李旭文，牛志春，姜晟，丁銘，蔡琨

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210036)

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·前沿評(píng)述·

基于Landsat 8衛(wèi)星OLI影像遙感反演鹽城市區(qū)域大氣能見(jiàn)度狀況

李旭文，牛志春，姜晟，丁銘，蔡琨

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210036)

利用遙感軟件ENVI 5.2的FLAASH大氣校正模塊,對(duì)鹽城市2013—2014年共22景Landsat 8衛(wèi)星OLI影像進(jìn)行了區(qū)域大氣能見(jiàn)度遙感反演，并與鹽城市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站的空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站的PM10、PM2.5以及當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)的能見(jiàn)度觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，OLI遙感影像可以對(duì)區(qū)域尺度大氣能見(jiàn)度進(jìn)行有效的觀測(cè)，反演的區(qū)域性大氣能見(jiàn)度水平與地面空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果存在消長(zhǎng)關(guān)系，與地面能見(jiàn)度數(shù)據(jù)有近70%的一致性。

Landsat 8 OLI；區(qū)域大氣能見(jiàn)度；遙感反演；空氣質(zhì)量；鹽城市

空氣質(zhì)量的下降常表現(xiàn)為空氣渾濁，導(dǎo)致能見(jiàn)度降低的“霧霾”天氣，人群對(duì)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)劣最直接的感受為是否因霧霾導(dǎo)致的能見(jiàn)度顯著降低[1-2]。在氣象觀測(cè)中，大氣能見(jiàn)度一般通過(guò)氣象視距(Meterological range)來(lái)衡量，是表征大氣透明程度的一個(gè)重要的物理量[3-5]，也是開(kāi)展污染天氣預(yù)報(bào)預(yù)警的重要指標(biāo)參數(shù)。鹽城市雖然地處蘇北沿海，大氣擴(kuò)散條件相對(duì)較好，但由于緊鄰長(zhǎng)三角地區(qū)，近年來(lái)工業(yè)、交通、生活排放以及外源輸送等多種因素，區(qū)域大氣污染防治問(wèn)題也面臨新的挑戰(zhàn)。

大氣能見(jiàn)度主要通過(guò)地基儀器進(jìn)行觀測(cè)[6]，反映的是觀測(cè)基站附近一定半徑范圍的空氣質(zhì)量狀況，如果要監(jiān)測(cè)區(qū)域性大氣能見(jiàn)度的空間分布，則需要設(shè)置大量的地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站，往往受到能力建設(shè)投入的限制。近年來(lái)，隨著衛(wèi)星遙感信息的愈加豐富和獲取的及時(shí)性，基于衛(wèi)星遙感影像自身信息反演區(qū)域的大氣能見(jiàn)度水平、得到氣溶膠光學(xué)厚度(AOT)的空間分布，進(jìn)而使得對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量和灰霾進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究得到發(fā)展[7-10]，正在成為地面監(jiān)測(cè)的有效補(bǔ)充，且具有低成本、可有效監(jiān)測(cè)區(qū)域面上分布等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。侯東等[11]對(duì)北京地區(qū)Landsat TM影像表觀反射率用FLAASH大氣校正軟件處理，反演影像獲取時(shí)的氣象視距，與根據(jù)AERONET北京站氣溶膠光學(xué)厚度觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的氣象視距十分接近。文獻(xiàn)[12]等利用主流遙感軟件ENVI的FLAASH大氣校正模塊，對(duì)Landsat 7 ETM+數(shù)據(jù)遙感反演了太湖地區(qū)的區(qū)域大氣能見(jiàn)度信息，顯示與地面能見(jiàn)度觀測(cè)結(jié)果有很好的一致性，表明有很好的可行性和業(yè)務(wù)化價(jià)值。

2013年2月17日，新的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Landsat 8成功發(fā)射，當(dāng)年4月正式投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行，Landsat 8的新型傳感器OLI(Operational Land Imager)繼承了早期傳感器TM/ETM+成功的光譜技術(shù)特性，在技術(shù)性能上進(jìn)一步增強(qiáng)和優(yōu)化[13]。隨著老的Landsat衛(wèi)星的退役，Landsat 8確保了時(shí)間連續(xù)性最好的Landast系列長(zhǎng)達(dá)40多年的對(duì)地觀測(cè)能力，成為近年來(lái)全球環(huán)境問(wèn)題研究最新、最主要的公益性遙感數(shù)據(jù)源。由于Landsat 8 OLI繼承了先前TM/ETM+的光譜遙感能力且性能得以?xún)?yōu)化改善，和TM/ETM+類(lèi)似，可以探索利用OLI影像自身的光譜信息來(lái)有效反演區(qū)域大氣能見(jiàn)度水平?，F(xiàn)利用2013年以來(lái)的鹽城市OLI影像，對(duì)該區(qū)域大氣能見(jiàn)度信息進(jìn)行遙感反演提取，并與地面空氣自動(dòng)站、氣象觀測(cè)站獲得的涵蓋衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間的11:00的地面空氣污染物和能見(jiàn)度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析。

1 研究方法

1.1 Landsat 8 OLI傳感器技術(shù)特性

Landsat 8 星載OLI有9個(gè)光譜波段，各波段的波段范圍、中心波長(zhǎng)、輻射探測(cè)響應(yīng)能力等均根據(jù)衛(wèi)星遙感對(duì)地觀測(cè)的應(yīng)用需求進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，分辨率為15 m(全色波段)和30 m(多光譜波段)，與Landsat 7 ETM+相比(表1)，新增深藍(lán)波段1，主要用于海岸帶及陸域大型水面的水色及氣溶膠監(jiān)測(cè)，可用于近岸海域水質(zhì)、赤潮、滸苔、懸浮物的監(jiān)測(cè)和反演；新增卷云(Cirrus)檢測(cè)波段9，位于水分子強(qiáng)烈吸收譜段，可有效剔除強(qiáng)烈反射太陽(yáng)輻射的卷云對(duì)遙感帶來(lái)的干擾[14]。

表1 Landsat 8 星載OLI的技術(shù)特性及與Landsat 7 ETM+的比較

①全色。

1.2 區(qū)域大氣能見(jiàn)度遙感反演計(jì)算

大氣能見(jiàn)度代表了一定區(qū)域的大氣渾濁狀況，與空氣中PM10、PM2.5的質(zhì)量濃度以及水平和垂直方向空間分布有直接的關(guān)系[15]，是反映大氣氣溶膠特性、評(píng)價(jià)區(qū)域灰霾問(wèn)題的最重要的參數(shù)，晝間人眼能見(jiàn)度是指視力正常的人能從背景(天空或地面)中識(shí)別出具有一定大小的目標(biāo)物的最大距離，取決于正常人眼的視覺(jué)感閾(Contrast Threshold)。但是氣象觀測(cè)以及遙感應(yīng)用中表征區(qū)域大氣能見(jiàn)度使用的是具有客觀比較意義的氣象視距。在國(guó)際上最常用的MODTRAN輻射傳輸計(jì)算軟件中，大氣能見(jiàn)度(Visibility，VIS)定義為0.55 μm中心波長(zhǎng)的與水平方向大氣光學(xué)厚度有關(guān)的數(shù)值，采用以下公式來(lái)計(jì)算[16-17]：

(1)

E550為0.55 μm波長(zhǎng)處的氣溶膠消光系數(shù)，0.011 59為0.55 μm波長(zhǎng)處分子瑞利散射帶來(lái)的消光貢獻(xiàn)。由于大氣中的消光系數(shù)隨波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而減小，所以波長(zhǎng)增長(zhǎng)時(shí)，能見(jiàn)度將增大，一般采用0.55 μm波長(zhǎng)的消光系數(shù)近似表示可見(jiàn)光波段平均消光系數(shù)。除了沙塵暴、火山爆發(fā)等自然災(zāi)害天氣現(xiàn)象導(dǎo)致大氣中顆粒物粒徑譜顯著變化外，一般情形下在2.1～2.2 μm波長(zhǎng)處受到氣溶膠等導(dǎo)致的消光影響很小，也就是說(shuō)2.1(2.2) μm波長(zhǎng)對(duì)氣溶膠是“透明”的，受其影響甚微。

遙感影像反演區(qū)域能見(jiàn)度、也就是氣溶膠光學(xué)厚度的原理是基于“暗”目標(biāo)像元法[18]。Kaufman等[18]在全球大量光譜觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，經(jīng)統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，在航空和衛(wèi)星遙感影像中存在一些光譜上相對(duì)較“暗”的地物像元，其在一定的波段之間存在較為確定的反射率比值關(guān)系。例如，陸地稠密植被在短波紅外(中心波長(zhǎng)2.1～2.2 μm，對(duì)應(yīng)Landsat 8 OLI波段7)的反射率ρ2.1很低，通常<0.1，且與可見(jiàn)光的紅光波段的反射率ρ0.66(對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)為0.654 6 μm 的OLI波段4)、藍(lán)光波段的反射率ρ0.48(對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)為0.483 6 μm的OLI波段2)存在較穩(wěn)定的比率關(guān)系，見(jiàn)式(2)。符合式(2)約束關(guān)系的像元即為植被型“暗”像元。

ρ2.1≤0.1

ρ0.66=ρ2.1/2或ρ0.48=ρ2.1/4

(2)

在MODTRAN輻射傳輸模型中，選擇大氣模式和氣溶膠模式后，通過(guò)假設(shè)氣溶膠在邊界層的垂直方向濃度分布特征，可以將水平方向能見(jiàn)度和垂直方向的光學(xué)厚度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而得到氣溶膠光學(xué)厚度(AOT)[16]。因此，氣象視距概念的能見(jiàn)度VIS在MODTRAN中是確定大氣渾濁狀況的主要輸入?yún)?shù)。一旦確定了遙感影像景內(nèi)的能見(jiàn)度值，在假設(shè)的氣溶膠模式下，就可以得到氣溶膠光學(xué)厚度、大氣消光系數(shù)等遙感影像大氣校正所需的參數(shù)。

鹽城市地處亞熱帶北緣沿海濕潤(rùn)地區(qū)，茂密植被地物很多，對(duì)鹽城市OLI影像，以波段4和波段7的組合進(jìn)行“暗”像元搜索較適宜。根據(jù)多年來(lái)全球各地大量的遙感大氣校正應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，ENVI 5.2版的FLAASH推薦取ρ2.1上限為0.08，0.66和2.1 μm通道反射率比率關(guān)系取0.5，可更精準(zhǔn)地找到符合式(2)約束關(guān)系的“暗”像元集合。

2 數(shù)據(jù)資料

以WRS軌道號(hào)為119/37 的Landsat 8 OLI影像覆蓋的鹽城市為研究區(qū)域，該區(qū)域?yàn)榻畮啄陙?lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的江蘇沿海地區(qū)。收集了USGS正式提供Landsat 8數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)下載服務(wù)以來(lái)，即自2013年4月—2014年底過(guò)境鹽城市的OLI影像數(shù)據(jù)共22景，部分影像有一定的云量，但是對(duì)遙感反演區(qū)域能見(jiàn)度不會(huì)帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的影響，因?yàn)楸辉茖訐踝∪炕虿糠痔?yáng)輻射的陰影區(qū)像元，只要在衛(wèi)星觀測(cè)的垂直方向的光程未受到云層的阻擋，又屬于較茂密的植被類(lèi)型，其ρ0.66和ρ2.1關(guān)系也能符合“暗”像元尋找的條件，即在可見(jiàn)光的0.66 μm中心波長(zhǎng)的波段陸面光譜反射特性對(duì)衛(wèi)星接收到的總輻亮度的貢獻(xiàn)占比越小越好，可以認(rèn)為衛(wèi)星傳感器接收到的陰影區(qū)的植被像元的輻亮度主體部分都是代表了大氣本身帶來(lái)的程輻射貢獻(xiàn)。

對(duì)TM、ETM+以及OLI影像反演大氣區(qū)域能見(jiàn)度的大量大氣校正處理經(jīng)驗(yàn)表明，只要有可供搜索的以茂密植被為組成的陸面“窗口”凈空區(qū)域，云量在50%以上甚至70%的Landsat影像均可以有效反演得到區(qū)域能見(jiàn)度數(shù)值。

2.1 空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

Landsat 8過(guò)境鹽城市時(shí)間為北京時(shí)間10:30前后，選取了區(qū)域內(nèi)鹽城市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站所設(shè)的環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站作為本研究參考的地方環(huán)保部門(mén)監(jiān)測(cè)的PM10、PM2.5數(shù)據(jù)源，查詢(xún)得到涵蓋了衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的代表10：00—11：00測(cè)量結(jié)果的11:00空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)均值數(shù)據(jù)。

2.2 能見(jiàn)度地面觀測(cè)數(shù)據(jù)

選取了鹽城市當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)、市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站所設(shè)的環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站安裝的芬蘭Vaisala公司PWD22能見(jiàn)度儀記錄的數(shù)據(jù)。由于鹽城市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站該儀器安裝、調(diào)試等原因，缺少部分時(shí)相的地面能見(jiàn)度觀測(cè)數(shù)據(jù)，且部分?jǐn)?shù)據(jù)還缺少系統(tǒng)、嚴(yán)密的儀器校訂，主要以當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)PWD22能見(jiàn)度儀記錄的數(shù)據(jù)作為對(duì)比。

鹽城市區(qū)域大氣能見(jiàn)度遙感反演結(jié)果、地面空氣質(zhì)量及能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2 。

表2 鹽城市區(qū)域大氣能見(jiàn)度遙感反演結(jié)果、地面空氣質(zhì)量及能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)①

①T為熱帶大氣模式，MLS為中緯度夏季大氣模式，MLW為中緯度冬季大氣模式；由于一景Landsat影像覆蓋區(qū)域面積約185 km×185 km，故氣溶膠模式統(tǒng)一設(shè)置為rural(鄉(xiāng)村)模式。

3 能見(jiàn)度遙感反演結(jié)果與地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在ENVI 5.2遙感軟件中，對(duì)上述22景影像完成輻射校正等預(yù)處理工作，得到輻亮度影像。在ENVI的FLAASH大氣校正工具中，對(duì)輻亮度影像進(jìn)行區(qū)域能見(jiàn)度遙感反演計(jì)算，需要在FLAASH中設(shè)置大氣模式、氣溶膠模式、氣溶膠反演方法、傳感器成像時(shí)間、影像中心的經(jīng)緯度等參數(shù)。傳感器成像時(shí)間、影像中心的經(jīng)緯度等從遙感影像的元數(shù)據(jù)文件中獲得。根據(jù)鹽城市所處地理位置和氣候特點(diǎn)，每年3—6月中旬、9月下旬—11月底大氣模式采用MLS(中緯度夏季)模式，6月下旬—9月中旬采用Tropical模式，12月—次年2月采用MLW中緯度冬季)模式。氣溶膠模式依賴(lài)的主要參數(shù)—能見(jiàn)度的反演采用多年來(lái)應(yīng)用實(shí)踐證明在全球范圍很有效的Kaufman-Tanre陸地像元法，利用Landsat 8 OLI傳感器的(4，7)波段對(duì)、即(0.654 6 μm，2.201 μm)暗像元法反演，統(tǒng)一取OLI 波段4與波段7的反射率比值關(guān)系為0.50，波段7的反射率上限閾值為不超過(guò)0.08，氣溶膠標(biāo)高取缺省值(1.5 km)，其余參數(shù)采用FLAASH軟件設(shè)置的缺省值，計(jì)算得到這22景影像的區(qū)域大氣能見(jiàn)度。與當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)觀測(cè)能見(jiàn)度數(shù)據(jù)的比較見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)，22景數(shù)據(jù)中，有8次遙感反演區(qū)域大氣能見(jiàn)度約10 km或更小，占36.4%，12次處于11～23 km范圍內(nèi)，占54.5%；2次超過(guò)23 km，占9.1%。表明2013年4月—2014年12月，Landsat 8觀測(cè)反演的區(qū)域大氣能見(jiàn)度總體上處于中低水平，代表潔凈大氣的高能見(jiàn)度(VIS>23 km)出現(xiàn)頻率并不高。為與地面氣象部門(mén)觀測(cè)值比較，考慮到PWD22能見(jiàn)度儀測(cè)量值精度在10 km量程內(nèi)為±10%，在20 km量程內(nèi)為±15%，故以數(shù)值差接近或<6 km作為星地反演(測(cè)量)結(jié)果較為接近的判斷。22景OLI影像反演區(qū)域大氣能見(jiàn)度數(shù)值有15次與地面數(shù)據(jù)相差<6 km，平均相差3.17 km，占68.2%；2次介于6～10 km之間，占9.1%；5次超過(guò)10 km，占22.7%。2014年1月27日、3月16日、9月24日、12月13日、12月29日共5次遙感反演和地面監(jiān)測(cè)值相差>10 km，剔除這5次衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演結(jié)果，以其余時(shí)相的數(shù)據(jù)分別繪制PM10-VIS(遙感反演)、PM2.5-VIS(遙感反演)散點(diǎn)關(guān)系圖，見(jiàn)圖2(a)(b)。

圖1 鹽城市區(qū)域大氣能見(jiàn)度遙感反演結(jié)果(VIS)與氣象部門(mén)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較

圖2 鹽城市區(qū)域大氣能見(jiàn)度遙感反演結(jié)果與當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)PM10、PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的散點(diǎn)關(guān)系

遙感反演區(qū)域大氣能見(jiàn)度VIS與PM10、PM2.5總體趨勢(shì)呈消長(zhǎng)關(guān)系。分別以線性、指數(shù)、對(duì)數(shù)、冪次關(guān)系分析相關(guān)性，以?xún)绱位驅(qū)?shù)擬合的相關(guān)性較高，VIS與PM10冪次擬合y=107.97x-0.466(y表示VIS，x表示PM10，下同)、R2=0.632 1，對(duì)數(shù)擬合y=-6.067 lnx+41.191、R2=0.640 9；VIS與PM2.5的冪次擬合y=54.357x-0.359、R2=0.599 9，對(duì)數(shù)擬合y=-4.533 lnx+31.7、R2=0.573。PM10質(zhì)量濃度>100 μg/m3、PM2.5質(zhì)量濃度>75 μg/m3時(shí)，多數(shù)情況下遙感反演值<10 km，很好地反映了大氣的消光特性。

文獻(xiàn)[10]分析Landsat 7 ETM+數(shù)據(jù)遙感反演太湖流域區(qū)域能見(jiàn)度與PM10的關(guān)系表明，PM10質(zhì)量濃度為0.05～0.10 mg/m3，遙感反演能見(jiàn)度下降劇烈，當(dāng)>0.09 mg/m3時(shí)，能見(jiàn)度普遍不高，發(fā)生灰霾天氣現(xiàn)象的幾率很大，對(duì)Landsat 8 OLI的數(shù)據(jù)也基本上驗(yàn)證了這一結(jié)論。此外，《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2015)中PM2.5質(zhì)量濃度的二級(jí)上限值設(shè)為75 μg/m3，與衛(wèi)星遙感反演區(qū)域大氣能見(jiàn)度水平有較好的對(duì)應(yīng)，即反演值如果在10 km左右甚至更低，則區(qū)域的PM2.5質(zhì)量濃度為75 μg/m3甚至更高，空氣質(zhì)量處于霾污染狀態(tài)。

部分時(shí)相星地結(jié)果相差較大，可能與遙感反演原理、地面儀器測(cè)量原理有關(guān)。在衛(wèi)星遙感反演方面，“暗”像元茂密植被主要分布在廣泛的鄉(xiāng)野地區(qū)，故結(jié)果偏重于反映區(qū)域性的整體狀況，且Landsat 8 OLI屬于寬波段傳感器，缺少對(duì)大氣柱水分含量精確定量反演的特征波段，因此在能見(jiàn)度反演時(shí)只能假設(shè)與選定的季節(jié)大致匹配的大氣水分柱含量，不一定準(zhǔn)確代表衛(wèi)星成像時(shí)刻的空氣相對(duì)濕度信息；在某些靜穩(wěn)、污染擴(kuò)散不暢的天氣條件下，城區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)不一定是水平均勻大氣，空氣污染物的城區(qū)-鄉(xiāng)村分布可能有較大的差別；在邊界層內(nèi)氣溶膠粒子數(shù)密度的垂向分布廓線也可能不滿(mǎn)足指數(shù)衰減假設(shè)，重污染天氣下氣溶膠濃度高、粒徑譜構(gòu)成比較復(fù)雜，AOT值大，F(xiàn)LAASH中“暗”目標(biāo)像元反演能見(jiàn)度、亦即氣溶膠光學(xué)厚度的算法可能未考慮到對(duì)這種較為極端的情況的處理。在地面儀器方面，PWD20 型等地基能見(jiàn)度儀安裝在城市建成區(qū)，利用前向散射測(cè)量原理測(cè)量中～低能見(jiàn)度天氣條件下的氣象視距，通過(guò)測(cè)量一小空氣氣團(tuán)體積(約0.1 L的小采樣值)中懸浮粒子對(duì)紅外光的前向散射強(qiáng)度來(lái)推算能見(jiàn)度。5次遙感反演和地面監(jiān)測(cè)值相差>10 km的原因?yàn)椋?/p>

(1)2014年1月27日，遙感反演值反映鹽城市區(qū)域能見(jiàn)度為25 km，地面測(cè)量能見(jiàn)度約13 km，雖然與遙感反演值有較大的差距，對(duì)本地區(qū)近年來(lái)空氣污染形勢(shì)而言，這還是一個(gè)不錯(cuò)的反映空氣質(zhì)量較優(yōu)良的值，地面同步的PM2.5質(zhì)量濃度為30 μg/m3,表明當(dāng)時(shí)鹽城城區(qū)細(xì)顆粒物濃度低、空氣質(zhì)量處于優(yōu)的狀態(tài)；

(2)2014年3月16日，反演結(jié)果顯示鹽城市區(qū)域的能見(jiàn)度約為23 km，F(xiàn)LAASH搜索到的“暗”像元分布較廣，主要分布在鹽城市南部及沿海地區(qū)。地面測(cè)量能見(jiàn)度約6.5 km，PM10質(zhì)量濃度為177 μg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度為117 μg/m3，表明鹽城市區(qū)處于中度污染狀態(tài)。星地監(jiān)測(cè)結(jié)果差異可能與PM10、PM2.5城鄉(xiāng)分布差異有關(guān)，見(jiàn)圖3。

圖3 2014年3月16日暗像元的空間分布(紅色顯示)

(3)2014年9月24日，反演結(jié)果顯示鹽城市區(qū)域的能見(jiàn)度約為32 km，地面同步的PM2.5質(zhì)量濃度為26 μg/m3，表明細(xì)顆粒物濃度低、處于優(yōu)的狀態(tài)，地面測(cè)量能見(jiàn)度為氣象部門(mén)15.5 km,環(huán)保部門(mén)接近20 km，均為本區(qū)域相對(duì)較高的、代表城市建成區(qū)的大氣能見(jiàn)度值，而且地面數(shù)據(jù)均來(lái)自于量程為0～20 km的PWD22能見(jiàn)度儀，超過(guò)量程上限均記錄為20 km?？紤]到儀器觀測(cè)原理、局地代表性與區(qū)域面上平均值既有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)、也可能存在城-鄉(xiāng)空間分異等因素，可認(rèn)為遙感反演得到的高值是有意義的，反映了鹽城市區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度較小、大氣較為潔凈；

(4)2014年12月13日，大氣能見(jiàn)度遙感反演值為19 km、地面監(jiān)測(cè)值為9.3 km，PM10質(zhì)量濃度為144 μg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度為70 μg/m3，空氣質(zhì)量接近二級(jí)上限，對(duì)照《霾的觀測(cè)和預(yù)報(bào)等級(jí)》(QX/T 113-2010)屬于輕微霾天氣。衛(wèi)星遙感反演數(shù)值偏高，具體原因不明，可能與氣溶膠的城-鄉(xiāng)空間分異有關(guān)；

(5)2014年12月29日，大氣能見(jiàn)度遙感反演值為13.5 km，地面監(jiān)測(cè)值為2.1 km，PM10質(zhì)量濃度為326 μg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度為126 μg/m3，對(duì)照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)，空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)屬于中度污染級(jí)別。衛(wèi)星遙感反演數(shù)值偏高，具體原因不明，可能與冬季靜穩(wěn)天氣、污染物不易擴(kuò)散和氣溶膠的城-鄉(xiāng)空間分布差別較大等有關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

2013—2014年Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)遙感反演區(qū)域大氣能見(jiàn)度的初步實(shí)驗(yàn)表明，近70%的星地監(jiān)測(cè)結(jié)果一致性較好，反映局地尺度的地面能見(jiàn)度測(cè)量值與面上的遙感反演值有較好的對(duì)應(yīng)。有約23%的星地監(jiān)測(cè)結(jié)果存在較大的差距(>10 km)，尤其是冬春季、空氣中度污染程度時(shí)，遙感反演的區(qū)域大氣能見(jiàn)度數(shù)值偏高，其原因尚不明確，初步推測(cè)大致緣于：星、地反演(測(cè)量)原理的不同，某些靜穩(wěn)天氣條件下，城市建成區(qū)內(nèi)工業(yè)源、機(jī)動(dòng)車(chē)排放等多種來(lái)源污染相互疊加，區(qū)域空氣水平和垂直對(duì)流擴(kuò)散不暢，可能導(dǎo)致城市與鄉(xiāng)村空氣中顆粒物濃度存在較大的空間分布差異。總體而言，Landsat 8 OLI和早期的TM、ETM+傳感器一樣，均能夠有效地監(jiān)測(cè)區(qū)域大氣渾濁情況，衛(wèi)星遙感反演值能夠較好地反映區(qū)域尺度的大氣能見(jiàn)度水平，是空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)信息的有益補(bǔ)充和重要參考。隨著我國(guó)今后大力發(fā)展大氣污染監(jiān)測(cè)專(zhuān)用衛(wèi)星應(yīng)用體系，對(duì)省、市級(jí)區(qū)域尺度大氣顆粒物、能見(jiàn)度等參數(shù)的遙感衛(wèi)星在軌在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)反演能力的形成勢(shì)在必然，可大大提高空氣污染預(yù)報(bào)預(yù)警水平，保障區(qū)域空氣質(zhì)量安全。

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欄目編輯 李文峻

Remote Sensing Retrieval of Regional Atmospheric Visibility in Yancheng from the Landsat 8 OLI Satellite Images

LI Xu-wen,NIU Zhi-chun,JIANG Sheng,DING Ming，CAI Kun

(JiangsuEnvironmentalMonitoringCenter,Nanjing,Jiangsu210036,China)

22 OLI (Operational Land Imager) images of Yancheng acquired by Landsat 8 from 2013 to 2014 were retrieved with ENVI 5.2 atmospheric correction module-FLAASH.They were compared with the data of PM10and PM2.5collected from air automatic monitoring sub-station of Yancheng Environmental Monitoring Center and the visibility data observed by local meteorological department.The results showed that the remote sensing image of OLI could efficiently monitor atmospheric visibility on regional scale,and the retrieval of regional atmospheric visibilities showed negative correlation with the monitoring results of ground automatic air quality measurements,which matched with ground visibility data at approximately 70%.

Landsat 8 OLI; Regional atmospheric visibility; Remote sensing retrieval; Air quality；Yancheng

2015-04-23

環(huán)保公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201309008)；江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)科研基金資助項(xiàng)目(1217)；高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(05-Y30B02-9001-13/15-WX2)

李旭文(1966—)，男，研究員級(jí)高工，碩士，從事環(huán)境信息系統(tǒng)、環(huán)境遙感應(yīng)用、生態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的研究工作。

X832

A

1674-6732(2015)05-0001-06