基于卫星遥感的大气环境监测技术应用

郭思晓 张霄 周思宁 苏枞枞 赵全 刘洋

【摘要】 本文主要阐述卫星遥感技术应用于大气环境监测的必要性和可行性，并简要分析目前国内外的主要研究方法，着重介绍了沈阳地区环境监测中应用卫星遥感技术的现状，最后展望了卫星遥感技术应用于大气环境监测的前景和未来。

【关键词】 卫星遥感;大气，环境监测

【DOI编码】 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

沈阳区域大气环境污染是环境监测的重要工作内容，企业偷排、漏排及农户焚烧秸秆等污染行为呈现越来越隐蔽的特征，传统采用传感器和依靠单一卫星监测的手段，已无法满足对污染溯源以及精准监测管理的要求。基于多源卫星的大气环境污染监测，通过加强卫星观测频次和精度，融合大气化学的传输沉降模式，可以对污染源进行精准分析，并对污染的追根溯源及源头整改提供科学依据。

1 卫星遥感技术应用于大气环境监测的必要性和可行性

以国家、省、市、县（区）监测站为核心的四级监测网络体系是我国目前环境监测所采用的主要方式。传统以点为主的环境监测方法，监测点分布主要集中在城區，而且数量有限，在“由点及面”的插值过程中不能保证插值精度[1]。由于臭氧、二氧化硫、二氧化碳、甲烷、气溶胶光学厚度和可吸入颗粒物浓度都有各自的辐射和吸收光谱，因此，可以利用卫星遥感提供的大气散射、吸收和辐射的光谱特征值进行反演，进而提取大气中各成分的浓度值，实现对大气环境的监测[2-3]。美国是世界上最早使用遥感卫星进行环境监测的国家，通过它的多个卫星系统，从岩石圈、水圈、大气圈、冰层圈和生物圈等方面观测和研究地球的环境状况。近年来，我国遥感卫星技术发展迅速，建立了由资源系列卫星、海洋系列卫星、气象系列卫星和遥感系列卫星组成的遥感卫星体系[4]，继而以多源卫星为基础构建一个可以实现地区化反演模型、数据处理、环境监测指标提取的环境监测系统。

2 卫星遥感技术应用于大气环境监测的主要方法

在大气颗粒物卫星遥感监测研究中，被公认的反映区域大气颗粒物污染状况精度较高的数据源是气溶胶光学厚度数据[5]，其估算颗粒物质量浓度的方法主要分为以下五个类型。

1）PM2.5与气溶胶光学厚度（AOD）简单线性回归。基于PM2.5和气溶胶光学厚度（AOD）之间的相关性系数，在此基础上建立一元线性回归模型。

2）考虑大气和气溶胶垂直分布的影响构建的PM2.5和气溶胶光学厚度（AOD）线性回归模型。这类模型是通过混合层高度和湿度因子等因素对气溶胶光学厚度进行修正的基础上，再与PM2.5进行相关性分析和建模。

3）在考虑多种气象要素以及地表参数的基础上，构建PM2.5和气溶胶光学厚度（AOD）的多元回归模型、线性混合效应模型、广义相加模型等。

4）将大气环境数值模拟技术与卫星遥感反演数据相结合，利用模型拟合气溶胶垂直廓线，根据卫星遥感数据计算出PM2.5质量浓度的换算系数，进而估算PM2.5的质量浓度。

5）机器学习方法，通过深度学习建立PM2.5与气溶胶光学厚度（AOD）和多个气象要素的计算模型。其中STET（space-time extremely randomized trees）是一种基于超随机树的机器学习方法（流程图见图1）。经与地面实测对比表明，PM2.5和PM10反演值与地面观测值的相关系数均可达0.9以上，PM2.5反演中用到的输入数据信息见表1。

3 卫星遥感技术在沈阳区域环境监测应用现状

辽宁省沈阳生态环境监测中心于2011年12月针对沈阳市生态环境存在的主要问题，综合利用MODIS、TM、HYPERION等国外卫星数据以及环境一号卫星、中巴资源卫星等国产卫星遥感数据，重点研究了沈阳市土地利用变化信息提取技术、秸秆燃烧快速监测技术、水体污染监测技术、土地沙化速度提取技术、城市热岛效应监测技术。解决多源遥感数据生态环境遥感监测的关键技术和卫星遥感反演数据与地面台站观测数据的融合技术。形成多遥感数据的生态环境遥感监测算法、方法及模型，开发出沈阳市生态环境遥感监测与预警系统软件。

2021年沈阳生态环境监测中心以沈阳地区为研究区域，综合利用地面监测空气质量数据、多源卫星遥感气溶胶产品、卫星遥感火点产品和静止卫星影像产品等，探究特定污染因子影响（雾霾频发时段、沙尘季节、秸秆焚烧季节）背景下，大气细颗粒物质量浓度的变化特征与影响因素，分析气溶胶光学厚度与大气细颗粒物质量浓度的相关性，建立细颗粒物质量浓度卫星遥感估算模型，为大气污染的遥感监测研究提供有效的技术方法。通过沈阳地区颗粒物光学特性（AOD）和质量浓度的时空分布总体特征，做出相应年份、季节分布图和污染事件分布图，建立适用于沈阳地区的卫星遥感地面颗粒物浓度估算模型，并基于颗粒物估算模型初步实现颗粒物污染事件预警功能。

4 卫星遥感技术在大气监测领域应用前景

卫星遥感技术的应用，大大提高了城市大气污染监测的能力和水平，且进一步扩展了大气污染监测的范围。通过卫星遥感不仅可以了解污染物（颗粒物、污染气体等）的总量及水平分布，还可以进一步获取其垂直廓线，这有助于深入了解污染物的分布和输送特征。虽然可以利用气球探空、飞机、火箭和雷达等技术进行测量其垂直分布特征，但费用巨大，且不能满足大面积大气污染监测的需要。综合利用地面监测空气质量数据、多源卫星遥感气溶胶产品、卫星遥感火点产品和静止卫星影像等，分析气溶胶光学厚度与大气细颗粒物质量浓度的相关性，建立细颗粒物质量浓度卫星遥感估算模型，能够为大气污染的遥感监测研究提供有效的技术方法。

【参考文献】

[1] 李正珊.多源遥感卫星环境监测综合应用平台的设计与实现[D].上海：华东师范大学，2017.

[2] 程立刚，王艳姣，王耀庭.遥感技术在大气环境监测中的应用综述[J].中国环境监测，2005（5）：17-23.

[3] 汪曦，陈仁杰，阚海东.遥感技术在大气污染物监测中的应用进展[J].环境与健康杂志，2011（10）：924-927.

[4] 匡昭敏，陈超泉，黄永辩，等.基于RS和GIS的生态环境监测评估应用系统[J].计算机工程，2008（8）：258-260.

[5] 張小强.基于MODIS数据的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演研究[D].西宁：兰州大学，2009.

【作者简介】

郭思晓（1985-），女，工程师，硕士，研究方向为环境监测。