遥感技术在雾霾监测中的应用

赵剑桥

[摘要] 随着经济的迅速发展，雾霾污染日趋严重，不仅威胁交通运输安全，也严重危害人体健康。目前卫星遥感技术正成为我国监测雾霾的重要手段。借助卫星遥感技术，能够实现对气溶胶、NO2与SO2有害气体、机动车尾气、秸秆焚烧、沙尘暴、工矿企业污染等的监测，为监管、治理雾霾提供了信息来源与技术支持。

[关键词] 遥感技术；雾霾；气溶胶；沙尘暴

[中图分类号]X851 [文献标识码]A

随着经济的迅速发展，雾霾污染日趋严重，不仅威胁交通运输安全，也严重危害人体健康。如何科学、准确地监测雾霾，以寻找应对办法，已经成为一个社会热点问题。目前卫星遥感技术正成为我国监测雾霾的重要手段。

对于空气质量的监测，传统方法主要是通过固定站点的观测仪器获取大气污染物的浓度数据，可是这种观测方式及其观测结果只能反映特定区域的大气污染情况，并不能全面反映更大范围的大气污染特征，而卫星遥感监测正好弥补了监测点分布不均的问题。遥感影像是通过获取地物的反射、辐射和散射的电磁波信息进行成像。因为雾霾粒子的散射和吸收会对地物电磁波的辐射传输造成不同影响，因此分析遥感影像的特殊信息，能够获取雾霾颗粒的浓度情况。借助卫星影像遥感影像数据，能够实现对特定区域PM2.5空间分布与变化情况的快速反映，更宏观地监测空气质量。

1 监测气溶胶

雾霾最常用的表征之一就是气溶胶光学厚度（AOD），它表征大气柱中气溶胶颗粒物整体消光能力。卫星遥感是观测气溶胶空间分布的重要手段，能够在大气颗粒物保持自然状态的情况下，快速获取区域范围内的气溶胶颗粒物空间分布、面积、等级、频次等，有助于全面掌握雾霾的产生、变化状况，在雾霾监测应用中有非常明显的优势。目前，得到气溶胶光学厚度的方法主要是通过卫星遥感影像数据如MODIS数据等，进行气溶胶光学厚度的反演，这在实践应用中已经取得一定成效。

2 监测NO2、SO2有害气体

NO2、SO2等有害气体都是产生雾霾的重要物质来源，通过遥感技术可以有效监测NO2、SO2等污染气体柱浓度，对于雾霾的预测与预警作用极大。

当植物被NO2、SO2等有害气体污染后，其对红外光的反射率会下降，而这种颜色变化以及动态标志不同于正常植被呈现的颜色。因此能够通过遥感影像数据分析植被遭受污染的情况。在不同的像元上卫星遥感对植物的监测会有所呈现，按照标准将像元信息与实际的土壤、植被、水体等进行对比，研究它们之间的相关内容，分类对照这些不同的像元信息。污染气体的信息与这些不同的像元信息相叠加以后，能够使污染物气体累加浓度信息得以显现。

3 监测机动车尾气

机动车尾气遥感监测是通过红外线和紫外线激光光谱实现的，即光谱吸收原理。机动车尾气遥感监测系统通过光源向道路对面的光学反光镜发送紫外光和红外光，光学反光镜会将其反射到检测器中。机动车行驶时要通过这些光束，这时机动车尾气会吸收光线，改变透射光的强度，通过监测检测器中光强的变化情况，对机动车排放的氮氧化物、碳氢化合物等的浓度进行监测。遥感装置监测机动车尾气，并不需要直接接触被监测的车辆，利用机动车尾气遥感监测技术，在不影响车辆正常行驶的情况下，能够在0.7秒内完成车輛尾气检测，真实反映车辆在实际运行过程中各种污染物的排放情况。利用遥感技术还能够实现对机动车速度的监测，从而确定其运行特征，有效避免非正常运行对汽车监测准确度的影响。

4 监测秸秆焚烧

秸秆露天焚烧过程中释放各种气态污染物和颗粒物，并产生大量有毒有害物质，是我国大气污染的重要来源之一。遥感火点探测利用火点高温像元与背景常温像元在中红外和热红外波段辐射能量的差异来识别地面火点。随着卫星遥感的快速发展，拥有较高时间分辨率、空间分辨率和光谱分辨率的MODIS数据已经广泛应用于火灾监测。通过遥感影像火点监测技术能够获取区域秸秆燃烧空间分布、火点起源、火源扩散等情况，可以实现对秸秆焚烧的监测，如北京市环境监测中心结合地面地理信息数据，在每年6～10月的每一天，对北京市及周边的农业用地进行火点遥感监测，为监管工作提供信息来源。通过卫星遥感监测技术来获取秸秆燃烧的位置、范围及扩散趋势，目前在我国得到了广泛推广与应用。

5 监测沙尘暴

浮尘、扬沙和沙尘暴都是沙尘天气，这是由于大量飘浮在空中的微细尘粒或烟粒等影响空气，导致有效水平能见度小于10km。通过卫星遥感技术监测沙尘暴，可以结合大气流场预测，根据沙尘的实时迁移变化情况判断其影响范围，并对未来的空气状况进行预测和预警，从而防范沙尘天气的不利影响。目前我国已经实现利用风云四号气象卫星动态监测沙尘暴。2017年2月27日，我国新一代静止轨道气象卫星风云四号A星首批图像与数据公布，标志着我国静止轨道气象卫星成功实现了升级换代。通过风云四号气象卫星动态监测图像，可以清楚地看到沙尘影响范围、移动方向和扩展情况等。

6 监测工矿企业污染

卫星遥感监测实现了对建筑扬尘、平房燃煤等的动态监测，为监管潜在污染源提供了技术支持。例如，全北京的混凝土搅拌站在空间分辨率达到亚米级的卫星照相机镜头前，可谓无处遁形。再如，河北省利用高分辨率（优于2m）的多光谱卫星影像，采集省内的扬尘地表图斑，直观展示全省范围内的扬尘类型、分布和面积情况。通过卫星遥感技术监测工矿企业的污染，为排放源控制及产业结构优化的升级决策提供了基本信息支持。

综上所述，面对我国严峻的雾霾污染状况，应当进一步发展遥感探测技术，促进遥感监测技术的不断提高，通过遥感技术结合地面监测的方式，让雾霾“无处可逃”。

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