基于HJ-1卫星数据的郑州市区PM10反演方法研究

许军强 袁晶 卢意恺 李光辉

摘要：大气可吸入颗粒物PM10已成为影响我国空气质量的首要污染物，对城市人居生态环境的改善和居民健康身体产生了不良影响，因此反演城市区域PM10浓度具有重要的理论与现实意义。本文以郑州市区为研究对象，基于HJ-1的CCD数据反演了郑州市城区大气层气溶胶光学厚度（AOD），获取了近地面“干”消光系数（AODSEC-RH），建立了PM10浓度反演模型，实现了利用HJ-1卫星数据反演区域PM10浓度的目的。该方法仅利用环境一号（HJ-1）的CCD数据和地面环境质量监测站点实测数据便可快速反演出区域PM10浓度，对追踪研究区污染物来源，提高环境执法监督加强大气污染防治具有重要意义。

关键词：气溶胶光学厚度（AOD）;PM10;反演

中图分类号：X831 文献标识码：A 文章编号：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

工業化伴随着大量的资源消耗和持续的大气环境破坏，对社会和经济的可持续发展提出了挑战。因此，大气污染问题已成为政府和民众关注的社会热点问题之一[1]。各国工业化的发展在促进经济发展的同时也加重了对大气环境的污染，我国也不例外。近年来，作为大气污染管理和预报的重要依据的大气污染监测技术取得了长足发展，并在环境保护管理工作中发挥着越来越重要作用[2]。大气气溶胶是悬浮在大气中的半径大约为0.1～10μm的各种固态和液态的粒子，其不仅影响城市空气质量的主要污染物，还对气候系统存在直接和间接辐射强迫。大气气溶胶通过成云作用及非均相化学反应参与大气中的各种化学过程，对全球尺度的气候变化产生重要的作用[3]。大气颗粒物是指分散在大气中的固态或液态的颗粒状物质，颗粒物的粒径会存在差异[4]。根据颗粒物直径的不同，通常把直径小于100μm的颗粒物称为总悬浮颗粒物（TSP），把直径小于10μm的颗粒物称为可吸入颗粒物（PM）。可吸入颗粒物又分为细粒子（直径小于2.5μm的颗粒物，简称PM2.5）和粗粒子（直径大于2.5μm小于10μm的颗粒物，简称PM10）。PM10是环境质量监测的重要指标之一，也是我国大中城市的首要污染物，在气候强迫、酸沉降和大气化学过程等方面具有重要作用;PM10可通过呼吸道进入人体且部分粒子可以附在呼吸道上，对人体健康影响较大;另外当PM10进入生态系统后会以不同的形态溶出，从而引起生态危害[5-7]。

遥感技术具有覆盖广、速度快、成本低，周期短等优势。可以用于追踪污染源，研究污染物的空间分布状况和时空运移形迹;也可以用于反演局部或区域污染物的浓度，研究大气污染物的类型和大气污染严重程度，为大气环境管理和大气污染防治提供技术支撑[8]。本文借助我国的环境与灾害监测预报小卫星星座（HJ-1A/B）宽覆盖、较高时间分辨率和空间分辨率等特点[9-10]，利用环境一号（HJ-1）的CCD数据和地面环境质量监测点的实测数据，建立了PM10浓度的反演模型，并利用反演模型快速反演了郑州市城区PM10的浓度，取得较好的效果。

1 研究区概况

郑州市是河南省省会城市，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，地区总人口约1012万，全市东西长166 km，南北宽75km，总面积约7446km2。该区域地处黄河中下游和伏牛山脉东北翼向黄淮平原过渡的交接地带，地形西高东低，西部为低山丘陵，东边为豫东平原。气候属北温带大陆性季风气候，该地区冷暖气团交替频繁，春夏秋冬四季分明，多年年平均气温约15.6℃，年平均降雨量约542.15mm，无霜期约209d，全年日照时间约1 870h。本文选择的研究区域为郑州市市辖区（城区），研究区总面积约600 km2。

2 数据源

文中使用的数据包括遥感数据、环境质量监测数据和气象数据等。

2.1 遥感数据

环境一号（HJ-1）卫星系统由两颗光学卫星（HJ-1A卫星和HJ-1B卫星）和一颗雷达卫星（HJ-1C卫星）组成，是我国首颗在环境监测和减灾应急领域发射的国产民用专用卫星，载荷包括CCD传感器、超光谱成像仪和红外相机。CCD相机设置了4个波段，几何分辨率达到30米，具有中空间分辨率和宽谱段的特点[11]，本次使用的遥感数据源即为CCD传感器获取的数据，数据源为2015年4月18日的HJ-1的CCD数据。

2.2 环境质量监测数据

按照卫星数据时相，共收集了2015年4月18日郑州市烟厂、供水公司、医学院、郑纺机、四十七中、银行学校、十一中和市监测站等8个环境空气质量监测点实测数据。

2.3 气象数据

气象数据主要指的是相对湿度、能见度和风速等数据，根据遥感卫星数据时相，收集了2015年4月18日的相对湿度、能见度、风级和风向等气象数据。

3 反演方法

3.1 AOD反演

假设地表为朗伯体，大气较为均一，则卫星接收到的大气顶层反射率为[12]：

3.2 AOD的订正

AOD订正主要包括标高订正和湿度订正两部分，通过AOD订正，我们可以得到近地面“干”消光系数（AODSEC-RH）。

3.3 线性拟合

通过数据对比发现8个环境质量监测站点PM10浓度（单位：ug/m3）与AODSEC-RH 值有较好的线性相关性，我们对其进行线性回归，得到PM10-AODSEC-RH回归模型：

式中，y为PM10浓度，x为近地面“干”消光系数。模型相关系统数为0.808，相关性较好，可以使用该模型反演研究区PM10浓度。

3.4 PM10卫星遥感监测分布图

根据上述建立的AODSEC-RH与PM10之间回归模型，利用遥感图像处理软件ENVI的波段运算功能，计算出研究区2015年4月18日的PM10浓度遥感反演结果。对反演结果进行密度分割，得到郑州市主城区PM10浓度遥感反演分级图（图2）。

4 结论

本文提供了一种基于HJ-1的CCD数据和地面站点实测数据快速获取PM10浓度的方法，该方法基于郑州市城区HJ-1的CCD数据，首先采用暗目标法反演出AOD， 然后进行AOD订正得到近地面“干”消光系数（AODSEC-RH），最后通过比较分析和线性拟合AODSEC-RH与地面环境质量监测站点实测PM10数据，建立了AODSEC-RH与PM10之间的模型关系，利用该模型获取了郑州市城区PM10浓度卫星遥感反演分级图。

基于HJ-1的CCD数据快速获取PM10浓度的方法为研究PM10污染物时空分布变化供了一个新思路，对追踪研究区污染物来源，提高环境执法监督、加强大气污染防治和提升环境保护管理水平具有重要意义。

参考文献

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收稿日期：2019-03-12

作者简介：许军强（1981-），男，毕业于吉林大学，硕士学位，高级工程师，研究方向为遥感技术应用研究，公开发表学术论文十余篇。