城市大气污染遥感监测

16．2　城市大气污染遥感监测

中国500个大城市中有很多城市的空气污染指标超标。常规的城市大气环境监测手段是采用地面监测点，通过分析仪器采样监测点的数据，通过空气污染指数(air pollution index，API)来评价城市大气环境质量。监测的指标有NO₂、SO₂等污染气体。目前，国内外遥感技术在城市环境方面的应用越来越广泛。城市大气污染的遥感监测主要是通过遥感手段调查产生大气污染的污染源的分布、污染源周围的污染物的扩散影响范围。城市大气污染遥感监测主要包括城市大气污染源监测和大气污染物扩散规律的研究。一方面，遥感可观测到大气中气溶胶类型及其含量、分布与大气微量气体的铅垂分布;另一方面，可通过城市的植物对大气环境的指示作用来对城市大气环境质量进行判别，利用地物的波谱测试数据、彩色红外遥感图像及少量常规大气监测数据，获取关于城市大气环境质量的基本数据，并建立城市大气污染的评价模型。

应用于大气环境监测的电磁波谱主要是近紫外线到红外线范围(0．4～25μm)，以及微波范围(10～200GHz)。用于大气监测的遥感技术种类较多，一般有相关光谱技术、激光雷达技术及热红外扫描技术。

相关光谱技术基于光的吸收原理，受监测气体选择吸收特定波长的光后，按光强衰减程度来推算对象气体物的浓度。相关光谱系统采用的吸收光限于紫外光和可见光。在遥测中，需要在自然光充分的条件下，利用地表之上漫射光所会聚的光源。相关光谱系统装备在汽车或直升机上，目前适用的污染物多为NO、NO₂、SO₂。监测这3种污染物组分的实际工作波长范围分别是NO为195～230nm，NO₂为420～450nm，SO₂为250～310nm。

近期运用激光对大气污染进行遥感的技术发展很快，主要是因为激光雷达是一种主动遥感技术。激光具有单色性好、高度方向性和能量集中等优点，使得根据激光原理制作的传感器具有很高的灵敏度和良好的分辨率。激光脉冲射入环境监测对象介质后，首先因发生散射作用而衰减。射向大气的激光束遭遇气态分子时，可能发生瑞利散射和拉曼散射。散射作用在大气遥感中占有相当重要的地位，主动探测系统多是基于这种作用机制而制造的。

红外激光—荧光遥感器可用于监测大气中NO₂、CO、CO₂、SO₂、O₃等污染物及其浓度，其监测频率在可见光至紫外光区域，根据荧光波长和强度可分别作定性和定量监测。图16-15为武汉大学郑贵林教授研发的地面组网环境监测系统。基于自组网技术的地面大气遥感传感网能自动地获取连续测量的大气环境参数。

大气污染的不同程度、不同种类会使遥感信息产生一定的失真，通过对这种失真的研究，可建立城市环境污染的遥感评估模型。利用地物的波谱测试数据、彩色红外遥感图像及少量常规大气监测数据，可获取关于城市大气环境质量的基本数据。利用遥感图像作为基本资料，可以对城市有害气体进行监测。根据监测结果，可对城市污染源、污染扩散影响、污染程度等进行分析研究，以确定影响城市大气环境质量的主导因素，根据城市可持续发展的要求，对相应的污染源进行整治和改善，采取措施治理大气污染。

图16-15　武汉大学郑贵林教授研发的地面组网环境监测系统

大气中的气溶胶即烟雾、尘暴等悬浮于大气中的污染物，是影响大气质量的主要因素，它们在图像上会反映出其分布特征。大气的气溶胶浓度不同，图像色调也不同。浓度大，其散射、反射率大，影像呈白色;反之，呈灰色。同时，结合大气取样监测分析，可鉴别出其主要污染物、颗粒物数目及其分布空间。根据多期监测，可获取大气污染的时空分布与变化规律。例如，NO_X、SO₂的图像灰度信息在TM1、TM3图像中均有明显的反映，排入大气的SO₂很少单独存在于大气中，往往与大气中颗粒物结合在一起，这些颗粒物会对光波产生散射，在其遥感图像上显示为灰暗、模糊影像特征。同时，也能从高分辨率图像上判别出城市烟囱，然后反映烟雾的污染范围与程度。

通过对遥感图像的分析，可获取可靠的大气污染资料。可见，遥感信息在城市环境动态监测方面具有其他类型数据所无法代替的优越性。同时，遥感监测应用日益广泛，遥感监测的项目增多、分辨率提高、解译性能增强，遥感监测将成为城市大气环境监测的主要手段。图16-16为国家减灾中心利用NOAA/AVHRR卫星影像监测到的大雾天气。

图16-16　国家减灾中心监测大雾天气(2005年产品汇编，民政部国家减灾中心)