利用MODIS遥感监测PM10的方法研究

本文为了研究利用卫星遥感方法监测大范围可吸入颗粒物的空间分布,在利用MODIS卫星资料反演河北省晴天大气气溶胶光学厚度的基础上,将河北省11个城市地面监测站的可吸入颗粒物PM10浓度值与对应的大气气溶胶光学厚度AOD值作了相关分析,建立了大气气溶胶光学厚度AOD与PM10的关系模型,相关系数为O．5590,达到了0．001以上的显著水平。经多次应用效果检验,平均误差为17％。结果表明,利用晴天AOD与地面PM10质量浓度的关系模型可以有效地监测PM10的空间分布。     

中国东南地区及近海海域气溶胶反演遥感研究

大气气溶胶在很多生物地球化学循环中具有重要作用,但是由于它的来源广泛并且具有很大的时空变化性,难以在全球范围内精确、实时确定气溶胶的性质、组成及时空分布,因而对大气气溶胶的研究依赖于监测手段的发展。地基试验能获取点源的大气气溶胶光学厚度(AOD)的地面测量数据,得到的气溶胶光学厚度用于卫星数据的预处理以及气溶胶光学厚度反演的精度验证。而经过地基校验后的卫星遥感数据,可以反映大范围内实时动态的气溶胶信息。利用MODIS资料和地基探测的太阳光度计资料,对中国东南地区及近海海域的大气气溶胶光学特性进行了分析,讨论了适用于中国东南地区的大气气溶胶模型;利用连续的太阳光度计数据对MODIS资料的反演结果进行校验,结果表明：改进气溶胶模型和采用连续波段太阳光度计探测数据,可以提高MODIS AOD的校验结果。     

高时空分辨率PM_(2.5)浓度土地利用回归模拟与制图

针对传统地面监测手段稀疏获取PM2.5浓度的缺陷,该研究在利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感影像反演500m空间分辨率气溶胶光学厚度(AOD)的基础上,辅以人口密度、植被叶面积指数等地理特征要素,构建了研究区时均尺度PM2.5浓度土地利用回归(LUR)模型,并与经典克里格插值方法(OK)对比进行精度评价。结果表明:(1)研究区内部AOD存在明显空间分异,中心城区AOD值高于周边地区;(2)融合AOD要素的最优LUR模型相关系数可达0.51;(3)相比OK方法,LUR模型生成的PM2.5浓度图可客观反映研究区空气污染的空间变化。研究表明,融合遥感气溶胶数据的LUR模型可在短时间尺度准确模拟地面高空间分辨率PM2.5浓度。     

高分六号卫星遥感估算大气细颗粒物方法研究北大核心CSCD

针对目前利用高分六号卫星开展地区高空间分辨率大气细颗粒物监测研究较少的问题,提出了基于高分六号卫星宽幅相机数据的气溶胶光学厚度及大气细颗粒物遥感反演的技术方法,并在京津冀及周边地区开展了应用实验和对比分析。首先,基于改进暗像元法反演了高分六号卫星数据的气溶胶光学厚度;然后,结合地面大气细颗粒物监测数据与多种气象辅助数据,基于随机森林算法,构建了多参量综合的大气细颗粒物估算模型,对京津冀地区的大气细颗粒物浓度进行了估算。研究表明:高分六号气溶胶光学厚度反演结果与地基站点监测结果的相关系数为0.94,反演精度较高;大气细颗粒物估算结果与地基站点监测结果的决定系数达到0.79以上,较好地反映了京津冀地区的大气细颗粒物空间分布。     

基于MODIS影像的PM10反演——以北京市为例

提出了一种从MODIS影像上反演可吸入颗粒物浓度(PM10)的方法。该方法的基础为从MODIS影像上反演得到的3个可见光波段气溶胶光学厚度(AOD)计算的ngstrm-α。ngstrm-α与颗粒物粒径有关,根据ngstrm-α能够得到颗粒物有效半径,进而估算颗粒物浓度。反演的气溶胶光学厚度由AERONET北京站与香河站验证。PM10反演结果由北京市环保局发布的AQI反插得到的PM10(AQI)进行验证。结果表明:从MODIS影像上反演的3个可见光波段AOD与AERONET基站AOD具有良好的相关性,相关系数为0.923,均方根误差为0.149。该方法反演的PM10与PM10(AQI)相关系数为0.794,均方根误差为48.34(μg/m3)。     

基于随机森林的高分辨率 PM2.5 遥感反演 ——以广东省为例

细颗粒物(PM2.5)监测是大气污染治理的重要手段,受限于地面观测点的数量,从遥感反演 PM2.5 是常规地面观测的有效补充,是当前的研究热点。通常遥感反演 PM2.5 的思路是先反演大气气溶胶光学厚度,然后基于统计关系由大气气溶胶光学厚度反演 PM2.5。该方法容易造成误差传递,从而 导致反演模型的不稳定。该文提出了一种基于随机森林算法(一种机器学习算法)的 PM2.5 遥感反演方法,直接建立中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)影像与地 面实测 PM2.5 的关系,可以避免传统反演 PM2.5 时先反演大气气溶胶光学厚度带来的误差,最终得到精度更高的 PM2.5 反演结果。该方法先用随机森林算法对 MODIS 影像和经过克里金插值后的地面监测站PM2.5 数据进行训练和测试;然后,根据测试的均方根误差从多个模型中选取最优(均方根误差最小)的模型;最后,将此模型用于整幅 MODIS 影像,得到整个区域的 PM2.5 反演结果。实验选取了广东省 四个季节多幅 MODIS 影像数据进行验证,并通过决定系数和均方根误差两个表现指标进行对比和分析,验证了所提算法的优越性。     

基于并行计算的气溶胶定量遥感反演模型实现

为了加快气溶胶光学厚度(AOD)反演计算速度,基于SYNTAM串行算法,提出了循环分块划分和聚合通信的策略,利用消息传递模型,在中国气象局的IBM Cluster 1600高性能计算机系统上,并行实现了从MODIS双星(TERRA和AQUA)卫星数据反演AOD。试验结果表明该方法大大减少了计算时间,与地面太阳光度计实测AOD数据进行对比验证,发现所有站点处的AOD反演相对误差小于22%,表明这种并行方法可以满足高精度监测空气质量要求。     

基于GOCI卫星的大气细颗粒物PM2.5的遥感反演及其时空分布规律研究

随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快,大气细颗粒物PM_2.5已经成为影响我国大气环境污染的主要因素之一。利用静止卫星数据可以获取大范围的面状PM_2.5信息,为我国大气环境的监测、治理、预测等提供了不可替代的数据源。以江苏省为研究区,利用静止卫星GOCI数据,在反演逐时气溶胶光学厚度（AOD）的基础上,结合气象因子,利用多元统计分析进行了研究区PM_2.5的遥感反演研究。结果表明：基于AOD的多元统计模型,在估计的PM_2.5浓度和观测值之间表现出良好的一致性,拟合度R ²为0.665 2。在对AOD进行湿度订正后得到的dry AOD进行多元统计建模,预测的PM_2.5浓度与观测值之间的拟合度R ²达到了0.702 6,证明了经过湿度订正后的“干”AOD与PM_2.5之间建立的关系更加可靠。使用GOCI反演的AOD计算PM_2.5浓度,在空间分辨率和时间分辨率上充分体现了GOCI作为静止卫星监测PM_2.5的优势。在空间分分辨率上,基于GOCI卫星获取AOD的空间分辨率为500 m,优于MODIS 10 km的AOD产品;时间分辨率上,基于GOCI获取AOD实现每日自9:00~16:00逐小时监测,优于MODIS每日两次的AOD产品。     

乌海矿区AOD时空变化特征及影响因素

针对大气低空间分辨卫星遥感数据不能准确反映长时间序列矿区小尺度区域的大气环境问题,利用MODIS MAIAC高分辨率数据,分析2003—2018年乌海矿区气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)时空变化特征,采用Theil-Sen median趋势分析、Mann-Kendall检验方法、Pearson相关系数法,分析像元尺度AOD空间变化趋势和AOD与6个影响因子的相关性。结果表明,乌海矿区年际和季度AOD空间分布有明显的差异;乌海矿区年际AOD均值整体呈下降趋势,季度AOD变化秋季最高,春季和冬季较高,夏季最低;大尺度AOD与人为因子呈正相关关系,与自然因子无显著相关性;像元尺度AOD与人为因子和气温因子呈正相关性分布,在中部煤矿开采区及工业园区,与风速和降水因子呈强负相关性分布,在南部,与植被指数的相关性呈分散分布。     

Himawari-8气溶胶产品的验证及应用

为准确分析中国地区气溶胶空间分布与时间变化特征规律,首先利用中国地区9个AERONET（Aerosol Robotic Network）地基站点观测资料对新一代静止气象卫星Himawari-8气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth, AOD）产品数据进行一致性验证,并在此基础上选取2015年7月至2018年4月Himawari-8逐小时AOD数据分析了中国地区气溶胶光学厚度时空变化特征。结果表明：①Himawari-8 AOD与AERONET AOD之间相关性很高,9个站点的相关系数R在0.64 ~ 0.91之间,拟合曲线斜率k的范围为0.57 ~ 0.68。②Himawari AOD产品与AERONET AOD的相关性在中午时段较其他时段相对较低;北方地区Himawari-8 AOD冬季反演效果与夏季相比较差,南方地区则相反。③中国地区年平均AOD呈东高西低分布,春、夏两季AOD明显高于秋、冬两季,其中夏季最高,春季次之;地区间AOD月变化差异也较大;大部分地区AOD日变化呈现先下降后上升再下降的趋势,AOD最高值出现在午后14 ~ 16时,最低值出现在18时。研究结果为了解中国地区大气气溶胶的时空变化规律和全天时的大气污染监测方法提供新的参考。     

Himawari-8气溶胶产品的验证及应用

为准确分析中国地区气溶胶空间分布与时间变化特征规律,首先利用中国地区9个AERONET(Aerosol Robotic Network)地基站点观测资料对新一代静止气象卫星Himawari-8气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)产品数据进行一致性验证,并在此基础上选取2015年7月至2018年4月Himawari-8逐小时AOD数据分析了中国地区气溶胶光学厚度时空变化特征。结果表明:①Himawari-8 AOD与AERONET AOD之间相关性很高,9个站点的相关系数R在0.64～0.91之间,拟合曲线斜率k的范围为0.57～0.68。②Himawari AOD产品与AERONET AOD的相关性在中午时段较其他时段相对较低;北方地区Himawari-8 AOD冬季反演效果与夏季相比较差,南方地区则相反。③中国地区年平均AOD呈东高西低分布,春、夏两季AOD明显高于秋、冬两季,其中夏季最高,春季次之;地区间AOD月变化差异也较大;大部分地区AOD日变化呈现先下降后上升再下降的趋势,AOD最高值出现在午后14～16时,最低值出现在18时。研究结果为了解中国地区大气气溶胶的时空变化规律和全天时的大气污染监测方法提供新的参考。     

Himawari-8气溶胶产品的验证及应用

为准确分析中国地区气溶胶空间分布与时间变化特征规律，首先利用中国地区9个AERONET（Aerosol Robotic Network）地基站点观测资料对新一代静止气象卫星Himawari-8气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth, AOD）产品数据进行一致性验证，并在此基础上选取2015年7月至2018年4月Himawari-8逐小时AOD数据分析了中国地区气溶胶光学厚度时空变化特征。结果表明：①Himawari-8 AOD与AERONET AOD之间相关性很高，9个站点的相关系数R在0.64 ~ 0.91之间，拟合曲线斜率k的范围为0.57 ~ 0.68。②Himawari AOD产品与AERONET AOD的相关性在中午时段较其他时段相对较低；北方地区Himawari-8 AOD冬季反演效果与夏季相比较差，南方地区则相反。③中国地区年平均AOD呈东高西低分布，春、夏两季AOD明显高于秋、冬两季，其中夏季最高，春季次之；地区间AOD月变化差异也较大；大部分地区AOD日变化呈现先下降后上升再下降的趋势，AOD最高值出现在午后14 ~ 16时，最低值出现在18时。研究结果为了解中国地区大气气溶胶的时空变化规律和全天时的大气污染监测方法提供新的参考。     

2008~2016年MODIS多角度大气校正气溶胶产品在中国的时空分布及变化趋势

探究全国大气气溶胶分布及变化特征,准确了解中国地区气溶胶光学特性对研究大气环境污染、应对全球气候变化是非常重要的。对2008~2016年的MODIS MAIAC气溶胶光学厚度数据在中国的适用性进行验证,并采用Mann-Kendall方法,从不同的时空尺度和气溶胶类型上分析中国地区AOD值的时空变化特征。结果表明：①验证表明C6的MAIAC反演结果在中国AERONET匹配点上表现良好,C6的MAIAC反演AOD结果适用于中国区域;②从年际尺度上看,2008~2016年AOD年均值整体呈波动下降;从季节尺度上看,AOD季节变化呈春季整体高、夏季中心高、秋冬季水平低的特点,各省AOD平均值及各省份划区AOD平均值随季节变化趋势相似。③在空间上,AOD呈东南高、西北低、高值中心聚集的特征。④中国AOD变化整体呈现出东部减少且集聚,西部增加且分散的变化特征。可进一步探究不同种类气溶胶分布和气溶胶与典型大气污染物分布关系,以期为中国环境污染治理提供更好的决策指导。     

利用支持向量机遥感估算京津冀细颗粒物浓度

针对传统地面监测手段难以获取全面的细颗粒物(fine particulate matter,PM_(2.5))浓度信息,以2015年3月份京津冀地区PM_(2.5)污染状况为研究对象,将卫星遥感产品气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)作为单变量输入构建支持向量机回归模型,得到的预测值与真实值的R~2为0.525,相对误差为44.6%。鉴于相对湿度(relative humidity,RH)和边界层高度(planetary boundary layer height,PBLH)是PM_(2.5)形成机制的重要影响因素,遂将RH、PBLH与AOD一起作为输入特征构建支持向量机回归模型预测PM2.5,得到的结果 R~2为0.729,相对误差为33.3%。研究结果表明:基于AOD、RH、PBLH为输入特征构建的支持向量机回归模型能够较好地从空间层次预测PM_(2.5)质量浓度。     

天宫二号数据大气细颗粒物遥感反演

针对天宫二号(TG-2)大气细颗粒物遥感反演及可行性问题,利用TG-2宽波段成像仪的可见近红外波段数据,结合MOD09A1地表反射率产品构建地表反射率库,使用6S传输模型和深蓝算法反演气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD),并结合能见度和相对湿度数据对AOD进行订正,利用统计模型估算了鲁豫皖典型地区的大气细颗粒物PM_2.5浓度,并对PM_2.5浓度的空间分布进行分析。结果表明：天宫二号数据在AOD和PM_2.5遥感反演中具有较高的可行性,拟合度分别达到0.910和0.902;经过垂直订正和湿度订正,PM_2.5和AOD之间的相关性大幅度提高;PM_2.5的空间分布呈“污染岛”特征,这在气溶胶排放和扩散研究中起着重要作用。天宫二号PM_2.5反演为区域大气污染监测提供了一种有效手段。     

京津唐地区PM_(2.5)遥感估算与区域传输

近年来PM_(2.5)污染事件频发,PM_(2.5)对人类健康造成了重大威胁。各领域学者针对PM_(2.5)的研究很多,但对其来源尚存在很多争论。该文利用MODIS卫星遥感数据反演了京津唐气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD),进而估算了京津唐地区2013年1km分辨率AOD分布和PM_(2.5)时空分布,并利用研究区内AERONET观测数据对反演AOD进行验证。中国环境监测总站在京津唐地区24个PM_(2.5)实测站点监测数据对AOD-PM_(2.5)模型进行了训练和检验。结果表明,气溶胶遥感估算模型和AOD-PM_(2.5)模型精度均较高,2个气溶胶监测站点对气溶胶遥感估算模型的验证R2分别达到了0.558和0.598,AOD-PM_(2.5)模型4个季节的估算结果与实测值的相关系数R2值分别为0.36、0.64、0.56、0.62,除春季外,其他季节模型拟合精度较高。研究结果表明,利用经过高度校正和湿度校正后的气溶胶干消光系数与温度、风速等气象因子建立PM_(2.5)与AOD之间的线性回归模型,能够获得高分辨率和精度的PM_(2.5)质量浓度空间分布。结合HYSPLIT_4气流轨迹分析能够进一步分析PM_(2.5)的空间传输特征和路径,为进一步分析区域大气污染以及污染来源提供了一种有效手段。     

基于HJ-1卫星数据反演长江三角洲地区气溶胶光学厚度

探索利用我国HJ-1卫星CCD数据,运用深蓝算法开展长江三角洲地区气溶胶光学厚度反演的可行性,并将结果与其他气溶胶光学厚度产品进行比较。针对HJ-1A和HJ-1B数据,反演结果分别与MODIS气溶胶光学厚度产品以及AERONET地基观测数据进行对比验证。结果表明:深蓝算法得到A星、B星的反演结果与MODIS气溶胶产品呈显著相关,但在数值上普遍高于MODIS产品;反演结果与AERONET站点数据之间的误差介于0.008~0.364之间,研究时段内站点数据缺乏,未对误差进行严格的统计分析。基于深蓝算法的HJ-1卫星数据反演结果虽然在数值上与MODIS气溶胶光学厚度产品存在系统性偏差,但在空间上能够较好地反映长江三角洲地区大气气溶胶分布状况,且具有空间分辨率高的优势。     

徐州市气溶胶光学厚度时空分布遥感监测与分析

针对大气污染事件的多发性和大气环境质量分布的时空复杂性,联合地基与卫星观测数据,对2013年7月~2015年5月期间淮海经济区的中心城市徐州市的气溶胶光学厚度的时空变化特性进行分析。分析结果表明:1)2014年徐州市气溶胶光学厚度存在季节差异,月均值波动性显著,不同天气条件下气溶胶光学厚度日变化差异显著,体现在晴好天气稳定保持在低值范围,秸秆焚烧日随时间积累上升,雾霾发生时则整日呈高值。2)徐州市气溶胶光学厚度存在空间分布差异:西北部区域以及靠近市中心区域出现气溶胶光学厚度相对高值的月份较多,东南部区域则相对较低;且气溶胶光学厚度的空间分布存在较大范围的区域性特征。     

暗目标法从风云三号数据反演陆地气溶胶

针对2013年发射升空的FY-3C星的中分辨率光谱成像仪(MERSI)应用气溶胶反演较少的不足,开展了暗目标法反演陆地气溶胶的应用研究,为研究气候变化、大气环境监测等提供数据支撑。在MODIS暗目标法基础上,针对FY-3C/MERSI数据反演陆地气溶胶,使用6SV完成辐射传输计算建立大气参数查找表,采用IDL的HDF5读写接口完成数据提取与辐射定标,利用蓝光波段(470nm)与短波红外波段(2 130nm)的线性关系分离出大气信息,插值大气参数查找表得到气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)。2014年5月15日华北地区的算法应用表明,该算法能较好地监测空气污染的分布。2014年5月的MERSI数据反演结果与同期AERONET香河站的气溶胶产品比对表明,该算法与地面观测结果有着较好的一致性,相关系数优于0.8。     

MODIS气溶胶光学厚度产品和激光雷达数据在大气颗粒物监测中的应用

遥感反演是区域尺度上近地面颗粒物数据获取的有效手段。利用激光雷达观测的消光系数垂直分布、地面相对湿度、风速等数据,对无锡市MODIS(中分辨率成像光谱仪)气溶胶光学厚度(AOD)产品进行垂直、湿度和风速订正,并用研究区域中7个地面站点的PM_(10)和PM_(2.5)浓度监测数据对订正结果进行评估。结果表明:经过订正的MODIS AOD产品与地面监测数据具有良好的相关性,其中与PM_(10)的决定系数达到0.452,与PM_(2.5)的决定系数达到0.449,说明MODIS AOD产品经相关订正后,可用于无锡及其附近地区地面空气污染的监测。在MODIS AOD产品的垂直订正方面,利用激光雷达数据的订正效果好于利用能见度数据的订正效果。在遥感与实测数据的相关性季节变化方面,夏季相关性最高,秋季次高,春季较低,冬季最低。