一種基于Landsat 8的城區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法*

馮海霞 馮海英 楊立才 王 琦 孟祥魯 王艷峰

(1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100；2.山東交通學(xué)院交通與物流工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250023；3.北京工商大學(xué)傳媒與設(shè)計(jì)學(xué)院，北京 102488；4.濟(jì)南市公安局高速公路交通警察支隊(duì)，山東 濟(jì)南 250000)

中國(guó)城市空氣的質(zhì)量在明顯好轉(zhuǎn)，據(jù)生態(tài)環(huán)境部公布的2020年1月全國(guó)空氣質(zhì)量狀況，全國(guó)337個(gè)地級(jí)及以上城市平均優(yōu)良天數(shù)比例為69.5%，同比上升2.3百分點(diǎn)；101個(gè)城市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，同比增加33個(gè)；PM2.5同比下降3%。然而，許多城市霾天氣仍然占全年1/3以上，如2018年北京市霾天氣有138 d，占比達(dá)37.8%，輕度、中度污染成為霾天氣中的主要形式，霾的發(fā)生時(shí)間呈常年化趨勢(shì)[1-2]。機(jī)動(dòng)車(chē)的快速增加(2019年上半年全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)3.4億輛)，導(dǎo)致大多數(shù)城市交通嚴(yán)重?fù)矶隆⑽矚馀欧偶觿?，也促使?chē)輛尾氣污染替代燃煤成為很多城市PM2.5的第一貢獻(xiàn)源。

城市空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)以地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)為主，近年基于遙感反演估算霾濃度的方法快速發(fā)展，彌補(bǔ)了監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在空間連續(xù)性上的不足。研究者關(guān)注較多的大氣污染物是PM2.5，以遙感衛(wèi)星反演氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)為基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)全球、區(qū)域尺度氣溶膠分布及其性質(zhì)進(jìn)行了觀測(cè)研究：BRéON[3]對(duì)氣溶膠如何影響云和氣候進(jìn)行了探討；HOLBEN等[4]、HSU等[5-6]、KAUFMAN等[7]、REMER等[8]、陶金花等[9]、汪洋等[10]等都對(duì)AOD的反演算法進(jìn)行了研究。建立PM2.5與AOD之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系是目前基于AOD估算顆粒物濃度的重要研究方法。WANG等[11]、LIU等[12]、LEE等[13]、HU等[14]、付宏臣等[15]嘗試將垂直分布、相對(duì)濕度、氣象、季節(jié)和地理等影響因子引入PM2.5—AOD相關(guān)模型中；陳良富等[16-17]提出了地統(tǒng)計(jì)插值與衛(wèi)星遙感聯(lián)合反演地面PM2.5的方法以及基于時(shí)空回歸克里金模型估算地面PM2.5的方法。

目前基于衛(wèi)星遙感估算PM2.5濃度的方法尚存在空間分辨率較低(目前成熟的氣溶膠產(chǎn)品的分辨率以10、3 km及0.05°為主)、PM2.5濃度較高時(shí)估算效果不理想、城區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失等需改進(jìn)的地方。為此不少?lài)?guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了進(jìn)一步研究：如顧行發(fā)等[18]提出了一種污染天氣下的PM2.5濃度衛(wèi)星遙感估算方法；田信鵬等[19]、姜曉晨等[20]對(duì)利用美國(guó)陸地衛(wèi)星計(jì)劃衛(wèi)星Landsat 8陸地成像儀(OLI)(30 m分辨率)反演高空間分辨率的AOD進(jìn)行了嘗試；王中挺等[21-22]、許華等[23]、衛(wèi)亞星等[24]利用環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星(30 m分辨率)對(duì)AOD進(jìn)行反演；王中挺等[25-26]分別利用高分一號(hào)(16 m分辨率)、高分四號(hào)衛(wèi)星(50 m分辨率)實(shí)現(xiàn)AOD的反演；ZHA等[27]314-315、馮海英等[28]3013-3014、賀軍亮等[29]等嘗試不反演AOD，而通過(guò)不同波段的組合構(gòu)建指數(shù)直接估算PM2.5濃度。

隨人們生活質(zhì)量的提高、智慧城市的快速發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的改善，對(duì)污染物監(jiān)測(cè)的分辨率、種類(lèi)等都提出了更高的要求，本研究擬利用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)，構(gòu)建適用于城區(qū)的高分辨率遙感監(jiān)測(cè)新指數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)與PM2.5濃度的監(jiān)測(cè)，提高城區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 方 法

根據(jù)地物的光譜特性選擇合適的波段進(jìn)行組合來(lái)反映地物的狀況，在遙感監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用。目前已經(jīng)定義了40多種植被指數(shù)，廣泛應(yīng)用在全球與區(qū)域土地覆蓋、植被分類(lèi)和環(huán)境變化、作物和牧草估產(chǎn)、干旱監(jiān)測(cè)等方面。借鑒于植被指數(shù)構(gòu)建的思想，根據(jù)霾的光學(xué)特性構(gòu)建適合于霾濃度監(jiān)測(cè)的遙感指數(shù)。

AQI來(lái)自于2012年3月發(fā)布的新空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合反映6項(xiàng)污染物(SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3)的監(jiān)測(cè)結(jié)果?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)的污染物的粒徑都較小，依據(jù)米式散射理論、霾顆粒的光譜特性[30]及霾對(duì)地物光譜的影響分析可知：顆粒物對(duì)多光譜波段(0.38～2.30 μm)影響最大的是短波波段，即波長(zhǎng)越小，受污染物的影響越大，波段越長(zhǎng)受污染物的影響越小，因此可選擇對(duì)顆粒物影響最敏感的波段構(gòu)建遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)。ZHA等[27]315基于中分辨率成像光譜儀(MODIS)選擇了0.620～0.670 μm和0.545～0.565 μm波段構(gòu)建歸一化差值霾指數(shù)(NDHI)；馮海英等[28]3014選擇了基于Landsat 8的紅波段(0.630～0.680 μm)和近紅外波段(0.845～0.885 μm)構(gòu)建了監(jiān)測(cè)PM2.5濃度的差值指數(shù)(DI)。

根據(jù)Landsat 8 OLI的波段設(shè)置(見(jiàn)表1)，對(duì)污染物影響最敏感的是Band 1波段，影響最小的是Band 7波段。深藍(lán)波段是Landsat 8特有的波段，常用的MODIS傳感器、環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星、中巴資源衛(wèi)星、高分系列衛(wèi)星等都未設(shè)置此波段。

表1 Landsat 8 OLI的多光譜波段

因此選擇Band 1和Band 7波段，以其輻亮度差值構(gòu)建差值霾指數(shù)(DHI)。

2 模型驗(yàn)證與分析

2.1 研究區(qū)

以北京市主城區(qū)為研究區(qū)，研究區(qū)的Landsat 8遙感影像及空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

2.2 數(shù)據(jù)與處理

2.2.1 數(shù) 據(jù)

(1) 遙感數(shù)據(jù)

以Landsat 8 OLI為數(shù)據(jù)源，影像過(guò)境時(shí)間是2016年3月1日。

(2) 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)

2016年3月1日，北京市天氣晴，氣溫-2～10 ℃，無(wú)持續(xù)風(fēng)向，風(fēng)力≤3級(jí)；空氣質(zhì)量為中度污染，各空氣質(zhì)量參數(shù)的平均值如下：AQI為158，PM2.5為120 μg/m3。

圖1 北京市遙感影像Fig.1 The remote sensing image of Beijing

2.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

用ENVI遙感圖像處理軟件對(duì)Landsat 8 OLI的7個(gè)波段數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，將像元亮度值(DN)轉(zhuǎn)換成為輻亮度。

Landsat 8過(guò)境時(shí)刻為10：53，因此選取監(jiān)測(cè)站點(diǎn)11：00的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與之對(duì)應(yīng)，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括AQI與PM2.5。本研究使用了北京市29個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)(共收集了北京市32個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其中延慶鎮(zhèn)和密云水庫(kù)兩個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在研究區(qū)外，房山良鄉(xiāng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了AQI異常)。

利用ArcGIS軟件，提取監(jiān)測(cè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)于Landsat 8 影像7個(gè)波段的輻亮度。

2.3 模型應(yīng)用

Landsat 8 各波段的輻亮度與AQI、PM2.5的相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，7個(gè)波段中Band 1波段輻亮度與AQI、PM2.5的相關(guān)性最好；隨波長(zhǎng)增加，相關(guān)性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由相關(guān)性分析也可知對(duì)空氣污染物最敏感的是Band 1波段，最不敏感的是Band 7波段。

表2 Landsat 8各波段輻亮度與AQI、PM2.5的相關(guān)系數(shù)

研究區(qū)的DHI分布見(jiàn)圖2。

圖2 北京市DHI分布Fig.2 DHI distribution of Beijing

2.4 精度分析

2.4.1 模型精度

以監(jiān)測(cè)站點(diǎn)獲取的AQI、PM2.5數(shù)據(jù)分別與DHI進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖3。AQI、PM2.5與DHI擬合的二次多項(xiàng)式R2分別為0.580 4和0.714 4，各組數(shù)據(jù)都能通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，即構(gòu)建的DHI可以適用于對(duì)城市空氣質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

圖3 AQI、PM2.5與DHI的擬合結(jié)果Fig.3 The fitting results of AQI and DHI,as well as PM2.5 and DHI

2.4.2 與其他指數(shù)的對(duì)比

將本論文構(gòu)建的DHI與NDHI、DI進(jìn)行對(duì)比，分別獲得了研究區(qū)的NDHI和DI(NDHI和DI的計(jì)算方法分別見(jiàn)文獻(xiàn)[27]、[28])，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 北京市NDHI、DI分布Fig.4 Distribution of DHI and DI in Beijing

將監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5數(shù)據(jù)分別與相應(yīng)的NDHI和DI進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可知，PM2.5與NDHI、DI擬合的R2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DHI與PM2.5擬合的R2。分析其原因， NDHI是基于MODIS數(shù)據(jù)(1 km分辨率)構(gòu)建，可能不適于高分辨率(30 m分辨率)數(shù)據(jù)；DI選擇的是紅波段作為敏感波段，其對(duì)污染物的敏感性低于本研究選擇的深藍(lán)波段。

2.5 研究區(qū)AQI、PM2.5分布

基于DHI，估算了研究區(qū)的AQI、PM2.5，其空間分布情況見(jiàn)圖6。

從圖6可以看出，研究區(qū)AQI、PM2.5存在部分高值區(qū)，以圖6(b)為例，對(duì)部分高值區(qū)進(jìn)行分析，見(jiàn)圖7。圖7(a)中高值區(qū)是北京首都機(jī)場(chǎng)附近，圖7(b)中高值區(qū)較多，包括了北京南站、北京貨運(yùn)中心、北京市舊機(jī)動(dòng)車(chē)交易中心、新發(fā)地交易中心等。這些高值區(qū)都是高反射區(qū)，即建筑物頂層較亮(反射率大)的區(qū)域，這些地物在Band 1波段輻亮度較高，造成了DHI較高，與污染物濃度的關(guān)系較弱，即DHI不適于高亮度地表的建筑物區(qū)域。

圖5 PM2.5與NDHI、DI的擬合結(jié)果Fig.5 The fitting results of PM2.5 and NDHI,as well as PM2.5 and DI

圖6 北京市AQI、PM2.5分布Fig.6 Distribution of AQI and PM2.5 in Beijing

圖7 部分高值區(qū)Fig.7 Partial high value area

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究針對(duì)城市空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)的需求和存在的問(wèn)題，依據(jù)米式散射理論、霾顆粒的光學(xué)特性等，基于Landsat 8 OLI，選擇了對(duì)污染物影響最敏感的Band 1波段和最不敏感的的Band 7波段，構(gòu)建了DHI，可實(shí)現(xiàn)城區(qū)高分辨率的PM2.5、AQI監(jiān)測(cè)(30 m分辨率)，比目前基于AOD反演估算PM2.5濃度的遙感監(jiān)測(cè)模型在分辨率上有了較大的提高；DHI不僅適用于PM2.5濃度監(jiān)測(cè)，還可適用于AQI的監(jiān)測(cè)；與NDHI和DI相比，DHI準(zhǔn)確性更高；DHI簡(jiǎn)單易用，在城區(qū)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中具有較高的應(yīng)用潛力和推廣價(jià)值。