卫星遥感大气污染综合观测解决方案探讨

2015年05月26日

本文由上海予康环境技术有限公司编辑

环境的恶化和生态平衡的破坏已经影响到人类生存的和经济发展,环境问题已经成为全球性跨世纪的焦点问题。要有效地遏制日趋恶化的环境,首先要利用先进的科学技术,提高环境保护和监测水平。环境遥感是利用各种遥感技术,对自然与社会环境的动态变化进行监测或作出评价与预报的统称。随着环境问题的日益突出和全球化,遥感技术在环境保护领域中应用的必要性和迫切性越来越广泛地被全世界所公认。

气象卫星探测与其他探测相比较,有许多优点,气象卫星在离地球几百千米和几万千米的宇宙空间对地球大气进行监测,可以不受国界和地理条件的限制实现全球的观测。气象卫星观测可以得到每日的可见光、红外和水汽等多谱段图像资料、大气垂直探测资料、微波探测资料。卫星遥感监测可以同时得到大面积的动态信息,具有整体性和宏观性的特点,因而被用来弥补地面环境监测的不足,在环境保护中得到了越来越多的应用。卫星遥感监测获取信息快、更新周期短,具有动态监测特点对一个地区能反复成像,可取得最新的、精确的环境动态变化资料,周期性地对大范围的环境动态进行监测。可通过不同时相取得的资料及像片进行对比、分析和研究地物动态变化的情况,为环境监测以及研究分析地物发展演化规律提供基础。

大气环境遥感监测应用红外、微波、激光、声学等技术,揭示大气信号在大气中形成和传播的物理机制和规律,区别不同大气状态下的大气信号特征,确立描述大气信号物理特性与大气成分浓度、运动状态和气象要素等空间分布之间定量关系的大气遥感方程,从而最终建立从大气信号物理特征中提取大气信息的理论和方法。利用大气组分在不同波段处对电磁波的吸收特点,可以开展各组分的含量水平等方面的遥感监测。我国已重点开始的大气污染遥感监测包括:

① 用遥感技术监测大气污染与污染源;

②通过遥感图像上的植物的季相节律变化和遭受污染后的反应差异,以植物对污染的指示性反演大气污染,确定大气污染的范围、程度和扩散变化;

③通过以地面采样的分析结果作参照量,与遥感图像相结合进行相关分析,建立遥感数据与大气污染物之间的定量关系;

目前各地全方位大气监测网络的完善提高了对周边地区大气污染的监测能力,然而,大气污染成因复杂,大气环境质量与人口密度、工业发展以及自然地理条件密不可分。近年来,由于城市用地的不断扩张及工业布局和能源结构利用的不尽合理,污染物大量排放,加上叠加在多样化的土地利用与土地覆被类型之上的复杂气象条件,使对区域大气环境时空变化的监测与评估难度加大,同时污染物在高空的垂着输送和长距离传输很难通过地面的观测全面洞悉,如此带来的环境监测数据和信息不够全面,将导致无法准确判断和科学预测环境形势,无法准确核定污染物排放总量和科学判断节能减排工作的成效。这就对现有的监测网络提出了更高的要求,即在地面观测的基础上引入卫星遥感大气环境监测项目,弥补地面观测的不足,建立天地一体化的监测网络,强化环境质量监测为环境质量目标管理服务的作用,为政府部门制定空气质量保障措施提供了强有力的科学依据。

随着新形势的发展要求,环境监测在环境管理中的作用将更加突出,环境保护工作对环境监测的要求将进一步提高,社会公众对环境监测公共服务能力的需求将进一步加大。同时,环境监测适应自身发展的需要将面临新的压力和挑战,国家环境监测"十二五"规划中提到发展卫星遥感等高科技环境监测手段,深化环境监测工作。提升卫星遥感监测和地面监测相结合的国家生态环境监测能力,完善环境遥感监测技术体系,提高水、空气、生态遥感监测能力,初步形成环境监测"天地一体化"格局。

秸秆焚烧卫星遥感监测的应用

近年来,夏秋农作物收获之后,农村一些地方焚烧秸秆现象较为普遍。焚烧秸秆不仅浪费了可利用资源,还造成严重的空气污染,给公路交通和航空运输造成了不安全隐患,破坏了生态环境。秸秆焚烧分布各县、乡,不易查证,难以统计,对秸秆焚烧的治理往往无的放矢,难以奏效。

卫星遥感技术具有时效性强、分辨率高、资料获取快捷和费用低廉的特点,很好地解决了这一问题。综合运用3s技术,对全省所有县、区秸秆焚烧情况实行监控,为政府和有关部门及时了解宏观情况并采取响应措施提供了客观、准确的依据。modis数据可广泛应用于地表覆盖变化、生物生产力和生态环境监测、气候预测和自然灾害监测等领域。modis在保留了avhrr功能的同时,在数据波段数目、数据应用范围、空间分辨率、数据格式等方面都作了大的改进。modis遥感器的仪器特征参数从设计上考虑了火情监测功能,因此从火情监测角度看其监测能力大大超越了avhrr等其它遥感仪器,通过对modis资料不同波段光谱信息的综合运用,昼夜均可生成火情监测产品.

利用卫星遥感手段对夏、秋季秸秆焚烧过程进行动态监测与监控,可以科学、准确、迅速地了解秸秆焚烧动态变化情况,提高预警能力和监督检查的效率,进而对秸秆焚烧严重的区县及时采取相应措施。此外结合地理信息还能为交通和航运部门提供由于烟雾对高速公路和机场等造成的影响程度与范围,减少可能由此引发的安全隐患。

由于光学卫星传感器数据,如modis,omi等,仅能揭示二维的气溶胶,no2等污染物分布,且无法穿透云,导致在有云区域无法识别气溶胶、no2等污染物。而同属于a-train的大气气溶胶激光雷达红外探索卫星观测系统calipso(cloud-aerosollidar and infrared pathfinder satelliteobservation)搭载了一个激光雷达观测仪,专门用于探测气溶胶和云的垂直分布及光学特征,如气溶胶后向散射特性、气溶胶特性识别等,通过使用该卫星数据,不仅可以穿透云,而且可通过其上搭载的caliop激光雷达传感器,实现从全天候(不论白天黑夜,晴天雨天)地面到大气上层(30公里)的气溶胶垂直廓线观测。

该卫星由美国nasa和法国国家空间研究中心(cnes)联合研制并于2006年4月升空。其中,正交偏振云-气溶胶激光雷达是一台对偏振敏感的双波长激光雷达,532nm和1064nm两种波长之间的后向散射信号差别可区分气溶胶颗粒的尺寸,而532nm波长的正交偏振检测可区分云的冰相和水相。calipso作为世界上首个应用型的星载云和气溶胶激光雷达,其观测能力优异,可以实现全球范围内的大气探测。因此,可以利用calipso探测数据分析全球范围的大气气溶胶、沙尘、烟尘以及卷云等分布变化。另外其还携带工作波长为645nm宽视场相机(wfc)和波长为8.65um、10.6um和12um的红外成像辐射计。

其数据产品分为三级:level11b廓线数据;level25km气溶胶和云分层数据,1km和333m云分层数据,5km气溶胶和云廓线数据,垂直类型分类数据;level3为气溶胶产品月均值廓线数据。

通过本系统的开发实施,我们主要利用level 1 和 level2的数据,结合自主开发的改进算法,更好地获取当地气溶胶后向散射强度、消光系数、及气溶胶类型的垂直分布特征。

主要算法用于大气气溶胶颗粒物的后向散射及消光廓线的反演,calipso不仅可以反演出气溶胶后向散射、消光垂直廓线,而且可以区分各种不同类型气溶胶,可区分(反演)清洁海盐气溶胶,沙尘气溶胶,污染陆地气溶胶,清洁陆地气溶胶,污染沙尘气溶胶以及烟尘气溶胶等7类大气气溶胶

卫星遥感监测大气气溶胶的应用

大气气溶胶光学厚度(aod)是光学遥感大气气溶胶的一个最常用的参数,它是描述气溶胶对太阳辐射散射和吸收消光的定量指标,能够反映区域大气的污染程度,对评价大气环境污染、研究气溶胶的辐射气候效应具有重要意义。因此精确探测大气气溶胶光学厚度对于研究气候变化以及区域污染状况意义重大。与传统的地面遥感探测方法不同,卫星遥感反演方法具有覆盖面积广、数据获取方便、数据传输快捷等优点,能更快捷高效地获取大气气溶胶数据,摆脱了地基探测方法只能获取一定站点上的数据,不能获得大区域范围内气溶胶时空分布的不足,利用卫星遥感弥补了地面观测、监测资料的不足,方便人们及时了解大区域范围内的大气气溶胶变化。

美国科学家利用modislevel2产品气溶胶光学厚度的数据,研究了全球、区域和局地大气污染状况,证实了用气溶胶光学厚度监测大气污染的可行性。小时平均pm2.5质量浓度与modis气溶胶光学厚度有很好的相关性,并指出modis的气溶胶光学厚度可以用于定量评估空气质量等级。

卫星遥感大气污染综合观测解决方案的构建

华云星地通公司在近几年起基于研究城市大气环境质量卫星遥感监测技术和方法,开发服务于空气环境指标反演的不同卫星遥感数据的处理方法,并在依据现场监测数据校验的基础上,为了大尺度、立体化的反演目标地区环境空气质量,解决方案中提出建立基于多源卫星遥感数据,包括modis(空间分辨率1km,可满足区域尺度的大气污染物遥感监测需求)以及我国环境卫星hj-1a/1b(空间分辨率300m)omi仪器等。通过卫星遥感监测技术的运用,我们能够逐日提供区域范围多种空间尺度的aod、no2、so2、pm10、pm2.5浓度的时空分布图,这些大区域的环境质量分布,,为灰霾等空气污染事件的空间分布及其扩散、传播提供直观的图解。

根据前期在环保、气象行业的需求分析下确定模型研究的总体思路、主要功能。

(1)要求以modis为代表的高光谱、高时间、低空间分辨率的遥感数据数据处理(含npp卫星),包括遥感数据预处理、处理、反演应用等;

(2)要求构建卫星遥感数据处理与储存系统,基于上面多源遥感数据处理技术的研究,构建多源遥感数据的处理和存储系统,包括对获取的modis、noaa、fy-3、npp等卫星影像数据进行预处理,处理、剪裁、加工成统一的开放性的存储格式,以备后续的分析和使用;

(3)要求基于多源遥感数据城市空气典型指标反演研究,主要基于上面遥感数据的处理,要求基于多元统计分析,利用实际的气象观测参数、pm10等污染物指标监测值、以及城市及周边地区的不同比例尺的基础地理空间数据(包括1:5000,1:10000等比例尺的地形图),建立的城市气溶胶光学厚度、no2等指标的反演模型,基于系统业务化运行气溶胶光学厚度(aod)、pm10、pm2.5、no2、so2卫星遥感反演软件平台,生成逐日的aod、pm10、pm2.5时空分布图,从而为灰霾的空间分布及其扩散和传播提供直观的图解。

(4)利用地理信息系统(gis)和大气后向轨迹模型,进行灰霾等大气污染浓度分布的成因进行朔源,定量评估周边地区对目标地区污染物输送贡献以及本地排放的贡献。

(5)calipso气溶胶垂直分布廓线遥感反演产品。

在大气气溶胶光学厚度(aod)卫星遥感监测的模块设计中华云星地通公司也是基于自主卫星接收设备接收处理后的eos-modis卫星数据,经过地理投影(通过查算方法将原始数据投影到等经纬度的大小为500m*500m的网格上)通过结构函数法反演aod,并作图输出,能实现地理网格高分辨率(1公里×1公里)aod时空分布产品反演,每天输出两次结果,上下午各一次

主要采用后向神经网络(bp)估算pm,神经网络有着非常优越的多变量非线性拟合能力。为建立遥感aod估算pm模型,需要结合尽可能多的气象影响因子,进行多时空尺度、多粒径模型分析。故基于遥感aod,用bp神经网络来构建pm估算模型。

首先,初步确定季节与风对aod估算pm关系(定性分析),在遥感和气象数据预理基础上进行遥感与非遥感数据匹配,去除匹配失败的数据对。考虑气象因素aod(气溶胶光学厚度)、ws(风速)、wd(风向)、rh(相对湿度)、pblh(边界层高度)、temp(温度)以及季节影响,加入上述五个气象要素与月份,加上aod共7个输入参数。利用神经网络算法,成功反演出北京及周边地区的pm10(图下图左图)和珠江三角洲地区的pm2.5,跟地面实测比较效果良好,显示了很好的精度水平

基于美国大气海洋局(noaa)空气质量研究实验室的后向轨迹模型(hysplit),我们新研发了针对中国大气污染溯源及污染气团预报的后向轨迹模型软件系统。跟hysplit模型比较起来,该模块增加快捷方便的污染物贡献率计算模块,以实现每天动态分析周边地区污染对目标污染地区的具体贡献率计算。结合再分析资料或实时观测气象资料,可对未来本地污染气体或颗粒物的传输方向进行1-3天的预报,从而为环保,气象等行业部门雾-霾监测预报,追踪溯源提供重要技术支撑。

来源:上海予康环境技术有限公司

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