基于遥感影像和环保基站数据的PM2.5监测方法比较

2014-10-28逯喜宏周军其林宏波

中国科技纵横 2014年19期

逯喜宏++周军其++林宏波

【摘要】 PM2.5的常用的监测方法是建立环保基站利用仪器进行监测，这种方法的优点是可以获得精度较高且连续观测的数据，不足之处在于不能全面获取一个地区PM2.5时空分布信息，且建站的成本高，周期长。与常用监测方法相对应的是利用遥感影像进行PM2.5的监测，该方法的优点是能够对PM2.5进行大范围的监测，缺点在于无法得到PM2.5成分。本文的观点是要实现PM2.5的快速有效监测，就必须将这两种方法结合起来。为此，本文提出了一种新的PM2.5的监测方法。

【关键词】 PM2.5 遥感影像环保基站数据监测

2013年12月8日，中央气象台持续发布雾和霾橙色双预警，中国大陆共有25个省、104座城市出现雾霾天气，覆盖了我国将近一半的国土。[1]越来越严重的雾霾天气受到了政府和公众的高度关注，治理雾霾已经成了一件刻不容缓的大事。雾霾其实就是空气中悬浮的颗粒物的总称，通常情况下，按照直径的大小，将空气中悬浮的颗粒物分为三类，第一类是直径大于10微米而小于100微米总的悬浮颗粒物；第二类是直径大于2.5微米而小于10微米的可吸收颗粒物；第三类是直径小于等于2.5微米的颗粒物。[2]

PM2.5指直径小于等于2.5微米的可吸入颗粒物。[3]城市大气中PM2.5的来源和成分十分复杂：来源上，各种燃烧的过程如煤炭燃烧、油气的燃烧以及机动车排放的尾气等；成分上，有二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx），以及挥发性的有机化合物（VOCs）等。PM2.5是雾霾天气的“罪魁祸首”，更是普通民众的“健康杀手”：若PM2.5随着呼吸进入人体，沉积在下呼吸道和肺泡中，会引起鼻炎、支气管炎等病症。[4]若PM2.5的浓度在0—75微克/立方米内，人可以在户外活动。若超过75微克/立方米，就不适合在户外运动了。人口密度越大的地区，经济越发达的地区，出现雾霾天气的天数越多。在经济较为发达的东南沿海一带，7天内每天都是雾霾天气，污染已经到了十分严重的地步。而在人口稀少、经济欠发达地区，如西藏、内蒙、新疆、青海等省，7天内基本没有雾霾天气，空气污染相对比较轻。

2014年5月17全国的PM2.5浓度大多都在轻度污染以上。我国的最南部地区PM2.5的数值在正常的范围内，空气质量好。我国中原地区，东部地区和北京天津等地的PM2.5浓度超标，污染处于比较严重的状态。

我国的PM2.5的污染程度越来越严重，已经到达非治不可的地步。目前，对于PM2.5的监测有两种方法，即环保基站数据法和遥感影像法，下面就针对这两种方法进行详细的介绍。

1 用遥感影像和环保基站数据监测PM2.5的原理及方法

1.1 遥感影像

1.1.1 原理

根据普朗克原理，每种气体都有其固有的辐射和吸收光谱。结合表1可以看出：在1.4、1.9、2.7、6.3微米以及21～100微米之间，有水汽的强振转吸收带；在2.7、4.3和14.7微米附近有二氧化碳的强振转吸收带。由于不同PM2.5气体的辐射和吸收光谱是不同的，这样就在遥感影像上留下了不同的印记，通过遥感影像的分析和解译，就可以判断出PM2.5的对于大气的污染情况。[4]

1.1.2 方法

这里以ESRI北京公司遥感应用事业部提出的一种方法进行说明。在他们的新浪博客“ENVI/IDL技术”中，对于遥感影像反演的方法进行了详细介绍。他们采用MODIS影像进行了研究。MODIS影像是目前最先进的多光谱遥感传感器，有36个观测通道，覆盖了当前主要遥感卫星的主要观测数据。利用反演得到的气溶胶光学厚度空间分布数据结合PM2.5实测数据建立相关模型，即可实现PM2.5的遥感监测。

1.2 环保基站数据

1.2.1 原理

以恒速抽取定量体积空气，使环境空气中的PM2.5和PM10被截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜的质量差和采样体积，计算出PM2.5和 PM10的浓度。[5]

1.2.2 方法

振荡天平法：振荡天平法PM2.5颗粒物监测仪由PM10采样头、PM2.5切割器、滤膜动态测量系统、采样泵和仪器主机组成。[6]

气体采样：流量为每小时1立方米的环境空气样品经过PM10采样头和PM2.5切割器后成为符合技术要求的PM2.5颗粒物样品气体。

分离气体：PM2.5样品气体进入膜动态测量系统后首先会经过干燥器，在那里样品的相对湿度降到一定的程度，随后样品气体会根据系统切换阀的状态流向不同的部件。

测量第一阶段：计算样品的质量浓度。PM2.5样品会直接到达振荡传感器，样品中的颗粒物被收集在滤膜上，利用仪器测量颗粒物的质量，同时计算出样品的质量浓度。测量第二阶段：测量挥发掉气体的质量和浓度。

1.2.3 Beta射线法

首先，将PM2.5颗粒物样品气体的相对湿度调整到35%以下，样品进入仪器主机后颗粒物被收集在可以自动更换的滤膜上。其次，根据射线信号的强度变化计算出采样时间段内气体的浓度值。

2 遥感影像和环保基站数据结合，是未来PM2.5监测的有效方法

2.1 目前已经成熟的技术