遙感技術(shù)在霧霾監(jiān)測中的應(yīng)用

趙劍橋

[摘要] 隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，霧霾污染日趨嚴(yán)重，不僅威脅交通運輸安全，也嚴(yán)重危害人體健康。目前衛(wèi)星遙感技術(shù)正成為我國監(jiān)測霧霾的重要手段。借助衛(wèi)星遙感技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對氣溶膠、NO2與SO2有害氣體、機動車尾氣、秸稈焚燒、沙塵暴、工礦企業(yè)污染等的監(jiān)測，為監(jiān)管、治理霧霾提供了信息來源與技術(shù)支持。

[關(guān)鍵詞] 遙感技術(shù)；霧霾；氣溶膠；沙塵暴

[中圖分類號]X851 [文獻標(biāo)識碼]A

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，霧霾污染日趨嚴(yán)重，不僅威脅交通運輸安全，也嚴(yán)重危害人體健康。如何科學(xué)、準(zhǔn)確地監(jiān)測霧霾，以尋找應(yīng)對辦法，已經(jīng)成為一個社會熱點問題。目前衛(wèi)星遙感技術(shù)正成為我國監(jiān)測霧霾的重要手段。

對于空氣質(zhì)量的監(jiān)測，傳統(tǒng)方法主要是通過固定站點的觀測儀器獲取大氣污染物的濃度數(shù)據(jù)，可是這種觀測方式及其觀測結(jié)果只能反映特定區(qū)域的大氣污染情況，并不能全面反映更大范圍的大氣污染特征，而衛(wèi)星遙感監(jiān)測正好彌補了監(jiān)測點分布不均的問題。遙感影像是通過獲取地物的反射、輻射和散射的電磁波信息進行成像。因為霧霾粒子的散射和吸收會對地物電磁波的輻射傳輸造成不同影響，因此分析遙感影像的特殊信息，能夠獲取霧霾顆粒的濃度情況。借助衛(wèi)星影像遙感影像數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對特定區(qū)域PM2.5空間分布與變化情況的快速反映，更宏觀地監(jiān)測空氣質(zhì)量。

1 監(jiān)測氣溶膠

霧霾最常用的表征之一就是氣溶膠光學(xué)厚度（AOD），它表征大氣柱中氣溶膠顆粒物整體消光能力。衛(wèi)星遙感是觀測氣溶膠空間分布的重要手段，能夠在大氣顆粒物保持自然狀態(tài)的情況下，快速獲取區(qū)域范圍內(nèi)的氣溶膠顆粒物空間分布、面積、等級、頻次等，有助于全面掌握霧霾的產(chǎn)生、變化狀況，在霧霾監(jiān)測應(yīng)用中有非常明顯的優(yōu)勢。目前，得到氣溶膠光學(xué)厚度的方法主要是通過衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)如MODIS數(shù)據(jù)等，進行氣溶膠光學(xué)厚度的反演，這在實踐應(yīng)用中已經(jīng)取得一定成效。

2 監(jiān)測NO2、SO2有害氣體

NO2、SO2等有害氣體都是產(chǎn)生霧霾的重要物質(zhì)來源，通過遙感技術(shù)可以有效監(jiān)測NO2、SO2等污染氣體柱濃度，對于霧霾的預(yù)測與預(yù)警作用極大。

當(dāng)植物被NO2、SO2等有害氣體污染后，其對紅外光的反射率會下降，而這種顏色變化以及動態(tài)標(biāo)志不同于正常植被呈現(xiàn)的顏色。因此能夠通過遙感影像數(shù)據(jù)分析植被遭受污染的情況。在不同的像元上衛(wèi)星遙感對植物的監(jiān)測會有所呈現(xiàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)將像元信息與實際的土壤、植被、水體等進行對比，研究它們之間的相關(guān)內(nèi)容，分類對照這些不同的像元信息。污染氣體的信息與這些不同的像元信息相疊加以后，能夠使污染物氣體累加濃度信息得以顯現(xiàn)。

3 監(jiān)測機動車尾氣

機動車尾氣遙感監(jiān)測是通過紅外線和紫外線激光光譜實現(xiàn)的，即光譜吸收原理。機動車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)通過光源向道路對面的光學(xué)反光鏡發(fā)送紫外光和紅外光，光學(xué)反光鏡會將其反射到檢測器中。機動車行駛時要通過這些光束，這時機動車尾氣會吸收光線，改變透射光的強度，通過監(jiān)測檢測器中光強的變化情況，對機動車排放的氮氧化物、碳?xì)浠衔锏鹊臐舛冗M行監(jiān)測。遙感裝置監(jiān)測機動車尾氣，并不需要直接接觸被監(jiān)測的車輛，利用機動車尾氣遙感監(jiān)測技術(shù)，在不影響車輛正常行駛的情況下，能夠在0.7秒內(nèi)完成車輛尾氣檢測，真實反映車輛在實際運行過程中各種污染物的排放情況。利用遙感技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)對機動車速度的監(jiān)測，從而確定其運行特征，有效避免非正常運行對汽車監(jiān)測準(zhǔn)確度的影響。

4 監(jiān)測秸稈焚燒

秸稈露天焚燒過程中釋放各種氣態(tài)污染物和顆粒物，并產(chǎn)生大量有毒有害物質(zhì)，是我國大氣污染的重要來源之一。遙感火點探測利用火點高溫像元與背景常溫像元在中紅外和熱紅外波段輻射能量的差異來識別地面火點。隨著衛(wèi)星遙感的快速發(fā)展，擁有較高時間分辨率、空間分辨率和光譜分辨率的MODIS數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于火災(zāi)監(jiān)測。通過遙感影像火點監(jiān)測技術(shù)能夠獲取區(qū)域秸稈燃燒空間分布、火點起源、火源擴散等情況，可以實現(xiàn)對秸稈焚燒的監(jiān)測，如北京市環(huán)境監(jiān)測中心結(jié)合地面地理信息數(shù)據(jù)，在每年6～10月的每一天，對北京市及周邊的農(nóng)業(yè)用地進行火點遙感監(jiān)測，為監(jiān)管工作提供信息來源。通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)來獲取秸稈燃燒的位置、范圍及擴散趨勢，目前在我國得到了廣泛推廣與應(yīng)用。

5 監(jiān)測沙塵暴

浮塵、揚沙和沙塵暴都是沙塵天氣，這是由于大量飄浮在空中的微細(xì)塵?；驘熈５扔绊懣諝?，導(dǎo)致有效水平能見度小于10km。通過衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測沙塵暴，可以結(jié)合大氣流場預(yù)測，根據(jù)沙塵的實時遷移變化情況判斷其影響范圍，并對未來的空氣狀況進行預(yù)測和預(yù)警，從而防范沙塵天氣的不利影響。目前我國已經(jīng)實現(xiàn)利用風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星動態(tài)監(jiān)測沙塵暴。2017年2月27日，我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號A星首批圖像與數(shù)據(jù)公布，標(biāo)志著我國靜止軌道氣象衛(wèi)星成功實現(xiàn)了升級換代。通過風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星動態(tài)監(jiān)測圖像，可以清楚地看到沙塵影響范圍、移動方向和擴展情況等。

6 監(jiān)測工礦企業(yè)污染

衛(wèi)星遙感監(jiān)測實現(xiàn)了對建筑揚塵、平房燃煤等的動態(tài)監(jiān)測，為監(jiān)管潛在污染源提供了技術(shù)支持。例如，全北京的混凝土攪拌站在空間分辨率達到亞米級的衛(wèi)星照相機鏡頭前，可謂無處遁形。再如，河北省利用高分辨率（優(yōu)于2m）的多光譜衛(wèi)星影像，采集省內(nèi)的揚塵地表圖斑，直觀展示全省范圍內(nèi)的揚塵類型、分布和面積情況。通過衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測工礦企業(yè)的污染，為排放源控制及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的升級決策提供了基本信息支持。

綜上所述，面對我國嚴(yán)峻的霧霾污染狀況，應(yīng)當(dāng)進一步發(fā)展遙感探測技術(shù)，促進遙感監(jiān)測技術(shù)的不斷提高，通過遙感技術(shù)結(jié)合地面監(jiān)測的方式，讓霧霾“無處可逃”。

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