖

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，伴隨著江蘇社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，區(qū)域大氣環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯，太湖地區(qū)尤為突出。能見(jiàn)度作為大氣常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一，具有良好的直觀性、易于被人民群眾普遍接受，同時(shí)還具有明確的大氣環(huán)境指示意義和科學(xué)特性，一度被氣象部門作為霾判別和預(yù)報(bào)等級(jí)的一個(gè)重要指標(biāo)[1]，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也逐漸受到廣泛關(guān)注[2-4]。在現(xiàn)有大氣能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)方法中，基于遙感影像的圖像解譯法獨(dú)樹(shù)一幟，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比，在歷史數(shù)據(jù)回溯、大范圍同步觀測(cè)與比較解析等方面具有一定優(yōu)勢(shì)。張恩紅等[5]、李旭文等[6-7]已先后利用MODIS和Landsat 7衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)的大氣能見(jiàn)度變化進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)方法獲取的能見(jiàn)度變化趨勢(shì)與地面觀測(cè)資料分析的結(jié)論基本一致，具有良好的研究?jī)r(jià)值和業(yè)務(wù)化應(yīng)用前景。

1 研究方法

大氣能見(jiàn)度遙感監(jiān)測(cè)的理論基礎(chǔ)源于對(duì)大氣輻射傳輸過(guò)程的定量描述。大氣輻射傳輸是指電磁波在大氣介質(zhì)中的傳播輸送過(guò)程。這一過(guò)程中，由于輻射能與介質(zhì)的相互作用而發(fā)生吸收和散射，同時(shí)大氣也發(fā)射輻射。遙感傳感器通過(guò)對(duì)地觀測(cè)獲取數(shù)據(jù)信息，這其中既包括了地表信息，也包括了大氣信息和其他環(huán)境信息，這些信息即是不同專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行遙感圖像解譯和定量分析的研究對(duì)象。電磁輻射在地-氣系統(tǒng)中傳輸?shù)倪^(guò)程受到多種因素影響，而衛(wèi)星傳感器所接收到的電磁輻射強(qiáng)弱與大氣環(huán)境狀況直接相關(guān)，因此可以通過(guò)對(duì)大氣輻射傳輸方程進(jìn)行適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和變換，明確大氣光學(xué)參數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步計(jì)算得到大氣能見(jiàn)度和其他指標(biāo)[8]。在國(guó)際通用的MODTRAN大氣輻射傳輸模型中，就是利用KAUFMAN的“暗像元法”[9]對(duì)能見(jiàn)度進(jìn)行反演。首先是對(duì)遙感影像過(guò)境區(qū)域的大氣模式、氣溶膠模式進(jìn)行設(shè)定，其次根據(jù)判別公式和閾值在影像中找出符合條件的“暗像元”，并計(jì)算得到這些“暗像元”在特定波段的反射率均值，然后對(duì)“暗像元”進(jìn)行大氣校正得到反射率反演值，再根據(jù)反演值與均值之差進(jìn)行線性內(nèi)插，從而推算出關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度值作為整景影像覆蓋區(qū)域的大氣能見(jiàn)度估算結(jié)果[10-11]。

研究在上述理論依據(jù)基礎(chǔ)上，從美國(guó)地質(zhì)勘查局(USGS)官方網(wǎng)站批量下載了1984—2015年太湖區(qū)域342幅Landsat系列衛(wèi)星遙感影像，利用遙感專業(yè)軟件ENVI 5.1版本中內(nèi)嵌的FLAASH模塊進(jìn)行大氣能見(jiàn)度計(jì)算。該模塊正是基于MODTRAN模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具體數(shù)據(jù)處理流程大致分為4步：首先是在軟件中將遙感影像導(dǎo)入、打開(kāi)，其次是對(duì)影像中的多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，之后在FLAASH模塊中根據(jù)衛(wèi)星和影像特征信息進(jìn)行各類參數(shù)的選擇與設(shè)定，最后通過(guò)軟件模塊內(nèi)嵌的模型算法計(jì)算得到整幅影像覆蓋區(qū)域的大氣能見(jiàn)度均值。在衛(wèi)星傳感器參數(shù)設(shè)定方面，因?yàn)椴煌瑐鞲衅鬏椛涠?biāo)的增益和補(bǔ)償參數(shù)不一樣，所以必須選擇正確的傳感器名稱確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，研究使用的是美國(guó)Landsat系列衛(wèi)星，因此需在傳感器類別(Sensor Type)中選擇 Landsat衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的傳感器名稱，并從影像頭文件中讀取數(shù)據(jù)衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間(格林尼治時(shí))填入過(guò)境日期(Flight Date)和過(guò)境時(shí)間(Flight Time)。在大氣模型(Atmospheric Model)選擇方面，主要根據(jù)緯度和月份信息進(jìn)行選擇(表1)，F(xiàn)LAASH模塊關(guān)聯(lián)的MODTRAN模型中對(duì)大氣模型參數(shù)設(shè)定預(yù)設(shè)了查找表。在氣溶膠模型(Aerosol Model)選擇方面，根據(jù)影像過(guò)境區(qū)域特點(diǎn)選擇相應(yīng)類型，一般選擇鄉(xiāng)村(Rural)或城市(Urban)。其他參數(shù)設(shè)定方面，由于Landsat系列傳感器均為多光譜類型，沒(méi)有用于反演水汽柱含量的特征性窄波段，因此將水汽反演模式(Water Retrieval)設(shè)為NO，系數(shù)缺省值為1.00；氣溶膠反演模式(Aerosol Retrieval)選擇2-Band(K-T)，能見(jiàn)度參考值(Initial Visibility)根據(jù)影像過(guò)境時(shí)覆蓋區(qū)域的天氣條件輸入相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值(表2)，作為在少數(shù)情況“暗像元”搜索失敗時(shí)的替代計(jì)算值。

表1 FLAASH模塊大氣模型查找表[12]Table 1 The atmospheric model look-upTable of FLAASH module

表2 FLAASH模塊能見(jiàn)度參考值對(duì)照表[12]Table 2 The atmospheric visibility defaultvalue of FLAASH module

2 結(jié)果分析

將計(jì)算得到的能見(jiàn)度結(jié)果數(shù)據(jù)按時(shí)間排序，對(duì)1984—2015年太湖地區(qū)大氣能見(jiàn)度的總體變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：1984—2015年期間，太湖地區(qū)共有334個(gè)遙感反演能見(jiàn)度有效值，占全體樣本總量的97.7%，全體樣本的均值為17.21 km、中值為14.99 km，最小值為5.00 km、最大值為57.83 km。以各年度能見(jiàn)度中值、均值作為當(dāng)年代表值進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)樣本可知，太湖地區(qū)大氣能見(jiàn)度自1984年以來(lái)總體呈下降趨勢(shì)，其中1986年能見(jiàn)度年均值、中值均為最大，分別為35.79、36.73 km，2009年能見(jiàn)度年均值最小(12.69 km)，2006年中值最小(10.77 km)；1984年遙感反演能見(jiàn)度均值為21.46 km、中值為16.85 km，2015年遙感反演能見(jiàn)度均值為14.80 km、中值為11.91 km，與1984年相比分別下降了31.05%和29.32%，以年均值計(jì)算下降速率約為0.21 km/a(圖1)。

注：因1997、1998年樣本不足未參與評(píng)價(jià)。圖1 太湖地區(qū)1984—2015年遙感反演 能見(jiàn)度年均值、中值監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.1 The result curves of atmospheric visibility data from 1984 to 2015 in Taihu Lake region

將計(jì)算得到的能見(jiàn)度結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，共分為0<能見(jiàn)度≤10 km、10<能見(jiàn)度≤15 km、15<能見(jiàn)度≤20 km、20<能見(jiàn)度≤40 km、能見(jiàn)度>40 km 5個(gè)等級(jí)，分別稱為“差”“一般”“較好”“好”和“極好”。按年代排序劃分后，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：20世紀(jì)80年代太湖地區(qū)大氣能見(jiàn)度等級(jí)為“極好”“好”“較好”的樣本比例之和為79%，處于良好狀態(tài)，“差”與“一般”的樣本比例僅占21%；但進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，該地區(qū)大氣能見(jiàn)度等級(jí)為“差”的樣本比例迅速由原來(lái)的3%增加到16%，2000年以后更進(jìn)一步增加到25%以上，而近15 a“差”和“一般”2個(gè)等級(jí)樣本比例之和分別達(dá)到了60%和47%，反映了該地區(qū)大氣能見(jiàn)度長(zhǎng)期處于較差的水平(圖2)。

圖2 太湖地區(qū)1984—2015年遙感反演能見(jiàn)度等級(jí)分布比例圖Fig.2 The distribution ratio pictures ofatmospheric visibility data from 1984to 2015 in Taihu Lake region

為驗(yàn)證研究所述方法切實(shí)可行、數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確可信，利用2013年3月后新建的大氣自動(dòng)站能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)值作為校驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。地面站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源為常州洛陽(yáng)中心小學(xué)、無(wú)錫太湖國(guó)際科技園、蘇州科技學(xué)院3個(gè)自動(dòng)站，將大氣能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)結(jié)果篩除儀器異常值后取遙感影像過(guò)境時(shí)間同期數(shù)據(jù)的均值作為參照值，共54組。遙感能見(jiàn)度與實(shí)測(cè)能見(jiàn)度的變化曲線顯示2組數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致，吻合度良好(圖3)。

圖3 太湖地區(qū)大氣能見(jiàn)度遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果與 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較Fig.3 The result data of atmospheric visibility using remote sensing method comparing with automatic monitoring method

3 結(jié)論與展望

研究依據(jù)大氣輻射傳輸原理，利用ENVI軟件FLAASH模塊對(duì)1984年以來(lái)太湖地區(qū)的Landsat系列衛(wèi)星影像進(jìn)行了分析處理，獲取了大氣能見(jiàn)度遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，評(píng)價(jià)了該地區(qū)1984—2015年大氣能見(jiàn)度總體變化趨勢(shì)，彌補(bǔ)了環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在這一時(shí)段大氣能見(jiàn)度歷史監(jiān)測(cè)資料的缺失，同時(shí)也進(jìn)一步豐富了現(xiàn)有的大氣能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，太湖地區(qū)1984—2015年大氣能見(jiàn)度總體呈下降趨勢(shì)，其中20世紀(jì)80年代能見(jiàn)度水平相對(duì)較好，20世紀(jì)90年代后逐漸下滑，2000年以后長(zhǎng)期處于較低水平。這一趨勢(shì)與社會(huì)公眾普遍感受基本一致，從另一側(cè)面反映了空氣污染給太湖地區(qū)大氣能見(jiàn)度帶來(lái)的變化和影響，為進(jìn)一步研究制定大氣環(huán)境保護(hù)措施提供了科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

與此同時(shí)也應(yīng)看到，大氣環(huán)境復(fù)雜多變，能見(jiàn)度遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果精度仍有很大提升空間。大氣的垂直結(jié)構(gòu)對(duì)能見(jiàn)度遙感估算具有一定影響，特別是邊界層內(nèi)對(duì)流混合的狀況決定了氣溶膠與水汽實(shí)際的垂直分布，因此會(huì)進(jìn)一步影響大氣消光能力在垂直方向的變化，即影響不同高度的大氣水平能見(jiàn)度。在今后的研究和應(yīng)用中，建議對(duì)這方面因素進(jìn)行充分考慮以提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

[1] 中國(guó)氣象局. 霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)：QX/T 113—2010[S].北京:氣象出版社，2010.

[2] 羅杰，林楚雄，陳嘉曄，等. 深圳市大氣能見(jiàn)度特征分析及其與主要污染物因子相關(guān)性分析[J]. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2012，28(2)：45-48.

LUO Jie,LIN Chuxiong,CHEN Jiaye，et al.Characterization of visibility and correlation analysis of visibility with efect factors in Shenzhen[J]. Environmental Monitoring in China,2012,28(2):45-48.

[3] 劉永紅，馮婷，蔡銘. 2009年廣州能見(jiàn)度變化規(guī)律及主要影響因素分析[J]. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2012，28(3)：32-37.

LIU Yonghong,FENG Ting,CAI Ming,et al. The visibility rules and the main influencing factors analysis of Guangzhou in 2009[J]. Environmental Monitoring in China,2012,28(3):32-37.

[4] 白愛(ài)娟，鐘文婷，華蘭,等. 成都市大氣能見(jiàn)度變化特征及影響因子研究[J]. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2014，30(2)：21-25.

BAI Aijuan,ZHONG Wenting,HUA Lan,et al. Analysis on the variation of visibility in Chengdu and its factors of low visibility[J]. Environmental Monitoring in China,2014,30(2):21-25.

[5] 張恩紅，朱彬，曹云昌，等. 長(zhǎng)江三角洲地區(qū)近30年非霧天能見(jiàn)度特征分析[J]. 氣象， 2012，38(8)：943-949.

ZHANG Enhong,ZHU Bin,CAO Yunchang，et al. Analysis of the visibility change in the Yangtze River delta region in recent 30 Years[J]. Meteorological Monthly,2012,38(8):943-949.

[6] 李旭文，牛志春，王經(jīng)順，等. 遙感影像反演區(qū)域能見(jiàn)度及其與地面空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致性研究[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2011，23(1)：20-27.

LI Xuwen,NIU Zhichun,WANG Jingshun,et al.Scene visibility retrieved from remotely sensed image and its correspondence with ground air quality monitoring data[J].The Administration and Technique of Environmental Monitoring,2011,23(1):20-27.

[7] 李旭文，牛志春，姜晟，等. 基于Landsat 8衛(wèi)星OLI影像遙感反演鹽城市區(qū)域大氣能見(jiàn)度狀況[J]. 環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2015，7(5)：1-6.

LI Xuwen,NIU Zhichun,JIANG Sheng,et al.Remote sensing retrieval of regional atmospheric visibility in Yancheng from the landsat8 OLI satellite images[J]. Environmental Monitoring and Forewarning,2015,7(5):1-6.

[8] 王橋，厲青，陳良富，等. 大氣環(huán)境衛(wèi)星遙感技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[9] KAUFMAN Y J, WALD A E, REMER L A, et al. The MODIS 2.1 μm channel-correlation with visible reflectance for use in remote sensing of aerosol[J]. Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions,1997,35(5):1 286-1 298.

[10] ADLER-GOLDEN S M, MATTHEW M W, BERK A, et al. Improvements in aerosol retrieval for atmospheric correction[C]∥Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2008. IGARSS 2008. IEEE International: IEEE, 2008.

[11] PERKINS T, ADLER-GOLDEN S, MATTHEW M W, et al. Speed and accuracy improvements in FLAASH atmospheric correction of hyper spectral imagery[J]. Optical Engineering,2012,51(11):1 371-1 379.

[12] 鄧書(shū)斌. ENVI遙感圖像處理方法[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

MonitorandEvaluationofAtmosphericVisibilityinTaihuAreabyRemoteSensingfrom1984to2015

JIANG Sheng,LI Xuwen,NIU Zhichun,WANG Tiantian,MAO Jingjing

Jiangsu Provincial Environmental Monitoring Centre,Nanjing 210036,China

The mean atmospheric visibility in Taihu area was estimated by the FLAASH (embedded module in ENVI) from 342 pieces of Landsat satellite image during the period of 1984 to 2015. The estimated atmospheric visibility was validated by the in situ observation data, which monitored by the automatic station in Suzhou, Wuxi and Changzhou. Based on the analysis and assessment of this estimated atmospheric visibility, the results indicated that: the visibility in Taihu area was relatively good in 80s, and showed a decreasing trend from 90s. In generally, the visibility reduced from 21.46km (1984) to 14.80km (2015) with the decreasing rate of 0.21 km/a from remote sensing observation result.

atmospheric visibility;remote sensing;Taihu Lake

X87

A

1002-6002(2017)05- 0176- 04

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.05.25

2016-06-05;

2016-08-03

江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)科研基金

姜 晟(1983-)，男，江蘇南京人，碩士，工程師。