卫星遥感技术在安阳市空气质量监测点位优化中应用

王 兵，唐 敏，王 颖，刘志光

(河南省安阳生态环境监测中心，河南 安阳 455000)

引 言

近年来，持续的雾霾天已成为危害中国公民健康的最主要环境污染问题[1-2]，人们也愈加关注环境空气质量状况，各城市逐渐开展环境空气质量监测[3]，并在网络平台实时发布监测数据。随着社会的快速发展，城市环境空气质量特征以及污染物分布特征发生显著变化，随着中小城市的快速发展，城区面积也在发生变化，原有的监测点呈现出数量上的不足或空间分布的不科学[4]等问题，不能全面客观地反映整个监测区域的环境空气质量水平[5]。因此，结合现有的城市环境空气质量监测点位分布状况，适应现有城市的经济水平、发展规划、污染源分布等需求与变化，开展监测点位优化调整工作对环境监测和管理具有重要意义[6]。但由于现有城市网格化布点监测所需人力、设备、资金等成本的限制，无法对城市全区域环境空气质量进行高密度的布点监测[7]，卫星遥感监测具有代表性强又具经济性，能对城市实施全方位、全天候的监测覆盖，满足了环境空气质量监测点位优化调整的需求。因此，文中以安阳市城区点位实施优化过后达到明显效果的案例为例，综合研究多种因素作用下利用卫星遥感监测技术开展对监测点位优化调整的研究分析。

1 研究方法及研究过程

1.1 研究方法

根据城市建成区的规模和行政区规划，城市环境空气状况和发展趋势，敏感受体分布，结合地形、气象等自然因素，按照《环境空气质量监测点位布设技术规范(试行)》(HJ 664—2013)相关技术要求，利用遥感影像分析安阳市的城市扩展时空特征及其驱动力[8]，利用遥感卫星监测技术解译图片并选定环境空气质量较有代表性的区域[9]；实地自动监测设备实时监测，结合收集的气象、地理、人口分布、土地利用等资料以及费用效益分析结果等，遴选出最具代表性的环境空气质量监测点位。

1.2 研究过程

1.2.1 调查收集安阳市监测区域现状

结合实际需要，对城市环境空气质量监测布点与优化方法[10-11]、布点原则[12]、特点及适用范围等相关资料进行文献调研，对监测内容、范围等进行资料收集和调查，建立与之相对应的数据库，并收集5到10年安阳市气象条件资料，包括降水、风向、风速等。统计安阳市历史环境空气质量、污染源、城市基本情况(人口、城市建设规划等)等，了解污染物种类、时空分布及区域分类。调查分析安阳市污染源排放状况和产业结构分布对环境空气质量影响。

1.2.2 网格筛选

研究确定卫星遥感监测结果参与布点的指标，在卫星遥感观测等工作的基础上，初步选定能够反映城市环境空气质量平均水平的区域，再根据实测技术规范要求，按照每个网格面积2×2km2将适合布点的区域进行复选。

基于卫星遥感确定地面监测网络布点优化方案，结合安阳本地的自然地理环境信息，采用多目标优化方法筛选出能够客观科学代表城市环境空气质量水平的局部区域，确定安阳市空气质量评价点、空气质量对照点点位数量及分布。

1.2.3 比对监测

在卫星遥感观测等工作的基础上，初步选定能够反映城市环境空气质量平均水平的区域，再根据实测技术规范要求，在适合布点的区域进行复选。

2 城市基本概况

2.1 自然条件概况

安阳市位于河南省最北部，地处豫、晋、冀三省汇合处，经纬度：东经113°37′～114°58′，北纬35°12′～36°22′之间。安阳市国土总面积7413km2，市区543.6km2，建成115km2。安阳市版图略呈半环形，地势西高东低，呈阶梯状展。安阳的气候特征为温带季风气候，气候温和，四季分明，春季温暖，夏季炎热多雨，秋季凉爽，冬季寒冷干燥。

2.2 污染源排放状况

安阳市大气污染源主要为工业污染源(包括涉气工业企业和燃煤锅炉)、汽车尾气排放源、建筑施工和道路扬尘源。

工业污染源中，工业企业重要以火力发电、金属冶炼、焦化、水泥、建材等为主。安阳市中心城区几家规模较大的企业主要污染源分布在北部和西部。城区工业源主要废气污染物中二氧化硫排、氮氧化物、和烟(粉)尘等。

3 卫星遥感监测

根据收集、整理安阳及周边地区2016-2017年国家卫星遥感中心的相关卫星遥感资料及数据产品，提取大气层的SO2、NO2垂直柱浓度与安阳市及周边区域范围的颗粒物(PM2.5和 PM10)等大气环境污染物浓度，利用大气层气溶胶光学厚度(AOD)信息，结合安阳市现有的地面监测点位获得的PM2.5、PM10等大气污染物质量浓度数据及边界层高度、气温、气压和相对湿度等辅助气象资料，消除污染物浓度垂直分布、吸湿增长等带来的误差影响，从而获取安阳市及周边区域近地面层大气颗粒物浓度时空分布信息，初步圈定安阳市环境空气质量监测点位布设范围，作为现有监测点位调整的参考依据。

水边植物群落和建筑周边植物群落在各指标上都有一定程度的下降,根据驳岸类型和与建筑的位置关系进一步分析(图6)。

近年来，MODIS数据已成为陆地生态环境监测研究进程中的重要数据源[13]。文章通过暗像元法对安阳市2016～2017年的MODIS数据进行分析，反演得到在此期间安阳市气溶胶光学厚度时空分布。卫星图像上，暗像元是是指在可见光波段反射率极低的区域，这些区域通常为陆地上浓密植被区、土壤潮湿地区以及水体覆盖区。实验研究表明，在晴朗天气的暗像元上空，卫星观测发射率与大气AOD之间是单调增加的关系，利用这种单调关系来反演AOD的算法称作暗像元法。Kaufman[14]通过研究证明，在植被覆盖茂密区域，大气气溶胶对中红外波谱区域的干扰很微小甚至没有，进而可以认为地面目标物的反射率与传感器观测得到的表观反射率基本一致，红、蓝与中红外波段的地表反射率之间的线性关系如下：

利用6S模型结合暗像元法[16]来反演研究区的气溶胶光学厚度，因为对气溶胶特性空间分布的详细了解，也是了解污染机制、控制污染源的前提[17]。其基本思路是利用6S模型循环生成的查找表获取大气程辐射、大气总透过率、行星反照率等大气参数；利用暗像元法获取红、蓝波段的地表反射率数据；然后通过大气辐射传输公式计算出卫星传感器接收到的理论表观发射率，当理论表观反射率与红、蓝波段实际表观反射率相同或接近时，则对应大气参数条件下的气溶胶光学厚度值，即为反演的气溶胶光学厚度。在此基础上，根据气溶胶光学厚度与地表可吸入颗粒物浓度线性关系，得到可吸入颗粒物浓度的直接反演体系。

具体技术方法：先进行MODIS数据发射率和反射率的几何校正、合成以及裁剪[1]。将校正好的发射率和反射率影像，导入安阳市主城区范围的矢量文件对其进行裁剪，然后得到合成裁剪结果。下一步进行角度数据的合成、重采样、几何校正及裁剪，将卫星天顶角、卫星方位角、太阳天顶角、太阳方位角四个角度数据合成一个文件，由于HDF中的角度数据是扩大了100倍的，所以需要利用BandMath波段运算工具进行计算，并将研究区范围裁剪出来。接着进行云检测和处理，云量的多少会影响数据的质量，会对监测结果造成影响，因此进行云检测并去除云和奇异像元。最后进行气溶胶反演是使用暗像元法，结合IDL的 modisaerosolinversion工具，并利用查找表进行气溶胶浓度的查找，气溶胶反演的查找表通常是利用IDL调用6S辐射模型得到的，采用的是一般的参数。

3.1 选取监测点位布设范围

本研究利用由生态环境部环境卫星应用中心提供的卫星遥感资料获取安阳市及周边区域范围的颗粒物(PM2.5和 PM10)等大气环境污染物浓度，通过分析安阳市大气环境污染物浓度场的时空变化特征，并参考《环境空气质量监测点位布设技术规范(试行)》(HJ 664—2013)，确定安阳市环境空气质量监测点位网格化监测布设范围，作为现有监测点位调整和优化的参考依据。

3.2 遥感监测与地面监测结果对比

将卫星遥感反演数据与环境空气监测得实测数据进行相关性比对分析，统计分析结果绘制成图(图1、图2)，结果如下。

图1 地面监测与遥感反演的PM2.5浓度相关性分析Fig.1 Correlation analysis of PM2.5 concentration between ground monitoring and remote sensing inversion

图2 地面监测与遥感反演的PM10浓度相关性分析Fig.2 Correlation analysis of PM10 concentration between ground monitoring and remote sensing inversion

从相关分析结果(图1)中可以看出，遥感反演与地面监测的 PM2.5结果相关系数约为 0.95，比例系数为 0.59，这说明二者总体保持较好的相关性，卫星遥感监测结果略低于地面监测结果。遥感反演与地面监测的 PM10结果相关系数约为 0.96，比例系数为 0.72，这说明二者总体保持较好的相关性，卫星遥感监测结果略低于地面监测结果。

图3 地面监测与遥感反演的PM2.5对比图Fig.3 Comparison of PM2.5 from ground monitoring and remote sensing inversion

从相关分析结果(图2)中可以看出，遥感反演与地面监测的 PM10结果相关系数约为 0.96，比例系数为 0.72，这说明二者总体保持较好的相关性，卫星遥感监测结果略低于地面监测结果。

从对比分析图(图4)中可以看出，遥感反演与地面监测的月均PM10月际变化趋势具有较好的一致性，并且在大部分月份二者数值均较为接近，2017年1月二者差异较大(地面监测PM10月均浓度为263μg/m3，而遥感反演结果为172μg/m3)。

图4 地面监测与遥感反演的PM10对比图Fig.4 Comparison of PM10 from ground monitoring and remote sensing inversion

从1991～2020年各月平均气温来看(图5)，冬季平均气温最低，远低于全年气温平均值14.2℃，尤其1月的月平均气温降到了-1.2℃。冬季温度低，导致安阳地区气溶胶和水汽容易凝结成云。

根据云量观测资料，统计了冬季各月的天空状况(图6)，12月和1月阴天天数多于晴天，其中1月阴天比晴天多7天，2月阴天和晴天天数持平。当天空状况较差，由于云层遮挡，卫星遥感无法获取到近地面的大气环境信息。

图5 安阳市1991～2020年气温气候月均值Fig.5 Monthly mean temperature and climate in Anyang City from 1991 to 2020

图6 安阳市2016年12月～2017年1月天空状况Fig.6 State of the sky in Anyang City from December 2016 to January 2017

从PM2.5和PM10的卫星遥感反演与地面监测结果对比情况来看，二者总体上较为吻合，变化趋势基本一致，浓度数值也较为接近，在冬季(1月份)遥感结果明显低于地面监测结果。这主要由于冬季温度低，相对湿度增加，增加了气溶胶的大小且改变了它们的化学成分和复折射指数，因而气溶胶对光的吸收和散射效应也相应发生改变[18]；河南地区气溶胶和水汽容易凝结成云，而云对MODIS数据信息的准确性有一定的影响[19-20]，此时卫星遥感无法获取到近地面的大气环境信息。由此可知本研究提出的方法具有一定可行性。

3.3 基于颗粒物浓度场的城区布点区域选取

考虑到地面站点主要布设在建成区，建成区分布在四个行政区内，根据2016～2017年安阳市辖区两年的PM2.5和PM10平均浓度的空间分布，并以安阳市4个行政区为边界，统计区域内527个象元网格的颗粒物浓度分布密度，并计算出市辖区20、50、70、80、90百分位数和区域均值，以颗粒物浓度在20百分位数以内的区域作为区域背景点参考范围，以颗粒物浓度在区域均值和80百分位数之间的作为区域评价点参考范围，以颗粒物浓度在90百分位数以上的地区作为城市污染点参考范围。

图7 2016～2017年建成区PM10不同浓度区间的空间Fig.7 Space of different concentration intervals of PM10 in the built-up area from 2016 to 2017

图8 2016～2017年建成区PM2.5不同浓度区间的空间分布Fig.8 Space of different concentration intervals of PM2.5 in the built-up area from 2016 to 2017

安阳市建成区PM10平均浓度为122.27μg/m3，20、70和80百分位数浓度值分别为118.75μg/m3、124.74μg/m3、125.62μg/m3。由图7可知，安阳市建成区PM10浓度低于20百分位数的地区主要分布在龙安区和文峰区南部区域，共105个象元，PM10浓度在80百分位数以上的地区主要分布在4个市辖区中间区域，共106个象元，其中在文峰区分布最广；PM10浓度在均值与80百分位数之间的区域主要分布在龙安区月文峰区高于80百分位数区域外围的3km内，以及殷都区和北关区北部区域，共计167个象元。

安阳市建成区PM2.5平均浓度为64.27μg/m3，20、70和80百分位数浓度值分别为61.84μg/m3、65.98μg/m3和66.59μg/m3。由图8可知安阳市市辖区PM2.5质量浓度在20百分位数以下的地区主要分布在龙安区和文峰区南部，共107个象元；PM2.5浓度均值在80百分位数以上的地区主要分布在市辖区中间区域，共106个象元，主要分布在文峰区；PM2.5浓度在均值与80百分位数之间的区域主要分布在龙安区和文峰区80百分位数以上区域的周围约2km缓冲区内，以及殷都区和北关区北部地区，共计约169个象元。

70百分位数以上的区域是安阳市建成区，该城市原有4个国控点位均位于90百分位数以上，整体代表性不强，需要做相应调整规划。

3.4 网格比选

根据《环境空气质量监测点位布设技术规范(试行)》(HJ 664-2013)中环境空气质量评价城市点位布设要求，将安阳市建成区划分为35个网格，结合安阳市现状及未来城市发展规划，现将安阳市建成区不完全均等划分为5个不同区块(图9)，其中区块①包含6、7、8、15、16、17等6个网格；区块②包括21、22、30、31、39、40等6个网格；区块③包括23、24、32、33、41、42等6个网格及25、34、43部分网格；区块④包括26、27、35、36、44、45等6个网格及25、34、43部分网格；区块⑤包括26、27、35、36、44、45等6个网格51、52、53、54、60、61、62、63等8个网格。其中铁佛寺点位位于区块②，红庙街及银杏小区点位位于区块③，环保局点位位于区块④，区块①、⑤内均无环境空气质量监测评价城市点。

3.5 网格化分析

安阳市中心城区规划区块划分如图10所示，因城市发展迅速，城市功能区扩张，导致安阳市规划发展中的建成区内，环境空气质量监测评价城市点布局紧凑，分布不均，主要集中在城区中部的区块②、③、④内，且在区块②内布设了2个环境空气质量监测评价城市点，导致监测点位辐射城市范围小，代表性不足，因此综合考虑点位布设的代表性和前瞻性，使安阳市建成区内的评价点能够兼顾未来城市空间格局变化趋势，并客观反映一定空间范围内的环境空气质量水平和变化规律，需对安阳市环境空气质量监测评价城市点进行优化，并按照《环境空气质量监测点位布设技术规范(试行)》(HJ 664-2013)逐步完成点位调整。

图10 安阳市建成区区块分析Fig.10 Block analysis of Anyang City built-up area

根据《安阳市“十三五”住房规划(2016-2020)》及安阳市古城修复改造规划，综合考虑建议将区块②铁佛寺点位适当向南调整至30号网格内，将区块②内红庙街点位撤销，并在尚未布设监测点位的区块①内新增环境空气质量评价城市点位，在15号网格新增环境空气质量监测评价城市点，将区块④内保留信访局点位，区块⑤内不建议新增环境空气质量监测评价城市点。

考虑到安阳市城市自然地理、土地利用、气象等综合环境因素，结合安阳市工业人口等社会经济特点、2016年～2017年卫星遥感监测情况、功能区设置及未来城市发展规划等基本城市信息，并根据安阳市目前环境空气质量监测评价城市点历史沿革及现状，及《安阳市城市总体规划(2011-2020年)》，建议至2020年安阳市新建城市区域内增设1～2个环境空气质量监测评价城市点，即可满足《环境空气质量监测点位布设技术规范(试行)》(HJ 664-2013)，且点位布局合理，分布均匀。

4 结 论

利用卫星遥感监测技术对安阳市环境空气质量监测点位进行优化分析，卫星遥感数据通过数据模型计算进行模拟反演，并将模拟得出的颗粒物数据结果与实际监测得到数据结果进行对比分析，表明本研究结果与实际结果较为接近，利用模拟数据点位调整优化过程中去，找到代表性强的监点位，从而准确、真实地反映城市环境空气质量水平。该方法得到实践应用，通过实施初步铁佛寺点位调整优化，城市区域评价点代表性更强，符合优化遥感预测结果。结论：

(1)卫星遥感观测在点位优化中筛选代表性区域是可行的，能够准确反应城市区环境质量的不同评价区域和等级。

(2)在卫星遥感观测等工作的基础上，初步选定能够反映城市环境空气质量平均水平的区域，再根据实测技术规范要求，在适合布点的区域进行复选，为安阳市环境空气质量监测点位布设范围，作为现有监测点位调整和优化的参考依据，解决了原有网格点实测的诸多问题。

(3)卫星遥感观测数据与颗粒物实测数据一致性是可信的，两者相关性比较一致。但有一定局限性，现在还无法反演SO2、NO2、CO和O3气态污染物演变和特征。