探讨城市大气污染的定量遥感监测技术应用

宗叶平

（江苏省苏力环境科技有限责任公司 江苏南京 211500）

引言

在我国城市化建设脚步加快的背景下，人们赖以生存的自然环境面临极其严峻的大气污染威胁，各种大气污染物为人体所吸收，严重威胁和损害了人们的身心健康。为此，要思考和探索定量遥感监测技术在城市大气污染中的防治应用路径，借助于卫星遥感技术获取大范围的大气综合信息数据，并对其进行动态、实时的监测和分析，为大气污染防治决策提供科学的指导。

1 城市大气污染定量遥感监测的理论依据及监测方法概述

卫星遥感技术能够获悉大范围的大气综合信息，包括大气污染物的种类、空间分布状态等，实现对大气污染的实时、动态的监测，较好地规避大气污染分析的时空误差，通过参照地物监测的方式获悉大比例尺大气污染的空间分布状态，然而受到城市监测对象的不连续性影响，仅能够获取较低分辨率的监测结果，如：大气气溶胶对电磁波的散射机理相对复杂，计算获取与像元尺度相匹配的大气气溶胶参数难度较大，无法定量描述大气污染的危害性。同时，卫星遥感技术缺乏大气垂直信息，尤其是难以获悉二氧化碳的空间分布数据；并在云覆盖面积较大的情况下，会受到云干扰信息的影响，无法通过计算获取精准的结果。因此，有必要采用大气污染定量遥感监测技术，由地物中分解获取城市大气污染的气溶胶信息，计算得到精度更高的气溶胶空间分布结果。

在对城市大气污染进行定量遥感监测的过程中，主要是利用遥感反演的方式加以实现，由于大气辐射受到大气气溶胶的散射、吸收等影响，其辐射信号必然产生一定的变化，因此，可以在地表反射率、散射吸收作用已知的前提下，利用定量遥感的光谱特征反演，即可以了解和把握大气污染中的气溶胶光学性质和规律性，并在充分考虑气溶胶的地表反射率、大气分子、大气温度的影响因素条件下，进行计算、校正建立大气气溶胶光学厚度与反射率经验模型，即可以较好地获取对城市大气污染的实时、动态监测结果。

2 基于MODIS数据的城市大气污染定量遥感监测技术应用分析

MODIS数据是由中分辨率成像光谱仪设备，利用其多通道的观测方式，实现对大气环境信息的动态、实时观测和感知，如：大气痕量气体、云量、云类型、流层气溶胶等，并利用地面控制点进行遥感影像的几何精校正，可以采用多项式拟合法，直接对图像变形本身进行数学模拟；并且可以采用最大似然分类法和支持向量机法，实现原始畸变空间与标准空间的灰度转换和分析。以郑州市大气污染的定量遥感监测为例：

2.1 城市气溶胶光学厚度反演

先采用Langley法对MODIS数据进行温度定标，分析温度定标的波段数据与地基遥感AOD数据的内在关联性，确定最优波段的数据组合方式，并建构AOD与MODIS数据的相关模型，采用Bouguer-Lamber定律进行气溶胶光学厚度的反演，排除散射、臭氧吸收等因素，即可以获取气溶胶光学厚度，同时要人工剔除气溶胶光学厚度异常值，获取气溶胶光学厚度的有效数据。

2.2 城市地表温度反演

可以利用基于MODIS数据的劈窗算法，结合城市地物的辐射特点，计算与我国城市地表温度相适宜的结果，实现对城市地表温度的反演。

对城市地表温度的反演主要是利用红外测温仪与Terra卫星进行同步测量，利用响应时间快、非接触、使用安全的红外辐射测温的优势，可以选取地表布局相对均匀的不同测量区域，实现对不同点位的测量，并进行Kriging插值处理，依据地表构成估算混合像元的有效平均比辐射率。

2.3 城市气溶胶标高的遥感反演

可以结合城市某一历史年度气溶胶标高数据、气溶胶光学厚度、地面能见度及地面气压等养料，进行城市气溶胶标高的遥感反演和公式调整，利用线性插值法计算获得城市的ASH分布。

2.4 城市大气水汽含量的遥感反演

由于MODIS传感器的水汽吸收通道对于大气水汽有极强的敏感性，可以采用改进的两通道和三通道的方法，建立大气透过率和大气水汽含量之间的函数关系，进行大气水汽含量的遥感算法反演，极大地提升大气水汽含量遥感反演的精度。

2.5 云检测和空间插值

由于城市大气污染的定量遥感监测技术应用都是基于晴朗条件下的，因而必须剔除云像元，并对云覆盖较少的区域采用空间插值，以获取完整、清晰的图像。

2.5.1 云检测。城市大气污染的定量遥感监测技术的云检测通常采用阈值法，根据其不同的亮度温度差、反射率与既定的阈值相对比和判断，获取被分析像元的云覆盖状态结果。其他的云检测方法还有人工神经网络法、图像融合法、直方图分析法和聚类分析法等。

2.5.2 空间插值。这是依据空间自相关的原则，由已知区域的数据求算被分析区域的数据值。如：ArcGIS空间插值技术。

结语

综上所述，城市大气污染的定量遥感监测技术具有响应速度快、精准度高的优势应用特点，适用于城市环境之中，可以精准测定不同气溶胶类型、量度对大气辐射传输的影响，极大的提高大气污染定量遥感反演的精度。