基于无人机的PM_(2.5)监测技术研究

作为当前我国迫切需要解决的区域性环境问题,灰霾污染引起社会各界广泛关注。而雾霾形成的原因与机理,以及其水平扩散和垂直输送的规律则是解决灰霾问题过程中最为基础和重要的一环。但传统的大气污染监测手段缺乏空气污染垂直分布特征的观测,地面观测数据难以满足PM_(2.5)等大气污染的预报预警工作的需要和区域污染防控对策制定和污染减排工作的要求。本文通过无人机搭载微型空气质量检测器,实时检测不同时间、不同地点、不同高度的大气污染的连续数据,从而有效补充了固定监测站的数据缺失;进而研究大气污染物PM_(2.5)的垂直分布、垂直扩散等特征,并分析不同天气条件下PM_(2.5)的分布特征和扩散机制,从而为建立模型,环境评估和预测提供技术支撑。     

结合VIIRS和监测数据插值的北京雾霾监测方法

本文使用2014-03-20至2014-03-26的北京市VIIRS夜间灯光影像数据和地面监测站PM2.5质量浓度数据,通过遥感图像处理和GIS空间分析相结合,对雾霾强度变化及PM2.5质量浓度空间分布进行分析,提出一种监测雾霾的新方法。结果表明,VIIRS夜间灯光影像成像特征与雾霾浓度变化密切相关,结合同时期地面监测站PM2.5监测数据,能定性反映北京市雾霾强度变化及定量反映PM2.5质量浓度的空间分布。该方法不仅弥补了MODIS等数据在夏季的雾霾监测效果优于冬季的不足,同时也填补了传统光学遥感卫星难以在夜间监测雾霾的空白。     

SBAS监测站构成及部署方法分析

星基增强系统(SBAS)可以增强全球卫星导航系统（GNSS）的定位精度和完好性服务等性能,满足以民航用户为主的服务需求．地面监测站是SBAS的重要组成部分,其构成、布局、数据质量等对星基增强系统的服务性能具有重要的影响．因此,本文以美国WAAS和欧洲EGNOS实测数据为基础,对地面监测站的构成及分布,监测站天线分布、监测站数据质量以及多路径相关性进行了详细的分析,总结出适用SBAS系统地面监测站构成及部署的通用方法,为SBAS监测站建设的实施途径提供参考．      

基于三维大气探测激光雷达的大气颗粒物污染探测

激光雷达是一种监测大气颗粒物分布和传输的有效遥感手段，能够克服常规地面监测站零星分布、无法实现区域覆盖监测的问题。通过布设一台垂直探测激光雷达和一台水平扫描激光雷达，实现大气颗粒物的垂直结构探测以及半径6 km内水平分布情况监测，并结合斜率法和Fernald算法实现更加精确的水平方向消光系数反演，进而实现以三维数据分析颗粒物的传输、分布和浓度变化情况；并利用地面国控站点数据同水平消光系数进行相关性对比。结果表明，利用三维大气探测激光雷达能够有效地揭示城市地区较大区域内的颗粒物分布和传输情况，具有覆盖范围大、探测效率高的优点。     

北京区域2013严重灰霾污染的主被动遥感监测

灰霾造成的严重大气污染受到人们越来越多的重视。结合2013年1月北京严重灰霾污染事件,介绍了太阳-天空辐射计、激光雷达、多波段CCD相机等遥感监测手段,分析了地-空基、主-被动等遥感方法获得的灰霾气溶胶特性遥感结果,讨论了不同遥感监测手段的特点及联合使用,结果表明：主动遥感手段在严重污染、夜间等情况下具有观测优势,而被动遥感信息含量大,具有获得气溶胶复杂特性参数的能力;地面遥感点、垂直分布线监测数据与卫星遥感的面观测数据相结合,可以初步实现灰霾的主被动遥感立体监测。     

BP神经网络的近地面臭氧估算及时空特征分析

近年来,中国东部城市光化学烟雾污染频繁发生,臭氧（O₃）作为光化学烟雾的标志性污染物日益成为影响城市或区域大气的首要污染物。为探究京津唐地区近地面臭氧污染特征及时空变化趋势,本文基于前馈（BP）神经网络,结合地面监测站点臭氧浓度数据、卫星遥感臭氧柱总量数据与气象站点气象要素数据的非线性关系建立近地面臭氧浓度反演模型,并对近地面臭氧时空分布进行分析。结果表明：评价模型可靠性的决定系数R²为0.888、RMSE为10.742、MAE为9.596,建立的BP神经网络模型精度较高;2016—2019年京津唐臭氧年平均浓度呈现增加趋势;四季中,京津唐夏季臭氧浓度最大,冬季最小。研究结果为近地面臭氧估算提供了技术参考,同时对环境监测具有重要的现实指导意义。     

低轨卫星与星间链路增强的北斗卫星联合定轨精度分析

为提升区域地面监测站条件下北斗卫星定轨精度,面向日益丰富的北斗星载数据和即将实现的星间链路技术,提出了联合运用地面监测站数据、低轨卫星星载数据与星间链路数据的北斗卫星精密定轨方法。讨论了低轨卫星星载数据与星间链路数据增强对于导航卫星精密定轨的影响,重点从低轨卫星数量、轨位分布及星间链路等方面进行了仿真分析。结果表明:加入少量低轨卫星与区域监测站联合定轨即可显著提高导航卫星定轨精度约73%,钟差解算精度略有改进但不明显;同等数量且均匀分布的低轨星座,其轨位分布对联合定轨精度影响不大;加入星间链路数据可大幅提升导航卫星定轨精度,且改进效率高于低轨卫星。     

臭氧卫星遥感六十年进展

臭氧已成为中国继PM_2.5之后多地的首要污染物,臭氧污染防治是中国“十四五”及未来大气污染防治的重点。本文回顾了近60年来国内外臭氧卫星观测方面的主要进展,包括卫星探测载荷和臭氧相关的反演应用技术等,分为3个阶段总结了卫星载荷天底、临边和掩星3种探测方式的发展历程。臭氧卫星遥感反演算法和监测应用也随着载荷的发展在不断更新,本文重点介绍了臭氧柱总量和垂直廓线卫星遥感反演算法、近地面臭氧及其前体物观测、平流层臭氧入侵观测和区域传输、臭氧卫星观测数据的精度验证等方面的重要进展。对比国际臭氧卫星遥感监测,中国臭氧监测卫星发展滞后,虽然国家民用空间基础设施规划中陆续发射的高光谱观测卫星、大气环境监测卫星具有初步的臭氧监测能力,但在卫星载荷在功能、性能等方面还有不小差距,比如空间分辨率、信噪比等方面。在算法反演和监测应用方面,目前臭氧柱总量反演精度较高,还存在对流层中低层和近地面臭氧浓度反演精度不够,臭氧污染评估及成因分析不足,如近地面臭氧污染迁移转化过程、平流层臭氧侵入识别分析等问题,是下一步要重点关注的方向。     

区域监测站与低轨卫星数据联合测定MEO卫星轨道

我国北斗二代系统(BDS)地面运控监测站数量较少且为区域分布,短期内难以实现全球建站,因此对全球运行的中圆地球轨道卫星(MEO)难以形成连续多重覆盖观测,导致BDS的MEO实时轨道精度偏低。基于上述问题,本文考虑到低轨卫星星载GNSS数据可以有效弥补区域监测站在空间覆盖及几何结构上的不足,设计了一种将星载GNSS接收机作为高动态天基监测站,联合地面区域监测站数据对卫星导航系统的MEO卫星轨道进行实时解算预报的方法。算例结果显示:7个区域监测站联合1至3个天基监测站,其定轨精度可分别提升约21%、34%和55%,这也表明,地面区域监测站联合天基低轨卫星数据可有效提高MEO卫星的轨道精度。建议我国BDS在区域测站分布阶段可采用联合低轨卫星数据方法提高北斗MEO卫星实时轨道精度。     

MODIS和OMI数据评估阅兵期间北京市大气减排成效

卫星观测不仅能反映区域宏观大气污染状况,也能从城市尺度上监测大气污染物的变化。基于以上优势,本文利用MODIS气溶胶光学厚度(AOD)和OMI对流层NO_2垂直柱浓度数据,比较2015年与2012年—2014年以及2015年3个时期(减排前、减排中、减排后)AOD和NO_2柱浓度的变化,定性分析了阅兵期间华北平原地区污染物减排效果,重点定量评估北京市联控减排措施的效果。研究发现2015年减排中华北平原重污染地区AOD和NO_2柱浓度相比于前3年同期有明显降低。定量分析北京市的减排效果得到:2015年减排中较前3年同期而言,AOD降低59%,NO_2柱浓度降低41%;较2015年减排前而言,AOD降低73%,NO_2柱浓度降低30%,去除气象条件影响后,AOD下降43%,NO_2柱浓度下降21%,说明严格的联控减排措施有效地改善了空气质量,气象条件也起到积极的作用。减排措施结束后,AOD和NO_2柱浓度比减排中分别增加159%和71%。研究结果表明,卫星遥感与地基监测评估效果相当,能反映北京地面污染物排放能力;它既能观测区域尺度大气污染变化,又可评估城市尺度大气污染减排。随着卫星技术水平的提高,期望未来卫星遥感可作为一种独立手段来定量评估区域及城市尺度空气质量减排措施的效果。     

利用社交媒体数据模拟城市空气质量趋势面

近年来,随着城市的发展,空气污染日益严重。目前,我国城市空气质量监测主要依靠空气质量监测站,但监测站数量有限,并且空气质量在一个城市的不同区域会出现较大起伏,单一利用监测站不易发现城市所有位置的空气质量起伏变化。对此,利用带有地理位置信息的新浪微博数据,分析空气污染相关主题微博与空气质量监测站点空气质量指数（air quality index,AQI）数据的相关性,建立两者间的函数关联,提出了一种建立城市空气质量趋势面的方法。实验结果表明,该方法不仅能定性地表现出城市不同区域的相对空气质量,也可定量、细粒度地展示城市空气质量情况。     

水体污染的遥感方法及在珠江广州河段水污染监测中的应用

介绍了水体污染的遥感机理、方法，并探索在珠江广州河段水污染监测中的应用。研究表明：随着水体有机污染程度的增加，水体的可见－近红外光谱反射率逐渐降低。经比较发现，先对图像数据进行对数变换、IHS变换和KL变换后再进行密度分割及图像分类，可以更好地区分和识别水体污染。采用这一方法，制成了广州地区水体污染时空分布卫星影像图，并结合地面实际分析和调查资料，初步总结了珠江广州段水体污染的时空分布规律和污染变化趋势。通过对最新遥感数据的处理，结合区域或流域水污染的变化趋势和污染源研究，利用GIS技术建立区域或流域污染预警系统，为污染的宏观监测和研究以及水资源保护的决策提供了新的信息。     

基于CORS基准站的地质灾害监测技术研究

采用高精度的数据处理软件对CORS基准站不间断、实时的观测数据进行处理与分析，结合大气、地表水及海平面变化等观测资料，研究地面水平和垂直形变、地面重力的变化.通过挖掘CORS基准站网监测地质灾害灾变过程的潜力，提升地质灾害监测预警能力，推进地质灾害预警向定量化、实用化方向发展，为浙江省重大工程建设和形变安全运营等提供支持.      

秋冬季节珠三角典型区域气溶胶浓度垂直分布的激光雷达反演

气溶胶与全球热辐射平衡、水循环、人类健康密不可分,其观测精度直接影响天气预测、气候建模以及对人类健康影响评估的精度,激光雷达能监测气溶胶的垂直分布,对污染气溶胶的扩散趋势、污染源反演、气候预测等均有重要意义。本文基于激光在大气中的辐射传输过程,根据米散射激光雷达的工作原理,使用雷达的多个系统参数计算雷达常数,建立激光雷达气溶胶质量浓度反演模型,从地面向上在晴空条件下进行了珠三角地区典型区域的秋冬季节气溶胶垂直观测的实验,计算气溶胶质量浓度的垂直廓线,反演气溶胶的垂直分布情况。验证与分析结果表明:(1)激光雷达反演结果显示,白天的反演结果中噪声大大减少,表明反演算法能够有效减弱太阳光的影响。(2)相比于传统方法,使用雷达常数而非边界值的反演结果波动较小,更符合实际,能够有效避免高空噪声的影响。(3)高层大气在晴朗静稳天气状况下较为干净,气溶胶基本分布在低空区域,质量浓度随高度基本呈负指数分布。     

基于地面监测数据的潍坊市O3时空特征研究

采用2008—2016年潍坊市38个监测站点O3的监测数据,按照时刻、日、月、季度等不同时间尺度,运用统计方法得出潍坊市O3污染时空特征,并对其成因进行分析,得出了以下结论:1)在9年时间里,O3污染在2009年以后逐渐呈下降趋势,2014年出现轻微波动;2)O3具有明显的季节变化特征,夏季浓度较高,每年5—8月为污染高峰月,高达139.08μg/m3,秋季次之,其次是冬季、春季;3)潍坊市O3污染“周末效应”显著,星期六和星期日O3浓度达到较高水平,星期四、星期五浓度相对较低;4)在一天中,午后浓度达到高峰,凌晨及夜间O3浓度较低。     

基于GIS的城市空气污染综合分析

在城市空气污染的模型研究中,GIS可以作为复杂环境模型的输入数据处理器,而且GIS有一个重要的功能模块——统计分析模块,GIS能够对模型的运算输出数据进行综合处理,并对结果进一步分析,进行有关的查询以及对研究成果的可视化输出。在基于GIS的城市空气污染的综合分析中,我们探究了城市土地利用现状对空气质量的影响,本文采用模糊综合分析法探索城市三大污染源在空气污染中所占的比重,制作城市空气污染等级分布图。GIS在大气污染研究领域可以充分发挥其空间分析和可视化优势,为治理工作提供技术路线。     

Building an environmental quality index for a big city: a spatial interpolation approach combined with a distance indicator

One of the main tasks of regional and environmental economics is to construct Environmental Quality Indexes for big cities. A standard method is to generate a single measure as a linear combination of several contaminants by applying Principal Component Analysis. Spatial interpolation is then carried out to determine pollution levels across the city. We innovate on this method and propose an alternative approach. First, we combine a set of noise and air pollutants measured at a number of monitoring stations with data available for each census tract. This yields a mixed environmental index that is socioeconomically more complete. We then apply kriging to match the monitoring station records to the census data. Finally, we construct a composite pollution index using the Pena Distance method (DP2), which proves more robust than traditional approaches.     

环境空气质量系列专题地图制图方法研究

环境与发展是当今世界共同关注的重大问题。目前我国经济正处于高速发展时期,随着经济社会的快速发展和城镇一体化进程的加快,空气污染问题日趋严重,对人体健康造成很大伤害,因此环境保护的重要性日益突出。本文通过建立环境质量空间数据库,利用地理信息软件ArcGIS为基础平台,将环境空气质量监测数据与地理空间位置进行地理匹配,利用地理信息可视化技术,实现环境空气质量监测数据中各主要空气污染物的浓度时间分布的可视化表达,制作环境空气质量专题地图,有助于有效地从海量监测数据中发现有价值的信息,为环境保护部门提供决策参考依据。