探討城市大氣污染的定量遙感監測技術應用

宗葉平

（江蘇省蘇力環境科技有限責任公司 江蘇南京 211500）

引言

在我國城市化建設腳步加快的背景下，人們賴以生存的自然環境面臨極其嚴峻的大氣污染威脅，各種大氣污染物為人體所吸收，嚴重威脅和損害了人們的身心健康。為此，要思考和探索定量遙感監測技術在城市大氣污染中的防治應用路徑，借助于衛星遙感技術獲取大范圍的大氣綜合信息數據，并對其進行動態、實時的監測和分析，為大氣污染防治決策提供科學的指導。

1 城市大氣污染定量遙感監測的理論依據及監測方法概述

衛星遙感技術能夠獲悉大范圍的大氣綜合信息，包括大氣污染物的種類、空間分布狀態等，實現對大氣污染的實時、動態的監測，較好地規避大氣污染分析的時空誤差，通過參照地物監測的方式獲悉大比例尺大氣污染的空間分布狀態，然而受到城市監測對象的不連續性影響，僅能夠獲取較低分辨率的監測結果，如：大氣氣溶膠對電磁波的散射機理相對復雜，計算獲取與像元尺度相匹配的大氣氣溶膠參數難度較大，無法定量描述大氣污染的危害性。同時，衛星遙感技術缺乏大氣垂直信息，尤其是難以獲悉二氧化碳的空間分布數據；并在云覆蓋面積較大的情況下，會受到云干擾信息的影響，無法通過計算獲取精準的結果。因此，有必要采用大氣污染定量遙感監測技術，由地物中分解獲取城市大氣污染的氣溶膠信息，計算得到精度更高的氣溶膠空間分布結果。

在對城市大氣污染進行定量遙感監測的過程中，主要是利用遙感反演的方式加以實現，由于大氣輻射受到大氣氣溶膠的散射、吸收等影響，其輻射信號必然產生一定的變化，因此，可以在地表反射率、散射吸收作用已知的前提下，利用定量遙感的光譜特征反演，即可以了解和把握大氣污染中的氣溶膠光學性質和規律性，并在充分考慮氣溶膠的地表反射率、大氣分子、大氣溫度的影響因素條件下，進行計算、校正建立大氣氣溶膠光學厚度與反射率經驗模型，即可以較好地獲取對城市大氣污染的實時、動態監測結果。

2 基于MODIS數據的城市大氣污染定量遙感監測技術應用分析

MODIS數據是由中分辨率成像光譜儀設備，利用其多通道的觀測方式，實現對大氣環境信息的動態、實時觀測和感知，如：大氣痕量氣體、云量、云類型、流層氣溶膠等，并利用地面控制點進行遙感影像的幾何精校正，可以采用多項式擬合法，直接對圖像變形本身進行數學模擬；并且可以采用最大似然分類法和支持向量機法，實現原始畸變空間與標準空間的灰度轉換和分析。以鄭州市大氣污染的定量遙感監測為例：

2.1 城市氣溶膠光學厚度反演

先采用Langley法對MODIS數據進行溫度定標，分析溫度定標的波段數據與地基遙感AOD數據的內在關聯性，確定最優波段的數據組合方式，并建構AOD與MODIS數據的相關模型，采用Bouguer-Lamber定律進行氣溶膠光學厚度的反演，排除散射、臭氧吸收等因素，即可以獲取氣溶膠光學厚度，同時要人工剔除氣溶膠光學厚度異常值，獲取氣溶膠光學厚度的有效數據。

2.2 城市地表溫度反演

可以利用基于MODIS數據的劈窗算法，結合城市地物的輻射特點，計算與我國城市地表溫度相適宜的結果，實現對城市地表溫度的反演。

對城市地表溫度的反演主要是利用紅外測溫儀與Terra衛星進行同步測量，利用響應時間快、非接觸、使用安全的紅外輻射測溫的優勢，可以選取地表布局相對均勻的不同測量區域，實現對不同點位的測量，并進行Kriging插值處理，依據地表構成估算混合像元的有效平均比輻射率。

2.3 城市氣溶膠標高的遙感反演

可以結合城市某一歷史年度氣溶膠標高數據、氣溶膠光學厚度、地面能見度及地面氣壓等養料，進行城市氣溶膠標高的遙感反演和公式調整，利用線性插值法計算獲得城市的ASH分布。

2.4 城市大氣水汽含量的遙感反演

由于MODIS傳感器的水汽吸收通道對于大氣水汽有極強的敏感性，可以采用改進的兩通道和三通道的方法，建立大氣透過率和大氣水汽含量之間的函數關系，進行大氣水汽含量的遙感算法反演，極大地提升大氣水汽含量遙感反演的精度。

2.5 云檢測和空間插值

由于城市大氣污染的定量遙感監測技術應用都是基于晴朗條件下的，因而必須剔除云像元，并對云覆蓋較少的區域采用空間插值，以獲取完整、清晰的圖像。

2.5.1 云檢測。城市大氣污染的定量遙感監測技術的云檢測通常采用閾值法，根據其不同的亮度溫度差、反射率與既定的閾值相對比和判斷，獲取被分析像元的云覆蓋狀態結果。其他的云檢測方法還有人工神經網絡法、圖像融合法、直方圖分析法和聚類分析法等。

2.5.2 空間插值。這是依據空間自相關的原則，由已知區域的數據求算被分析區域的數據值。如：ArcGIS空間插值技術。

結語

綜上所述，城市大氣污染的定量遙感監測技術具有響應速度快、精準度高的優勢應用特點，適用于城市環境之中，可以精準測定不同氣溶膠類型、量度對大氣輻射傳輸的影響，極大的提高大氣污染定量遙感反演的精度。