王玉呈 王凱 談世豪 楊立君
摘 要:該文首先分析了大氣的光譜特征,利用遙感技術(shù)(RS)監(jiān)測(cè)南京地區(qū)空氣質(zhì)量,然后利用地理信息技術(shù)(GIS)生成空氣質(zhì)量時(shí)、空分布圖,分析時(shí)、空分布規(guī)律及影響因素,最后根據(jù)規(guī)劃理論對(duì)未來(lái)南京城市建設(shè)提出了對(duì)策建議。
關(guān)鍵詞:空氣質(zhì)量;分布規(guī)律;遙感技術(shù);南京市
中圖分類號(hào) P468.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731(2016)07-72-05
Abstract:The paper analyzed the spectral characteristics of the atmosphere and monitored air quality of Nanjingby remote sensing(RS).Then, using geographic information technologies (GIS)to generate distribution map of time and spatial of air quality and analyze distribution law of time and spatial and influencing factors.Finally, according to the planning theory,put forward scientific advice for the future urban planning and construction in Nanjing City.
Key words:Air quality;Distribution law;Remote sensing technology;Nanjing City
2013年南京市霧霾天數(shù)為242d,是歷史上霧霾天數(shù)最多的1a,當(dāng)年12月份南京正式出臺(tái)了應(yīng)急處置方案,規(guī)定當(dāng)空氣質(zhì)量污染達(dá)到紅色預(yù)警時(shí),中小學(xué)必須停課。在接下來(lái)的很多天內(nèi)許多有關(guān)霧霾天氣的報(bào)道頻繁地在各大媒體上報(bào)道,空氣質(zhì)量問(wèn)題頓時(shí)成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。近幾年來(lái),隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展,國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速提高,南京市空氣質(zhì)量卻越來(lái)越差。隨著科技水平的進(jìn)步,衛(wèi)星遙感可以提供廣闊背景上的有關(guān)氣溶膠污染物的區(qū)域分布,在污染監(jiān)測(cè)上具有廣闊的前景[1]。本文通過(guò)MODIS遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)南京市空氣質(zhì)量的分布規(guī)律進(jìn)行研究分析,找出南京市空氣質(zhì)量的分布規(guī)律,以期為南京市解決空氣環(huán)境問(wèn)題,改善人民生活的環(huán)境水平,提高生活質(zhì)量,并在城市規(guī)劃的相關(guān)方面提供可行性的建議。
1 研究現(xiàn)狀
目前很多國(guó)內(nèi)學(xué)者都利用美國(guó)宇航局(NASA)提供的MODIS影像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)氣溶膠的相關(guān)研究,普遍應(yīng)用的算法大都為Kaufman等所建立的暗像元算法。算法利用密集植被在紅波段(0.6~0.68mm)和藍(lán)波段(0.40~0.48mm)低反射率的性質(zhì),以植被指數(shù)(NDVI)或近紅外波段通道(21mm)反射率將其判別為暗像元來(lái)達(dá)到最終反演氣溶膠的目的[2]。劉佳雨等利用經(jīng)典的暗像元算法,對(duì)北京地區(qū)的MODIS衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)反演,并對(duì)其空間分布進(jìn)行了分析,為環(huán)境監(jiān)測(cè)部門提供了大氣污染治理依據(jù)[3]。宋挺等將MODIS數(shù)據(jù)反演得出的氣溶膠光學(xué)厚度與無(wú)錫市區(qū)實(shí)測(cè)得到的PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行相關(guān)性分析,經(jīng)過(guò)氣溶膠光學(xué)厚度經(jīng)垂直分布和濕度修正后,兩者相關(guān)性顯著提高,得出氣溶膠光學(xué)厚度可作為PM2.5監(jiān)測(cè)的有效補(bǔ)充[4]。李成才等總結(jié)了自己利用MODIS資料進(jìn)行的研究工作,證實(shí)了MODIS遙感手段可獲取氣溶膠分布,其可為區(qū)域環(huán)境大氣污染研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)[5]。王靜等利用MODIS氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品AOT與北京市清華園PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行比較分析,得出MODIS AOT可以作為監(jiān)測(cè)PM2.5分布及傳輸?shù)难a(bǔ)充手段[6]。
在大數(shù)據(jù)背景下,很多環(huán)保部門實(shí)時(shí)對(duì)外提供空氣質(zhì)量與預(yù)測(cè),對(duì)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量提出新要求。目前最為普遍的監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量問(wèn)題的方法是通過(guò)儀器測(cè)出近地面大氣中所含污染物(CO、SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3等)的濃度,再通過(guò)某種算法計(jì)算出空氣質(zhì)量指數(shù),然后分出不同的污染指數(shù)等級(jí)。這種監(jiān)控方法在近地面時(shí)呈點(diǎn)狀分布的,對(duì)于大范圍的空氣質(zhì)量檢測(cè)的誤差比較大,而通過(guò)MODIS遙感影像可以分析出一定區(qū)域范圍內(nèi)的空氣質(zhì)量污染的嚴(yán)重程度。本次研究是采用MODIS遙感影像數(shù)據(jù)反演出的氣溶膠厚度和地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)相結(jié)合來(lái)探索南京市空氣質(zhì)量分布規(guī)律。
2 研究數(shù)據(jù)和方法
2.1 研究區(qū)概況 南京市位于長(zhǎng)江下游中部地區(qū),江蘇省西南部,長(zhǎng)江穿城而過(guò),沿江岸線總長(zhǎng)近200km。地理坐標(biāo)為北緯31°14′~32°37′,東經(jīng)118°22′~119°14′[7]。南京市平面位置南北長(zhǎng)、東西窄,成正南北向;南北直線距離150km,中部東西寬50~70km,南北兩端東西寬約30km。南京屬亞熱帶季風(fēng)氣候,雨量充沛。
2.2 研究數(shù)據(jù) 空氣質(zhì)量的好壞是依據(jù)空氣中污染物的濃度的高低來(lái)判斷的,在近地面大氣所含的污染物中(CO、SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3等),大家所熟知的PM2.5(直徑小于2.5μm的顆粒物)是形成霧霾的主要污染物。PM2.5能較長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中,它在空氣中含量濃度越高,意味著空氣質(zhì)量污染程度越嚴(yán)重。PM2.5容易富集空氣中的有毒重金屬、酸性氧化物、有機(jī)污染物、細(xì)菌和病毒,且顆粒物的半徑越小,其化學(xué)成分越復(fù)雜,毒性越大[8]。PM2.5的濃度與空氣質(zhì)量有著很大的關(guān)系,因此本次研究利用PM2.5數(shù)據(jù)作為空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。PM2.5的數(shù)據(jù)為2013年全年南京市各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),同時(shí)該數(shù)據(jù)是南京環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站公開(kāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括草場(chǎng)門、中華門、瑞金路、玄武湖、山西路、邁皋橋、仙林大學(xué)城、奧體中心、浦口,共計(jì)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在整個(gè)數(shù)據(jù)中有些監(jiān)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)數(shù)據(jù)空缺,是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器損壞引起的,不影響整個(gè)研究。
MODIS的全稱為中分辨率成像光譜儀,該儀器每天覆蓋全球一次,具有36個(gè)光譜通道,波譜范圍為0.4~14mm,MODIS儀器的地面分辨率分別為250m、500m和1 000m,掃描寬度為2 330km,每1d或每2d可獲得一次全球觀測(cè)數(shù)據(jù) [9]。MODIS數(shù)據(jù)選取的是類型為MOD02KM的2013年南京市地區(qū)的MODIS數(shù)據(jù),其分辨率為1km,MODIS數(shù)據(jù)利用HDF的格式存儲(chǔ),過(guò)境時(shí)間為每日地方時(shí)上午10:30,跨度范圍為北緯31°14′~32°37′,東經(jīng)118°22′~119°14′。對(duì)MODIS數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中需要南京市的矢量數(shù)據(jù),更方便地求取南京市各區(qū)的氣溶膠反演均值。在矢量數(shù)據(jù)中包含南京市六合區(qū)、浦口區(qū)、市轄區(qū)、棲霞區(qū)、雨花臺(tái)區(qū)、江寧區(qū)、高淳縣和溧水縣8個(gè)地區(qū)。
2.3 研究方法
2.3.1 先驗(yàn)?zāi)P头?gòu)建氣溶膠厚度遙感反演模 Kaufman等的暗像元算法采用的為MODIS數(shù)據(jù)的波段1、3的經(jīng)驗(yàn)性關(guān)系和波段7基本不受氣溶膠影響的性質(zhì)來(lái)建立的氣溶膠反演模型。郭廣猛等通過(guò)實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)和MODIS影像數(shù)據(jù)并結(jié)合暗像元算法給出了氣溶膠光學(xué)厚度計(jì)算公式:
f=4.4376×b7+50.5579×b3-24.3317×b1-3.5575 (1)
其中:b7、b3、b1分別為MODIS第7、3、1波段反射率,f為氣溶膠光學(xué)厚度[10]。該模型與暗像元法相比,對(duì)城市地區(qū)遙感圖像氣溶膠反演誤差較小,因此本次研究采用先驗(yàn)?zāi)P头▽?duì)南京市MODIS遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠反演,并提取出南京市各區(qū)的氣溶膠反演數(shù)據(jù)。
2.3.2 統(tǒng)計(jì)分析法構(gòu)建氣溶膠厚度與空氣質(zhì)量關(guān)系 利用SPSS19.0軟件對(duì)收集到的地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理,同時(shí)對(duì)MODIS遙感影像反演后提取出的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別篩選,將篩選好后的MODIS反演數(shù)據(jù)和PM2.5數(shù)據(jù)用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。
2.3.3 地學(xué)分析法構(gòu)建空氣質(zhì)量分布的空間映射關(guān)系 將MODIS影像經(jīng)過(guò)大氣輻射校正、幾何校正和氣溶膠反演后,與相同投影坐標(biāo)系的南京市矢量邊界進(jìn)行掩膜處理,利用ENVI軟件對(duì)南京市氣溶膠反演后的數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行密度分割。使用MODIS氣溶膠數(shù)據(jù)和PM2.5的相關(guān)性構(gòu)建出空間映射關(guān)系。
2.3.4 遙感技術(shù)構(gòu)建南京市空氣質(zhì)量分析模型 利用ArcGIS軟件,將南京地區(qū)的地形、PM2.5數(shù)據(jù)、南京市的風(fēng)向、南京地區(qū)建筑物高度和南京各企業(yè)的位置進(jìn)行疊加分析。
3 研究?jī)?nèi)容
3.1 PM2.5數(shù)據(jù)預(yù)處理 PM2.5數(shù)據(jù)為草場(chǎng)門、中華門、瑞金路、玄武湖、山西路、邁皋橋、仙林大學(xué)城、奧體中心、浦口9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。將同一個(gè)區(qū)內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)取平均值,有一些數(shù)據(jù)由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器的異常,并未有數(shù)據(jù),直接當(dāng)做異常處理。數(shù)據(jù)處理完后,有4個(gè)區(qū):浦口區(qū)、棲霞區(qū)、市轄區(qū)、雨花臺(tái)區(qū)。
3.2 MODIS影像預(yù)處理 由于MODIS影像已經(jīng)經(jīng)過(guò)大氣輻射校正,因此直接運(yùn)用遙感影像處理軟件ENVI中自帶的針對(duì)MODIS影像幾何校正的功能(Georeference MODIS功能)對(duì)MODIS遙感影像進(jìn)行幾何校正。為了方便控制圖像處理區(qū)域,采用掩膜的方法對(duì)圖像進(jìn)行影像裁剪。
3.3 氣溶膠厚度反演 在ENVI軟件中運(yùn)用波段運(yùn)算功能(Band Math),應(yīng)用了適合于城市區(qū)域使用的氣溶膠光學(xué)厚度的反演模型公式(1),將反演出來(lái)的氣溶膠厚度數(shù)值做相關(guān)記錄,最后將氣溶膠厚度數(shù)據(jù)與收集的南京市PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。
3.4 氣溶膠厚度與空氣質(zhì)量分析 將PM2.5數(shù)據(jù)空缺的所對(duì)應(yīng)的氣溶膠數(shù)據(jù)排除,將部分預(yù)處理篩選好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS進(jìn)行相關(guān)性分析,相關(guān)結(jié)果如圖2。由圖2可知:在理想狀態(tài)下,PM2.5數(shù)據(jù)與MODIS反演的氣溶膠數(shù)據(jù)是有相關(guān)性的,并且相關(guān)性比較大,PM2.5數(shù)值越大所對(duì)應(yīng)的氣溶膠的值越大。從所做的MODIS數(shù)據(jù)反演氣溶膠數(shù)據(jù)和PM2.5數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析可以看出,氣溶膠的反演結(jié)果和地面監(jiān)測(cè)的PM2.5數(shù)據(jù)有一定的相關(guān)性。在之后的根據(jù)氣溶膠的厚度值計(jì)算出南京市空氣質(zhì)量分布圖應(yīng)用了相關(guān)性最好的計(jì)算模型:y=24.495x-0.7227,原因是數(shù)據(jù)點(diǎn)較多,與其他模型相比更優(yōu)越。但受到MODIS遙感影像數(shù)據(jù)中云層厚度、近地面風(fēng)向和南京地區(qū)地形等因素的影響,所做出的處理結(jié)果有一定的誤差。
3.5 南京市空氣質(zhì)量分布 通過(guò)將MODIS反演后的圖像先掩膜裁剪然后經(jīng)過(guò)波段運(yùn)算將氣溶膠厚度轉(zhuǎn)變?yōu)镻M2.5濃度。通過(guò)ENVI自帶的密度分割(Density Slice)功能操作后可得到南京市某一天的PM2.5濃度空間分布圖,如圖3。從圖3可以看出:當(dāng)天南京市空氣質(zhì)量相當(dāng)嚴(yán)重區(qū)域?yàn)槭休爡^(qū)、浦口區(qū)、六合區(qū)南片區(qū)、棲霞區(qū)西片區(qū)。該圖為南京市2013年當(dāng)中的某一天,當(dāng)天南京市上空無(wú)云時(shí)拍攝的。圖中最下方為高淳區(qū),此時(shí)的圖中高淳區(qū)是被云覆蓋,云對(duì)反演的結(jié)果影響較大。
將遙感數(shù)據(jù)反演后的圖與南京市的地形圖進(jìn)行對(duì)比,影響南京市PM2.5濃度分布的因素主要有以下幾個(gè)方面:
3.5.1 工業(yè)區(qū) 從圖3可以很明顯的看出,南京市內(nèi)有2塊地區(qū)的PM2.5的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他地區(qū),一塊位于南京城區(qū)的北方,另一塊位于南京城區(qū)的東北方。而這2塊地區(qū)則分別是六合浦口的工業(yè)區(qū),棲霞工業(yè)區(qū)的所在地。工業(yè)區(qū)的生產(chǎn)生活產(chǎn)生的廢氣遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他地區(qū),所以當(dāng)?shù)氐腜M2.5的濃度也比其他地區(qū)高,空氣質(zhì)量也相對(duì)較差。
3.5.2 水體 在南京市PM2.5濃度分布圖中,在南京的中間部分,有一條帶狀區(qū)域,PM2.5的濃度明顯小于周圍兩側(cè)區(qū)域。而這帶狀區(qū)域,就是長(zhǎng)江。長(zhǎng)江區(qū)域的PM2.5濃度之所以小于周圍地區(qū),一方面是由于長(zhǎng)江及長(zhǎng)江兩側(cè)一定范圍內(nèi)沒(méi)有大型的工廠,污染物的排放相對(duì)較小;另一方面是因?yàn)樗w的蒸騰作用在一定程度上降低了PM2.5的濃度,使得長(zhǎng)江及長(zhǎng)江兩岸區(qū)的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)于其他地區(qū)。
3.5.3 山體 山體對(duì)于南京市PM2.5濃度分布的影響,主要通過(guò)與風(fēng)向結(jié)合,共同影響。南京地區(qū)山體對(duì)空氣質(zhì)量影響明顯的主要有2個(gè)地區(qū),鐘山和將軍山。本次研究所選擇的是1月份的某天,風(fēng)向?yàn)槲鞅狈?。雖然將軍山的西北側(cè)空氣質(zhì)量并不好,但是在將軍山的東南方向的空氣質(zhì)量好于其附近區(qū)域,而鐘山相對(duì)于將軍山的占地面積更大,山體更高,因此,對(duì)于南京市PM2.5濃度的分布狀況的影響更加明顯。
3.5.4 城區(qū) 在空氣質(zhì)量差的市轄區(qū)內(nèi),由于交通工具的使用量大,排放出的污染氣體導(dǎo)致空氣質(zhì)量相當(dāng)嚴(yán)重,同時(shí)市轄區(qū)內(nèi)高樓聳立可以分析出空氣的流通不暢通,導(dǎo)致氣體污染物不易流通從而長(zhǎng)期停留在城區(qū)內(nèi)。
3.6 提高南京市空氣質(zhì)量建議 為了保護(hù)空氣質(zhì)量良好,在空氣質(zhì)量治理過(guò)程中相關(guān)部門要加強(qiáng)合作,嚴(yán)格遵守環(huán)境保護(hù)的相關(guān)法律法規(guī),加強(qiáng)工作和執(zhí)法力度,整治超標(biāo)污染企業(yè),為改善空氣質(zhì)量作出貢獻(xiàn)。在城市規(guī)劃中,要注意研究城區(qū)上升氣流到郊區(qū)下沉的距離,將污染嚴(yán)重的工業(yè)企業(yè)布局在下沉距離之外,避免這些工廠排出的污染物從近地面流向城區(qū),引起相互污染[11]。在城區(qū)中嚴(yán)格限制大樓高度,合理規(guī)劃布局城市整體建筑風(fēng)格,以加快城區(qū)內(nèi)空氣的流通。城市中合理布局綠化用地和水域,快速降低城市污染物含量。加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,全面實(shí)施布局調(diào)整,引導(dǎo)大型企業(yè)相對(duì)集中,促進(jìn)生產(chǎn)要素集聚,促進(jìn)資源的高效配置和污染的集中處理[12]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市化也加快了進(jìn)程,私家車的增多,尾氣的排放也成為了導(dǎo)致空氣質(zhì)量差的一個(gè)重要的原因。因此,需加強(qiáng)對(duì)機(jī)動(dòng)車數(shù)量的控制,適時(shí)出臺(tái)機(jī)動(dòng)車限購(gòu)限行相關(guān)措施。
4 結(jié)論與討論
遙感技術(shù)和GIS手段在城鄉(xiāng)規(guī)劃中可以相結(jié)合,分析城市發(fā)展空間、用地類型和人口分布特點(diǎn)等,合理布局城市的各功能分區(qū),規(guī)劃出適合城市發(fā)展的方向。利用遙感技術(shù)分析空氣質(zhì)量在城鄉(xiāng)規(guī)劃中將得到重要體現(xiàn),對(duì)適合居民居住的用地和工業(yè)用地的選址有著引導(dǎo)性作用。
本次研究通過(guò)先驗(yàn)?zāi)P头囱莩鯩ODIS影像數(shù)據(jù)的氣溶膠,反演精度不高。在氣溶膠數(shù)據(jù)反演PM2.5濃度數(shù)據(jù)時(shí)采用的是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所得的模型,存在較大誤差。模型的誤差和MODIS影像中大量厚云的遮擋導(dǎo)致反演結(jié)果不夠準(zhǔn)確。遙感的手段為研究空氣質(zhì)量的分布規(guī)律提供了可能,空氣質(zhì)量的不定向性和人為性使得研究手段還不夠成熟,還沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的程度,但從宏觀的角度來(lái)研究分析空氣質(zhì)量可以彌補(bǔ)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度上的不足。
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(責(zé)編:張宏民)