基于環(huán)境一號衛(wèi)星的PM2.5濃度遙感反演研究

孫立娥,崔文連,王艷玲,王 靜,陳 輝,薛 蓮

1.青島市環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 青島 266003 2.環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094

基于環(huán)境一號衛(wèi)星的PM2.5濃度遙感反演研究

孫立娥1,崔文連1,王艷玲1,王 靜1,陳 輝2,薛 蓮1

1.青島市環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 青島 266003 2.環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094

2014年12月29—30日，青島市發(fā)生了一次空氣污染過程，利用環(huán)境一號衛(wèi)星CCD遙感影像數(shù)據(jù)和實測PM2.5濃度數(shù)據(jù)，分析了該過程前后5 d的實測PM2.5濃度與環(huán)境一號衛(wèi)星CCD遙感影像的DN值之間的相關(guān)性，分別按日期和區(qū)域建立了反演模型。結(jié)果表明，按日期擬合反演模型相關(guān)系數(shù)為0.02～0.51，按區(qū)域擬合反演模型相關(guān)系數(shù)為0.01～0.80，總體來說，區(qū)域擬合結(jié)果較好。

青島市；PM2.5；環(huán)境一號衛(wèi)星CCD；遙感；反演

近年來，隨著城市經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境污染問題也日益突出，其中空氣環(huán)境質(zhì)量問題尤為嚴重?？晌腩w粒物PM10、PM2.5仍是空氣中的首要污染物，因PM2.5粒徑小、面積大，易附帶有毒、有害物質(zhì)，對人體健康和環(huán)境質(zhì)量影響極大，因此PM2.5濃度監(jiān)測顯得尤為重要。

目前，環(huán)境保護部已在全國177個城市布設(shè)了552個國控監(jiān)測點位，建成發(fā)展中國家最大的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)，但監(jiān)測站點少這一不足依然存在，尚不能實現(xiàn)全國所有城市的全面覆蓋。而遙感作為一種新的監(jiān)測手段，以其大范圍、同步觀測、重訪周期短等優(yōu)勢，可為現(xiàn)場定點監(jiān)測提供有力的補充。目前利用遙感手段估算顆粒物濃度的研究主要集中在以下3個方面：一是利用MODIS(中分辨率成像光譜儀)氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品估算顆粒物濃度[1-7]，反演的PM2.5濃度與實測值的相關(guān)系數(shù)在0.40～0.62；二是利用遙感光譜數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)厚度，再與實測顆粒物濃度建立反演算法[8-10]，反演的PM2.5濃度與實測值的相關(guān)系數(shù)可達0.66；三是利用激光雷達數(shù)據(jù)反演顆粒物濃度[11-13]，反演的PM2.5濃度與實測值的相關(guān)系數(shù)可達0.9以上。

本文針對青島市市區(qū)的一次重度空氣污染過程，對該過程前后共5 d的PM2.5濃度進行了研究，分析了空氣監(jiān)測子站的實測PM2.5濃度與環(huán)境一號衛(wèi)星CCD遙感影像的亮度(DN值)之間的相關(guān)性，分別按日期和區(qū)域建立了反演模型，并分析了區(qū)域反演模型得到的區(qū)域平均值與實測區(qū)域平均值之間的相關(guān)關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 遙感數(shù)據(jù)

環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座A、B星于2008年9月6日發(fā)射，兩顆衛(wèi)星軌道相同，相位相差180°，均搭載了4波段CCD相機，兩星組網(wǎng)后CCD相機的重訪周期為2 d。CCD圖像幅寬700 km，空間分辨率30 m，4個波段分別為藍(430～520 nm)、綠(520～600 nm)、紅(630～690 nm)和近紅外(760～900 nm)。研究選用的環(huán)境一號衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)分別獲取自2014年12月22、25日、29—30日、2015年1月1日。

1.2 實測數(shù)據(jù)

青島市目前設(shè)置了23個空氣自動監(jiān)測子站，對二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、PM2.5、PM10等污染物濃度進行連續(xù)監(jiān)測。研究選用的實測數(shù)據(jù)是與遙感數(shù)據(jù)準同步的PM2.5一小時平均濃度數(shù)據(jù)?？諝庾詣颖O(jiān)測站分布情況，詳見圖1。

圖1 空氣自動監(jiān)測站分布

1.3 方法

提取遙感影像4個波段的DN值，與PM2.5濃度進行相關(guān)性分析，建立反演模型，具體流程如圖2所示。

根據(jù)監(jiān)測子站經(jīng)緯度坐標，將子站記錄在遙感影像上，為減小定位誤差，取站點周圍25×25像元范圍內(nèi)亮度值的平均值作為該站點的DN。分析PM2.5濃度與環(huán)境衛(wèi)星CCD相機4個波段的DN值之間的相關(guān)關(guān)系，在建立相關(guān)關(guān)系模型過程中，剔除相關(guān)性較差的異常數(shù)據(jù)。

圖2 PM2.5遙感反演流程

1.3.1 按日期擬合PM2.5濃度反演模型方法

以2014年12月22日的數(shù)據(jù)為例，從遙感影像上提取該日全市23個監(jiān)測站點中有效站點4個波段的DN值，分別與對應(yīng)站點的PM2.5濃度進行線性擬合，見式(1)：

PM2.5=a+b×DNi

(1)

式中:DNi表示與PM2.5濃度相關(guān)性最強的某一波段的DN值。按照此方法，依次建立2014年12月22、25日、29—30日、2015年1月1日的反演模型。

1.3.2 按區(qū)域擬合PM2.5濃度反演模型方法

以市內(nèi)3區(qū)為例，從遙感影像上提取這5日該區(qū)域有效監(jiān)測站點4個波段的DN值，分別與對應(yīng)站點的PM2.5濃度進行線性擬合，見式(2)：

PM2.5=a+b×DNi

(2)

式中:DNi表示與PM2.5濃度相關(guān)性最強的某一波段的DN值。按照此方法，依次建立開發(fā)區(qū)、嶗山區(qū)、城陽區(qū)、膠州市、即墨市、平度市、萊西市、原膠南市的反演模型。

2 按日期擬合PM2.5濃度反演模型

分別利用每天23個站點的有效實測數(shù)據(jù)與準同步的衛(wèi)星遙感光譜數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，對比4個波段與PM2.5濃度的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)藍光波段的DN值與PM2.5濃度相關(guān)性最好，因此利用藍光波段與PM2.5濃度建立模型。統(tǒng)計分析了每天參與建模的點位數(shù)、估算值與觀測值的均方根誤差(RMSE)、平均相對誤差(APD)及相關(guān)系數(shù)(r)統(tǒng)計量，詳見表1。

表1 按日期建立的反演模型精度統(tǒng)計

由表1可知，按照日期擬合，r在0.02～0.51，APD在26.79%～44.50%，RMSE在0.011～0.086 mg/m3，2014年12月25日的反演結(jié)果最好，12月29～30日反演結(jié)果比較差，這可能是由于模型在PM2.5濃度過高的情況下反演誤差較大所致。PM2.5濃度實測值與模型估算值的對比結(jié)果，如圖3所示。由圖3可見，2014年12月22、25日和2015年1月1日的PM2.5濃度較低，在0～0.20 mg/m3，而2014年12月29—30日的PM2.5濃度較高，在0.15～0.40 mg/m3，但誤差較大，反演結(jié)果低估了實際PM2.5濃度。

圖3 PM2.5濃度實測值與模型估算值相關(guān)關(guān)系散點圖(實線為1∶1線)

3 按區(qū)域擬合PM2.5濃度反演模型

3.1 區(qū)域監(jiān)測站點擬合模型誤差

分別利用各區(qū)市監(jiān)測站點5 d的實測數(shù)據(jù)與準同步的衛(wèi)星遙感光譜數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，建立反演模型，同時剔除相關(guān)性較差的異常數(shù)據(jù)。統(tǒng)計分析了每天參與建模的點位數(shù)、估算值與觀測值的RMSE、APD及r統(tǒng)計量，見表2。

由表2可知，按照區(qū)域擬合，r在0.01～0.80，APD在26.29%～62.94%，RMSE在0.028～0.141 mg/m3，市內(nèi)三區(qū)的反演結(jié)果最好，平度市反演結(jié)果比較差。PM2.5濃度實測值與模型估算值的對比結(jié)果，見圖4。

表2 按區(qū)域建立的反演模型精度統(tǒng)計

圖4 PM2.5濃度實測值與模型估算值相關(guān)關(guān)系散點圖(實線為1∶1線)

平度市反演結(jié)果比較差，主要是由于平度市的實測PM2.5濃度很高，研究直接采用遙感影像的DN參與建模，在重污染時，DN值會有一個飽和的表現(xiàn)，因此表觀反射率的差異無法準確描述PM2.5濃度的差異，這就導(dǎo)致平度市的反演結(jié)果趨向于一個中間數(shù)值，無法準確反映實測PM2.5的濃度。

3.2 區(qū)域平均值統(tǒng)計結(jié)果分析

從青島環(huán)境監(jiān)測政務(wù)微博上查找并下載上述5 d對應(yīng)時刻的PM2.5濃度區(qū)域平均值。同時，利用3.1小節(jié)中各區(qū)市反演模型估算PM2.5濃度的區(qū)域平均值與實測PM2.5濃度區(qū)域結(jié)果進行對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，估算的區(qū)域平均值與實測區(qū)域平均值之間有一定相關(guān)性，見圖5。

估算的區(qū)域平均值與實測區(qū)域平均值有一定相關(guān)性，r為0.69，APD為35.35%，RMSE為0.051 mg/m3。按照估算模型計算得到的平度市區(qū)域平均值均為負，這主要是由于3.1小節(jié)中平度市反演模型低估了實測PM2.5濃度數(shù)據(jù)，因此反演所得區(qū)域平均值為負。

圖5 PM2.5濃度區(qū)域?qū)崪y平均值與模型估算值的散點圖(實線為1∶1線)

4 討論與結(jié)論

基于青島市城區(qū)23個空氣自動監(jiān)測站5 d的PM2.5實測數(shù)據(jù)和準同步的環(huán)境一號衛(wèi)星CCD遙感影像數(shù)據(jù)，按照日期和區(qū)域分別擬合PM2.5濃度反演模型，擬合結(jié)果與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一定相關(guān)性。按照區(qū)域擬合較日期擬合結(jié)果要好，這主要是因為相比大氣信號來講，地表反射率相對于衛(wèi)星表觀反射率貢獻要大的多，因此區(qū)域差異非常明顯；兩種方式在實測PM2.5濃度高于0.2 mg/m3時，擬合結(jié)果都會變差，這主要是因為在重污染的時候，DN值會有一個飽和的表現(xiàn)，因此表觀反射率的差異無法準確描述PM2.5濃度的差異。

1)按日期擬合r在0.02～0.51，APD在26.79%～44.50%，RMSE在0.011～0.086 mg/m3，當PM2.5濃度大時擬合結(jié)果誤差也較大。

2)按區(qū)域擬合r在0.01～0.80，APD在26.29%～62.94%，RMSE在0.028～0.141 mg/m3，平度市反演結(jié)果最差，市內(nèi)三區(qū)結(jié)果最好。

3)利用各區(qū)市反演模型估算PM2.5濃度的區(qū)域平均值，與實測PM2.5濃度區(qū)域結(jié)果進行對比，r為0.69，APD為35.35%，RMSE為0.051 mg/m3。

綜上，利用遙感影像的DN值反演PM2.5濃度具有一定的應(yīng)用價值，但依然存在一些不足。在今后的研究中，將收集更多的遙感影像數(shù)據(jù)和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行長時間序列的反演驗證，設(shè)法減小誤差。

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Study on the Retrieval of PM2.5Based on HJ-1 Satellite

SUN Li’e1，CUI Wenlian1，WANG Yanling1，WANG Jing1，CHEN Hui2，XUE Lian1

1.Qingdao Environment Monitoring Centre, Qingdao 266003, China 2.Satellite Environment Centre, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100094, China

During December 29 to 30th 2014, an air pollution event occurred in Qingdao City. By using HJ-1 CCD data and ground-based measurements, the correlation of ground-based PM2.5and DN value of HJ-1 CCD during five days pre and post this process was analysed, and the PM2.5retrieval models were established respectively by days and regions. The result showed that, the correlation coefficient between the retrieved and measured PM2.5by days was between 0.02 and 0.51 and that by regions was between 0.01 and 0.80.Overall, the result of the model established by days was better.

Qingdao City;PM2.5;HJ-1 CCD;remote sensing;retrieve

2015-06-16;

2015-09-22

孫立娥(1986-)，女，山東鄒平人，碩士，助理工程師。

X831,X87

A

1002-6002(2016)03- 0129- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.03.21