霧霾天氣對(duì)航空伽瑪能譜測(cè)量數(shù)據(jù)影響研究

王 寧，鄭向向，姜德才，李 健，梁 韌

(中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

航空伽瑪能譜測(cè)量具有效率高、成本較低、便于大面積工作等顯著優(yōu)點(diǎn)，在基礎(chǔ)性及公益性地質(zhì)調(diào)查、戰(zhàn)略性礦產(chǎn)勘查中發(fā)揮著積極的作用，已被廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)填圖、稀有礦產(chǎn)勘查、輻射環(huán)境評(píng)價(jià)等眾多領(lǐng)域[1-3]。因此，野外測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制顯得尤為重要。在野外測(cè)量過程中，除儀器本身誤差外，航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)質(zhì)量主要受到空氣濕度、地表濕度、飛行高度等因素影響[4]。除此之外，筆者在實(shí)際測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)，霧霾天氣對(duì)伽瑪能譜數(shù)據(jù)也存在一定的影響。我們利野外測(cè)量伽瑪能譜原始數(shù)據(jù)及測(cè)區(qū)空氣質(zhì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，找出霧霾天氣與伽瑪能譜數(shù)據(jù)質(zhì)量的相關(guān)性，并提出改善霧霾天氣下測(cè)量原始數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法建議。

1 研究基礎(chǔ)

氡(222Rn)是238U 衰變鏈中226Ra 的衰變產(chǎn)物, 是一種放射性惰性氣體, 半衰期為3.82 d。由于226Ra 廣泛存在于巖石、土壤等各種地質(zhì)環(huán)境中, 所以222Rn 廣泛存在于大氣中。其擴(kuò)散率取決于巖石、土壤性質(zhì)、氣象因素等。擴(kuò)散到大氣中的氡，衰變時(shí)產(chǎn)生的子體產(chǎn)物以正離子的形式存在，附著于大氣塵粒(氣溶膠微粒)上，其濃度和分布受大氣混合條件的強(qiáng)烈影響[5-7]。

航空伽瑪能譜測(cè)量譜線可看成U、Th、K 組分譜和飛行器、宇宙射線本底和氡本底疊加而成。宇宙射線和飛行器本底都是固定的常數(shù), 兩者可以通過處理在大氣氡校正之前去除。而航空伽馬能譜測(cè)量中大氣氡能譜譜線形狀和鈾系伽馬曲線大體是一致的[3]，大氣氡及其子體濃度是航空伽馬能譜測(cè)量中不容忽視的主要干擾之一，它直接影響到總量伽馬照射量率和鈾含量測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，在航空伽瑪能譜測(cè)量作業(yè)中，“航空伽瑪能譜測(cè)量規(guī)范”明確規(guī)定了在雨天和雨后的第一天不允許飛行。孫海仁等[8]也對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)分析并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。此外，根據(jù)宋麗娜等[1]研究發(fā)現(xiàn)，霧霾天氣氡子體濃度明顯偏高，從整體趨勢(shì)上來看，AQI(空氣質(zhì)量指數(shù))[9]與結(jié)合態(tài)氡子體濃度呈正相關(guān)關(guān)系。AQI越大，即霧霾越嚴(yán)重，結(jié)合態(tài)氡子體濃度越大[1]。為驗(yàn)證霧霾天氣對(duì)航空伽瑪能譜測(cè)量影響，筆者對(duì)實(shí)際測(cè)區(qū)能譜基線及測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為霧霾天氣中測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣氡校正處理時(shí)提供依據(jù)。

表1 空氣質(zhì)量及相對(duì)濕度

2 環(huán)境因素分析

為有效分析霧霾天氣對(duì)航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)測(cè)量的影響，選取了2018年10月-12月雄安新區(qū)測(cè)區(qū)11個(gè)架次實(shí)測(cè)基線數(shù)據(jù)、保定市監(jiān)測(cè)站空氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)為分析對(duì)象，通過對(duì)比分析相同條件下測(cè)量，空氣質(zhì)量對(duì)航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)測(cè)量的影響。

2.1 能譜測(cè)量基線選擇

雄安新區(qū)位于河北省保定市北東方向，由雄縣、容城和安心縣及部分周邊區(qū)域組成。全境西北較高，東南略低，海拔標(biāo)高在7 m～19 m之間，自然縱坡千分之一左右，為緩傾平原，土層深厚，地形開闊，植被覆蓋率很低。居民區(qū)分布較為分散，分布不具有規(guī)律性。

為保證基線測(cè)量的一致性，能譜測(cè)量基線選取地勢(shì)開闊且無居民區(qū)的固定區(qū)域，長(zhǎng)度約4 km，具體基線位置如圖1所示，基線選擇在測(cè)區(qū)外附近，地表無明顯人文干擾。

圖1 測(cè)網(wǎng)示意圖

2.2 測(cè)量氣象條件分析

氣象條件是影響能譜測(cè)量關(guān)鍵因素，因此本文研究中將空氣質(zhì)量、地表濕度作為重要參考對(duì)象。由于地表濕度數(shù)據(jù)無法獲取，將使用相對(duì)濕度作為參考。

空氣質(zhì)量為取全天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均值作為最終參考標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)濕度來源于國(guó)家氣象信息中心。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)能譜測(cè)量中，雄安新區(qū)地區(qū)相對(duì)濕度較為穩(wěn)定，有利于能譜測(cè)量工作，可視為排除濕度對(duì)能譜測(cè)量數(shù)據(jù)的干擾。

3 航空伽瑪能譜野外測(cè)量數(shù)據(jù)分析

首先將13架次數(shù)據(jù)根據(jù)AQI值分為兩組，即空氣質(zhì)量為優(yōu)、良(AQI值0～100)為一組；空氣質(zhì)量輕度、中度污染(AQI值101～200)為一組。其次，為方便統(tǒng)計(jì)對(duì)比，對(duì)早晚基線能譜計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)及AQI值求均值處理(表2、表3)。

表2 優(yōu)、良空氣質(zhì)量下測(cè)量能譜基線計(jì)數(shù)率

表3 輕度、中度污染空氣質(zhì)量下測(cè)量能譜基線計(jì)數(shù)率

由于總道計(jì)數(shù)率較大，而鈾道、釷道計(jì)數(shù)率較小，為方便在同一縱比例尺下進(jìn)行比較分析，我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，即總道計(jì)數(shù)率總體縮小5倍；鈾道、釷道計(jì)數(shù)率整體擴(kuò)大3倍，具體對(duì)比趨勢(shì)圖如圖2、圖3所示。

圖2 AQI(小于100)與伽瑪能譜計(jì)數(shù)率(早基)曲線對(duì)比圖

圖3 AQI(大于100)與伽瑪能譜計(jì)數(shù)率(早基)曲線對(duì)比圖

圖4 相鄰架次鈾道計(jì)數(shù)率局部原始影像

圖5 相鄰架次鈾道計(jì)數(shù)率局部校正影像

由圖2、圖3可以看出，在AQI值小于100時(shí)，伽瑪能譜各道(K、U、Th、Tc)計(jì)數(shù)率和AQI值無明顯相關(guān)性；在AQI值大于100時(shí)，Tc道計(jì)數(shù)率、U道計(jì)數(shù)率和AQI值趨勢(shì)變化相似；K道計(jì)數(shù)率、Th道計(jì)數(shù)率則和AQI值無明顯相關(guān)性。

利用對(duì)應(yīng)架次數(shù)據(jù)生成立體陰影圖，如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)霧霾天氣對(duì)航空伽瑪測(cè)量產(chǎn)生較大的影響，架次數(shù)據(jù)鈾道計(jì)數(shù)率明顯偏高，影像圖中出現(xiàn)沿測(cè)線方向條帶狀高揚(yáng)。

4 降低空氣質(zhì)量干擾方法探討

空氣質(zhì)量對(duì)航空伽瑪測(cè)量影響很大，如何在測(cè)量中準(zhǔn)確獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，提高測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量，筆者提出以下幾種方法：

4.1 飛行測(cè)量方面

1)在條件允許的情況下，盡可能選擇空氣質(zhì)量良好(AQI值小于100)天氣進(jìn)行飛行測(cè)量。

2)野外測(cè)量時(shí)，應(yīng)詳細(xì)記錄測(cè)區(qū)內(nèi)天氣狀況，包括空氣質(zhì)量、濕度、溫度等，以便后期處理人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行校正數(shù)據(jù)。

3)在飛行測(cè)量過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，作為后期大氣氡校正的參考因素。

4.2 數(shù)據(jù)處理方面

利用基線測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)比分析霧霾天氣下空氣質(zhì)量能譜計(jì)數(shù)率對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而建立線型校正模型，以基線數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)霧霾天氣下測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，結(jié)果顯示測(cè)量數(shù)據(jù)條帶現(xiàn)象得到明顯地改善(圖4)。

5 結(jié)語

筆者對(duì)比分析了實(shí)際測(cè)量航空伽瑪數(shù)據(jù)與空氣質(zhì)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在AQI值大于100時(shí)，空氣質(zhì)量對(duì)航空伽瑪測(cè)量影響較大，具體表現(xiàn)為鈾道計(jì)數(shù)率和總道計(jì)數(shù)率值偏高，測(cè)量影像出現(xiàn)沿測(cè)線方向高值條帶。為解決這一問題，筆者圍繞測(cè)量和數(shù)據(jù)處理過程，提出了幾種改進(jìn)方法，以提高測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量。由于大氣氡的變化與多個(gè)因素有關(guān)，在以后的研究中需要進(jìn)一步結(jié)合多個(gè)因素變化進(jìn)行研究分析。