基于HJ-1衛星數據的鄭州市區PM10反演方法研究

許軍強 袁晶 盧意愷 李光輝

摘要：大氣可吸入顆粒物PM10已成為影響我國空氣質量的首要污染物，對城市人居生態環境的改善和居民健康身體產生了不良影響，因此反演城市區域PM10濃度具有重要的理論與現實意義。本文以鄭州市區為研究對象，基于HJ-1的CCD數據反演了鄭州市城區大氣層氣溶膠光學厚度（AOD），獲取了近地面“干”消光系數（AODSEC-RH），建立了PM10濃度反演模型，實現了利用HJ-1衛星數據反演區域PM10濃度的目的。該方法僅利用環境一號（HJ-1）的CCD數據和地面環境質量監測站點實測數據便可快速反演出區域PM10濃度，對追蹤研究區污染物來源，提高環境執法監督加強大氣污染防治具有重要意義。

關鍵詞：氣溶膠光學厚度（AOD）;PM10;反演

中圖分類號：X831 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）04-0-02

Abstract：Inhalable particulate matter PM10 has become the primary pollutant affecting air quality in China， which has a negative impact on the improvement of urban human settlements ecological environment.Therefore，the inversion of PM10 concentration in urban areas has important theoretical and practical significance.In this paper，the atmospheric aerosol optical depth （AOD） of Zhengzhou city is inverted based on HJ-1 CCD data，and the near-surface “dry” extinction coefficient （AODSEC-RH） is obtained.The inversion model of PM10 concentration is established.The purpose of inversion of regional PM10 concentration using HJ-1 satellite data is realized. This method only uses the CCD data of Environment-1 （HJ-1） and the ground ring.The PM10 concentration can be quickly retrieved from the measured data of environmental quality monitoring stations，which is of great significance for tracing the source of pollutants in the study area， improving the supervision of environmental law enforcement and strengthening the prevention and control of air pollution.

Key words：Aerosol optical depth （AOD）;PM10;Inversion

工業化伴隨著大量的資源消耗和持續的大氣環境破壞，對社會和經濟的可持續發展提出了挑戰。因此，大氣污染問題已成為政府和民眾關注的社會熱點問題之一[1]。各國工業化的發展在促進經濟發展的同時也加重了對大氣環境的污染，我國也不例外。近年來，作為大氣污染管理和預報的重要依據的大氣污染監測技術取得了長足發展，并在環境保護管理工作中發揮著越來越重要作用[2]。大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的半徑大約為0.1～10μm的各種固態和液態的粒子，其不僅影響城市空氣質量的主要污染物，還對氣候系統存在直接和間接輻射強迫。大氣氣溶膠通過成云作用及非均相化學反應參與大氣中的各種化學過程，對全球尺度的氣候變化產生重要的作用[3]。大氣顆粒物是指分散在大氣中的固態或液態的顆粒狀物質，顆粒物的粒徑會存在差異[4]。根據顆粒物直徑的不同，通常把直徑小于100μm的顆粒物稱為總懸浮顆粒物（TSP），把直徑小于10μm的顆粒物稱為可吸入顆粒物（PM）。可吸入顆粒物又分為細粒子（直徑小于2.5μm的顆粒物，簡稱PM2.5）和粗粒子（直徑大于2.5μm小于10μm的顆粒物，簡稱PM10）。PM10是環境質量監測的重要指標之一，也是我國大中城市的首要污染物，在氣候強迫、酸沉降和大氣化學過程等方面具有重要作用;PM10可通過呼吸道進入人體且部分粒子可以附在呼吸道上，對人體健康影響較大;另外當PM10進入生態系統后會以不同的形態溶出，從而引起生態危害[5-7]。

遙感技術具有覆蓋廣、速度快、成本低，周期短等優勢。可以用于追蹤污染源，研究污染物的空間分布狀況和時空運移形跡;也可以用于反演局部或區域污染物的濃度，研究大氣污染物的類型和大氣污染嚴重程度，為大氣環境管理和大氣污染防治提供技術支撐[8]。本文借助我國的環境與災害監測預報小衛星星座（HJ-1A/B）寬覆蓋、較高時間分辨率和空間分辨率等特點[9-10]，利用環境一號（HJ-1）的CCD數據和地面環境質量監測點的實測數據，建立了PM10濃度的反演模型，并利用反演模型快速反演了鄭州市城區PM10的濃度，取得較好的效果。

1 研究區概況

鄭州市是河南省省會城市，也是中部重要的中心城市，地理位置112°42′—114°13′E， 34°16′—34°58′N，地區總人口約1012萬，全市東西長166 km，南北寬75km，總面積約7446km2。該區域地處黃河中下游和伏牛山脈東北翼向黃淮平原過渡的交接地帶，地形西高東低，西部為低山丘陵，東邊為豫東平原。氣候屬北溫帶大陸性季風氣候，該地區冷暖氣團交替頻繁，春夏秋冬四季分明，多年年平均氣溫約15.6℃，年平均降雨量約542.15mm，無霜期約209d，全年日照時間約1 870h。本文選擇的研究區域為鄭州市市轄區（城區），研究區總面積約600 km2。

2 數據源

文中使用的數據包括遙感數據、環境質量監測數據和氣象數據等。

2.1 遙感數據

環境一號（HJ-1）衛星系統由兩顆光學衛星（HJ-1A衛星和HJ-1B衛星）和一顆雷達衛星（HJ-1C衛星）組成，是我國首顆在環境監測和減災應急領域發射的國產民用專用衛星，載荷包括CCD傳感器、超光譜成像儀和紅外相機。CCD相機設置了4個波段，幾何分辨率達到30米，具有中空間分辨率和寬譜段的特點[11]，本次使用的遙感數據源即為CCD傳感器獲取的數據，數據源為2015年4月18日的HJ-1的CCD數據。

2.2 環境質量監測數據

按照衛星數據時相，共收集了2015年4月18日鄭州市煙廠、供水公司、醫學院、鄭紡機、四十七中、銀行學校、十一中和市監測站等8個環境空氣質量監測點實測數據。

2.3 氣象數據

氣象數據主要指的是相對濕度、能見度和風速等數據，根據遙感衛星數據時相，收集了2015年4月18日的相對濕度、能見度、風級和風向等氣象數據。

3 反演方法

3.1 AOD反演

假設地表為朗伯體，大氣較為均一，則衛星接收到的大氣頂層反射率為[12]：

3.2 AOD的訂正

AOD訂正主要包括標高訂正和濕度訂正兩部分，通過AOD訂正，我們可以得到近地面“干”消光系數（AODSEC-RH）。

3.3 線性擬合

通過數據對比發現8個環境質量監測站點PM10濃度（單位：ug/m3）與AODSEC-RH 值有較好的線性相關性，我們對其進行線性回歸，得到PM10-AODSEC-RH回歸模型：

式中，y為PM10濃度，x為近地面“干”消光系數。模型相關系統數為0.808，相關性較好，可以使用該模型反演研究區PM10濃度。

3.4 PM10衛星遙感監測分布圖

根據上述建立的AODSEC-RH與PM10之間回歸模型，利用遙感圖像處理軟件ENVI的波段運算功能，計算出研究區2015年4月18日的PM10濃度遙感反演結果。對反演結果進行密度分割，得到鄭州市主城區PM10濃度遙感反演分級圖（圖2）。

4 結論

本文提供了一種基于HJ-1的CCD數據和地面站點實測數據快速獲取PM10濃度的方法，該方法基于鄭州市城區HJ-1的CCD數據，首先采用暗目標法反演出AOD， 然后進行AOD訂正得到近地面“干”消光系數（AODSEC-RH），最后通過比較分析和線性擬合AODSEC-RH與地面環境質量監測站點實測PM10數據，建立了AODSEC-RH與PM10之間的模型關系，利用該模型獲取了鄭州市城區PM10濃度衛星遙感反演分級圖。

基于HJ-1的CCD數據快速獲取PM10濃度的方法為研究PM10污染物時空分布變化供了一個新思路，對追蹤研究區污染物來源，提高環境執法監督、加強大氣污染防治和提升環境保護管理水平具有重要意義。

參考文獻

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收稿日期：2019-03-12

作者簡介：許軍強（1981-），男，畢業于吉林大學，碩士學位，高級工程師，研究方向為遙感技術應用研究，公開發表學術論文十余篇。