遥感监测技术在河北省雾霾监测中的应用

丁钊煜，魏 青,周 阳

(1.河北衡水中学，河北 衡水 053000； 2.河北卓尔地理信息技术股份有限公司，河北 石家庄 050031 3.河北省第二测绘院，河北 石家庄 050037)

遥感监测技术在河北省雾霾监测中的应用

丁钊煜1，魏 青2,周 阳3

(1.河北衡水中学，河北 衡水 053000； 2.河北卓尔地理信息技术股份有限公司，河北 石家庄 050031 3.河北省第二测绘院，河北 石家庄 050037)

河北省是雾霾天气的重灾区，政府对于雾霾的治理与监测越来越重视，发改委、环保、测绘、气象等有关部门对雾霾的产生、防治进行了深入的调查与研究。常规地基监测手段只能探测局部区域，探测范围有限，利用新型遥感监测技术从影像反演气溶胶厚度、扬尘地表遥感解译、秸秆焚烧航天与航空结合三个方面探究雾霾污染源的监测思路和工作方法，收集信息及时提供政府决策，从而达到大范围雾霾监测的目的。

遥感监测； 秸秆焚烧； 扬尘地表

1 引言

近几年来，河北省雾霾天气频发，空气质量已成为公众关注的焦点。国家环保部在2016年7月8日发布了2016年6月重点区域和74个城市空气质量状况通报显示，74个城市空气质量排名相对较差的后10位城市中，河北省占6席，京津均上榜[1]。

河北省环京、津两地，由于地理因素、城镇化和工业化加快的影响，河北省产业结构以能源消耗型的大型工业为主，其中石油炼制企业、钢铁企业、电力企业、水泥工厂、玻璃制造业、采矿等产业废气排放以及废渣扩散产生了大量PM2.5。城市中的汽车尾气、地表或道路扬尘、建筑施工、非法燃烧等也是大气颗粒物污染的主要来源[2]。由于雾霾天气频发，对人的肺、心脏、血管和脑等诸多器官有很大伤害，导致呼吸道、心血管等疾病犯病率上升，严重影响人们的身体健康。“雾霾现象”已经成为河北省面临的主要环境问题之一，对于雾霾的治理，也紧紧的约束着河北经济的可持续发展[3,4]。

为治理大气污染、改善空气质量，政府部门付出了诸多努力，压缩落后产能、削减煤炭消耗、淘汰黄标车、降低粉尘排放、治理企业超标排放、植树造林，“壮士断腕”频频出现在大气污染治理的文件和各级领导的讲话中，充分表明了河北省治理雾霾的决心[5]。2016年11月2日，河北省大气办印发了《河北省大气污染防治强化措施实施方案(2016-2017年)》，提出到2017年全省PM2.5年均浓度较2015年下降13%。2016年11月7日，河北省大气办对9个污染传输通道城市下达了1号大气污染防治调度令，要求水泥、铸造、钢铁、火电、焦化等重点行业和燃煤锅炉在冬季采暖期间实行错峰停产等调控措施，降低区域性大气污染传输的影响，使得河北省成为我国第一个在大气污染防治上实施调度令制度的省份。

对于产生雾霾的众多污染物来源，目前我国环保部门的主要探测手段是利用各地环监站布设的采样器，通过重量法自动连续测定空气中PM2.5/PM10浓度[6]，科研院所利用太阳光度计、微脉冲激光雷达等仪器对气溶胶光学厚度和垂直分布进行观测并推演雾霾的污染程度。这些地基观测方式虽然精度高，但监测的区域有限，仅获得点信息，无法获取大范围区域信息。随着遥感影像空间分辨率、光谱分辨率的提高，利用卫星遥感进行大气监测，具有视角大、覆盖范围广、数据采集快和持续监测的特点。对遥感影像进行定量反演分析，获取雾霾污染种类、分布、危害等信息，为政府决策提供重要的定量与定性的数据支持[7]。

导致霾现象主要是大气中的气溶胶颗粒，利用MODIS、HJ-1等遥感影像反演气溶胶光学厚度，可以实时获取大范围的气溶胶空间分布、厚度情况，全面掌握河北省雾霾源的地理位置、污染等级、区域覆盖面积等信息，可以及时发现污染源，实时监测治理过程，提高雾霾治理监管力度[8,9]。

本文利用新型的遥感监测技术，从影像反演气溶胶厚度、扬尘地表遥感解译、秸秆焚烧航天与航空结合三个方面探究雾霾污染源的监测思路和工作方法，并为雾霾治理提出建议，为政府的决策提供了依据。

2 遥感技术应用于雾霾治理

2.1 遥感影像反演雾霾污染

目前我国对雾霾的监测，主要是基站方式进行观测，不能满足大范围、区域性的监测需求。具有大范围、时效性特点的卫星遥感监测技术能很好的弥补缺点。遥感影像是通过获取地物的反射、辐射和散射的电磁波信息进行成像。在雾霾天气下，由于雾霾粒子的散射和吸收，对地物电磁波的辐射传输造成不同程度影响，因此分析遥感影像特殊信息，获取雾霾颗粒浓度情况得到广泛研究。

利用遥感影像反演气溶胶厚度，已经在雾霾监测方面得到广泛应用。利用暗像元上空，卫星观测反射率随大气气溶胶光学厚度单调增加的关系，反演大气气溶胶光学厚度的暗像元法算法[10]；以“清洁日”大气为基本参考，对比“污染日”，通过引入构造函数，反演气溶胶光学厚度。在晴空条件下，选择明暗对比明显的区域，反演气溶胶光学厚度的高反差地表法。结合Terra和Aqua双星的MODIS数据系统反演算法，将地表反射率与大气气溶胶一同反演的多星协同算法，已经在应用实践中取得良好的效果[11]。河北省地貌复杂，通过卫星影像反演气溶胶光学厚度，与大气颗粒物浓度建立回归模型，获取河北省雾霾污染范围与程度，提高雾霾监测效率与精度，加强管理。

2.2 扬尘地表遥感解译

根据大气颗粒物人为源和自然源的分类特征[12]，大气颗粒物污染排放源主要有以下几种：碾压踩踏地表或道路扬尘、露天堆放物扬尘、土壤尘、建筑尘、燃煤尘、汽车尾气、生物质燃烧等。根据地理国情普查地表覆盖分类[13]的特点，与扬尘相关的地表覆盖有碾压踩踏地表、露天采掘场、堆放物、建筑工地和自然裸露地表五种类型。利用高分辨率遥感影像对上述五种扬尘地表进行遥感解译和分类提取，通过分析其数量、位置、范围、空间分布及地域差异等之间的关系，可为河北省地区雾霾源头之一的地面扬尘研究提供参考依据。

主要工作流程为：利用分辨率优于2m的多光谱卫星影像，采集河北省范围内的扬尘地表图斑；对于内业采集无法明确类型的图斑，进行外业实地拍照核查，核查后对内业图斑进行修正得到最终扬尘地表图斑成果。对于五种扬尘地表的不同特点和分布区域，制定了以下采集要求：1)碾压踩踏地表：采集裸露有土质或沙质的运动场、停车场、打谷场、道路两侧裸露地、厂区和庭院内部非硬化地，以及其他非农耕用途的平整闲置土地。2)露天采掘场：采集露天煤矿、铁矿、铜矿、稀土、石料、砂石及取土等活动人工形成的裸露地表。3)堆放物：采集煤堆、沙土、灰粉、水泥、尾矿、弃渣、砖窑、楼板厂、建筑垃圾、生活垃圾等人工形成的长期堆积物地表。4)建筑工地：采集正在进行土木建筑工程施工的场地和在建道路、铁路及隧道两侧的施工区域。5)自然裸露地表：采集植被覆盖度低于10%的泥土、沙质、盐碱地表及沙土质的河床、山地等。除自然裸露地表最小采集图斑面积为10000m2外，其余四类扬尘地表最小采集图斑面积均为1600m2。需要特别指出的是，由于季节原因导致影像中绿色植被或农作物不可见的，不纳入扬尘范畴。

通过扬尘地表成果和卫星影像图，可直观展示全省各地的扬尘类型、分布和面积情况。结合人口分布数据，可对扬尘地表人群暴露风险进行专题分析；结合环保部门遍布全省的空气质量监测站点，可对扬尘与PM2.5、PM10等颗粒物的监测数值进行相关性分析；结合全省的植被覆盖、水体分布及数字高程数据，可对植被、水体和山脉对扬尘的阻断作用进行分析；当利用不同年份的卫星影像获取了全省扬尘地表数据时，可对扬尘地表的变化特点、增长趋势进行解析，有利于针对重点区域、扬尘的主要类型进行防控和治理。

2.3 秸秆焚烧遥感监察

秸秆焚烧过程中会增加PM2.5、PM10等颗粒物的浓度，加重造成雾霾天气，并产生大量有毒有害物质，对人与其他生物健康形成威胁，甚至会带来火灾事故、造成人员伤亡和财产损失[14]。据统计，京津冀及周边地区每年因秸秆焚烧向大气中排放的颗粒物达数十万吨，可使区域内PM2.5日均浓度平均增加60.6ug/m3[15]，导致严重的大气污染。每年春秋时节都是秸秆燃烧的重点时期，也是雾霾产生的频发期，加强秸秆燃烧的治理和防范也是一直以来政府面临的重大难题。河北省环抱首都北京，横跨华北、东北两大地区，区域广、面积大，虽然各级政府部门在秸秆综合利用和禁烧工作上取得了积极成效，但部分地区秸秆焚烧现象仍然屡禁不止，实际工作中存在执法范围大、监管不及时等现象。利用遥感影像火点监测技术，获取河北省全境区域，秸秆燃烧空间分布，火点起源，火源扩散等情况。对于火点起源市县或重点监管区域，利用航空影像监测技术，实现人工监测，明确火源，落实到村、户。

目前，利用卫星遥感技术，获取各个市县秸秆燃烧的空间位置、燃烧范围、扩散趋势，已在各个省份得到广泛应用。遥感火点探测利用火点高温像元与背景常温像元在中红外和热红外波段辐射能量的差异来识别地面火点。20世纪70年代，利用NOAA/AVHRR数据的远红外波段、中红外波段进行火灾监测得到广泛的应用。随着卫星遥感的快速发展，新一代传感器MODIS得到广泛应用，MODIS数据有着较高的时间分辨率、空间分辨率和光谱分辨率，在一定程度上解决了NOAA数据的不足之处，并很快代替其他数据源被广泛应用于火灾的监测。

遥感监测技术虽然可以快速获取大范围秸秆燃烧情况，由于空间分辨率的限制，无法精确获取燃烧秸秆的责任人。对于重点监测区域，采用航空摄影测量技术实现秸秆焚烧火点的实时监测，查找燃烧源头，明确肇事者。航空监测采用的仪器设备包括载人动力三角翼飞行器、北斗导航定位系统、即时通讯系统和影像传感器采集设备。具体技术思路为：使用三角翼飞机，按作业计划路线进行空中巡视，航拍人员发现地面着火、冒烟或已焚烧过的地块后，飞行器飞临上空使用影像采集设备拍摄照片取证，照片文件同时记录当前飞行器位置信息，然后通过即时通讯系统将照片实时传送给地面的控制中心，控制中心根据照片对照当地的高清遥感影像图进行对比分析，定位出焚烧地块的具体位置。计划区域巡查完毕后，对采集的焚烧地块进行统计，列出所属村镇、方位和精确经纬度坐标，附加对应的航摄照片，汇总形成监测报告，上报给政府相关部门，依法对焚烧秸秆个人进行惩处。看似简单的作业流程，实施前需要做好空域申请、起降备降场地选择、巡查航线规划工作，协调好控制中心、飞行编组、地面保障编组的相互配合，此外还要考虑天气因素、空中烟雾区的避让及飞行员、航拍人员的安全因素，确保做到万无一失。

3 治理雾霾建议

通过影像反演气溶胶厚度、扬尘地表遥感解译、秸秆焚烧航天与航空结合监管方面，提出以下有针对性的治理雾霾的建议：

(1)增加城市绿地面积，提高主城区绿化面积，严格限制绿化不达标楼盘的开发建设。高分遥感影像信息提取，以及现场调查相结合的策略，切实做好在城市灰尘监管和治理措施。

(2)加大秸秆禁烧的宣传工作、防范工作、惩罚责任，利用遥感影像获取全省秸秆燃烧空间分布、扩散趋势，对重点区域和火源区进行航空监管，力争做到麦收、秋收季节全省零火点、无冒烟。

(3)针对重点排污企业，使用法律手段督促改生产技术环节，严格监控污染物排放量，建立污染物排放上报、评估和监察制度。提高资金扶持力度，实现高耗能企业的转型升级，限制或减少煤炭消耗，促进绿色发展、低碳发展，鼓励发展新能源产业。

(4)全省各级政府切实把环境保护摆上突出位置，通过卫星遥感反演技术，获取雾霾空间分布，颗粒物浓度等信息，对改造良好、有进步的地区进行奖励，对于没有改观或持续恶化的地区进行处罚。

(5)调动全社会的力量，引导公众参与举报违法排放企业和揭发秸秆焚烧，环境保护，人人尽责。

4 结束语

雾霾治理是一个长期、复杂、艰巨的过程，大气颗粒物污染，尤其是PM2.5、PM10的治理需要长期、精细化的研究。本文利用遥感监测技术，从遥感影像反演气溶胶厚度、扬尘地表遥感解译、秸秆焚烧航天与航空结合监管三个角度分析了雾霾分布、源头的监测方法和工作思路，与传统地面离散的监测站点不同的是，该工作不局限于个别站点和局部地区，而是从整体上、宏观上获取了整个河北省的大气颗粒物污染源的部分来源。接下来，可在此工作基础上开展以半年或一年为周期开展常态化数据采集，为发掘、探究雾霾的产生和演变机制提供动态的参考依据。

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Application of remote sensing monitoring technology in haze monitoring in Hebei Province

DING Zhao-yu1,WEI Qing2,ZHOU Yang3

(1.HengshuiHighSchoolofHebei,HengshuiHebei053000,China;2.HebeiZhuoerGeographicInformationTechnologyCO.LTD,ShijiazhuangHebei050031,China;3.TheSecondSuroeyingandMapingInsitituteofHebeiProvince,ShijiazhuangHebei050037,China)

Hebei Province is an area polluted seriously by haze weather.The provincial government has paid more and more attention to the governance and monitoring of fog. Some departments like the National Development and Reform Commission, the Environmental Protection Department, the Surveying and Mapping Department, the Meteorological Departments etc.have taken actions to investigate and study generation causes and the prevention and cure methods of haze.Conventional gound-based monitoring method can only detect local area due to the limited detection range. Latest remote sensing monitoring technology can provide a new way of thinking and working method to explore the polluted haze sources and causes by combining three aspects of data including remote sensing image inversion thickness of aerosol, dust surface image interpretation, straw burning monitoring through aerospace and aviation means to collect information in a timely manner and to provide government decision-making, so as to achieve a wide range of fog monitoring purposes.

Remote sensing monitoring; Straw burning; Dust surface

2016-09-25

1001-9383(2016)04-0053-05

P237

A