基于MODIS的城市大气颗粒物污染指数研究

遥感特征指数法是一种简单、高效的信息提取方法。根据气溶胶散射或吸收引起的卫星不同波段间表观反射率变化,构建了基于MODIS的城市大气颗粒物污染指数,结合石家庄市各环境空气质量站实测颗粒物浓度数据,分析差值植被指数(difference vegetation index,DVI)、归一化灰霾指数(normalized difference haze index,NDHI)、归一化建筑指数(normalized difference built-up index,NDBI)和差值建筑指数(difference built-up index,DBI)与PM10之间的相关关系。结果表明,除NDHI外,DVI,NDBI和DBI与大气颗粒物质量浓度均呈现负相关关系,DBI与PM10之间线性相关关系较为明显,综合多种大气颗粒物污染指数构建的大气颗粒物质量浓度估算模型,可以用来简便、快速地指示城市大气颗粒物污染状况。     

基于数据同化的长春市雾霾反演与空间特征分析

近年随着长春地区冬季雾霾天气的频繁出现,大气可吸入颗粒物(PM2.5)已成为长春地区的主要空气污染物之一。遥感技术与污染物模型相结合是近年来预报空气质量的一种有效方法。本文以2015—2016年长春市冬季雾霾天气为例,利用MODIS遥感影像获取的气溶胶光学厚度(AOD),反演长春市地表PM2.5浓度值,得到长春市空气污染物空间分布图,并分析长春市空气污染物的时空分布特征。同时利用AOD反演的PM2.5浓度值作为数据同化资料,对长春市地表PM2.5浓度值进行预报,预测结果令人满意。研究结果表明:数据同化与遥感信息技术结合进行雾霾预测是一种有效的手段,可为雾霾反演的数据提供可靠的信息。     

基于AERONET数据的气溶胶光学特性分析

大气气溶胶的监测对全球气候变化、区域空气质量和公共健康等研究具有重要的意义,而中国台湾岛四面环海,地理位置特殊,若忽略其大气环流和局地排放源造成的气溶胶特征时空异质性将会导致气溶胶参数反演误差。因此本研究使用中国台湾岛多个具有代表性的AERONET（AErosol RObotic NETwork）观测站历史数据和MODIS气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）反演产品,分析5个典型站点气溶胶参数及其类型的时空变化特征及差异,分析结果表明：（1）各站点AOD年平均值逐年下降,呈现春季最高（0.5257）的季节变化特征和双峰结构的日变化规律,主导气溶胶类型为城市工业型（仅鹿林站点为海洋型）。（2）中国台湾地区风向多为东北风,风速越大,AOD值越低,海洋型气溶胶占比越高;反之则以城市工业型气溶胶为主。（3）?ngstr?m波长指数（AE）、单次散射比（SSA）、复折射指数虚部、不对称因子平均值分别为1.3283、0.9564、0.0054、0.7292;相比于北京（39.9768°N,116.3813°E）站,台湾“中央大学”AOD年平均值、季节变化、主导气溶胶类型均存在较大的差异。（4）MODIS AOD分站点验证精度较高,而在高山鹿林站的验证精度稍低（R²=0.5925）;而利用不同气溶胶类型的分类验证结果显示,城市工业（R²=0.7238）、生物质燃烧（R²=0.6161）和次大陆型（R²=0.5116）精度较高,但海洋型（R²=0.1585）、大陆型（R²=0.1111）AOD验证精度显著降低。本研究表明,中国台湾岛气溶胶类型呈现西南沿岸站点秋冬季次大陆型占比上升,西北沿岸大陆型上升的时空特征差异,细化气溶胶参数的时间差异和时间动态变化信息将对气溶胶卫星反演算法在环流特征明显的近海区域有着重要指导作用。     

大气程辐射遥感图像与城市大气污染监测研究

作为对地探测的遥感技术所获取的遥感图像包含了地面和大气信息,并且主要是地面信息.利用地面反射率分布图像将遥感数字图像中弱的大气信息与强的地面目标信息分离,生成仅仅包含大气信息的大气程辐射遥感图像.利用多(高)光谱遥感数字图像中不同波段的大气程辐射遥感图像可以不受地面干扰地对城市大气污染的类型和程度(气溶胶粒径和含量)进行遥感监测.在大气污染地面观测数据(可吸入颗粒物PM10浓度)的支持下,利用MODIS多光谱遥感数字图像生成的对应多光谱大气程辐射遥感数字图像,以上海市为例进行了城市大气污染遥感监测的原理方法研究.     

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。     

珠三角地区长时间序列气溶胶时空变化特征分析

本文通过对2000年—2013年长时间序列的MODIS气溶胶产品进行统计,分析了珠三角地区气溶胶光学厚度(AOD)和细粒子光学厚度(FAOD)的空间分布特征以及年度和季节变化特点,有助于深入研究珠三角地区颗粒物污染水平变化及颗粒物的排放与输送等。研究结果显示珠三角地区中部为AOD高值区,东西两翼地区为AOD低值区。AOD和FAOD的最高值通常分别出现在春季和秋季,最低值则通常都出现在冬季。2006年之后,珠三角地区大气气溶胶总消光虽在部分年份仍有反弹上升的现象出现,但已有明显降低。然而,该地区细粒子消光在2000年—2012年期间则呈逐年增加的趋势,且其空间差异性也越加显著,细颗粒物污染仍需进一步控制。     

基于LUR的武汉市PM2.5浓度空间分布模拟

基于稀疏监测点的监测数据无法直接获取城市内部空气污染的高分辨率空间分布。以武汉市为例,研究了基于土地利用回归(landuseregression,LUR)模型的大气PM2.5浓度高分辨率空间分布模拟。采用双变量相关分析识别出与PM2.5浓度相关性最高的4个影响因子,分别是1000m缓冲区内道路长度,500m缓冲区内水域面积,500m缓冲区内建设用地面积以及工业污染影响。采用PM2.5月平均浓度和识别出的影响因子连同气象条件(月平均温度和月降水量)进行多元线性回归分析,相关系数R2达到0.905,调整后的R2为0.885。在研究区建立均匀格网(2km×2km),利用得到的LUR方程计算格点PM2.5浓度值,应用空间插值制成武汉市主城区夏季PM2.5浓度空间分布模拟图。模拟结果显示,主城区有三个PM2.5浓度高值中心,分别为青山工业区、江北工业区和汉口汉西建材市场区域。汉阳南部、武昌南部的大型湖泊和水域面积比例较大的区域表现为两个PM2.5浓度低值中心。     

2016—2017东北地区PM2.5健康风险评价

颗粒物是我国大气污染物之一,具有颗粒小、输送距离远、使大气能见度降低和容易引起呼吸系统疾病的特点.本研究基于2016—2017年供暖期间东北地区34个地级城市总计162个国控监测站点的PM2.5数据及同期的健康数据、气象数据、人口社会经济数据,采用了地理加权回归模型(GWR)分析方法研究了颗粒物、气象因子、人口社会经济因子对健康数据的影响并进行了评价,旨在结合气象因素、人口社会经济等因素,分析PM2.5对人类健康状况的影响并对区域人类健康风险状况进行评价,为大气污染的防治和呼吸道疾病防控提供科学参考依据.     

利用深蓝算法从HJ-1数据反演陆地气溶胶

大气气溶胶是环境空气污染监测的重要指标,在利用环境一号卫星CCD相机进行气溶胶监测时,暗目标法和结构函数法都有相应的不足。本文从Hsu等人(2004)提出的深蓝算法出发,以MODIS的地表反射率产品为基础建立反射率库,并利用地面观测数据分析了各种典型地物在CCD相机与MODIS蓝波段反射率之间关系,提出了将MODIS地表反射率修正到CCD相机的方法,进而实现地气解耦,反演气溶胶光学厚度。选择北京地区为实验区,进行了算法实验,并用AERONET/PHOTONS北京站的数据进行了验证,结果表明,(1)光学厚度较大时(>0.5),深蓝算法精度能够较好的满足环境一号卫星CCD相机对气溶胶日常监测的要求;(2)气溶胶模式会对结果产生较大的影响,尤其是城市型气溶胶。     

北部湾MODIS气溶胶光学厚度的反演

通过IDL语言调用6S模型源码生成相应查找表,对北部湾及周边区域2008年MODIS高分辨率(1 km×1 km)影像进行气溶胶光学厚度反演。反演结果与AERONET公布的Bac_Giang、MuKdahan和Hongkong_poly站的气溶胶产品进行精度验证,得出北部湾地区的气溶胶光学厚度反演,春、秋、冬季选取大陆型气溶胶模式,夏季选取海洋型模式能更好地贴近实际情况。运用此方法对北部湾以及越南东北部地区2004年、2006年、2008年、2010年中晴空少云天进行气溶胶时空分布反演并分析结果。     

近红外偏振辐射卫星数据的海洋耀光动态检测

太阳光入射海表特定区域形成海洋耀光,呈强反射和偏振特性。在卫星海洋遥感中,海洋耀光对遥感成像质量有较大影响,尤其对海洋上空云、气溶胶及海色等研究干扰较大,因此剔除海洋耀光是卫星遥感数据处理过程中首先要解决的重要问题。以PARASOL卫星的POLDER3载荷数据为研究对象,获取载荷成像时刻太阳及观测几何、海表风速风向及气溶胶光学厚度等参数,采用海气辐射传输相关理论,结合耀光角和多角度NIR偏振辐射信息(865 nm),构建基于近红外偏振辐射特性规则的OGDD模型,获取耀光角临界值实现耀光动态检测。以印度洋某海区为研究对象,获取实测耀光区NIR通道的大气层顶反射率和偏振反射率,利用OGDD模型将耀光角判别临界值调整为34°。相比MODIS经验临界值(40°),标记耀光像元相对减少了30%。结果表明,该方法不仅能通过动态调整临界值准确识别海洋耀光,为云检测及云物理特性反演提供可靠的源数据,还能为高分五号卫星多角度偏振载荷在轨定标及气溶胶反演提供支持。     

沈阳地区MODIS与MERSI气溶胶产品对比研究

在中国东北地区,卫星气溶胶产品尚缺乏有效的验证机制,相关应用存在较大不确定性。利用2009–2011年中国地区太阳分光光度计观测网(CSHNET)沈阳站地基观测资料,借助后向轨迹模式分析了该地区气溶胶来源和季节变化特征,并同步对比了FY-3A/MERSI和Terra/MODIS气溶胶产品精度的季节差异及误差来源。结果表明:沈阳站气溶胶光学厚度和Angstrom波长指数季节变化明显,气溶胶受远程输送和区域排放的共同影响,人为源和自然源丰富。不同粒径粒子对气溶胶光学厚度的贡献因季节而异,导致卫星反演算法中气溶胶模型选择误差较大,影响了卫星反演精度。观测期间MODIS与MERSI气溶胶产品与地基观测数据的总匹配率分别为68%和83%。当气溶胶光学厚度较低时(AOD0.35),MODIS产品出现低估,MERSI出现高估,与实测值的相对误差分别为–46%—54%、7%—135%;当气溶胶光学厚度较高时(0.35—0.75),MODIS和MERSI均出现不同程度的低估,两者与实测值的相对误差分别为–34%—54%、–21%—75%;当气溶胶光学厚度大于0.75时,低估尤为严重,与实测值的相对误差可达–34%—100%、–9%—58%。能与地基观测匹配的MODIS和MERSI有效样本数春、秋季较高(春季分别为69%、80%,秋季分别为73%、70%),夏季次之(69%、73%),冬季最少(2%、49%);MODIS与地基观测的相关性总体优于MERSI;但在冬季,MODIS与MERSI产品均不具备代表性。MODIS与MERSI气溶胶产品落入误差线的比例均为春季最高(22%、25%),秋季次之(19%、16%),夏季最小(6%、5%)。MERSI对粗模态气溶胶(α≤0.5)反演效果优于MODIS,而MODIS对混合模态气溶胶(0.5≤α1.5)反演效果优于MERSI。MERSI与MODIS气溶胶产品在春、秋季可比性较好,夏季可比性较差,总体来说,春、秋季MERSI比MODIS低估更为严重。从气溶胶产品在辽宁省的区域分布来看,FY-3A/MERSI比Terra/MODIS覆盖范围略广,各季节FY-3A/MERSI与Terra/MODIS的总体空间分布特征基本一致,但对于某些地区,两者数值上依然存在较大偏差。     

北京地区Landsat 8 OLI高空间分辨率气溶胶光学厚度反演

卫星气溶胶光学厚度(AOD)反演中,传统暗目标方法在反射率较低的水体、浓密植被覆盖区域取得了较好效果,在反射率较高且结构复杂的高反射地表上空目前多采用深蓝算法,但存在空间分辨率较低,对细节分布描述性较差等问题。为解决这一问题,本文首先以5年(2008年—2012年)长时间序列MODIS地表反射率产品为基础,采用最小值合成法建立500 m分辨率逐月地表反射率产品数据集,然后利用地物波谱库中典型地物波谱数据,分析建立MODIS与Landsat 8 OLI传感器蓝光波段反射率转换模型,最后北京地区AERONET地基观测数据确定了气溶胶光学物理参数,并反演获取了北京地区上空500 m分辨率的AOD分布。为验证反演算法的精度,分别将反演结果同AERONET及MODIS/Terra气溶胶产品(MOD04)进行交叉对比,同时利用相关系数R,均方根误差RMSE,平均绝对误差MAE以及MODIS AOD产品预期误差EE共4个指标进行衡量。结果表明:算法反演获取的AOD与AERONET观测值具有较高的一致性,各指标分别为R=0.963,RMSE=0.156,MAE=0.097,EE=85.3%,稍优于MOD04产品(R=0.962,RMSE=0.158,MAE=0.101,EE=75.8%),并且有效的对比点数也高于MOD04。通过与地基观测相比,卫星遥感获取的高分辨率城市地区AOD精度可作为定量评估城市空气质量的有效依据。     

暗目标法的Himawari-8静止卫星数据气溶胶反演

Himawari-8(H8)是由日本气象厅发射的新一代静止气象卫星,可实现10 min/次的高频次对地观测,搭载的AHI(Advanced Himawari Imager)传感器设置有与MODIS暗目标气溶胶反演算法所需的类似波段。本文参考暗目标算法构建了针对该卫星传感器的陆地气溶胶反演算法:首先,通过基于地基站点观测数据的精确大气校正,统计得到短波红外与可见光波段的地表反射率比值关系,将此作为先验知识用于地—气解耦时的反射率估计;然后,初步假设大陆型气溶胶类型,利用辐射传输模型建立查找表;最后,通过模拟与卫星观测的表观反射率误差最小实现气溶胶光学厚度反演解算。选取2016年5月覆盖京津冀地区的观测数据进行测试,将反演结果与对应时间的MODIS气溶胶光学厚度产品进行对比验证,空间分布趋势一致、相关性较高,相关系数R达到0.852;通过与地基观测网AERONET站点实测数据对比验证,所有站点的相关系数R~2均大于0.88,精度较高。利用反演的高时间分辨率产品,分析了京津冀地区的大气空间分布和日变化情况,结果表明:采用暗目标法对H8静止卫星陆地气溶胶光学厚度反演具有一定的潜力和可行性,能反映气溶胶的高时间变化信息,有望成为大气环境污染变化监测新的重要手段。     

艾比湖盐尘气溶胶光学特性卫星和地基遥感观测

自20世纪50年代艾比湖湖面面积急速退化造成大面积湖底裸露,裸露的干涸湖底成为丰富的粉尘和盐尘源,使得该地区面临严重的盐尘灾害威胁。为了研究艾比湖流域盐尘灾害对区域大气污染状况以及盐尘气溶胶光学性质,利用MODIS气溶胶产品数据获取2002年至今该地区尘暴总体演变态势;利用云–气溶胶偏振雷达(CALIOP)遥感数据以及Microtops II手持太阳光度计,对盐尘灾害高发时间段大气气溶胶总后向散射系数、退偏比、色比、气溶胶光学厚度(AOD)及Angstr?m波长指数(α)等参数进行特征分析,利用拉格朗日混合扩散模型(HYSPLIT)讨论盐尘污染的输送。实验结果表明:受大风天气和人类活动影响,春季是艾比湖流域盐尘灾害高发时段;盐尘灾害发生时,粉尘影响范围主要集中在近地面低空,对近尘源区的精河县、托托乡和乌苏市等地区造成较大影响;风速是影响局地气溶胶变化的主要因素,在局地尘源介入的影响下,距干涸湖底不同距离的地区气溶胶光学性质存在一定差异;盐尘主要在近尘源地区沉降,部分粉尘颗粒上升至高空大气,可对华北地区造成影响。地基和卫星遥感技术相结合,可实现区域气溶胶光学特性的准确估算,为认识盐尘灾害提供科学参考。     

顾及PWV的中南4省1区春节期间PM2.5浓度估算

社会经济的发展伴随而来的环境污染问题日渐得到人们的重视.针对中南地区4省1区(河南省、湖北省、湖南省、广东省和广西壮族自治区)春节期间PM2.5的变化情况,结合该区域所属及其相邻探空站获取的大气可降水量PWV数据以及气象监测站获取的风速数据,通过反距离加权插值得到中南4省1区春节期间的PWV和风速值,综合考虑CO、SO2、O3和NO2等大气污染物以及PWV、风速和DEM高程值建立该地区春节期间的地理加权回归(GWR)、地理加权回归克里金(GWRK)以及地理加权回归规则样条(GWRCRS)插值模型,并运用3种模型对中南地区4省1区2017、2018年春节假期期间进行PM2.5浓度估算.研究结果显示,GWRK和GWRCRS模型的估算效果较GWR模型更优,而GWRCRS模型估算精度最高,对中南地区4省1区春节期间的PM2.5监测预警具有一定的实用性参考价值.     

深度置信网络算法反演Landsat 8 OLI气溶胶光学厚度

传统的气溶胶遥感反演算法在地表反射率较低、结构较为均一的海洋及浓密植被等区域的气溶胶反演可以达到较高的精度,而在城市、矿区等高亮度、高异质性区域的气溶胶反演中仍面临较大的挑战。当地表反射率较高时,卫星传感器获取的对气溶胶具有标识性的信息不足,导致了气溶胶反演的困难。为更大程度地挖掘卫星信号中对气溶胶具有标识性的信息,本文提出使用深度学习技术的气溶胶遥感反演算法,用于Landsat 8 OLI传感器的气溶胶反演。选择全球不同区域的AERONET站点气溶胶实测数据以及对应区域的Landsat 8 OLI传感器的观测几何角度和表观反射率数据,根据合理的时空匹配原则构建样本数据。选择深度置信网络,在合理设置训练批次和训练次数的基础上对网络进行训练和测试,生成关于卫星传感器数据的气溶胶光学厚度拟合网络模型,实现气溶胶遥感反演。使用独立的AERONET站点气溶胶实测数据对反演结果进行了验证,结果表明：该方法可反演不同地表类型区域连续空间覆盖的气溶胶光学厚度,且达到了较高的精度（R=0.8745,RMSE=0.0391,MAE=0.0616,EE=87.94%）。与传统的方法相比,本方法基于单时相卫星遥感数据即可实现气溶胶的高精度反演,简化了气溶胶反演的步骤,提高了气溶胶反演的稳定性和时空适应性。     

基于EOS/MODIS若尔盖高原地区湿地信息提取及变化监测

以若尔盖高原地区为研究区,利用多时相中分辨率成像光谱仪MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)遥感影像数据,采用基于归一化植被指数(NDVI)的时间序列谐波分析方法,对2001~2013年夏季的MODIS/NDVI和MODIS/EVI进行重构,去除云干扰,采用决策树分类方法获取若尔盖高原地区2001~2013年夏季湿地信息的分布数据并作统计。结果表明:基于EOS/MODIS遥感数据,采用决策树分类方法获取若尔盖高原地区的湿地信息数据是可行的;若尔盖高原地区的湿地面积是随年际的变化呈锐减趋势,若尔盖高原地区湿地的退化主要是受到近年来气候暖干化的影响,人类活动则加剧了湿地萎缩及退化的趋势。     

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。     

全天空偏振模式及其影响因素初探

太阳光入射与地表、大气相互作用,会在天空中出现较为稳定的天空偏振模式图,即以太阳为中心,天空中的偏振信号呈现一定的规律分布。影响天空偏振模式图的强度及形态主要由地表反射性质、空气分子散射性质及气溶胶光学性质共同影响。本研究利用矢量辐射传输模型,以海洋下垫面为例,在获取沙尘非球形与煤烟非球型气溶胶单次散射性质的基础上,模拟了不同气溶胶光学厚度情况下的全天空偏振模式图。结果表明,天空以太阳入射方向为中心呈现一个较为稳定的天空偏振模式图。沙尘型散射气溶胶光学厚度的增大会减弱该模式图的强度,而煤烟型吸收气溶胶光学厚度的增大会增大该模式图的强度。利用双模态(沙尘型与煤烟型混合)气溶胶模型,系统分析不同气溶胶比例情况下的天空偏振模式图,结果表明全天空偏振模式图的基本模态依旧存在,但是其强度受气溶胶模型与光学厚度双重影响。因此在利用全天空偏振模式图进行气溶胶光学性质反演时需要注意气溶胶模态信息的选择。