基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

郭思曉 張霄 周思寧 蘇樅樅 趙全 劉洋

【摘要】 本文主要闡述衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的必要性和可行性，并簡(jiǎn)要分析目前國(guó)內(nèi)外的主要研究方法，著重介紹了沈陽(yáng)地區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)的現(xiàn)狀，最后展望了衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的前景和未來(lái)。

【關(guān)鍵詞】 衛(wèi)星遙感;大氣，環(huán)境監(jiān)測(cè)

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2022.01.033

Application of Atmospheric Environment Monitoring Technology Based on Satellite Remote Sensing

GUO Si-xiao，ZHANG Xiao，ZHOU Si-ning，SU Cong-cong，ZHAO Quan，LIU Yang

（Shenyang Environmental Monitoring Centre，Shenyang 110015，China）

Abstract： This article mainly elaborates the necessity and feasibility of the application of satellite remote sensing technology to atmospheric environmental monitoring，and briefly describes the current main research methods at home and abroad，focusing on the status of the application of satellite remote sensing technology in environmental monitoring in Shenyang，and finally prospects the satellite remote sensing technology application to the prospect and future of atmospheric environment monitoring.

Key words： satellite remote sensing;atmospheric;environment monitoring

沈陽(yáng)區(qū)域大氣環(huán)境污染是環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要工作內(nèi)容，企業(yè)偷排、漏排及農(nóng)戶焚燒秸稈等污染行為呈現(xiàn)越來(lái)越隱蔽的特征，傳統(tǒng)采用傳感器和依靠單一衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的手段，已無(wú)法滿足對(duì)污染溯源以及精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)管理的要求?；诙嘣葱l(wèi)星的大氣環(huán)境污染監(jiān)測(cè)，通過(guò)加強(qiáng)衛(wèi)星觀測(cè)頻次和精度，融合大氣化學(xué)的傳輸沉降模式，可以對(duì)污染源進(jìn)行精準(zhǔn)分析，并對(duì)污染的追根溯源及源頭整改提供科學(xué)依據(jù)。

1 衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的必要性和可行性

以國(guó)家、省、市、縣（區(qū)）監(jiān)測(cè)站為核心的四級(jí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系是我國(guó)目前環(huán)境監(jiān)測(cè)所采用的主要方式。傳統(tǒng)以點(diǎn)為主的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布主要集中在城區(qū)，而且數(shù)量有限，在“由點(diǎn)及面”的插值過(guò)程中不能保證插值精度[1]。由于臭氧、二氧化硫、二氧化碳、甲烷、氣溶膠光學(xué)厚度和可吸入顆粒物濃度都有各自的輻射和吸收光譜，因此，可以利用衛(wèi)星遙感提供的大氣散射、吸收和輻射的光譜特征值進(jìn)行反演，進(jìn)而提取大氣中各成分的濃度值，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)[2-3]。美國(guó)是世界上最早使用遙感衛(wèi)星進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的國(guó)家，通過(guò)它的多個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)，從巖石圈、水圈、大氣圈、冰層圈和生物圈等方面觀測(cè)和研究地球的環(huán)境狀況。近年來(lái)，我國(guó)遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展迅速，建立了由資源系列衛(wèi)星、海洋系列衛(wèi)星、氣象系列衛(wèi)星和遙感系列衛(wèi)星組成的遙感衛(wèi)星體系[4]，繼而以多源衛(wèi)星為基礎(chǔ)構(gòu)建一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)地區(qū)化反演模型、數(shù)據(jù)處理、環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)提取的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要方法

在大氣顆粒物衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)研究中，被公認(rèn)的反映區(qū)域大氣顆粒物污染狀況精度較高的數(shù)據(jù)源是氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)[5]，其估算顆粒物質(zhì)量濃度的方法主要分為以下五個(gè)類型。

1）PM2.5與氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）簡(jiǎn)單線性回歸?；赑M2.5和氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）之間的相關(guān)性系數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立一元線性回歸模型。

2）考慮大氣和氣溶膠垂直分布的影響構(gòu)建的PM2.5和氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）線性回歸模型。這類模型是通過(guò)混合層高度和濕度因子等因素對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行修正的基礎(chǔ)上，再與PM2.5進(jìn)行相關(guān)性分析和建模。

3）在考慮多種氣象要素以及地表參數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建PM2.5和氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）的多元回歸模型、線性混合效應(yīng)模型、廣義相加模型等。

4）將大氣環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)與衛(wèi)星遙感反演數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用模型擬合氣溶膠垂直廓線，根據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)計(jì)算出PM2.5質(zhì)量濃度的換算系數(shù)，進(jìn)而估算PM2.5的質(zhì)量濃度。

5）機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過(guò)深度學(xué)習(xí)建立PM2.5與氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）和多個(gè)氣象要素的計(jì)算模型。其中STET（space-time extremely randomized trees）是一種基于超隨機(jī)樹(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法（流程圖見(jiàn)圖1）。經(jīng)與地面實(shí)測(cè)對(duì)比表明，PM2.5和PM10反演值與地面觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)均可達(dá)0.9以上，PM2.5反演中用到的輸入數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1。

3 衛(wèi)星遙感技術(shù)在沈陽(yáng)區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀

遼寧省沈陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心于2011年12月針對(duì)沈陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境存在的主要問(wèn)題，綜合利用MODIS、TM、HYPERION等國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星、中巴資源衛(wèi)星等國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究了沈陽(yáng)市土地利用變化信息提取技術(shù)、秸稈燃燒快速監(jiān)測(cè)技術(shù)、水體污染監(jiān)測(cè)技術(shù)、土地沙化速度提取技術(shù)、城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)。解決多源遙感數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)和衛(wèi)星遙感反演數(shù)據(jù)與地面臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的融合技術(shù)。形成多遙感數(shù)據(jù)的生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)算法、方法及模型，開(kāi)發(fā)出沈陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)軟件。

2021年沈陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心以沈陽(yáng)地區(qū)為研究區(qū)域，綜合利用地面監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、多源衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品、衛(wèi)星遙感火點(diǎn)產(chǎn)品和靜止衛(wèi)星影像產(chǎn)品等，探究特定污染因子影響（霧霾頻發(fā)時(shí)段、沙塵季節(jié)、秸稈焚燒季節(jié)）背景下，大氣細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度的變化特征與影響因素，分析氣溶膠光學(xué)厚度與大氣細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度的相關(guān)性，建立細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度衛(wèi)星遙感估算模型，為大氣污染的遙感監(jiān)測(cè)研究提供有效的技術(shù)方法。通過(guò)沈陽(yáng)地區(qū)顆粒物光學(xué)特性（AOD）和質(zhì)量濃度的時(shí)空分布總體特征，做出相應(yīng)年份、季節(jié)分布圖和污染事件分布圖，建立適用于沈陽(yáng)地區(qū)的衛(wèi)星遙感地面顆粒物濃度估算模型，并基于顆粒物估算模型初步實(shí)現(xiàn)顆粒物污染事件預(yù)警功能。

4 衛(wèi)星遙感技術(shù)在大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用前景

衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了城市大氣污染監(jiān)測(cè)的能力和水平，且進(jìn)一步擴(kuò)展了大氣污染監(jiān)測(cè)的范圍。通過(guò)衛(wèi)星遙感不僅可以了解污染物（顆粒物、污染氣體等）的總量及水平分布，還可以進(jìn)一步獲取其垂直廓線，這有助于深入了解污染物的分布和輸送特征。雖然可以利用氣球探空、飛機(jī)、火箭和雷達(dá)等技術(shù)進(jìn)行測(cè)量其垂直分布特征，但費(fèi)用巨大，且不能滿足大面積大氣污染監(jiān)測(cè)的需要。綜合利用地面監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、多源衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品、衛(wèi)星遙感火點(diǎn)產(chǎn)品和靜止衛(wèi)星影像等，分析氣溶膠光學(xué)厚度與大氣細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度的相關(guān)性，建立細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度衛(wèi)星遙感估算模型，能夠?yàn)榇髿馕廴镜倪b感監(jiān)測(cè)研究提供有效的技術(shù)方法。

【參考文獻(xiàn)】

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【作者簡(jiǎn)介】

郭思曉（1985-），女，工程師，碩士，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)。