HJ—1反演的郑州市城区PM10卫星遥感监测分布

王毅+李光辉+黄同新+叶杰+王海侠

摘要：从HJ-1的CCD数据出发，利用暗目标法反演出AOD并制作了AOD分布图，AOD经过标高订正和湿度订正，得到近地面“干”消光系数（AODSEC-RH），将AODSEC-RH与地面观测站点PM10进行了比较分析，建立了AODSEC-RH与PM10之间的模型关系，根据AOD与AODSEC-RH以及AODSEC-RH与PM10之间的关系，对AOD分布图经过波段运算得出了PM10卫星遥感监测分布图。

关键词：气溶胶光学厚度；近地面“干”消光系数；可吸入颗粒物；卫星遥感监测分布图

1 研究背景

现今社会经济发展迅猛，对资源大量消耗的同时也对大气环境造成了严重破坏，社会、经济的可持续发展也面临着不同程度的挑战。雾霾天气越来越严重，影响着人们的身体健康。因此，当前日益恶化的环境问题，越来越受到政府和民众的关注[1]。选择及使用有效合适的监测方法，对监测方法的思考研究也促成对大气污染监测的技术和方法不断地改进和发展，并在环境污染治理中发挥着重要的作用[2]。

大气颗粒物（亦称气溶胶）是指分散在大气中的固态或液态的颗粒状物质，其半径大约为0.1～10 μm，大气气溶胶是影响城市空气质量的主要污染物，对局地甚至区域性环境产生危害[3]。按照空气动力学直径（Dp）划分，大气颗粒物包括总悬浮颗粒物TSP（Dp≤100 μm）和可吸入颗粒物PM10（Dp≤10 μm），其中PM10又可分为细粒子PM2.5（Dp≤2.5 μm）和粗粒子（2.5 μm

环境一号AB卫星于2008年9月成功发射，环境一号AB星的载荷包括CCD传感器、红外相机和超光谱成像仪。AB星分别携带两台宽覆盖多光谱CCD相机，联合工作可以共同完成对地刈宽为720 km、分辨率为30 m、4个谱段的推扫成像[8]。HJ-1A/B的这种较高空间、时间分辨率和宽覆盖等特点[9]，比较适合于进行大气污染遥感反演的研究。

研究从HJ-1的CCD数据出发，利用暗目标法反演出AOD并制作了AOD分布图，AOD经过标高订正和湿度订正，得到近地面“干”消光系数（AODSEC-RH），AODSEC-RH与地面观测站点PM10比较分析，建立了AODSEC-RH与PM10之间的模型关系，根据AOD与AODSEC-RH以及AODSEC-RH与PM10之间的关系，对AOD分布图经过波段运算得出PM10卫星遥感监测分布图。

2 研究区概况

研究对象是郑州市的主城区，即选择的区域为郑州市辖区，郑州市区面积600km2，位于东经112°42′～114°13′，北纬34°16′～34°58′之间，郑州市的东西宽166 km，南北长75 km。

郑州市北临黄河，西依嵩山，东南为黄淮平原，东面是开封市，西面为洛阳市，南面是许昌市，北面为焦作市和新乡市。郑州市属北温带大陆性季风气候，四季分明，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季晴朗日照长，冬季寒冷少雪（图1）。

3 数据

在研究中使用了各种数据包括环境卫星数据、气象数据以及地面监测站点的观测数据。

3.1 环境卫星数据

所选择的环境卫星数据为2015年4月28日的HJ-1的CCD数据。

3.2 监测站点数据

郑州市设立了8个环境空气质量地面监测站点，这8个监测站点分别是：市监测站、烟厂、医学院、郑纺机、银行学校、供水公司、四十七中、十一中（图2）。

3.3 气象数据

结合环境卫星数据的日期，选择了相应日期的气象数据。气象数据包括了风速（风级、风向）、相对湿度和能见度数据。

4 研究方法

4.1 HJ-1反演AOD

以2015年4月28日的HJ-1的CCD數据为例利用暗目标法进行了大气层气溶胶光学厚度（AOD）的反演，反演的AOD结果制作AOD分布图如图3所示。

图3中左边的图例标示了AOD的值，不同的色调深浅代表了不同的AOD取值范围，从图例中数值所标示的颜色可以看出，浅色代表AOD值的较低的值，较深代表AOD值位于中间的值，最深代表AOD值的较高的值。

4.2 AOD的订正

AOD进行标高订正和湿度订正，得到近地面“干”消光系数（AODSEC-RH）。

4.3 AODSEC-RH与PM10观测值比较线性相关性

根据8个监测站点的经纬度坐标（表1）取AODSEC-RH值的平均值与8个监测点的PM10实际观测值进行对照比较（浓度值的单位均为μg/m3）。

日期回归模型R2

2015年4月28日y=1.068x+4.5790.798

通过AODSEC-RH与PM10观测值比较散点图（图4），得出了PM10与AODSEC-RH之间的回归模型，PM10-AODSEC-RH回归模型为y=1.068x+4.579，R2为0.798，说明PM10与AODSEC-RH之间具有很好的相关性。

4.4 PM10卫星遥感监测分布

在2015年4月28日的AOD分布图前提下，根据AOD与AODSEC-RH以及AODSEC-RH与PM10之间的关系，对AOD分布图利用ENVI的波段运算得出了2015年4月28日的PM10卫星遥感监测分布图。

2012年3月1日的新国标（GB3095-2012）中规定，PM10的浓度限值（μg/m3）可以按一级标准50、二级标准150进行划分。

依照上述的标准，按一级标准50、二级标准150为节点，分类了2015年4月28日反演的PM10，重新得出了卫星遥感监测分布显示如图5。

图5中依照图中右上方的图例所示，PM10浓度值依照由低值向高值递增。

5 结语

由HJ-1的CCD数据利用暗目标法反演出AOD并制作了AOD分布图，AOD经过标高订正和湿度订正，得到近地面“干”消光系数（AODSEC-RH），AODSEC-RH与地面观测站点PM10比较分析，建立了AODSEC-RH与PM10之间的模型关系，根据AOD与AODSEC-RH以及AODSEC-RH与PM10之间的关系，对AOD分布图经过波段运算得出PM10卫星遥感监测分布图。

制作PM10卫星遥感监测分布图可以得出城市的PM10的空间分布，这樣不仅使城市内各个地方的污染情况能够凭图说话，一目了然；而且也为城市PM10污染物时空分布变化研究提供数据方面的支持，对于进一步地研究城市的污染源以及区域输送等方面具有重要的意义。城市的PM10卫星遥感监测分布图对城市进行大气污染的治理能够提供帮助，为有效地改善城市的大气污染环境做出积极的贡献。

参考文献：

[1]王 皓.南京市空气污染指数与MODIS气溶胶光学厚度的回归分析[D].南京：南京师范大学，2006.

[2]任 佳.苏浙皖地区AOD特征的MODIS遥感研究[D].南京：南京信息工程大学，2010.

[3]徐祥德.城市化环境大气污染模型动力学问题[J].应用气象学报，2002，13（增刊）：1～12.

[4]林海峰.京津冀大气颗粒物浓度与气溶胶光学厚度监测及相关性分析研究[D].兰州：兰州大学，2012.

[5]王中挺，陈良富，王子峰，等.基于环境一号卫星CCD相机的PM10监测[C]∥中华环保联合会.大气环境科学研究暨颗粒物污染防治与监测技术研讨会论文集.杭州：中华环保联合会，2010：58～61.

[6]于淑秋，林学椿，徐祥德.北京市区大气污染的时空特征[J].应用气象学报，2002，13（ 特刊）：92～99.

[7]纪 飞，苏文颖，秦 瑜.对流层光化学过程中的气粒转化研究[J].大气科学，2001，25（2）： 269～276.

[8]王 桥，魏 斌，王昌佐，等.基于环境一号卫星的生态环境遥感监测[M].北京：科学出版社，2010.

[9]白照广.中国的环境与灾害监测预报小卫星星座A/B星[J].中国航天，2009（5）：10～15.