基于遙感影像的成都市大氣污染分析

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610000)

近年來(lái)成都市的發(fā)展十分迅猛成都快要躋身全國(guó)一線城市的行列，但是高速發(fā)展的同時(shí)也遺留了一些問(wèn)題，特別是環(huán)境問(wèn)題應(yīng)該得到我們的重視。黨的十九大把我國(guó)建設(shè)成一個(gè)美麗的國(guó)家的任務(wù)被提上了議程，所以我們要相應(yīng)號(hào)召打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，在眾多污染中大氣污染是非常嚴(yán)重的，它不僅影響天氣情況而且還對(duì)我們的身體健康有一定的危害，所以應(yīng)用遙感技術(shù)對(duì)天氣情況進(jìn)行分析和預(yù)報(bào)是十分有用的。

一、研究區(qū)域概況

成都作為四川省的省會(huì)，位于成都平原的中部。經(jīng)度跨度在102°54′到104°53′之間，緯度30°到31°26′。目前收集到的信息是成都市包括九個(gè)區(qū)六個(gè)縣，成都位于四川盆地西部岷江中游，東接龍泉，西鑲邛崍。成都平原西部以龍門(mén)山脈為界，這個(gè)巨大的山脈由南至北橫跨四川。由于城市的快速發(fā)展以及成都特殊的氣候條件，成都的空氣污染越來(lái)越嚴(yán)重。因此對(duì)天氣污染情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是非常有必要的。

二、研究方法與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

在調(diào)查了一些資料以及考慮到數(shù)據(jù)獲取的難易程度再結(jié)合所做的研究的特點(diǎn)我選擇采用Landsat-8的遙感影像作為數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源的選取對(duì)成果有著極其重要的作用，在開(kāi)始之前需要對(duì)本次研究選取的數(shù)據(jù)源有一個(gè)基本了解，這有利于今后的研究。Landsat-8號(hào)衛(wèi)星上有兩個(gè)比較先進(jìn)的主傳感器：分別為OLI和TIRS。其中，OLI(全名：陸地成像儀)是由科羅拉多的鮑爾空間技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的。美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心開(kāi)發(fā)的TIRS(全稱(chēng)：熱紅外傳感器)。設(shè)計(jì)服務(wù)壽命至少為5年。OLI陸地成像儀有9個(gè)帶30米的空間分辨率的波段，還擁有一個(gè)15米空間分辨率的全色波段[5]。它的成像面積巨大，每一幅影像的面積為34225平方公里。為了避免大氣吸收特性，研究人員對(duì)OLI波段進(jìn)行了一些新的調(diào)整，而且該傳感器上的第8波段的波段范圍相對(duì)較窄，在植被分析方面很有潛力通過(guò)該波段成像的全色圖像可以很好的區(qū)分植被和非植被[1]。此外，還有另外兩種新增波段：在原來(lái)的藍(lán)波段的基礎(chǔ)上新增了一個(gè)深藍(lán)波段和短波紅外波段。TIRS傳感器是在陸地衛(wèi)星Landsat-8上運(yùn)行的，它是從陸地衛(wèi)星一號(hào)發(fā)射至今最為優(yōu)秀的傳感器。這個(gè)當(dāng)今陸地衛(wèi)星攜帶的最優(yōu)秀傳感器將從地球的兩個(gè)熱點(diǎn)地區(qū)收集熱量損失，目的是了解觀察地區(qū)的耗水量，對(duì)干旱地區(qū)的水量監(jiān)測(cè)具有特殊意義。

本次實(shí)驗(yàn)是選用大氣的能見(jiàn)度情況來(lái)反演空氣污染情況，所謂大氣能見(jiàn)度指的是空氣的渾濁程度，它與大氣中的污染物比如pm2.5等的含量及其空間分布有著密不可分的聯(lián)系，將它作為一個(gè)重要參數(shù)來(lái)反映大氣中的氣溶膠以及空氣中的霧霾程度。通常所說(shuō)的能見(jiàn)度是指在一定光照條件下人眼具有分辨一定大小目標(biāo)地物的能力。他取決于人眼的視力的好壞，但遙感領(lǐng)域和大氣相關(guān)領(lǐng)域所說(shuō)的大氣能見(jiàn)度指的是具有特殊比較意義的氣象數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)采用的FLAASH大氣矯正模型是基于國(guó)際上使用最為廣泛的MODTRAN輻射傳輸模型[2]。它將大氣能見(jiàn)度定義為在0.55μm處的中心波長(zhǎng)與水平方向上的大氣氣溶膠光學(xué)厚度有關(guān)的數(shù)值，可以用下面的公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

在(1)式中E550指的是波長(zhǎng)在0.55μm處氣溶膠消光系數(shù)，0.01159所代表的意義是波長(zhǎng)在0.55μm處的分子瑞利散射帶來(lái)的消光貢獻(xiàn)[2]。因?yàn)榇髿獾南庀禂?shù)與能見(jiàn)度是反比的關(guān)系，所以當(dāng)波長(zhǎng)增大的時(shí)候由以上公式可得能見(jiàn)度也隨之增大。對(duì)于普通的研究區(qū)域可以將0.55μm處的氣溶膠消光系數(shù)作為可見(jiàn)光波段的平均消光系數(shù)。利用FLAASH大氣校正反演大氣能見(jiàn)度首先要進(jìn)行暗像元搜索，暗像元要滿足以下約束條件。

ρ2.1≤0.1
ρ0.66=ρ2.1/2或ρ0.48=ρ2.1/4

(2)

三、遙感圖像數(shù)據(jù)處理結(jié)果

在ENVI中查看典型地物的波譜曲線圖如植被，水體的波譜曲線圖用來(lái)分析大氣矯正結(jié)果是不是正確，進(jìn)而才可以判斷出本次研究的大氣模型，氣溶膠反演模型，以及氣溶膠反演結(jié)果是不是具有可靠性。具體操作如下選擇Display然后選擇Profiles最后點(diǎn)擊Spectral查看典型地物波譜曲線。然后對(duì)本次實(shí)驗(yàn)處理以后的遙感圖像的波譜曲線圖進(jìn)行分析。植被的反射波譜曲線有其獨(dú)特的特征，所以這次研究選擇了植被的波譜曲線圖。它主要有以下特征，在可見(jiàn)光波段0.4-0.7μm之間有一個(gè)小的反射峰，大約在0.55μm附近[4]。在藍(lán)波段0.45μm和紅波段0.67μm有兩個(gè)吸收帶。這些特點(diǎn)都是由于葉綠素造成的，葉綠素對(duì)綠光有非常強(qiáng)的反射作用，對(duì)藍(lán)光和紅光有極強(qiáng)的吸收作用。在中紅外波段1.3-2.5μm之間由于受到了植物含水量的影響，綠色植物的吸收率有所增大而其反射率就有所降低[3]。將處理好的遙感圖像的植被的波譜曲線圖與上述特征進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證本次結(jié)果基本符合上述特征。

四、結(jié)果分析

由于Landsat-8衛(wèi)星是一顆較新的衛(wèi)星是2013年才發(fā)射的，所以有關(guān)Landsat-8的相關(guān)研究相對(duì)較少，但這次實(shí)驗(yàn)選擇了Landsat-8數(shù)據(jù)做了一個(gè)嘗試，也反演了氣溶膠參數(shù)，但是查閱了有關(guān)資料說(shuō)這種反演氣溶膠的精度不是很高，經(jīng)過(guò)后期思考與探索也發(fā)現(xiàn)了其中的一些問(wèn)題，這種方法沒(méi)有明顯的霧霾成果圖可以輸出，只能有一些屬性數(shù)據(jù)，給非相關(guān)人員的感覺(jué)沒(méi)有那么直觀，而且這種方法是對(duì)整個(gè)市區(qū)的能見(jiàn)度取了一個(gè)平均值并沒(méi)有清楚的反應(yīng)不同區(qū)縣的霧霾污染程度，而依據(jù)人們的生活經(jīng)驗(yàn)可以知道城區(qū)的污染相對(duì)來(lái)說(shuō)比較嚴(yán)重，因?yàn)槌菂^(qū)車(chē)多且污染物不容易散去，相對(duì)來(lái)說(shuō)城郊的污染較輕因?yàn)榻紖^(qū)的樹(shù)木較多，且車(chē)較少，污染物比較容易散去。還有空氣中還有氧氣，二氧化碳，二氧化硫，粉塵，細(xì)顆粒物等相關(guān)污染物，這些都是造成空氣能見(jiàn)度下降的原因[3]。但是本次研究采用的大氣矯正都對(duì)這些東西進(jìn)行了考慮所以得到的結(jié)果并不是說(shuō)只有pm2.5等污染物，也有空氣中的一些水汽等相關(guān)含量總之本次實(shí)驗(yàn)沒(méi)有辦法很好的排除一些影響空氣能見(jiàn)度的非污染數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@些東西在進(jìn)行大氣矯正是必須考慮的，因此本次研究得到了結(jié)果會(huì)有一定的偏差，還有本次研究選擇的氣溶膠模型為城市氣溶膠模型，可能在郊區(qū)的反演上有一定的影響，結(jié)果沒(méi)有預(yù)期的那么好，這種方法并沒(méi)有很好的反映出空氣污染的空間分布特征，所以這種方法還需要在以后的學(xué)習(xí)和生活中加以改近來(lái)得到精度更高效果更好的空氣污染結(jié)果。