大連市區(qū)MODIS數(shù)據(jù)PM_2.5濃度遙感反演及應用研究

王甡

摘 要：采用大連市區(qū)多時相MODIS遙感數(shù)據(jù)，運用6S大氣輻射傳輸模型查找表反演大氣氣溶膠光學厚度，解析大連市區(qū)不同時期的氣溶膠光學厚度分布特征，并結合地面同步自動監(jiān)測的PM2.5濃度數(shù)據(jù)，建立PM2.5濃度遙感估算模型，在精度評估基礎上將模型反演結果與空氣自動監(jiān)測子站、環(huán)境空氣質量功能區(qū)、植被、高程、污染源分布等做應用分析，為大連市區(qū)PM2.5污染區(qū)域防治提出參考依據(jù)。

關鍵詞：氣溶膠光學厚度反演;PM2.5濃度遙感反演;模型應用

中圖分類號：S181

文獻標識碼：A

近年，大連市區(qū)顆粒物污染持續(xù)存在，自2012年9月全面開展PM2.5監(jiān)測以來，PM2.5是影響大連市區(qū)環(huán)境空氣質量的主要污染因子，但有限的地面監(jiān)測數(shù)據(jù)還不足以反映大范圍的大氣顆粒物空間分布特征。衛(wèi)星遙感能使PM2.5相關研究突破傳統(tǒng)地面監(jiān)測的限制，使之在時間跨度和空間尺度上得到有效延伸和擴展[1]。大氣氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth，簡稱AOD）是指大氣消光系數(shù)在垂直方向的積分，PM2.5消光作用在大氣顆粒物中占相當比重，與氣溶膠光學厚度有一定關系。本文以大連市區(qū)為研究區(qū)域，結合大氣輻射傳輸模型，利用遙感數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學厚度，解析不同時期大連市區(qū)的氣溶膠PM2.5光學厚度分布特征，同時結合同步地面自動監(jiān)測PM2.5濃度數(shù)據(jù)，建立晴空無云條件下的PM2.5濃度遙感估算模型，將反演結果與環(huán)境要素、局地污染源空間分布做應用分析，為PM2.5防治區(qū)劃提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的數(shù)據(jù)為MODIS數(shù)據(jù)產品的MOD02和MOD03數(shù)據(jù)，來自NASA官網，采用分層數(shù)據(jù)格式（HDF）存儲，其中MOD02光譜數(shù)據(jù)采用1km分辨率，具有36個光譜通道，MOD03地理定位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集中包含MODIS每個像元的幾何參數(shù)，包括經緯度、高度、太陽天頂角、太陽方位角、衛(wèi)星天頂角、衛(wèi)星方位角。

根據(jù)大連市區(qū)歷史天氣數(shù)據(jù)，以天氣晴朗無云為基本條件，收集篩選2014—2016年共17期MODIS L1B 1KM遙感數(shù)據(jù)，初步篩選光譜反射率數(shù)據(jù)，經過假彩色合成后，辨認無明顯噪聲條帶后，確定影下載像日期，并下載同期MOD03角度數(shù)據(jù)。

地面同步的環(huán)境空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)采用大連市區(qū)現(xiàn)有的10個國控子站數(shù)據(jù)。為減少數(shù)據(jù)匹配誤差，對數(shù)據(jù)進行以下預處理：以每個地面監(jiān)測站點為中心，選取周圍3×3領域內（約3km×3km）的AOD空間平均值作為該站點的AOD值;為了平滑PM2.5數(shù)據(jù)在時間變化上的噪音，取Terra星過境時點前后5min的PM2.5時間平均值與相應AOD值做空間匹配。

2 技術方法

按照“衛(wèi)星數(shù)據(jù)—地面監(jiān)測數(shù)據(jù)—潛在污染源分布”為主線，利用多時相MODIS遙感數(shù)據(jù)，利用大氣輻射傳輸模型計算氣溶膠光學厚度，在此基礎上結合地面同步監(jiān)測數(shù)據(jù)，構建經驗模型反演估算大連市區(qū)PM2.5濃度。大氣輻射傳輸模型受大氣參數(shù)和地表反射率影響，大氣參數(shù)獲取一般采用6S大氣輻射傳輸模型[2];地表反射率獲取算法主要有暗像元法[3]、深藍算法[4]、多角度偏振算法[5]。

本文在暗像元區(qū)域采用“6S”模型建立表觀反射率、地表反射率及氣溶膠光學厚度三者對應關系，通過查找表算法和大氣輻射傳輸方程提取暗像元區(qū)域氣溶膠光學厚度，采用高精度克里金空間插值模型得到市區(qū)氣溶膠光學厚度，分析氣溶膠光學厚度時空變化特征;分析氣溶膠光學厚度與PM2.5濃度的相關性，建立衛(wèi)星遙感估算PM2.5濃度的反演模型，利用模型對氣溶膠光學厚度結果進行PM2.5濃度填圖。

3 結果分析

3.1 遙感提取氣溶膠光學厚度空間分布特征

采用基于暗像元的氣溶膠光學厚度反演算法提取大連市區(qū)17期MODIS遙感數(shù)據(jù)。結果表明，5—6月氣溶膠光學厚度呈上升趨勢，7—10月呈下降趨勢;5月、9月、10月氣溶膠光學厚度呈現(xiàn)呈平均分布特征;6—8月呈現(xiàn)明顯局地特征，氣溶膠光學厚度值較高區(qū)域分布在羊頭洼、雙島灣、三澗堡、營城子、辛寨子、革鎮(zhèn)堡、南關嶺、大連灣、開發(fā)區(qū)、大孤山半島區(qū)域以及金州南端。

3.2 遙感反演估算PM2.5濃度模型

采用多時相氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)與同步PM2.5建立反演模型。結果表明，暗像元和插值區(qū)的組合模型和基于暗像元的插值模型精度相當。提取各月典型氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)反演PM2.5濃度，單幅影像PM2.5的國控點驗證精度較低，其中選擇相關性較高的反演數(shù)據(jù)作為應用基礎數(shù)據(jù)。

4 遙感反演PM2.5濃度的應用分析

遙感反演結果表明，國控子站受影響半徑為4km;二類區(qū)PM2.5濃度高出一類區(qū)4μg·m-3，PM2.5濃度較高的一類功能區(qū)為臥龍植物園和旅順口風景名勝區(qū);在低空250m的空間范圍容易受到近地面PM2.5濃度影響;高覆蓋植被區(qū)的PM2.5濃度明顯低于中覆蓋和低覆蓋植被區(qū);沙河口區(qū)和西崗區(qū)工業(yè)源煙粉塵排放強度對PM2.5濃度影響較大。杏樹屯、泡崖、向應等16個街道為PM2.5濃度潛在超標區(qū)域。結合遙感解譯結果，潛在的超標污染源為電廠（大連發(fā)電公司、開發(fā)區(qū)電廠、金州熱電廠、北海熱電廠）、交通（西安路周邊）、堆場（主要集中在保稅區(qū)、金州的大李家街道和得勝街道）和化工廠（大連西太平洋石油化工有限公司、大連凱飛化學股份有限公司），此外，在遙感監(jiān)測范圍內的33家市控污染源有19個可能對大氣PM2.5濃度有所貢獻。

5 結論

通過MODIS數(shù)據(jù)反演出大連市區(qū)氣溶膠光學厚度，結合地面同步PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立的大連市區(qū)PM2.5遙感估算模型，其應用結果表明：大連市區(qū)需進一步加強市區(qū)綠化用地建設，特別是北至南關嶺、南至辛寨子地域;海拔50m以下的近地面空間是PM2.5濃度防控的重點空間，繼續(xù)加強動土工程的揚塵管理;沙河口區(qū)和西崗區(qū)工業(yè)煙塵排放企業(yè)需提高除塵設備效率;加強甘井子區(qū)和金州灣沿岸的礦山開采活動監(jiān)管，重點防控電力、交通、堆場、化工、鍋爐房、建材、土制品、鋼鐵等行業(yè)的煙塵排放;對PM2.5濃度超標的潛在16個超標街道進行摸底調查;對落入PM2.5濃度潛在超標區(qū)域的19家市控污染源企業(yè)加強監(jiān)管。

參考文獻

[1]?楊晟朗，李本綱.基于遙感資料的北京大氣污染治理投資對降低PM2.5的效能分析[J].環(huán)境科學學報，2015，35（01）：42-48.

[2]劉佳，王利民，楊玲波，等.基于6S模型的GF-1衛(wèi)星影像大氣校正及效果[J].農業(yè)工程學報，2015，31（19）：159-168.

[3]彭妮娜，易維寧，方勇華.400～1000nm波段反演氣溶膠光學厚度的暗像元法[J].紅外與激光工程，2008，37（05）：878-883.

[4]王中挺，厲青，王橋，等.利用深藍算法從HJ-1數(shù)據(jù)反演陸地氣溶膠[J].遙感學報，2012，16（03）：596-610.

[5]王中挺，陳良富，李莘莘.利用PARASOL數(shù)據(jù)反演陸地氣溶膠光學厚度[J].遙感應用，2009（06）：49-54.

（責任編輯 李媛媛）