探討城市大氣污染的定量遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

宗葉平

（江蘇省蘇力環(huán)境科技有限責(zé)任公司 江蘇南京 211500）

引言

在我國城市化建設(shè)腳步加快的背景下，人們賴以生存的自然環(huán)境面臨極其嚴(yán)峻的大氣污染威脅，各種大氣污染物為人體所吸收，嚴(yán)重威脅和損害了人們的身心健康。為此，要思考和探索定量遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在城市大氣污染中的防治應(yīng)用路徑，借助于衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取大范圍的大氣綜合信息數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和分析，為大氣污染防治決策提供科學(xué)的指導(dǎo)。

1 城市大氣污染定量遙感監(jiān)測(cè)的理論依據(jù)及監(jiān)測(cè)方法概述

衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠獲悉大范圍的大氣綜合信息，包括大氣污染物的種類、空間分布狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣污染的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，較好地規(guī)避大氣污染分析的時(shí)空誤差，通過參照地物監(jiān)測(cè)的方式獲悉大比例尺大氣污染的空間分布狀態(tài)，然而受到城市監(jiān)測(cè)對(duì)象的不連續(xù)性影響，僅能夠獲取較低分辨率的監(jiān)測(cè)結(jié)果，如：大氣氣溶膠對(duì)電磁波的散射機(jī)理相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算獲取與像元尺度相匹配的大氣氣溶膠參數(shù)難度較大，無法定量描述大氣污染的危害性。同時(shí)，衛(wèi)星遙感技術(shù)缺乏大氣垂直信息，尤其是難以獲悉二氧化碳的空間分布數(shù)據(jù)；并在云覆蓋面積較大的情況下，會(huì)受到云干擾信息的影響，無法通過計(jì)算獲取精準(zhǔn)的結(jié)果。因此，有必要采用大氣污染定量遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，由地物中分解獲取城市大氣污染的氣溶膠信息，計(jì)算得到精度更高的氣溶膠空間分布結(jié)果。

在對(duì)城市大氣污染進(jìn)行定量遙感監(jiān)測(cè)的過程中，主要是利用遙感反演的方式加以實(shí)現(xiàn)，由于大氣輻射受到大氣氣溶膠的散射、吸收等影響，其輻射信號(hào)必然產(chǎn)生一定的變化，因此，可以在地表反射率、散射吸收作用已知的前提下，利用定量遙感的光譜特征反演，即可以了解和把握大氣污染中的氣溶膠光學(xué)性質(zhì)和規(guī)律性，并在充分考慮氣溶膠的地表反射率、大氣分子、大氣溫度的影響因素條件下，進(jìn)行計(jì)算、校正建立大氣氣溶膠光學(xué)厚度與反射率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即可以較好地獲取對(duì)城市大氣污染的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2 基于MODIS數(shù)據(jù)的城市大氣污染定量遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析

MODIS數(shù)據(jù)是由中分辨率成像光譜儀設(shè)備，利用其多通道的觀測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境信息的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)觀測(cè)和感知，如：大氣痕量氣體、云量、云類型、流層氣溶膠等，并利用地面控制點(diǎn)進(jìn)行遙感影像的幾何精校正，可以采用多項(xiàng)式擬合法，直接對(duì)圖像變形本身進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬；并且可以采用最大似然分類法和支持向量機(jī)法，實(shí)現(xiàn)原始畸變空間與標(biāo)準(zhǔn)空間的灰度轉(zhuǎn)換和分析。以鄭州市大氣污染的定量遙感監(jiān)測(cè)為例：

2.1 城市氣溶膠光學(xué)厚度反演

先采用Langley法對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度定標(biāo)，分析溫度定標(biāo)的波段數(shù)據(jù)與地基遙感AOD數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，確定最優(yōu)波段的數(shù)據(jù)組合方式，并建構(gòu)AOD與MODIS數(shù)據(jù)的相關(guān)模型，采用Bouguer-Lamber定律進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度的反演，排除散射、臭氧吸收等因素，即可以獲取氣溶膠光學(xué)厚度，同時(shí)要人工剔除氣溶膠光學(xué)厚度異常值，獲取氣溶膠光學(xué)厚度的有效數(shù)據(jù)。

2.2 城市地表溫度反演

可以利用基于MODIS數(shù)據(jù)的劈窗算法，結(jié)合城市地物的輻射特點(diǎn)，計(jì)算與我國城市地表溫度相適宜的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地表溫度的反演。

對(duì)城市地表溫度的反演主要是利用紅外測(cè)溫儀與Terra衛(wèi)星進(jìn)行同步測(cè)量，利用響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全的紅外輻射測(cè)溫的優(yōu)勢(shì)，可以選取地表布局相對(duì)均勻的不同測(cè)量區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同點(diǎn)位的測(cè)量，并進(jìn)行Kriging插值處理，依據(jù)地表構(gòu)成估算混合像元的有效平均比輻射率。

2.3 城市氣溶膠標(biāo)高的遙感反演

可以結(jié)合城市某一歷史年度氣溶膠標(biāo)高數(shù)據(jù)、氣溶膠光學(xué)厚度、地面能見度及地面氣壓等養(yǎng)料，進(jìn)行城市氣溶膠標(biāo)高的遙感反演和公式調(diào)整，利用線性插值法計(jì)算獲得城市的ASH分布。

2.4 城市大氣水汽含量的遙感反演

由于MODIS傳感器的水汽吸收通道對(duì)于大氣水汽有極強(qiáng)的敏感性，可以采用改進(jìn)的兩通道和三通道的方法，建立大氣透過率和大氣水汽含量之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行大氣水汽含量的遙感算法反演，極大地提升大氣水汽含量遙感反演的精度。

2.5 云檢測(cè)和空間插值

由于城市大氣污染的定量遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用都是基于晴朗條件下的，因而必須剔除云像元，并對(duì)云覆蓋較少的區(qū)域采用空間插值，以獲取完整、清晰的圖像。

2.5.1 云檢測(cè)。城市大氣污染的定量遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的云檢測(cè)通常采用閾值法，根據(jù)其不同的亮度溫度差、反射率與既定的閾值相對(duì)比和判斷，獲取被分析像元的云覆蓋狀態(tài)結(jié)果。其他的云檢測(cè)方法還有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、圖像融合法、直方圖分析法和聚類分析法等。

2.5.2 空間插值。這是依據(jù)空間自相關(guān)的原則，由已知區(qū)域的數(shù)據(jù)求算被分析區(qū)域的數(shù)據(jù)值。如：ArcGIS空間插值技術(shù)。

結(jié)語

綜上所述，城市大氣污染的定量遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)具有響應(yīng)速度快、精準(zhǔn)度高的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用特點(diǎn)，適用于城市環(huán)境之中，可以精準(zhǔn)測(cè)定不同氣溶膠類型、量度對(duì)大氣輻射傳輸?shù)挠绊?，極大的提高大氣污染定量遙感反演的精度。