基于遙感影像的PM2.5濃度與大氣氣溶膠光學(xué)厚度間模型建立的探索
——以鄂南地區(qū)為例

潔瑩

(湖北科技學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

基于遙感影像的PM2.5濃度與大氣氣溶膠光學(xué)厚度間模型建立的探索
——以鄂南地區(qū)為例

劉彥文周霞王凱慧周潔瑩

(湖北科技學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

利用MODIS遙感影像反演方法來(lái)探索鄂南地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)厚度AOD與PM2.5濃度關(guān)系模型，首先對(duì)MODIS影像在ENVI中進(jìn)行發(fā)射率、反射率幾何校正及合成，角度數(shù)據(jù)的處理、云檢測(cè)、氣溶膠反演等過(guò)程，并利用ArcGIS處理有關(guān)數(shù)據(jù)，可得到該地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度。其次對(duì)鄂南地區(qū)國(guó)控點(diǎn)監(jiān)測(cè)站的PM2.5濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，定量分析鄂南地區(qū)PM2.5的濃度分布。最后在得到氣溶膠光學(xué)厚度及PM2.5濃度后，利用SPSS對(duì)其進(jìn)行建模分析，并得到三次關(guān)系模型y=17.53+67.55x-14.25x2+0.82x3，經(jīng)驗(yàn)證模型在已有數(shù)據(jù)下具有較高的擬合度。本文的研究結(jié)果可以為改善鄂南地區(qū)環(huán)境承載壓力提供科學(xué)的有益參考。

MODIS；氣溶膠光學(xué)厚度；PM2.5；反演

目前對(duì)氣溶膠分布及輻射性質(zhì)的研究也較多，大氣氣溶膠的地域性研究是前沿和熱點(diǎn)。鄂南地區(qū)是一個(gè)傳統(tǒng)的旅游地區(qū)。在工業(yè)不斷發(fā)展的近20年內(nèi)，該地區(qū)環(huán)境也遭到破壞，PM2.5達(dá)到輕度污染或中度污染，本文運(yùn)用3S技術(shù)及時(shí)進(jìn)行研究，其所得結(jié)果該地區(qū)發(fā)展決策可以提供有益參考。

1 研究區(qū)概況

鄂南泛指現(xiàn)在的咸寧市(包括咸安區(qū)、赤壁市、嘉魚(yú)縣、通山縣、通城縣、崇陽(yáng)縣)、黃石市(包括大冶市、陽(yáng)新縣)、石首市、鄂州市、武漢江夏區(qū)等，因這些縣市區(qū)位于湖北省南部，故稱之為“鄂南”。本文為了空間上的連續(xù)性，以便使得反演效果更加準(zhǔn)確，鄂南地區(qū)定義時(shí)增加了荊州市和岳陽(yáng)市。鄂南地區(qū)是一個(gè)傳統(tǒng)的旅游地區(qū)，氣候溫和，降水充沛，日照充足，四季分明，無(wú)霜期長(zhǎng)。在工業(yè)不斷發(fā)展的近20年內(nèi)，該地區(qū)環(huán)境遭到破壞，PM2.5達(dá)到輕度污染甚至中度污染。圖1為2016年3月份鄂南地區(qū)PM2.5濃度平均值直方圖(數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)https：//www.aqistudy.cn/)。

根據(jù)PM2.5檢測(cè)網(wǎng)的空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)，24小時(shí)平均值標(biāo)準(zhǔn)值分布：優(yōu)0—35、良35-75、輕度污染75-115、中度污染115-150、重度污染150-250、嚴(yán)重污染350及以上(單位μg/m3)。由圖1可見(jiàn)，在2016年3月份當(dāng)中，鄂南地區(qū)達(dá)到優(yōu)秀的有1天，達(dá)到良好的有17天，輕度污染的有9天，中度污染的有4天。

2 研究方法

2.1 氣溶膠遙感監(jiān)測(cè)方法

氣溶膠遙感監(jiān)測(cè)方法主要有天空輻射計(jì)反演、MODIS遙感影像反演等[1，2]。本文所采用的是利用MODIS遙感影像反演AOD產(chǎn)品。MODIS中分辨率成像光譜儀有36個(gè)離散光譜波段，光譜范圍寬從可見(jiàn)光(0.4μm)到熱紅外(14.4μm)全光譜覆蓋。由于多波段數(shù)據(jù)可同時(shí)提供反映陸地表面狀況、氣溶膠、大氣中水汽、云邊界、云特征、生物地理、化學(xué)、地表溫度、云頂溫度、大氣溫度、臭氧、云頂高度等特征信息，可用于對(duì)陸地表面、生物圈、固態(tài)地球、大氣進(jìn)行長(zhǎng)期全球觀測(cè)[3]。MODIS反演氣溶膠厚度的反演算法是建立在地表平面是均勻朗伯表面、大氣是垂直均勻變化的條件之上的，已知下墊面反射率，并根據(jù)不同地區(qū)大氣氣溶膠特性確定了當(dāng)?shù)氐臍馊苣z模型，就可以得到氣溶膠光學(xué)厚度，反之，若已知?dú)馊苣z光學(xué)厚度和其相應(yīng)的大氣參數(shù)，同樣可以反演得到下墊面反射率。

2.2 6S模型與暗像元法

6S模式是在假設(shè)無(wú)云大氣的情況下，考慮分子、氣溶膠的散射，水汽、二氧化碳、臭氧和氧氣的吸收以及非均一地面和雙向反射率的問(wèn)題[4]。在太陽(yáng)輻射進(jìn)行時(shí)，由于受大氣的影響，一些反射率較小暗像元的亮度值會(huì)相對(duì)增加，這是由于部分太陽(yáng)輻射在到達(dá)地物之前就已經(jīng)被大氣散射到太空中，并且傳感器已經(jīng)將其接受。但是這一部分的太陽(yáng)輻射并不攜帶任何有關(guān)于目標(biāo)物的信息，所以應(yīng)該將這部分太陽(yáng)輻射除去。利用黑暗像元計(jì)算出程輻射，并代入適當(dāng)?shù)拇髿饧m正模型，獲得相應(yīng)的參數(shù)后，通過(guò)計(jì)算就得到了地物真實(shí)的發(fā)射率。

圖1 2016年3月份鄂南地區(qū)PM2.5濃度均值直方圖

2.3 研究路線

記錄所選地區(qū)時(shí)間樣本的平均氣溫、濕度、PM2.5的濃度等空氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，找出主導(dǎo)因子。同時(shí)下載中等分辨率成像光譜儀遙感影像，通過(guò)光線消減作用不同辨別鄂南地區(qū)PM2.5覆蓋情況，得出氣溶膠光學(xué)厚度、傳播路徑及分布情況，之后對(duì)二者進(jìn)行相關(guān)性分析，生成所選時(shí)間日期的AOD與PM2.5關(guān)系，探索建立基于遙感影像的PM2.5濃度與大氣氣溶膠光學(xué)厚度間的模型。

3 AOD與PM2.5關(guān)系模型

3.1 MODIS數(shù)據(jù)反演AOD

首先是MODIS數(shù)據(jù)發(fā)射率、反射率幾何校正，以及發(fā)射率與反射率合成及裁剪。將下載的HDF數(shù)據(jù)投影處理為UTM格式，輸出發(fā)射率影像控制點(diǎn)文件并對(duì)其做去除雙眼皮處理即可得到發(fā)射率幾何校正結(jié)果，輸出的控制點(diǎn)文件將用于之后的角度數(shù)據(jù)幾何校正，同樣對(duì)反射率影像進(jìn)行幾何校正。利用校正好的發(fā)射率影像和反射率影像，選擇鄂南地區(qū)矢量文件對(duì)其進(jìn)行裁剪，期間需要注意文件順序，反射率在上，發(fā)射率在下，之后進(jìn)行合成，得到合成裁剪結(jié)果。其次是角度數(shù)據(jù)處理，在這一過(guò)程中，需要完成角度數(shù)據(jù)的合成、重采樣、幾何校正及裁剪。將四個(gè)角度數(shù)據(jù)：衛(wèi)星天頂角、衛(wèi)星方位角、太陽(yáng)天頂角、太陽(yáng)方位角合成一個(gè)文件，由于本文采用的是MODIS L1B 1KM的數(shù)據(jù)，其中包括了角度信息，但是角度數(shù)據(jù)集的行列號(hào)與科學(xué)數(shù)據(jù)集的行列號(hào)不同，則要用校正發(fā)射率的GCP控制點(diǎn)文件來(lái)校正角度數(shù)據(jù)集。由于HDF中的角度數(shù)據(jù)是擴(kuò)大了100倍的，所以要利用Band Math工具對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)將鄂南地區(qū)裁剪出來(lái)。第三步是云的檢測(cè)及處理，云的存在降低了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對(duì)地表狀況的監(jiān)測(cè)造成影響，檢測(cè)云并去除云，以及去除奇異像元是非常有必要的[5]，對(duì)提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量有著積極的意義。云檢測(cè)工具是用IDL編寫(xiě)的擴(kuò)展工具modis_cloud，該工具實(shí)現(xiàn)對(duì)反射率和發(fā)射率合成文件進(jìn)行去云處理。最后，氣溶膠反演是用IDL編寫(xiě)的工具modis_aerosol_inversion完成，該步驟的關(guān)鍵是用暗像元法反演地表的真實(shí)反射率，以及用查找表進(jìn)行氣溶膠濃度的查找。用鄂南區(qū)域矢量范圍裁剪后得到鄂南地區(qū)氣溶膠反演效果如圖2所示。

圖2 鄂南地區(qū)氣溶膠反演結(jié)果

3.2 PM2.5和AOD數(shù)據(jù)處理

由于查找表LUT對(duì)于3月到9月的數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠反演效果較好，所以為達(dá)到更好地效果，本文選取時(shí)間為2016年3月3日、3月5日、3月15日三天上午11時(shí)的PM2.5數(shù)據(jù)以及MODIS影像做氣溶膠反演。在ENVI中反演得到氣溶膠光學(xué)厚度值，為了得到每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體氣溶膠光學(xué)厚度，可在ArcMap中建立泰森多邊形，該過(guò)程需要利用到ArcMap中的分析工具得到區(qū)域泰森多邊形后，再將鄂南地區(qū)裁剪出來(lái)。根據(jù)ENVI氣溶膠反演得到的光學(xué)厚度，以及鄂南地區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，可求得每個(gè)多邊形的范圍值，從而求平均值得到每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣溶膠光學(xué)厚度值。表1是該地區(qū)三個(gè)時(shí)段空氣質(zhì)量檢測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)PM2.5(單位μg/m3)和反演AOD處理結(jié)果。

表1 鄂南地區(qū)監(jiān)測(cè)PM2.5和反演AOD數(shù)據(jù)

3.3 AOD與PM2.5關(guān)系模型建立

利用ENVI處理MODIS影像得到氣溶膠光學(xué)厚度AOD數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及天氣網(wǎng)站資料補(bǔ)充得到PM2.5濃度，將二者數(shù)據(jù)展繪為關(guān)系散點(diǎn)圖，從圖可以看出PM2.5與AOD是有一定關(guān)系的。為了得到適合的模型，可以在SPSS中進(jìn)行多個(gè)模型分析后來(lái)選取最合適的模型。本文運(yùn)用線性模型、二次關(guān)系模型、三次關(guān)系模型、指數(shù)關(guān)系模型、對(duì)數(shù)關(guān)系模型、冪函數(shù)關(guān)系模型進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

模型的擬合度是用R和R2來(lái)表示的，自變量的顯著性是根據(jù)各個(gè)自變量系數(shù)后面的Sig值判斷，如果小于0.05可以說(shuō)在95%的顯著性水平下顯著，小于0.01就可以說(shuō)在99%的顯著性水平下顯著。所以根據(jù)以上模型可知，本次AOD與PM2.5關(guān)系模型擬合度最高的是三次關(guān)系模型，其R2=0.029，Sig=0.000，所以是在99%的顯著性水平下顯著。可以得出三次關(guān)系模型AOD與PM2.5濃度的關(guān)系式為：Y=17.53+67.55x-14.25x2+0.82x3。其中，自變量x為AOD，因變量Y為PM2.5值。

表2 AOD與PM2.5模型分析結(jié)果

3.4 模型驗(yàn)證

在2016年3月份中選取2天時(shí)間的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，本文選3月11日和3月19日兩天。通過(guò)氣溶膠反演得到其AOD值，根據(jù)三次關(guān)系模型，得知其PM2.5值，并與實(shí)際PM2.5值進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型是否有效，驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。

4 結(jié) 論

針對(duì)2016年3月3日、3月5日和3月15日的MODIS影像所做氣溶膠反演AOD產(chǎn)品，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PM2.5濃度數(shù)據(jù)建立三次關(guān)系模型，其模型擬合度相對(duì)較高，在99%的顯著性水平下顯著。在對(duì)3月11日及3月19日MODIS影像進(jìn)行反演后得到的AOD產(chǎn)品做PM2.5濃度值的預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)值與實(shí)際值相對(duì)誤差不大，可見(jiàn)該三次關(guān)系模型相對(duì)成立。三次關(guān)系模型顯示AOD與PM2.5濃度之間有對(duì)應(yīng)相關(guān)關(guān)系，監(jiān)測(cè)過(guò)程中在實(shí)時(shí)得到PM2.5濃度值之后，可以根據(jù)關(guān)系式得到氣溶膠光學(xué)厚度，從而對(duì)該地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)做出一定貢獻(xiàn)，并對(duì)環(huán)境治理提供數(shù)據(jù)支持。本文國(guó)控點(diǎn)監(jiān)測(cè)站位置相對(duì)比較集中，除了在有關(guān)天氣網(wǎng)站上得到已知國(guó)控點(diǎn)的PM2.5值外，沒(méi)有再多采集一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，后續(xù)將收集更多監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使空間上能覆蓋到整個(gè)鄂南地區(qū)，以便構(gòu)建更加精細(xì)的泰森多邊形，繼續(xù)提升結(jié)果可靠度。

表3 AOD與PM2.5模型檢測(cè)結(jié)果

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ExplorationofPM2.5andAerosolOpticalDepthBasedonRemoteSensingImageTakenSouthHubeasanExample

LIU Yanwen ZHOU Xia WANG Kaihui ZHOU Jieying

(School of Resources and Environment Science and Engineering，Hubei University of Science and Technology，Xianning，Hubei 437100)

The use of MODIS imagery inversion method to explore E'nan atmospheric aerosol optical depth and PM2.5concentration relational model.Firstly，the MODIS image is processed in ENVI，including the reflectivity geometric correction and synthesis，processing angle data，cloud detection and aerosol inversion process，obtaining aerosol optical thickness in ArcGIS. Secondly，the PM2.5concentration in the monitoring stations of the state control point of E'nan is monitored in real time and quantitative analysis is processed to get the concentration distribution of PM2.5here. Finally，after obtaining the optical thickness of aerosol and the concentration of PM2.5，SPSS was used to model and analyze it，and Cubic regression model isy=17.53+67.55x-14.25x2+0.82x3.This model has been confirmed by available data，and the goodness of fit index is fairly good. The results of this paper can provide some scientific reference for improving the environmental carrying capacity E'nan area.

MODIS；Aerosol Optical Depths；PM2.5；Inversion

劉彥文，講師，主要從事測(cè)繪與制圖、地理信息系統(tǒng)與遙感方面的教學(xué)與科研工作

周霞，講師，主要從事地理信息科學(xué)方面的科研與教學(xué)工作

文獻(xiàn)格式：劉彥文 等.基于遙感影像的PM2.5濃度與大氣氣溶膠光學(xué)厚度間模型建立的探索[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(6)：153-156.

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1673-288X(2017)06-0153-04