衛星遙感技術在安陽市空氣質量監測點位優化中應用

王 兵，唐 敏，王 穎，劉志光

(河南省安陽生態環境監測中心，河南 安陽 455000)

引 言

近年來，持續的霧霾天已成為危害中國公民健康的最主要環境污染問題[1-2]，人們也愈加關注環境空氣質量狀況，各城市逐漸開展環境空氣質量監測[3]，并在網絡平臺實時發布監測數據。隨著社會的快速發展，城市環境空氣質量特征以及污染物分布特征發生顯著變化，隨著中小城市的快速發展，城區面積也在發生變化，原有的監測點呈現出數量上的不足或空間分布的不科學[4]等問題，不能全面客觀地反映整個監測區域的環境空氣質量水平[5]。因此，結合現有的城市環境空氣質量監測點位分布狀況，適應現有城市的經濟水平、發展規劃、污染源分布等需求與變化，開展監測點位優化調整工作對環境監測和管理具有重要意義[6]。但由于現有城市網格化布點監測所需人力、設備、資金等成本的限制，無法對城市全區域環境空氣質量進行高密度的布點監測[7]，衛星遙感監測具有代表性強又具經濟性，能對城市實施全方位、全天候的監測覆蓋，滿足了環境空氣質量監測點位優化調整的需求。因此，文中以安陽市城區點位實施優化過后達到明顯效果的案例為例，綜合研究多種因素作用下利用衛星遙感監測技術開展對監測點位優化調整的研究分析。

1 研究方法及研究過程

1.1 研究方法

根據城市建成區的規模和行政區規劃，城市環境空氣狀況和發展趨勢，敏感受體分布，結合地形、氣象等自然因素，按照《環境空氣質量監測點位布設技術規范(試行)》(HJ 664—2013)相關技術要求，利用遙感影像分析安陽市的城市擴展時空特征及其驅動力[8]，利用遙感衛星監測技術解譯圖片并選定環境空氣質量較有代表性的區域[9]；實地自動監測設備實時監測，結合收集的氣象、地理、人口分布、土地利用等資料以及費用效益分析結果等，遴選出最具代表性的環境空氣質量監測點位。

1.2 研究過程

1.2.1 調查收集安陽市監測區域現狀

結合實際需要，對城市環境空氣質量監測布點與優化方法[10-11]、布點原則[12]、特點及適用范圍等相關資料進行文獻調研，對監測內容、范圍等進行資料收集和調查，建立與之相對應的數據庫，并收集5到10年安陽市氣象條件資料，包括降水、風向、風速等。統計安陽市歷史環境空氣質量、污染源、城市基本情況(人口、城市建設規劃等)等，了解污染物種類、時空分布及區域分類。調查分析安陽市污染源排放狀況和產業結構分布對環境空氣質量影響。

1.2.2 網格篩選

研究確定衛星遙感監測結果參與布點的指標，在衛星遙感觀測等工作的基礎上，初步選定能夠反映城市環境空氣質量平均水平的區域，再根據實測技術規范要求，按照每個網格面積2×2km2將適合布點的區域進行復選。

基于衛星遙感確定地面監測網絡布點優化方案，結合安陽本地的自然地理環境信息，采用多目標優化方法篩選出能夠客觀科學代表城市環境空氣質量水平的局部區域，確定安陽市空氣質量評價點、空氣質量對照點點位數量及分布。

1.2.3 比對監測

在衛星遙感觀測等工作的基礎上，初步選定能夠反映城市環境空氣質量平均水平的區域，再根據實測技術規范要求，在適合布點的區域進行復選。

2 城市基本概況

2.1 自然條件概況

安陽市位于河南省最北部，地處豫、晉、冀三省匯合處，經緯度：東經113°37′～114°58′，北緯35°12′～36°22′之間。安陽市國土總面積7413km2，市區543.6km2，建成115km2。安陽市版圖略呈半環形，地勢西高東低，呈階梯狀展。安陽的氣候特征為溫帶季風氣候，氣候溫和，四季分明，春季溫暖，夏季炎熱多雨，秋季涼爽，冬季寒冷干燥。

2.2 污染源排放狀況

安陽市大氣污染源主要為工業污染源(包括涉氣工業企業和燃煤鍋爐)、汽車尾氣排放源、建筑施工和道路揚塵源。

工業污染源中，工業企業重要以火力發電、金屬冶煉、焦化、水泥、建材等為主。安陽市中心城區幾家規模較大的企業主要污染源分布在北部和西部。城區工業源主要廢氣污染物中二氧化硫排、氮氧化物、和煙(粉)塵等。

3 衛星遙感監測

根據收集、整理安陽及周邊地區2016-2017年國家衛星遙感中心的相關衛星遙感資料及數據產品，提取大氣層的SO2、NO2垂直柱濃度與安陽市及周邊區域范圍的顆粒物(PM2.5和 PM10)等大氣環境污染物濃度，利用大氣層氣溶膠光學厚度(AOD)信息，結合安陽市現有的地面監測點位獲得的PM2.5、PM10等大氣污染物質量濃度數據及邊界層高度、氣溫、氣壓和相對濕度等輔助氣象資料，消除污染物濃度垂直分布、吸濕增長等帶來的誤差影響，從而獲取安陽市及周邊區域近地面層大氣顆粒物濃度時空分布信息，初步圈定安陽市環境空氣質量監測點位布設范圍，作為現有監測點位調整的參考依據。

水邊植物群落和建筑周邊植物群落在各指標上都有一定程度的下降,根據駁岸類型和與建筑的位置關系進一步分析(圖6)。

近年來，MODIS數據已成為陸地生態環境監測研究進程中的重要數據源[13]。文章通過暗像元法對安陽市2016～2017年的MODIS數據進行分析，反演得到在此期間安陽市氣溶膠光學厚度時空分布。衛星圖像上，暗像元是是指在可見光波段反射率極低的區域，這些區域通常為陸地上濃密植被區、土壤潮濕地區以及水體覆蓋區。實驗研究表明，在晴朗天氣的暗像元上空，衛星觀測發射率與大氣AOD之間是單調增加的關系，利用這種單調關系來反演AOD的算法稱作暗像元法。Kaufman[14]通過研究證明，在植被覆蓋茂密區域，大氣氣溶膠對中紅外波譜區域的干擾很微小甚至沒有，進而可以認為地面目標物的反射率與傳感器觀測得到的表觀反射率基本一致，紅、藍與中紅外波段的地表反射率之間的線性關系如下：

利用6S模型結合暗像元法[16]來反演研究區的氣溶膠光學厚度，因為對氣溶膠特性空間分布的詳細了解，也是了解污染機制、控制污染源的前提[17]。其基本思路是利用6S模型循環生成的查找表獲取大氣程輻射、大氣總透過率、行星反照率等大氣參數；利用暗像元法獲取紅、藍波段的地表反射率數據；然后通過大氣輻射傳輸公式計算出衛星傳感器接收到的理論表觀發射率，當理論表觀反射率與紅、藍波段實際表觀反射率相同或接近時，則對應大氣參數條件下的氣溶膠光學厚度值，即為反演的氣溶膠光學厚度。在此基礎上，根據氣溶膠光學厚度與地表可吸入顆粒物濃度線性關系，得到可吸入顆粒物濃度的直接反演體系。

具體技術方法：先進行MODIS數據發射率和反射率的幾何校正、合成以及裁剪[1]。將校正好的發射率和反射率影像，導入安陽市主城區范圍的矢量文件對其進行裁剪，然后得到合成裁剪結果。下一步進行角度數據的合成、重采樣、幾何校正及裁剪，將衛星天頂角、衛星方位角、太陽天頂角、太陽方位角四個角度數據合成一個文件，由于HDF中的角度數據是擴大了100倍的，所以需要利用BandMath波段運算工具進行計算，并將研究區范圍裁剪出來。接著進行云檢測和處理，云量的多少會影響數據的質量，會對監測結果造成影響，因此進行云檢測并去除云和奇異像元。最后進行氣溶膠反演是使用暗像元法，結合IDL的 modisaerosolinversion工具，并利用查找表進行氣溶膠濃度的查找，氣溶膠反演的查找表通常是利用IDL調用6S輻射模型得到的，采用的是一般的參數。

3.1 選取監測點位布設范圍

本研究利用由生態環境部環境衛星應用中心提供的衛星遙感資料獲取安陽市及周邊區域范圍的顆粒物(PM2.5和 PM10)等大氣環境污染物濃度，通過分析安陽市大氣環境污染物濃度場的時空變化特征，并參考《環境空氣質量監測點位布設技術規范(試行)》(HJ 664—2013)，確定安陽市環境空氣質量監測點位網格化監測布設范圍，作為現有監測點位調整和優化的參考依據。

3.2 遙感監測與地面監測結果對比

將衛星遙感反演數據與環境空氣監測得實測數據進行相關性比對分析，統計分析結果繪制成圖(圖1、圖2)，結果如下。

圖1 地面監測與遙感反演的PM2.5濃度相關性分析Fig.1 Correlation analysis of PM2.5 concentration between ground monitoring and remote sensing inversion

圖2 地面監測與遙感反演的PM10濃度相關性分析Fig.2 Correlation analysis of PM10 concentration between ground monitoring and remote sensing inversion

從相關分析結果(圖1)中可以看出，遙感反演與地面監測的 PM2.5結果相關系數約為 0.95，比例系數為 0.59，這說明二者總體保持較好的相關性，衛星遙感監測結果略低于地面監測結果。遙感反演與地面監測的 PM10結果相關系數約為 0.96，比例系數為 0.72，這說明二者總體保持較好的相關性，衛星遙感監測結果略低于地面監測結果。

圖3 地面監測與遙感反演的PM2.5對比圖Fig.3 Comparison of PM2.5 from ground monitoring and remote sensing inversion

從相關分析結果(圖2)中可以看出，遙感反演與地面監測的 PM10結果相關系數約為 0.96，比例系數為 0.72，這說明二者總體保持較好的相關性，衛星遙感監測結果略低于地面監測結果。

從對比分析圖(圖4)中可以看出，遙感反演與地面監測的月均PM10月際變化趨勢具有較好的一致性，并且在大部分月份二者數值均較為接近，2017年1月二者差異較大(地面監測PM10月均濃度為263μg/m3，而遙感反演結果為172μg/m3)。

圖4 地面監測與遙感反演的PM10對比圖Fig.4 Comparison of PM10 from ground monitoring and remote sensing inversion

從1991～2020年各月平均氣溫來看(圖5)，冬季平均氣溫最低，遠低于全年氣溫平均值14.2℃，尤其1月的月平均氣溫降到了-1.2℃。冬季溫度低，導致安陽地區氣溶膠和水汽容易凝結成云。

根據云量觀測資料，統計了冬季各月的天空狀況(圖6)，12月和1月陰天天數多于晴天，其中1月陰天比晴天多7天，2月陰天和晴天天數持平。當天空狀況較差，由于云層遮擋，衛星遙感無法獲取到近地面的大氣環境信息。

圖5 安陽市1991～2020年氣溫氣候月均值Fig.5 Monthly mean temperature and climate in Anyang City from 1991 to 2020

圖6 安陽市2016年12月～2017年1月天空狀況Fig.6 State of the sky in Anyang City from December 2016 to January 2017

從PM2.5和PM10的衛星遙感反演與地面監測結果對比情況來看，二者總體上較為吻合，變化趨勢基本一致，濃度數值也較為接近，在冬季(1月份)遙感結果明顯低于地面監測結果。這主要由于冬季溫度低，相對濕度增加，增加了氣溶膠的大小且改變了它們的化學成分和復折射指數，因而氣溶膠對光的吸收和散射效應也相應發生改變[18]；河南地區氣溶膠和水汽容易凝結成云，而云對MODIS數據信息的準確性有一定的影響[19-20]，此時衛星遙感無法獲取到近地面的大氣環境信息。由此可知本研究提出的方法具有一定可行性。

3.3 基于顆粒物濃度場的城區布點區域選取

考慮到地面站點主要布設在建成區，建成區分布在四個行政區內，根據2016～2017年安陽市轄區兩年的PM2.5和PM10平均濃度的空間分布，并以安陽市4個行政區為邊界，統計區域內527個象元網格的顆粒物濃度分布密度，并計算出市轄區20、50、70、80、90百分位數和區域均值，以顆粒物濃度在20百分位數以內的區域作為區域背景點參考范圍，以顆粒物濃度在區域均值和80百分位數之間的作為區域評價點參考范圍，以顆粒物濃度在90百分位數以上的地區作為城市污染點參考范圍。

圖7 2016～2017年建成區PM10不同濃度區間的空間Fig.7 Space of different concentration intervals of PM10 in the built-up area from 2016 to 2017

圖8 2016～2017年建成區PM2.5不同濃度區間的空間分布Fig.8 Space of different concentration intervals of PM2.5 in the built-up area from 2016 to 2017

安陽市建成區PM10平均濃度為122.27μg/m3，20、70和80百分位數濃度值分別為118.75μg/m3、124.74μg/m3、125.62μg/m3。由圖7可知，安陽市建成區PM10濃度低于20百分位數的地區主要分布在龍安區和文峰區南部區域，共105個象元，PM10濃度在80百分位數以上的地區主要分布在4個市轄區中間區域，共106個象元，其中在文峰區分布最廣；PM10濃度在均值與80百分位數之間的區域主要分布在龍安區月文峰區高于80百分位數區域外圍的3km內，以及殷都區和北關區北部區域，共計167個象元。

安陽市建成區PM2.5平均濃度為64.27μg/m3，20、70和80百分位數濃度值分別為61.84μg/m3、65.98μg/m3和66.59μg/m3。由圖8可知安陽市市轄區PM2.5質量濃度在20百分位數以下的地區主要分布在龍安區和文峰區南部，共107個象元；PM2.5濃度均值在80百分位數以上的地區主要分布在市轄區中間區域，共106個象元，主要分布在文峰區；PM2.5濃度在均值與80百分位數之間的區域主要分布在龍安區和文峰區80百分位數以上區域的周圍約2km緩沖區內，以及殷都區和北關區北部地區，共計約169個象元。

70百分位數以上的區域是安陽市建成區，該城市原有4個國控點位均位于90百分位數以上，整體代表性不強，需要做相應調整規劃。

3.4 網格比選

根據《環境空氣質量監測點位布設技術規范(試行)》(HJ 664-2013)中環境空氣質量評價城市點位布設要求，將安陽市建成區劃分為35個網格，結合安陽市現狀及未來城市發展規劃，現將安陽市建成區不完全均等劃分為5個不同區塊(圖9)，其中區塊①包含6、7、8、15、16、17等6個網格；區塊②包括21、22、30、31、39、40等6個網格；區塊③包括23、24、32、33、41、42等6個網格及25、34、43部分網格；區塊④包括26、27、35、36、44、45等6個網格及25、34、43部分網格；區塊⑤包括26、27、35、36、44、45等6個網格51、52、53、54、60、61、62、63等8個網格。其中鐵佛寺點位位于區塊②，紅廟街及銀杏小區點位位于區塊③，環保局點位位于區塊④，區塊①、⑤內均無環境空氣質量監測評價城市點。

3.5 網格化分析

安陽市中心城區規劃區塊劃分如圖10所示，因城市發展迅速，城市功能區擴張，導致安陽市規劃發展中的建成區內，環境空氣質量監測評價城市點布局緊湊，分布不均，主要集中在城區中部的區塊②、③、④內，且在區塊②內布設了2個環境空氣質量監測評價城市點，導致監測點位輻射城市范圍小，代表性不足，因此綜合考慮點位布設的代表性和前瞻性，使安陽市建成區內的評價點能夠兼顧未來城市空間格局變化趨勢，并客觀反映一定空間范圍內的環境空氣質量水平和變化規律，需對安陽市環境空氣質量監測評價城市點進行優化，并按照《環境空氣質量監測點位布設技術規范(試行)》(HJ 664-2013)逐步完成點位調整。

圖10 安陽市建成區區塊分析Fig.10 Block analysis of Anyang City built-up area

根據《安陽市“十三五”住房規劃(2016-2020)》及安陽市古城修復改造規劃，綜合考慮建議將區塊②鐵佛寺點位適當向南調整至30號網格內，將區塊②內紅廟街點位撤銷，并在尚未布設監測點位的區塊①內新增環境空氣質量評價城市點位，在15號網格新增環境空氣質量監測評價城市點，將區塊④內保留信訪局點位，區塊⑤內不建議新增環境空氣質量監測評價城市點。

考慮到安陽市城市自然地理、土地利用、氣象等綜合環境因素，結合安陽市工業人口等社會經濟特點、2016年～2017年衛星遙感監測情況、功能區設置及未來城市發展規劃等基本城市信息，并根據安陽市目前環境空氣質量監測評價城市點歷史沿革及現狀，及《安陽市城市總體規劃(2011-2020年)》，建議至2020年安陽市新建城市區域內增設1～2個環境空氣質量監測評價城市點，即可滿足《環境空氣質量監測點位布設技術規范(試行)》(HJ 664-2013)，且點位布局合理，分布均勻。

4 結 論

利用衛星遙感監測技術對安陽市環境空氣質量監測點位進行優化分析，衛星遙感數據通過數據模型計算進行模擬反演，并將模擬得出的顆粒物數據結果與實際監測得到數據結果進行對比分析，表明本研究結果與實際結果較為接近，利用模擬數據點位調整優化過程中去，找到代表性強的監點位，從而準確、真實地反映城市環境空氣質量水平。該方法得到實踐應用，通過實施初步鐵佛寺點位調整優化，城市區域評價點代表性更強，符合優化遙感預測結果。結論：

(1)衛星遙感觀測在點位優化中篩選代表性區域是可行的，能夠準確反應城市區環境質量的不同評價區域和等級。

(2)在衛星遙感觀測等工作的基礎上，初步選定能夠反映城市環境空氣質量平均水平的區域，再根據實測技術規范要求，在適合布點的區域進行復選，為安陽市環境空氣質量監測點位布設范圍，作為現有監測點位調整和優化的參考依據，解決了原有網格點實測的諸多問題。

(3)衛星遙感觀測數據與顆粒物實測數據一致性是可信的，兩者相關性比較一致。但有一定局限性，現在還無法反演SO2、NO2、CO和O3氣態污染物演變和特征。