城市大气遥感监测：原理、方法和应用

中国城市规模排在前列的500个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。监测指标包含21.1节提到的六项污染物。对这些污染物的监测及分析在空气质量指标的评价体系中发挥着重要的作用。各地的空气质量监测站点，可对特定区域内的空气质量进行实时监测，但站点分布不均一，监测覆盖有效范围有限，仅能获取小范围区域内特定时间的污染物浓度，不利于对污染物浓度分布状况进行监测及表达，因此通过监测数据对污染物浓度进行由点到面的扩展监测尤为重要。有研究人员通过地面监测数据结合气象及社会数据(POI数据等)，进行PM2.5浓度由点到面的监测及预报工作(Xu et al.，2019)。目前国内外遥感技术在大气污染与城市环境保护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规律和影响范围等信息。一方面，遥感可观测到大气中气溶胶类型及其含量、分布情况与大气微量气体的铅垂分布；另一方面，城市植物对大气环境的指示作用可对城市大气环境质量进行判别，通过地物波谱测试数据、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，并建立城市大气污染的评价模型，进行城市大气环境评估分析。

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。应用于大气环境监测的电磁波谱范围主要是近紫外线到红外线范围(0.4～25μm)，以及微波范围(10～200GHz)。

在遥感监测中，需要在自然光充分的条件下，利用地表之上漫射光所汇聚的光源。相关光谱技术基于光的吸收原理，在紫外光和可见光范围内，受监测气体选择吸收特定波长的光后，研究人员可以根据光强衰减程度来推算对象气体物的浓度。遥感监测系统装备装载在汽车或直升机上，目前监测污染物多为NO、NO2、SO2，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42～450nm，SO2为250～310nm。

目前，通过激光手段对大气污染进行监测的手段发展较为迅速。激光雷达作为一种主动遥感技术，具有单色性好、高度方向性以及能量集中等优点，因此具有良好的灵敏度和分辨率。散射作用在大气遥感中占有相当重要地位，主动探测系统多是基于这种作用机制而制造的。激光脉冲射入环境监测对象介质后会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。

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不同，监测可以分为定性和定量监测。图21-2为一个常见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，自动地获取连续测量的大气环境参数。

图21-2　地面组网环境监测系统示例(https://www.xing528.com)

不同程度和种类的大气污染会使遥感获取的数据存在一定程度上的失真。这种情况下，需要建立评估模型对整体的失真情况进行评价。通过地物波谱测试数据、彩色红外遥感影像以及常规监测数据，可以建立评估模型，并对城市内部的大气污染物进行监测。根据监测结果，可以对城市大气污染源分布、污染物扩散情况以及污染扩散影响、污染程度等进行研究，以确定影响城市大气环境质量的主导因素，并根据可持续发展的要求，通过一定措施对污染源进行治理，有效调节与改善城市大气环境质量。

大气中的气溶胶如烟雾、尘暴等悬浮污染物是影响大气质量的主要因素，通过遥感影像可以观察到它们的分布特征。大气气溶胶根据其种类及浓度不同，在影像上呈现的色调也不同。浓度高的区域，由于其反射率、散射率大，在影像上一般呈现白色，反之，呈现灰色。结合地面站点的定期监测采样，可以对其主要组成及分布情况进行分析。通过长时间序列的监测及分析，可以获取大气污染的时空分布与变化规律。例如，NOx、SO2的图像灰度信息在TM1、TM3图像中均可以明显地看出。SO2往往与其他颗粒物聚集在一起出现在大气中，对光波产生散射，在遥感图像上显示为灰暗、模糊影像特征。同时，高分辨率影像还可以根据烟囱的地理位置来判别烟雾污染范围与程度。

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21-3为国家国家卫星气象中心利用FY-2D气象卫星影像监测到的大雾天气，气象中心可以通过影像进行大气环境状况的分析以及改善。

图21-3　气象卫星大雾监测图像(2008年12月8日10:30，中国气象局国家卫星气象中心)