MODIS卫星遥感估计福州地区近地面PM2.5浓度

卫星遥感反演气溶胶光学厚度已被广泛应用于近地面空气污染遥感监测。为揭示福州地区细颗粒物污染的空间分异趋势,利用2014年—2015年的地基监测细颗粒物(PM_(2.5))浓度数据、MODIS 3 km气溶胶光学厚度(AOD)卫星数据以及GEOS-FP气象数据,分别构建了估计福州地区近地面PM2.5浓度的日校正模型和站点一日校正模型,并利用十折交叉验证方法对2个模型进行评价验证。结果表明:(1)日校正模型和站点一日校正模型分别能够解释福州地区PM2.5浓度76.2%和81.4%的变异,反演的2014年—2015年福州地区近地面PM2.5浓度和地面实测站点数据之间的相关性R~2分别为0.724(RMSE=10.993μg·m~(-3))和0.781(RMSE=9.687μg.m~(-3));(2)分别针对不同下垫面环境的城市站点和县郊站点数据进行模型拟合验证,两个模型反演的PM2.5浓度值与地面实测值之间皆具有良好的相关性,R~2最高可达0.808;(3)将模型反演的PM2.5浓度季均值与地面实测季均值进行对比分析,结果也显示二者高度相关,据此反演的2015年福州地区年平均PM2.5浓度分布图可清晰地揭示福州地区PM_(2.5)浓度分布的空间变化情况。由此可见,基于MODIS 3 km AOD产品和气象数据建立的近地面PM_(2.5)浓度遥感估算模型能够很好地反演出福州地区近地面PM2.5浓度分布情况。     

MERSI和MODIS卫星监测京津冀及周边地区PM2.5浓度

京津冀及周边地区是中国PM_(2.5)污染最重的区域之一,利用卫星遥感技术监测大范围的PM_(2.5)时空分布变化是一种先进的重要手段。本研究首先基于暗像元算法利用FY-3B/MERSI与AQUA/MODIS对京津冀及周边区域进行了遥感AOT反演和验证分析;然后,引入气象资料和地面观测资料利用GWR模型反演了区域PM_(2.5)浓度,并对遥感反演结果进行了交叉验证评估,综合对比分析了MERSI和MODIS的气溶胶及PM_(2.5)遥感监测能力;最后,利用MERSI数据对2017年第一季度京津冀及周边区域的PM_(2.5)月均浓度时空分布变化情况进行了初步探索分析。结果表明:FY-3B/MERSI在气溶胶及PM_(2.5)遥感监测能力方面略优于AQUA/MODIS,MERSI反演的1 km分辨率AOT和PM_(2.5)与地面站点实测结果的决定系数R2分别为0.76μg/m~3和0.79μg/m~3,均方根误差分别为0.26μg/m~3和28μg/m~3,平均绝对误差分别为0.16μg/m~3和15μg/m~3,能基本满足对京津冀及周边区域PM_(2.5)的精细化监测需要。2017年第一季度京津冀及周边区域PM_(2.5)月均浓度遥感监测结果表明该区域的PM_(2.5)空间分布格局与地形地貌关系密切,高值区整体上沿太行山脉成带成片;从时间变化来看,1—3月呈逐月下降的趋势,其中3月份PM_(2.5)区域浓度较1月和2月有大幅下降。这说明FY-3\MERSI遥感反演产品能为环境质量监测和环境管理工作效果评估提供有效参考,本研究对国产卫星在大气环境遥感业务中的大力发展应用有重要参考意义。     

NPP卫星VIIRS微光资料反演夜间PM2.5质量浓度

为研究城市夜间PM_(2.5)质量浓度,利用NPP卫星上可见光红外成像辐射套件(VIIRS)DNB通道的微光辐射数据,以辐射传输理论为基础,建立了夜间城市灯光辐射强度与地面表层PM_(2.5)质量浓度的关系,并基于支持向量机方法建立了夜间城市PM_(2.5)质量浓度反演模型。以北京市作为研究对象,选取2015-03—2015-05期间无月、无云且晴朗夜空条件下4个PM_(2.5)监测站点的微光辐射数据与时空匹配的PM_(2.5)质量浓度数据对模型进行验证。研究结果表明:夜间城市灯光辐射强度与地面表层PM_(2.5)质量浓度呈现负相关性,相关系数最高的定陵站点达到–0.83。基于支持向量机方法建立的PM_(2.5)反演模型获得的PM_(2.5)质量浓度与实际PM_(2.5)质量浓度的相关系数达到0.95,反演结果较优,为进一步大范围监测PM_(2.5)质量浓度空间分布以及改善城市夜间空气质量状况评估方法提供了可行性参考。     

大气PM2.5遥感制图研究进展

遥感技术具有时空大范围、低成本的独特优势,已经成为定量监测大气PM_(2.5)污染时空分布的重要手段。本文综述了大气PM_(2.5)遥感制图的进展:首先,对大气PM_(2.5)遥感反演方法进行了归纳,以及总结了现有大气PM_(2.5)遥感反演验证方法的适用条件与局限性;其次,对卫星反演大气PM_(2.5)合成产品偏差校正和大气PM_(2.5)无缝制图进行了梳理;最后总结了大气PM_(2.5)遥感制图的前沿研究方向。     

WRF模式气象数据在遥感反演PM_(2.5)中的应用研究

利用MODIS气溶胶光学厚度产品AOD,结合地面台站气象观测数据和WRF模式气象模拟数据,对徐州环境监测国控级别站点的近地面PM_(2.5)质量浓度进行反演。根据不同气象要素在反演过程中的相关程度,对气象观测数据和WRF模拟数据在遥感反演中的效果进行分析评估。结果表明,气象观测值和WRF模拟气象数据均能有效应用于PM_(2.5)的遥感反演,在气象观测数据时空覆盖度较低的情况下,能够使用WRF模拟数据进行有效替代,为不同来源的气象数据对PM_(2.5)反演应用研究提供依据和参考。     

基于GIS的苏锡常地区PM_(2.5)分布模拟

基于GIS技术和多元线性回归方法,采用苏锡常地区的PM_(2.5)浓度观测资料和同期苏锡常及周边地区的气象资料,构建了基于气象要素的多元线性回归模型,模拟2013年春季苏锡常地区PM_(2.5)的空间分布状况。对比此模型与IDW插值方法的精度,结果表明,该模型利用气象要素与PM_(2.5)浓度显著的相关性建立多元线性回归模型,有效地模拟了PM_(2.5)的空间分布状况;2013年春季苏锡常地区PM_(2.5)的空间分布具有整体上东南低、西北高、局部上分布小范围低值区的特点;该模型有效地消除了单一使用IDW插值方法容易受到监测站空间分布的影响而出现极值区域和极值中心偏差的现象,对于研究PM_(2.5)的空间分布规律具有一定的实际应用价值。     

融合卫星遥感与地面测站的区域PM2.5反演

融合卫星遥感与地面站点的互补优势,进行了华中地区PM2.5的反演研究.基于MODIS LIB数据,结合暗像元法和亮目标法,利用6S大气传输模型反演获得分辨率为1 km的气溶胶光学厚度(AOD);基于M估计理论,将遥感反演的AOD与PM2.5站点数据进行稳健回归分析,并根据回归模型实现大尺度空间连续的PM2.5反演;最后,利用留一交叉验证法,对反演精度进行了验证.结果表明,反演的1 km AOD和MODIS现有的AOD产品相比,与PM2.5站点数据的相关系数从0.683提高到0.883,生成的PM2.5平均绝对误差从23.495 μg/m3降低到11.705 μg/m工3.     

基于GF-2卫星数据的孕穗期小麦叶面积指数反演——以河北省廊坊市为例

叶面积指数(leaf area index,LAI)是评价植被长势和预测产量的重要农业生理生态参数。高分2号(GF-2)卫星数据具有高空间分辨率特点,能反映更多细节信息,针对该数据特点的LAI反演方法具有较高的研究价值。以河北省廊坊市万庄镇为研究区,对孕穗期小麦采用了回归模型和神经网络算法反演LAI;采用4种植被指数与实测LAI值构建回归模型,同时重点探讨了PROSAIL模型结合神经网络方法进行LAI反演。研究结果表明,在回归模型中,归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)的二项式模型估算LAI可以获得最高精度,采用实测数据验证的决定系数(R2)和均方根误差(root mean square error,RMSE)分别为0.719 3和0.393 6;与回归模型相比,神经网络反演LAI方法更显著提高了精度,R2和RMSE分别达到0.900 8和0.273 2。基于GF-2卫星数据,在研究区小麦孕穗期,神经网络反演LAI具有较强可行性和适用性,可为高空间分辨率卫星影像的LAI反演提供参考。     

基于多源遥感数据的植被覆盖度反演方法比较研究

采用GF-1号、ZY-3号以及Landsat-8卫星数据,利用回归模型和像元二分模型,通过对建立的四类植被指数NDVI、MSAVI、MVI和RVI,结合野外调查数据,提出NSD的概念来评价模型及方法的精度。实测数据与各类遥感影像的4种植被指数间均存在着显著的相关关系;通过NSD精度验证,说明空间分辨率较低的遥感数据,在一定程度上提高了反演精度;在4类植被指数中,RVI与MSAVI对于三类数据反演精度较高,且MSAVI对于较低分辨率遥感数据可能具有更好的消除土壤背景影响的作用。     

基于精细模式气溶胶与WRF模式估算PM_(2.5)质量浓度

将气象要素加入到基于气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)的近地面大气颗粒物浓度估算是目前热门的技术手段之一。获取了江苏省南京市2014年3月—2019年2月期间的AOD,精细模式分数(fine-mode fraction,FMF)和PM_(2.5)质量浓度数据,并结合天气研究和预报(weather research and forecast,WRF)模式得到的气象模拟数据,对南京市PM_(2.5)的质量浓度进行反演。结果表明,相比于AOD与PM_(2.5)进行相关性分析,通过FMF校正得到的精细气溶胶光学厚度AOD_f与PM_(2.5)的相关性分析能够取得更高的拟合系数,R~2最高达到0.40。利用随机森林模型,引入含不同高度的气象因子对PM_(2.5)质量浓度建立反演模型,得到的拟合系数与各误差指标均优于仅含近地面气象因子的模型,表明PM_(2.5)质量浓度受到多因子共同作用的影响,能较好地为利用多源数据反演PM_(2.5)质量浓度提供依据和参考。     

利用MODIS资料监测湖北省PM2.5的3种模型对比

为确定适宜遥感监测湖北省PM2.5浓度的模型,该文运用MODIS气溶胶光学厚度(AOD)产品、气象数据、土地利用数据、数字高程模型(DEM)数据和地面监测站点获取的PM2.5质量浓度数据建立了智能算法模型(模型1)、地理加权回归模型(模型2)和线性混合模型(模型3),并用地面监测站点数据评估模型拟合结果。结果表明:模型3在所有表征反演精度的统计指标(全数据集R~2、回归斜率、均方根误差、平均绝对误差)上均表现出优异性;十折交叉验证结果表明模型1、模型2和模型3的R~2分别为0.559 8,0.562 2,0.755 5,3种模型皆不存在过拟合现象;对湖北省2015年PM2.5浓度时空分布特征的分析结果表明模型3能够提供可靠数据,可为PM2.5浓度监测提供一种有效的补充手段。     

基于地理国情数据的PM2.5浓度估算方法研究

以京津冀地区为研究对象,结合地理国情数据开展PM_(2.5)浓度估算方法的研究,在相关因素分析的基础上,运用土地利用回归方法与地理加权回归方法建立PM_(2.5)浓度空间分布回归模型,采用十折交叉验证对比模型稳定性与拟合精度,探索研究区最优建模方法及PM_(2.5)重要影响因子。结果表明:从模型稳定性及拟合精度来看,地理加权回归模型优于土地利用回归模型,模型调整后的R2分别为0.85、0.832,平均相对误差为12.4%、13.8%,均方根误差为10.61μg/m3、11.94μg/m3。相关分析判定结果表明,京津冀地区PM_(2.5)浓度的影响因子主要为气温、气压、房屋建筑、林地、耕地、降水、污染企业等。     

基于GF-1号卫星WFV数据的太湖水质遥感监测

为研究高分一号(GF-1)卫星数据监测太湖水质的可行性,基于新发射的GF-1卫星16 m分辨率的多光谱宽覆盖(wide field of view,WFV)相机和HJ-1A CCD数据,对太湖的叶绿素a、悬浮物、透明度和富营养化状况进行遥感监测,以评价GF-1 WFV相机的应用潜力。研究结果表明:GF-1 WFV与HJ-1A CCD数据对水质参数的反演结果具有一致性,可有效反映叶绿素a浓度、悬浮物浓度、透明度和富营养化指数的空间变化规律。其中,太湖西北部分布有少量水华蓝藻,在大面积蓝藻爆发区域附近,叶绿素a浓度明显高于其他区域的水体,平均浓度为62.46 mg·m-3;悬浮物浓度以竺山湾及西部沿岸湖区较大,沿西北向东南方向递减,平均浓度为26.07 mg·L-1;透明度整体从西北向东南递增,与悬浮物浓度的分布趋势相反,平均值为22.1 cm;富营养化指数整体从西北向东南递减,与叶绿素浓度的分布趋势相同,平均值为69.62。遥感监测指标的结果均符合常规监测规律。     

WebGIS技术支持的PM_(2.5)空间分布分析系统研究

依据成都市已公布的PM_(2.5)数据,采用反距离加权插值算法,推算出成都市5城区的PM_(2.5)浓度分布情况,并采用分级渲染,直观地展示市区内PM_(2.5)的浓度分布情况。同时,应用热点分析模型,根据指定时间段内的PM_(2.5)数据,分析出该时间段具有统计显著性的高值和低值的空间聚类。该模型一方面可让成都市民更好地了解成都市PM_(2.5)的分布情况,为出行提供参考;另一方面可为政府治理环境污染提供参考依据。     

两型模式下长株潭主城区PM2.5时空变化特征分析

为评估"两型社会"建设是否对改善城市空气质量发挥了作用,本文以长株潭主城区为研究对象,从土地利用视角出发,融合地理国情普查数据、遥感气溶胶光学厚度(AOD)数据、PM_(2.5)浓度观测数据和相关专题数据,运用遥感技术、GIS空间分析和数学统计理论与方法,构建了顾及多源地理要素特征的城市PM_(2.5)污染时空变化模拟模型。在此基础上,分年均和季节时间尺度分析PM_(2.5)浓度空间分布特征及其与土地利用格局的耦合关系。结果表明,"两型社会"建设期间,长株潭主城区PM_(2.5)浓度呈显著下降趋势和明显的季节差异,但整体仍严重超标;主城区内PM_(2.5)浓度空间差异与土地利用类型显著相关,建设用地面积比例越高、园林地越低,PM_(2.5)浓度越高。该研究结果对于开展污染防治、指导土地利用开发以及实现长株潭城市群"两型社会"可持续发展具有一定的参考价值。     

地表反射率产品支持的GF-1 PMS气溶胶光学厚度反演及大气校正

GF-1卫星PMS(GF-1 PMS)数据具有高空间分辨率、短重访周期的特点,可以在地表类型识别、参数提取中发挥重要作用。但由于缺少2.1μm附近的短波红外波段,使得气溶胶反演时地表反射率的精确确定非常困难,从而导致其高精度大气校正难以开展,限制了该数据的应用。本文提出了一种地表反射率数据支持的气溶胶反演方法,用于GF-1PMS数据的大气校正。其基本思想是:使用现有的地表反射率数据集为GF-1PMS数据提供地表反射率,用于确定GF-1PMS图像中浓密植被像元(DDV)的分布,基于确定的浓密植被像元反演气溶胶光学厚度(AOD),并用于大气校正。这里使用的地表反射率数据集为合成的无云MODIS地表反射率产品,对GF-1PMS数据做了空间尺度的转换。为降低两类数据配准误差对地表反射率确定的影响,提出了使用区域NDVI分布百分比匹配的方法,回避了像元的直接匹配,为GF-1PMS数据提供DDV的空间分布。为验证该方法的有效性,利用北京、太湖两个AERONET站点观测的气溶胶光学厚度对气溶胶反演结果进行精度验证,结果表明,气溶胶反演算法精度较高,稳定性较强。AOD反演结果应用于北京和敦煌地区的GF-1PMS数据大气校正,获得的地表反射率与地面实测的地表反射率的误差低于0.015,且大气校正后影像对比度明显提高。     

高分四号静止卫星数据的地表反照率反演

地表反照率(Albedo)是描述地表辐射能量平衡的重要参数,为了获得高分四号(GF-4)静止卫星的地表反照率产品,构建了一种基于核驱动双向反射率分布(BRDF)模型的反照率反演方法。首先,探索核驱动BRDF模型对GF-4卫星数据的适用性,加入地表分类信息,为核系数赋初值,并引入鲍威尔迭代算法优化模型结果。然后,对BRDF模型进行角度积分获得各个波段的地表窄波段反照率。在此基础上,结合GF-4卫星光谱响应函数与光谱库,首次建立了将窄波段反照率到宽波段反照率的转换系数,并反演得到0.4—0.7μm和0.3—3.0μm的宽波段反照率。最后,利用Landsat 8卫星数据和MODIS地表反照率产品对基于GF-4卫星数据的地表反照率反演结果进行交叉验证。Landsat 8与GF-4的反照率结果对比表明,GF-4卫星可见光范围内的反照率反演结果精度为85.6%,短波范围内的反照率反演结果精度为93.4%;MODIS与GF-4的反照率结果对比表明,可见光范围的地表反照率精度达到87.7%,短波范围的地表反照率精度达到85.9%。这说明GF-4卫星地表反照率反演结果具有较高精度,GF-4卫星反照率产品具有一定应用潜力。     

利用AB算法进行高分四号卫星数据反照率反演

地表反照率(Albedo)是地表能量收支平衡的重要地表参数。作为新近发射的地球同步轨道卫星,高分四号(GF-4)卫星拥有优于同类卫星的高时间高空间分辨率,然而由于其观测角度单一,基于双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)的传统反演方法难以实现地表反照率的精确快速反演,因此采用基于单一观测角度的角度格网法(angular bin,AB1)。首先,利用先验的多角度地球反射极化和方向测量仪(POLarization and Directionality of the Earth’s Reflectances,POLDER)卫星观测数据,建立反照率与某一方向反射率之间的经验关系;然后,利用POLDER卫星和GF-4卫星的光谱响应函数与光谱库数据,将该经验关系转换为基于GF-4卫星的反照率与反射率经验关系(即查找表);通过输入单一角度的GF-4卫星反射率数据,得到GF-4卫星反照率结果;最后,利用中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)与Landsat 8地表反照率结果对反演结果进行交叉验证。结果表明,MODIS反照率与GF-4反照率的均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.027 3,Landsat 8反照率与GF-4反照率的RMSE为0.017 6,说明基于AB1算法的反照率反演结果精度可靠,这对于GF-4卫星的反照率产品生产具有一定的应用意义。     

基于GF-1与实测光谱数据鄱阳湖丰水期总悬浮物浓度反演

总悬浮物浓度是水质评价的重要参数之一。2015年8月,在鄱阳湖布设33个采样点,通过测量水面光谱和采集水样进行检测,获取水面遥感反射率、总悬浮物浓度和叶绿素a浓度等数据。结合实测水面遥感反射率数据与总悬浮物浓度的相关性分析,建立了单波段、一阶微分和波段比值3种反演模型,并分别进行了精度验证。研究发现,3种反演模型的拟合度(R2)均大于0. 9,其中单波段模型最优,其R2、均方根误差(root mean square error,RMSE)及平均相对误差(mean relative percentage error,MRPE)分别为0. 980 5,3. 78 mg/L和16. 99%。将该单波段模型应用于2015年8月3日的高分一号(GF-1)卫星影像数据,同样得到了较高的反演精度,R2,RMSE和MRPE分别为0. 847 7,12. 23 mg/L和35. 22%。结果表明,鄱阳湖丰水期总悬浮物浓度值总体偏低,平均值为23. 26 mg/L,高值主要集中在鄱阳湖北部通江河道及其以南的中部水域,其余水域分布较为均匀。利用2015年10月24日GF-1影像和准同步观测的21个采样点的总悬浮物浓度数据使用此模型做进一步验证,其反演精度接近于2015年8月影像验证结果,表明该模型能进一步推广应用到鄱阳湖不同时期总悬浮物浓度的反演。通过实测光谱的分析以及在遥感影像上的应用,可以为鄱阳湖总悬浮物浓度的反演以及环境监测提供参考。     

基于HJ1A数据的沈阳市雾霾时空变化模拟研究

基于HJ1A-CCD数据,采用6S大气辐射传输模型,反演出研究区气溶胶光学厚度。采用偏最小二乘法,基于气溶胶空间分布的估算结果,模拟出研究区PM_(2.5)的空间分布。基于GIS和改进的高斯大气扩散模型,进行了研究区PM_(2.5)的扩散模拟。根据我国PM_(2.5)检测网的空气质量新标准,对沈阳市的雾霾进行等级了划分。