基于激光雷達(dá)掃描觀測的散布點污染源監(jiān)測

呂 陽,李正強,謝劍鋒,張 豐,劉小強,劉 詔,謝一凇,許 華,陳興峰

基于激光雷達(dá)掃描觀測的散布點污染源監(jiān)測

呂 陽1,3,李正強1*,謝劍鋒2,張 豐2,劉小強2,劉 詔1,3,謝一凇1,許 華1,陳興峰1

(1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點實驗室,北京 100101；2.河北省環(huán)境監(jiān)測中心站,河北石家莊 050000；3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

2015年6月11日在河北省石家莊市組織了一次激光雷達(dá)水平掃描觀測實驗,并通過動態(tài)閾值法提取了區(qū)域散布污染源的位置及傳輸路徑.結(jié)果顯示,近地面氣溶膠空間分布不均勻,強排放點污染源的污染物水平傳輸距離可達(dá)4km.水平掃描觀測模式不受地表類型影響,可以獲得高空間分辨率的近地面氣溶膠空間分布.不同高度角的測試觀測表明,應(yīng)盡量將觀測點設(shè)置在區(qū)域高點并采用水平方式開展掃描.在污染區(qū)域提取環(huán)節(jié),可利用代表區(qū)域本底大氣的能見度來確定消光系數(shù)動態(tài)閾值,增強對于相對污染程度特征的提取效果.

激光雷達(dá)；掃描觀測；散布點污染源；動態(tài)閾值

我國城市的空氣污染以煙煤型為主,主要來源為工業(yè)企業(yè)、采暖鍋爐、交通運輸?shù)萚1].按照我國相關(guān)環(huán)保法律法規(guī),大部分排污企業(yè)按要求安裝了在線監(jiān)測設(shè)備,進(jìn)行污染排放濃度監(jiān)測.但是,散布式污染源地理位置分散,部分企業(yè)未安裝監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行夜間偷排等問題仍存在.基于地基遙感技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測站能夠提供連續(xù)的點源顆粒物濃度測量,但是站點數(shù)量有限,區(qū)域代表性較差[2].激光雷達(dá)技術(shù)是探測大氣顆粒物的新型主動遙感工具[3-5].國內(nèi)外大量的激光雷達(dá)系統(tǒng)用于空氣污染監(jiān)測、大氣邊界層高度監(jiān)測等研究[6-8].偏振、拉曼、多波段、高光譜等激光雷達(dá)技術(shù)也層出不窮,可以獲取更全面的氣溶膠信息[9-12].而傳統(tǒng)的微脈沖激光雷達(dá)具有價格低、性能穩(wěn)定的優(yōu)勢,更適用于長時間、無人值守的監(jiān)測需求.激光雷達(dá)探測大氣一般采用垂直向上的觀測方式,而將激光雷達(dá)觀測模式改為水平方式[13-14],則可以獲得探測區(qū)域范圍內(nèi)的近地面污染物分布特征和傳輸路徑,也可定位污染源位置,為環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐.

2015年6月11日,利用地基微脈沖激光雷達(dá)在河北省組織一次掃描觀測實驗.為了將激光雷達(dá)信號統(tǒng)一為氣溶膠濃度,通過FERNALD法將距離校正信號反演為氣溶膠消光系數(shù),從而根據(jù)氣溶膠消光系數(shù)的大小來判斷散布污染源位置.

1 實驗部分

1.1 主要儀器

實驗采用地基微脈沖激光雷達(dá)作為主要的觀測儀器,該儀器型號為法國CIMEL公司生產(chǎn)的CE370-2[15].與被動式遙感系統(tǒng)相比,激光雷達(dá)主動式遙感系統(tǒng)能通過一個窄光束和一個小的發(fā)射激光,達(dá)到相當(dāng)高的垂直分辨率.CE370-2是一種便于移動、對人眼安全、自動化操作激光雷達(dá),采用了重復(fù)率4.7kHz的低功率實現(xiàn)脈沖的傳輸,其垂直分辨率為15m.CE370-2激光雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 CE370-2型微脈沖激光雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 實驗地點

實驗地點位于河北省西南部,太行山中段東麓,地勢西高東低.區(qū)域內(nèi)公路、煤場、礦場、水泥廠等散布.本文選擇實驗廠區(qū)內(nèi)一樓頂作為觀測點(圖1),通過激光雷達(dá)掃描監(jiān)測,分析污染傳輸路徑和尋找可能污染點源.圖1中觀測點為儀器位置,灰色區(qū)域代表觀測半徑5km,掃描方位的東北到西南方向有廠房、山脈等遮擋物.

圖1 實驗地點示意

1.3 實驗方案和測量流程

圖2 觀測點四周遮擋情況

為滿足區(qū)域高點、有電力供應(yīng)及便于儀器搬運的要求,選擇觀測點(114.458E, 37.598N)作為掃描觀測位置.由于白天背景噪聲強,信噪比低,并且夜間污染監(jiān)測手段缺少,因此選擇在夜間進(jìn)行實驗.但是激光雷達(dá)為主動遙感儀器,既可在白天觀測也可在夜間觀測.實驗于2015年6月11日凌晨進(jìn)行,當(dāng)天風(fēng)力較大,背景大氣較清潔,污染傳輸較強.圖2為觀測點四周環(huán)境,可以看出觀測點的東北、正北、西北方向有山脈遮擋,觀測點的西北、正西、西南方向有廠房、建筑物遮擋,觀測點的正南、東南、正東方向視野較為開闊,除遠(yuǎn)處的部分煙囪外沒有遮擋.為了減少遮擋并分析不同高度角對觀測結(jié)果的影響,將儀器的觀測高度角分別固定為1°和5°,通過方位角方向的轉(zhuǎn)動進(jìn)行水平掃描觀測.

利用定制的可水平和垂直方向轉(zhuǎn)動的支架將儀器安裝在觀測點后,首先用遮光板將望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行遮擋,測量殘余脈沖.將觀測高度角固定為1°,以正東方向為起始位置,以0.1°/s的速度水平方向進(jìn)行360°逆時針勻速旋轉(zhuǎn)測量.然后將觀測高度角固定為5°,仍以正東方向為起始位置,以0.6°/s的速度水平方向逆時針勻速旋轉(zhuǎn)測量.

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取

激光雷達(dá)以激光為發(fā)射光源,激光束在大氣中遇到空氣分子、大氣氣溶膠等成分便會發(fā)生散射、吸收等作用,其中后向散射光落入接收望遠(yuǎn)鏡視場被接收,從而獲得距離、濃度等相關(guān)信息.其基本原理可以用公式來表示:

式中:()是接收的信號;為信號到激光雷達(dá)的距離,m;是激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù);是激光脈沖能量;是后向散射系數(shù);2是雙向透過率.BG、AP、DTC、()分別表示背景噪聲、殘余脈沖、探測器延時校正和重疊因子校正.

2.2 激光雷達(dá)信號校正

如公式1所示,大部分參數(shù)是與距離相關(guān)的函數(shù).而激光雷達(dá)信號測量的是每秒的光電子數(shù)和距離.在對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行幾個相應(yīng)的校正后[16],可以獲得距離校正信號,主要包括探測器延時校正、背景噪聲校正、殘余脈沖校正、幾何因子校正、低通濾波、距離校正等.校正后信號用公式表達(dá)為:

2.3氣溶膠消光系數(shù)反演

為了將激光雷達(dá)信號統(tǒng)一為氣溶膠濃度,因此需要將距離校正信號反演為氣溶膠消光系數(shù)[10].消光系數(shù)表示大氣顆粒物對光的散射和吸收等作用的大小,表征了顆粒物濃度大小.常用的激光雷達(dá)消光系數(shù)反演方法有斜率法[17]、近端解法[18]、遠(yuǎn)端解法[19]、氣溶膠光學(xué)厚度法[20]等.本文采用Fernald遠(yuǎn)端解法進(jìn)行消光廓線反演,該方法將大氣分為分子貢獻(xiàn)部分(molecular,)和氣溶膠貢獻(xiàn)部分(aerosol,).根據(jù)Fernald后向積分法[21],氣溶膠消光系數(shù)為:

式中:m和a分別是大氣分子和氣溶膠的消光后向散射比;c為參考高度,單位米;m和a分別為大氣分子和氣溶膠的后向散射系數(shù).大氣分子廓線采用美國1976標(biāo)準(zhǔn)大氣模型.

2.4 污染區(qū)域動態(tài)閾值確定

為了便于查找污染源影響區(qū)域和污染傳輸路徑,通過閾值法對大氣氣溶膠消光系數(shù)進(jìn)行等級劃分.盡管消光系數(shù)直接反映了污染程度,但是由于大氣本身污染環(huán)境的不同,如果采用固定的閾值則可能在污染天超范圍估計污染區(qū)域,而在晴好天過小估計污染區(qū)域.因此,需要一種與本底大氣污染程度相適應(yīng)的動態(tài)閾值,從而根據(jù)本底大氣的污染程度調(diào)整閾值大小.

相對來說,大氣能見度是全國各氣象站常規(guī)觀測的一個參數(shù),站點一般設(shè)置在能夠代表該站所在區(qū)域的天氣氣候特征的城市郊區(qū)和農(nóng)村,能夠從一定程度上代表區(qū)域的本底大氣.Nebuloni總結(jié)了大氣能見度、波長與消光強度的經(jīng)驗公式[22]:

式中:是由多次實驗獲得的:

將嚴(yán)重污染的動態(tài)閾值設(shè)為:

根據(jù)(7)和(8)將污染程度劃分為3個等級,從而確定污染區(qū)域.

2.5 輔助數(shù)據(jù)

2.5.1 風(fēng)力風(fēng)向 在觀測區(qū)域附近共有4個氣象站分布,分別為高邑、元氏、臨城和贊皇.各氣象站的風(fēng)速風(fēng)力如表2所示,可以看出,實驗時觀測區(qū)域以西北風(fēng)為主.

表2 觀測點附近風(fēng)速風(fēng)力

2.5.2 大氣能見度 由大氣能見度(表3)數(shù)據(jù)可以看出,2015年6月11日0:00~2:00在觀測區(qū)域附近空氣晴好,大氣能見度高,計算得到的1、2分別為0.1km-1和0.2km-1.

表3 觀測點附近能見度和對應(yīng)的消光系數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 大氣垂直結(jié)構(gòu)

2015年6月11日3:20~7:30(北京時間)在觀測點進(jìn)行約4h的垂直觀測.圖3和圖4分別為距離校正信號和消光系數(shù),從圖3、圖4可以看出天空晴朗無云.近地面氣溶膠消光系數(shù)明顯較低(小于0.1km-1).隨著高度增加,氣溶膠消光系數(shù)減小,但在高度3km左右有部分懸浮氣溶膠層或薄云的存在.

圖3 2015年6月11日3:20~7:30 獲得的激光雷達(dá)距離校正信號

圖4 2015年6月11日3:20~7:30氣溶膠消光系數(shù)

3.2 水平掃描

圖5 2015年6月11日0:00~1:00激光雷達(dá)水平掃描距離校正信號(高度角1°)

2015年6月11日0:00~1:00(北京時間)在觀測點進(jìn)行水平掃描觀測,高度角1°.圖5和圖6分別為距離校正和氣溶膠消光系數(shù),可以看出廠區(qū)內(nèi)顆粒物向東南方向傳輸?shù)内厔?傳輸距離可達(dá)4km.地面氣象站數(shù)據(jù)顯示6月11日0:00和1:00,該地區(qū)附近以西北風(fēng)為主,風(fēng)力約為3~6m/s左右,與顆粒物傳輸方向一致.圖6有幾個消光高值區(qū),認(rèn)為是排污和污染傳輸區(qū),其中沒有排污和污染傳輸?shù)牡貐^(qū),氣溶膠消光系數(shù)明顯較低(小于0.1km-1),而排污特別強的區(qū)域,氣溶膠消光系數(shù)可達(dá)0.2km-1以上.2015年6月11日1:40~1:50(北京時間)在觀測點進(jìn)行第2次水平掃描觀測,高度角5°,圖7為反演的大氣氣溶膠消光系數(shù),與圖6相比,圖7仍然可以看出廠區(qū)顆粒物向東南方向傳輸?shù)内厔莺蛷S區(qū)東南方向的礦山揚塵.由于第2次掃描高度角較高,在越過部分障礙物的同時,也越過了部分污染源,僅能夠觀測到觀測點附近廠區(qū)的污染分布及污染傳輸,觀測點東北方向的污染區(qū)無法獲得觀測,這是由于相對于2km的距離,4°的高度角差異使測量高度相差140m,大部分煙羽的垂直傳輸高度沒有達(dá)到這一高度.

圖6 2015年6月11日0:00~1:00氣溶膠消光系數(shù)(高度角1°)

為了便于識別,根據(jù)能見度計算的消光系數(shù),將閾值設(shè)為0.1km-1和0.2km-1,分別用綠色和紅色區(qū)表示污染和嚴(yán)重污染.圖8和圖9分別為高度角為1°和5°時識別的污染區(qū)域.圖8觀測廠區(qū)及其南方有3個紅色高峰區(qū),分別為兩個廠區(qū)排放產(chǎn)生的高濃度顆粒物和礦山的揚塵;觀測點東北方向存在部分高濃度區(qū),主要是由道路揚塵和散布小工廠產(chǎn)生的.圖9由于高度角大,僅能識別近處的污染區(qū)域.

圖7 2015年6月11日1:40~1:50獲得的氣溶膠消光系數(shù)(高度角5°)

圖8 根據(jù)氣溶膠消光系數(shù)確定的相對污染程度特征(高度角1°)

圖9 根據(jù)氣溶膠消光系數(shù)確定的相對污染程度特征(高度角5°)

4 結(jié)論

4.1 氣溶膠主動遙感監(jiān)測實驗中,大氣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在3km高度有部分薄云或懸浮氣溶膠層.

4.2 受污染排放、傳輸路徑等因素影響,氣溶膠空間分布不均勻,而強排放的點污染源的污染物水平傳輸距離可達(dá)4km.

4.3 激光雷達(dá)的水平掃描觀測可以不受地表類型的影響,獲得高空間分辨率的氣溶膠分布.

4.4 對消光系數(shù)反演結(jié)果設(shè)置合適的閾值,可用于區(qū)域散布污染源的查找及傳輸路徑分析.

4.5 微小的高度角變化可能使遠(yuǎn)處信號與近處信號的高程相差很多,在進(jìn)行區(qū)域污染監(jiān)測時,應(yīng)盡量將觀測點設(shè)置在區(qū)域高點采用水平掃描觀測方式,減小高度角的影響.

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Monitoring the distributed point pollution sources based on a scanning Lidar.

Lü Yang1,3, LI Zheng-qiang1*, XIE Jian-feng2, ZHANG Feng2, LIU Xiao-qiang2, LIU Zhao1,3, XIE Yi-song1, XU Hua1, CHEN Xing-feng1

(1.State Environmental Protection Key Laboratory of Satellite Remote Sensing, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China；2.Hebei Province Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang 050000, China；3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)., 2017,37(11)：4078~4084

A horizontal scanning Lidar experiment was performed in Shijiazhuang city, Hebei province, on June 11, 2015, and the location and the transportation of regional pollution sources were determined by using dynamic threshold method. The results showed that the aerosols near the ground are uneven distributed and the pollutants from heavy industrial emission sources can transport as far as 4km. The horizontal scanning scenario can obtain high resolution spatial distribution of near surface aerosols, without affecting by the surface types. Observations at different elevation angles indicated that the observation platform should be placed as high as possible and the scanning should be in horizontal manner. During the extraction of pollution area, the background atmosphere visibility could be used to determine the dynamic threshold of the extinction coefficient, thereby enhancing the extraction of regional pollution characteristics.

Lidar；scanning observation；distributed point pollution source；dynamic threshold

X51

A

1000-6923(2017)11-4078-07

呂 陽(1984-),女,山東煙臺人, 助理研究員,碩士,主要從事激光雷達(dá)大氣遙感研究.發(fā)表論文16篇.

2017-03-31

中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃(STS)區(qū)域重點資助項目(KFJ-STS-QYZD-022);國家自然科學(xué)基金資助項目(41671367);河北省科技計劃資助項目(15273909)

* 責(zé)任作者, 研究員, lizq@radi.ac.cn