專利名稱：：基于地氣耦合的大氣污染信息提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于大氣污染遙感
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及基于衛(wèi)星光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的污染氣溶膠定量遙感，即一種基于地氣耦合的大氣污染信息提取方法。
背景技術(shù)：
：衛(wèi)星遙感技術(shù)在瞬間大范圍獲取區(qū)域地表和大氣綜合信息，用于大氣污染情況調(diào)査可以獲得大氣污染在大面區(qū)域上的詳細(xì)空間分布情況，并在很大程度上避免了大氣污染時空易變性產(chǎn)生的誤差。另外，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)周期性重復(fù)覆蓋地球表面，非常有利于進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，故用遙感技術(shù)進(jìn)行大氣污染監(jiān)測具有廣闊的前景。大氣污染主要是通過污染產(chǎn)生的氣溶膠的散射和吸收而在遙感數(shù)據(jù)中得到反映。作為大氣污染的主要成份之一，人為成因的氣溶膠與大氣污染整體在強(qiáng)度和分布范圍上是緊密相關(guān)的。因此，人為氣溶膠可以作為大氣污染的指示物(Kaufinanetal,1990)，故稱為污染氣溶膠。從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取污染氣溶膠信息需解決兩方面的問題一是已知污染氣溶膠包括粉塵的光學(xué)特性并能根據(jù)其路徑散射光譜進(jìn)行反演。Y.J.Kaufhian，D.Tanre，TeruyukiNakajima等用分布于全球三十多個觀測站的地空同步觀測資料，得到了多種氣溶膠散射相函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)分布，并給出了氣溶膠光學(xué)厚度與路徑散射、下行散射與上行散射的經(jīng)驗(yàn)公式。但目前已進(jìn)行的研究多是將整個大氣層的氣溶膠當(dāng)作一個整體來研究，而大氣中的氣溶膠是由數(shù)種類型組成的，如何反演各類氣溶膠的組分，這方面的研究尚未見報(bào)導(dǎo)。另一個需要解決的問題是在遙感數(shù)據(jù)中將氣溶膠散射信息從多變的地面信息中分離出來。該問題一直未得到解決。目前對大氣污染的定量遙感只能在水體等反射率極低的地物上進(jìn)行。這些地物之上，象元信息主要是大氣分子和氣溶膠散射信息，忽略地物反射光譜并扣除分子散射后即可得到氣溶膠散射信息。Y.J.Kaufman等運(yùn)用該方法計(jì)算了大尺度小比例尺的大氣污染分布。但內(nèi)陸地區(qū)，特別是在城區(qū)，水體等低反射率地物的分布不連續(xù)，且面積、數(shù)量有限，所以該方法只能得出大尺度、低分辨率的結(jié)果。采用信息分解的辦法提取大氣污染污染信息是一條有效途徑。2000年以來，本申請的發(fā)明人采用象元信息分解法較成功地從遙感數(shù)據(jù)直接定量提取區(qū)域污染氣溶膠信息，得到直觀、定量的污染分布的結(jié)果。但該方法仍存在兩方面的不足一是主要采用較簡單的線性模型，忽略了多次散射的作用，故精度受到限制；二是所提取的結(jié)果為整層大氣的污染氣溶膠光學(xué)厚度和混濁度，對其與地面常規(guī)大氣污染監(jiān)測參數(shù)的3關(guān)系并未進(jìn)行研究。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種具有較高精度的基于地氣耦合的大氣污染信息提取方法，客觀地反映大氣污染的分布情況。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案一種基于地氣耦合的大氣污染信息提取方法，包括如下步驟(1)建立各類型人為成因氣溶膠后向散射模型；(2)根據(jù)光譜特性將地物概化為數(shù)種基本組分，建立各組分之間及與大氣光譜之間的合成模型，并用多波段數(shù)據(jù)進(jìn)行求解；(3)將污染氣溶膠信息從地物信息中分解出來，得到較高分辨率的污染氣溶膠混濁度及其空間分布結(jié)果。上述人為成因氣溶膠由煤煙、水溶性粒子和沙塵三種成因、特征不同的粒子組成。所述人為成因氣溶膠的光學(xué)厚度用以下公式表示t。=38+AA_1.5式中A、A、A分別為煤煙、水溶性粒子和沙塵三種基本氣溶膠的混濁度，X為波長。上述步驟(2)中的地物劃分為土壤、植被、水體、土壤水份和水泥建筑物四種基本組份。上述步驟(3)通過以下方程組求解獲得式中ig為地面反射率的函數(shù)，i為象元綜合反射率，人為波長，Aw和A為氣溶膠混濁度，L為植被葉面積指數(shù)，^;,為土壤含水量。本發(fā)明在反映立柱大氣污染濃度方面具有令人滿意的精度，并與地面污染物濃度具有較顯著的相關(guān)性，可以在相當(dāng)程度上客觀地反映污染分布情況。可以客觀地反映大氣污染在區(qū)域上的分布狀態(tài)，可以反映污染源，并可在此基礎(chǔ)上分析每個地區(qū)的主要污染類型，污染物來源。圖1是2002年10月08日廣東省大氣污染分布遙感圖(衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)MODIS);圖2是2002年11月04日廣東省大氣污染分布遙感圖(衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)MODIS);圖3是珠三角地區(qū)2002年11月7日的大氣污染分布遙感圖(衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)TM);圖4是虎門地區(qū)2002年11月7日的大氣污染物混濁度分布遙感圖(衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)TM);圖5是以2002年10月15日全省原地污染為主觀測點(diǎn)，污染物綜合濃度測量值與物混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖及擬合曲線；圖6是以2002年10月15日全省原地污染為主觀測點(diǎn)，MP10濃度測量值與物混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖及擬合曲線；圖7是以2002年10月15日全省原地污染為主觀測點(diǎn)，NO2濃度測量值與物混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖及擬合曲線；圖8是以2002年10月15日全省異地污染為主觀測點(diǎn)，污染物綜合濃度測量值與物混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖及擬合曲線；圖9是以2002年10月15日全省異地污染為主觀測點(diǎn)，S02濃度測量值與物混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖及擬合曲線；圖10是以2002年10月8日全省原地污染為主觀測點(diǎn)，污染物綜合濃度測量值與物混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖及擬合曲線；圖11是以2002年10月8日全省原地污染為主觀測點(diǎn)，N02濃度測量值與物混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖及擬合曲線；圖12是以2002年10月8日全省原地污染為主觀測點(diǎn)，PM10濃度測量值與物混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖及擬合曲線；圖13是以2002年11月7日珠江三角洲原地污染為主觀測點(diǎn)，大氣污染物綜合濃度測量值與混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖14是以2002年11月7日珠江三角洲原地污染為主觀測點(diǎn)，N02濃度測量值與混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖15是以2002年11月7日珠江三角洲原地污染為主觀測點(diǎn)，PM10濃度測量值與混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖16是以2002年11月7日珠江三角洲混合污染源型觀測點(diǎn)，大氣污染物綜合濃度測量值與混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖；圖17是以2002年11月7日珠江三角洲混合污染源型觀測點(diǎn)，N02濃度測量值與混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖18是以2002年11月7日珠江三角洲混合污染源型觀測點(diǎn)，PM10濃度測量值與混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖19是以2002年11月7日珠江三角洲異地污染觀測點(diǎn)，大氣污染物綜合濃度測量值與混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖20是以2002年11月7日珠江三角洲異地污染觀測點(diǎn)，S02濃度測量值與混濁度計(jì)算值散點(diǎn)圖21是以2002年11月7日珠江三角洲異地污染觀測點(diǎn)，PM10濃度測量值與混濁度計(jì)算值散點(diǎn)具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的描述。1污染氣溶膠的光學(xué)特征污染氣溶膠(syntheticaerosol)專指對流層中由于人為因素產(chǎn)生的煤煙、沙塵和S02、NOx分子等轉(zhuǎn)化而成的水溶性粒子，也稱人為氣溶膠。自然成因的氣溶膠和上升到平流層的人為成因氣溶膠在水平方向上變化緩慢，在數(shù)十公里尺度上可認(rèn)為是不變的，可當(dāng)作背景氣溶膠，其影響可在大氣糾正中消除。研究表明，人為成因氣溶膠由煤煙、水溶性粒子和沙塵三種成因、特征不同的粒子組成。每一種污染類型的氣溶膠一般均包含了該三種基本類型，但不同污染類型三者的含量不同，造成了不同污染區(qū)氣溶膠總特征的差異。由于粒度和折射率等特征不同，三種基本氣溶膠類型對陽光的吸收和散射各有差異。在遙感使用的大氣窗口波段，對散射起決定性影響的是粒度分布。在可見光一近紅外波段，水溶性粒子和煤煙尺度參數(shù)均小于O.l，其散射以瑞利散射為主，短波部分的散射率遠(yuǎn)大于長波部分。沙塵性粒子則由于粒度較粗，以米氏散射為主，雖短波部分的散射率仍大于長波部分，但較之水溶性粒子和煤煙，其散射率隨波長變化曲線的曲率大為減小。根據(jù)我們對北京市和廣州典型污染類型的散射特征對空測量實(shí)驗(yàn)，人為氣溶膠的光學(xué)厚度可用下式表示Ta=(A+A)A—38+AA—15(2.1)式中A、A、A分別為煤煙、水溶性粒子和沙塵三種基本氣溶膠的混濁度。氣溶膠光學(xué)厚度取決于大氣中氣溶膠的數(shù)量、路徑散射率和吸收率，與路徑散射強(qiáng)度存在一定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)YoramJ.Kaufinan等的工作氣溶膠路徑散射與光學(xué)厚度的經(jīng)驗(yàn)公式可表示為wrf=0.169Ta—0麓t(2.2)為氣溶膠下行散射率。上行路徑散射率A與下行散射率的關(guān)系為-wa=0.526^—0.0058(2.3)由式(2.2)和(2.3)可以得到氣溶膠上行路徑散射與光學(xué)厚度的計(jì)算公式。2地物的光譜組成與分解在遙感數(shù)據(jù)中，各個象元對應(yīng)地面上一定面積的地物。這些地物通常是由若干基本成分組成，如土壤、植被、水分等。象元光譜也正是這些基本地物成份所發(fā)射或反射的光譜的混合并為傳感器接受的部分，故象元光譜實(shí)際上是各基本地物成份光譜按一定方式的組合。換句話說，象元光譜可以劃分為若干基本成份，這些光譜成份與地物的各基本成份相對應(yīng)。不同象元光譜可看作是這些基本組分按不同量的組合。1)基本地物組份的劃分根據(jù)光譜的穩(wěn)定性、獨(dú)立性和代表性，我們將地物劃分為為土壤(包括巖石)、植被、水體、土壤水份和水泥建筑物等四種基本組份。干枯植物和植被黃色干物質(zhì)的光譜在可見光至近紅外波段與土壤相似，可以用土壤光譜代替。城市地物的基本成份復(fù)雜。但遙感數(shù)據(jù)一般是在垂直或近垂向上從上往下探測，接受到的只是建筑物頂面的光譜。加上頂面均有灰塵覆蓋，其光譜與土壤類似。舊水泥建筑物和柏油路面的反射率明顯低于新建筑物，但反射光譜曲線特征相同，可用標(biāo)準(zhǔn)水泥建筑物反射率(新建筑物反射率)與一小于l的常數(shù)之積代替。故在一定的區(qū)域的地表，其光譜均可看作是典型植被、干土壤、水份和水泥建筑四種基本組分按一定方式的組合。2)基本地物組份的光譜合成根據(jù)實(shí)驗(yàn)，一定濕度土壤的反射率為^=&0廣丄(2.4)含水土壤反射率，A。一干土壤反射率，土壤體積含水量，c^一水份吸收系數(shù)，為穩(wěn)定參數(shù)可通過實(shí)驗(yàn)測出。植被的光譜合成方式較為復(fù)雜，其原因是植物冠層是由許多分散且半透明的葉子組成，象元的反射光包括了葉子的散射、多次散射和下覆土壤的反射光。植物冠層的反射光的能量主要集中在前幾次散射，隨散射次數(shù)的增加，散射強(qiáng)度呈近等比級數(shù)銳減。模擬計(jì)算表明，當(dāng)葉面積指數(shù)(LAI)大于3時，前三次散射光的強(qiáng)度占總反射光的98%以上，一般況下(LAK1)，前三次散射光的強(qiáng)度大約占總反射光的99%。所以只需考慮前三次散射即可保證精度。植被冠層的反射率ip為:ip^+五2+￡3(2.5)其中A為葉叢的直接散射率，^和A分別為冠層的第2和3次散射率。設(shè)葉子為朗伯體，且葉子的方向?yàn)榫鶆蚍植迹瑒t有(2.6)其中《=|，A為葉子上面的反射率；令^(z卜〈cosG)丄，&(》=〈COS02〉z，0,、02分別為葉面傾角與人射方向和觀測方向的夾角。K,、^分別為A(》和^(》的平均值。pfe)為散射相函數(shù)。A、^和戶k)取決于葉子角度分布，可根據(jù)葉傾角分布函數(shù)導(dǎo)出?！?，=及,2l一e-2i2丄e匿2i(2.7)e一，4+12丄+8")—e匿4i透過冠層的土壤反射光對反射率的貢獻(xiàn)為，-i0)I7;(q)、7;^)分別為冠層在入射方向和垂直方向上的透過率(2.8)(2.9)-A■h11、442(2.10)地表反射率為冠層反射和土壤反射的貢獻(xiàn)之和當(dāng)入射和觀測方向已知，干土反射率、水吸收率和單葉反射率等較穩(wěn)定參數(shù)測定后，象元反射率為植被葉面積指數(shù)L、土壤含水量^和波長的函數(shù)，故可寫成w鄉(xiāng)，丄)=w)+及;(nz)(2.11)3基于地-氣耦合的大氣污染氣溶膠遙感模型1)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的象元光譜組成在可見光和近紅外波段，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的象元光譜包括天空散射光和地表反射光兩部分。傳感器接收到的反射光譜可寫成/=[/。(ra7;7;)"+/m+/m+/。rf]^7;7;7;+/。+/+厶/。一入射光強(qiáng)，^一地面反射率，r。、7;和t;—分別為人為氣溶膠、大氣分子和背景氣溶膠的透過率；/。、/m、/A—分別為人為氣溶膠，大氣分子和背景氣溶膠的上行散射光強(qiáng)。分別為人為氣溶膠和背景氣溶膠的下行散射光強(qiáng)，"=l/co^，e為太陽天頂角。上式兩邊除以/。并整理得i—CJ—CJ—C^Lz、i=T-amA~~^-(2.12)6其中i—象元綜合反射率；化、wm、叫一分別為人為氣溶膠，大氣分子和背景氣溶膠的上行散射率；o>。rf、分別為人為氣溶膠和背景氣溶膠的下行散射率。乙、c^為常數(shù)。背景氣溶膠在數(shù)十公里的尺度內(nèi)也可認(rèn)為是水平均勻的，其類型與所在的地理位置和季節(jié)有關(guān)，rA、叫和o^計(jì)算已有大量的研究并已有較成熟的計(jì)算模型，其中最著名的是MORTRAN。將相鄰無污染區(qū)的能見度輸入MORTRAN計(jì)算程式就可以計(jì)算出rfc、叫和cy^。r。、"。和fi^取決于人為氣溶膠的組成的濃度。其中7^exp(-0，、與各類型污染氣溶膠混濁度的關(guān)系和a^、c^與r。的關(guān)系已分別由(2.1)、(2.2)和(2.3)式給出。將(2.1)、(2.2)、(2.4)和(2.5)等式代入(2.13)式可得地面反射率與象元綜合反射率R、氣溶膠混濁度A+A(下稱Aw)和A的函數(shù)2)基于多波段遙感數(shù)據(jù)的污染氣溶膠混濁度計(jì)算將(2.12)式代入(2.13)式得ig(H￡)=ig(iU3)(2.15)除波長外，該式有四個未知數(shù)，將四個波段的遙感數(shù)據(jù)i,^代入可得到由4個方程9組成有唯一解的方程組W1+2，A)=^fe，4,》，_、(2.16)解此方程組可以求得象元的"1+2,^3。對每個象元進(jìn)行相同的計(jì)算即可得到全區(qū)A+"A的分布圖像。4應(yīng)用實(shí)例廣州——珠江口地區(qū)大氣污染信息的遙感反演4.1采用的遙感資料1)MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)2002.11.04-02:50，2002.10.08-03:08，2002.10.15-03:14'2003.01.17-03:26，2)TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)1995.12.30-09:40，1998.12.22-09:40,2002.11,07-09:40，4.2MODIS數(shù)據(jù)遙感結(jié)果1.總體分布規(guī)律與實(shí)際情況相符。圖1為全廣東省2002年10月08日MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取的大氣污染分布圖像。如圖像所示，紅色表示大氣污染分布區(qū)，紅色色調(diào)與污染程度成正比(下同)。圖中可以看到，大尺度上，大范圍的大氣污染主要分布在城市區(qū)域，污染程度和分布范圍與城市區(qū)域的工業(yè)發(fā)展水平密切相關(guān)。其中以珠江三角洲污染最嚴(yán)重，污染分布范圍也最大。其次依次為潮洲一汕頭、茂名、梅州和紹關(guān)等城市區(qū)。2.珠江三角洲污染最嚴(yán)重的地區(qū)為佛山一南海，次為廣州和東莞等(如圖2)。由于污染源密度大，整個珠江三角洲地區(qū)大氣污染區(qū)域已基本連成一遍。3.污染區(qū)域分布情況受污染源和氣象條件兩方面的控制，當(dāng)有風(fēng)時污染分布區(qū)域會發(fā)生一定的偏移，偏移的方向與距離與風(fēng)向和風(fēng)速有關(guān)(如圖3)。遙感結(jié)果圖像上的大氣污染分布特點(diǎn)與實(shí)際情完全況相符。4.3MODIS數(shù)據(jù)遙感結(jié)果1.總體分布規(guī)律與實(shí)際情況基本相符。圖3為珠三角地區(qū)2002年11月7日的大氣污染遙感圖，圖中可以看到，大尺度上，大片的大氣污染主要分布在城市區(qū)域，其中佛山——南海和廣州等地區(qū)最嚴(yán)重，珠江三角洲地區(qū)己基本連成一遍。2.重污染區(qū)為大型工廠附近、密集城區(qū)和繁忙交通線上，如圖4。3.主要的污染源類型為大型工廠、公路交通和城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)密集生活區(qū)?？傮w和局部特征上看，遙感結(jié)果圖像上的大氣污染分布特點(diǎn)與實(shí)際情況基本相符。4.4精度檢驗(yàn)檢驗(yàn)方法是用以常規(guī)方法在地面進(jìn)行同步觀測得到的大氣污染濃度數(shù)據(jù)對遙感計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，計(jì)算其精度。遙感得到的是整層大氣污染氣溶膠的混濁度。故定量檢驗(yàn)分兩種，一是用地面同步觀測的整層大氣污染氣溶膠混濁度直接對遙感結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)。由于沒有在廣州做衛(wèi)星地面同步的整層大氣觀測，故我們用北京地區(qū)的整層大氣氣溶膠地面同步測量數(shù)據(jù)來對該區(qū)的用上述遙感模型計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。由于所用的遙感模型和方法相同，所以該種檢驗(yàn)方法是有效的。二是用珠三角洲地區(qū)的地面污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)與遙感污染氣溶膠混濁度對比，計(jì)算二者的相關(guān)性和相關(guān)系數(shù)。4.4.1北京市污染氣溶膠遙感精度的檢驗(yàn)1)TM數(shù)據(jù)遙感結(jié)果的檢驗(yàn)檢驗(yàn)采用2001年7月6日Landsat7的TMl-4波段數(shù)據(jù)。衛(wèi)星過境時在6個典型污染區(qū)進(jìn)行同步或準(zhǔn)同步的氣溶膠地對空測量。其后將用上述方法計(jì)算的人為氣溶膠混濁度與地面觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比檢驗(yàn)。表2.1是6個典型污染區(qū)污染氣溶膠混濁度計(jì)算值與地面測量值的誤差對比。除亦莊和遙感所兩個點(diǎn)外，計(jì)算沙塵型氣溶膠混濁度和總的氣溶膠混濁度的相對誤差均在0.12以內(nèi)，其中有3個點(diǎn)的相對誤差在0.1以內(nèi)。所有觀測點(diǎn)的絕對誤差均O.ll。亦莊和遙感所兩個點(diǎn)的相對誤差稍大，分別為0.42和0.32?？紤]到地面觀測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星過境并非完全同步，總體說來計(jì)算值已達(dá)較高精度，說明方法是有效的。表2.1北京市氣溶膠混濁度計(jì)算值與觀測值誤差對比三元橋亞運(yùn)村遙感所前門亦莊首鋼類型A+2+3AA+2+3AA+2+3AAl+2+3A+2+3計(jì)算值0.7020.7150.1710.1820.1710.1820.5940.6050.0820.0891.3241.340測量值0.7780.7820.1760.1780.1290.1530.530.560.1290.1531.2221.22絕對誤差-0.08-O,07-0.010.010.040.030.060.05-0.05-0.060.100.11相對誤差-0.10-0.09-0.020.030.320.200.120.08-0.37-0.420.080.092)MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取結(jié)果檢驗(yàn)檢驗(yàn)地區(qū)為北京一天津一石家莊地區(qū)，遙感數(shù)據(jù)采用2002年2月3日的MODIS數(shù)據(jù)的2~5波段。衛(wèi)星過境時，在地面用太陽光度計(jì)進(jìn)行地基氣溶膠的同步觀測，并將遙感數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果與地基觀測結(jié)果進(jìn)行對比。表2.2為用M0DIS數(shù)據(jù)計(jì)算的氣溶膠混濁度值與太陽光度計(jì)觀測值的誤差對比。對比結(jié)果，最大絕對誤差為0.057，平均絕對誤差為0.02，最大相對誤差為20.9%，平均相對誤差7%;遙感計(jì)算值與地基觀測值的相關(guān)系數(shù)為0.79。表2.2北京一天津一石家莊地區(qū)氣溶膠混濁度計(jì)算值與觀測值誤差對比<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>(觀測數(shù)據(jù)由中國氣象科學(xué)研究院提供，觀測儀器為太陽光度計(jì))4.4.2全省遙感污染物混濁度與地面污染濃度相關(guān)性檢驗(yàn)共獲得2002年04月13日11時9分，2002年10月15日11時14分，2002年10月08日11時8分，和2002年11月07日9時40分共四個時相與衛(wèi)星同步的全省共36個觀測點(diǎn)的地面主要污染物濃度觀測數(shù)據(jù)。前三個時相的數(shù)據(jù)與美國環(huán)境衛(wèi)星Terra(EOS-AMl)同步，用以檢驗(yàn)MODIS數(shù)據(jù)遙感計(jì)算結(jié)果，其中2002年04月13日數(shù)據(jù)由于云量過多而未采用；2002年11月07日的數(shù)據(jù)與美國陸地衛(wèi)星Landsat-7同步，用以檢驗(yàn)TM數(shù)據(jù)遙感計(jì)算結(jié)果。檢驗(yàn)的指標(biāo)為S02、N02、PM10和三者之和，即綜合濃度。其它污染指標(biāo)如NO、。0和03等由于含量較微且數(shù)據(jù)不全，而未采用。用于檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)中剔出了個別明顯有錯的數(shù)據(jù)，如污染物濃度出現(xiàn)負(fù)值，或由于云的影響使遙感結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值等。1)MODIS遙感結(jié)果與地面污染濃度的相關(guān)檢驗(yàn)2002年10月15日的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)根據(jù)各觀測點(diǎn)的點(diǎn)位功能區(qū)類別可以把觀測點(diǎn)大致分為兩類一類以原地污染為主，點(diǎn)位功能區(qū)類別主要為商業(yè)交通居民混合區(qū)和一般工業(yè)區(qū)；另一類為以異地污染為主，點(diǎn)位功能區(qū)類別主要為文化區(qū)、城鎮(zhèn)規(guī)劃中確定的居民區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)和自然保護(hù)區(qū)等。然后對每類的觀測點(diǎn)分別進(jìn)行檢驗(yàn)。表2.4為原地污染為主觀測點(diǎn)的污染物觀測數(shù)值和遙感污染氣溶膠混濁度。表2.42002年10月15日全省原地污染為主觀測點(diǎn)主要大氣污染物地面測量濃度與遙感污染物混濁度對比<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>401東莞市商業(yè)交通居民混合區(qū)0.2020.3050.0270.2080.071402東莞市商業(yè)交通居民混合區(qū)0.2150.4020.0640.0790.259403東莞市商業(yè)交通居民混合區(qū)0.1440.1390.0270.0650.047圖5、6和7分別為綜合污染物、PMIO、N02濃度與遙感污染氣溶膠混濁度散點(diǎn)圖?？梢钥闯?，較之區(qū)分前，綜合污染物、濃度與遙感污染氣溶膠混濁度的相關(guān)系數(shù)明顯提高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.756。而且反映出PM10、N02濃度與遙感污染氣溶膠混濁度也存在明顯的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.493和0.70。在回歸函數(shù)類型方面，多數(shù)情況下指數(shù)型函數(shù)具有最高的相關(guān)系數(shù)，如對綜合污染物濃度，用指數(shù)型函數(shù)進(jìn)行回歸的相關(guān)系數(shù)為0.756，而用線性函數(shù)進(jìn)行回歸的相關(guān)系數(shù)為0.721。反映地面污染物濃度與整層大氣污染混濁度更接近于指數(shù)關(guān)系。這情況與氣溶膠濃度在垂向上呈負(fù)指數(shù)減小的一般規(guī)律是相符的。故下面均采用指數(shù)型函數(shù)進(jìn)行回歸。表2.5為異地污染為主觀測點(diǎn)的污染物觀測數(shù)值和遙感污染氣溶膠混濁度。圖8和圖9分別為綜合污染物、S02濃度與遙感污染氣溶膠混濁度散點(diǎn)圖。反映出的相關(guān)系數(shù)的提高更為顯著，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.7122，0.768。表2.52002年10月15日全省異地污染為主觀測點(diǎn)主要大氣污染物地面測量濃度與遙感污染物混濁度對比<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>2002年10月8日的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)根據(jù)各觀測點(diǎn)的在散點(diǎn)圖上的位置把觀測點(diǎn)大致分為兩類，分別有原地污染為主觀測點(diǎn)，和異地污染源為主觀測點(diǎn)，分別對每類的觀測點(diǎn)分別進(jìn)行檢驗(yàn)。表2.7為原地污染為主觀測點(diǎn)的污染物觀測數(shù)值和遙感污染氣溶膠混濁度。圖10、11和12分別為綜合污染物、N02、PM10濃度與遙感污染氣溶膠混濁度散點(diǎn)圖。可以看出，較之區(qū)分前，綜合污染物、濃度與遙感污染氣溶膠混濁度的相關(guān)系數(shù)明顯提高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.916。而且反映出N02、PM10濃度與遙感污染氣溶膠混濁度也存在明顯的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.415和0.663。PM10濃度的相關(guān)性最好，次為N02，S02的相關(guān)性較低。表2.72002年10月8日全省原地污染為主觀測點(diǎn)主要大氣污染物地面測量濃度與遙感污染物混濁度對比點(diǎn)位代碼城名稱點(diǎn)位功能區(qū)類別計(jì)算污染物混濁度綜合濃度(MG/M3)S02(MG/M3)N02(MG/M3)PM10(MG/M3)54深圳市文化區(qū)0.1030.2180.0450.0850.08855深圳市城鎮(zhèn)規(guī)劃中的居民區(qū)0.0960.2310.0460.0830.10256深圳市商業(yè)交通居民混合區(qū)0.1110.2350.0430.0970.09557深圳市商業(yè)交通居民混合區(qū)0.0460.0880.0050.0140.06951珠海市商業(yè)交通居民混合區(qū)0.1500.4380.0260.0330.37952珠海市商業(yè)交通居民混合區(qū)0.0500.1300.0250.0210.084403東莞市商業(yè)交通居民混合區(qū)0.1430.2900.0270.1020.162圖12為綜合污染物濃度與遙感污染氣溶膠混濁度散點(diǎn)圖。2)TM數(shù)據(jù)遙感結(jié)果與地面污染濃度的相關(guān)檢驗(yàn)所用數(shù)據(jù)的成像時間為2002年11月07日9時40分，由于圖像覆蓋范圍為珠江三角洲地區(qū)，區(qū)內(nèi)的大氣觀測點(diǎn)共有28個。較之MODIS數(shù)據(jù)，TM數(shù)據(jù)具有更高的空間分辨率(地面分辨率為30米)，更能反應(yīng)局部的情況，故地面觀測數(shù)據(jù)與遙感計(jì)算結(jié)果的關(guān)系更為復(fù)雜。根據(jù)各觀測點(diǎn)的在散點(diǎn)圖上的位置的分帶性和地面污染物濃度與整大氣污染物濃度的一般規(guī)律性，把觀測點(diǎn)大致分為三類，分別為原地污染源為主觀測點(diǎn)，原地污染源和異地污染源均較重要的主觀測點(diǎn)和異地污染源為主觀測點(diǎn)，分別對每類的觀測點(diǎn)分別進(jìn)行檢驗(yàn)。表2.10為第一類樣本即原地污染為主觀測點(diǎn)的污染物觀測數(shù)值和遙感污染氣溶膠混濁度。圖13、14和15分別為綜合污染物、N02、PM10濃度與遙感污染氣溶膠混濁度散點(diǎn)圖。15表2.102002年11月07日珠江三角洲原地污染為主觀測點(diǎn)<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>可以看出，較之區(qū)分前，綜合污染物、濃度與遙感污染氣溶膠混濁度的相關(guān)系數(shù)明顯提高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.968。而且反映出N02、PM10濃度與遙感污染氣溶膠混濁度也存在明顯的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.327和0.999。PM10濃度的相關(guān)性最好，次為N02。該結(jié)果反映，對于本區(qū)原地的大氣污染，污染物以TSP和N02為主，而S02主要來自其它地區(qū)，且對本地總污染濃度影響不大。表2.11為第二類樣本，即原地污染源和異地污染源共存的樣本的污染物觀測數(shù)值和遙感污染氣溶膠混濁度。表2.112002年11月07日珠江三角洲混合污染型觀測點(diǎn)主要大氣污染物地面測量濃度與遙感污染物混濁度對比<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>圖16、17和18分別為綜合污染物、N02、PM10濃度與遙感污染氣溶膠混濁度散點(diǎn)圖。圖中可以看出綜合污染物、NO2、PM10濃度與遙感污染氣溶膠混濁度相關(guān)性仍非常高，相關(guān)系數(shù)分別為0.779，0.468，和0.392。表2.12為第三類樣本，即異地污染源為主的樣本的污染物觀測數(shù)值和遙感污染氣溶膠混濁度。圖19、20和21分別為綜合污染物、S02、PM10濃度與遙感污染氣溶膠混濁度散點(diǎn)圖。圖中可以看出，較之前兩類樣本，本類型樣本的綜合污染物、PM10濃度與遙感污染氣溶膠混濁度的相關(guān)性雖仍較高，但己明顯降低，相關(guān)系數(shù)分別為0.677和0.502。但S02與遙感污染氣溶膠混濁度相關(guān)性則明顯提高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.531，反映異地源污染源污染物中，S02占有重要位置，污染物最主要為S02，次為粉塵。表2.122002年11月07日珠江三角洲異源污染觀測點(diǎn)主要大氣污染物地面測量濃度與遙感污染物混濁度對比<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>可以看出，由于鄰區(qū)大氣污染物的飄動、擴(kuò)散影響，遙感得到的整層大氣污染物混濁度與地面污染物濃度的關(guān)系是比較復(fù)雜的，應(yīng)將觀測點(diǎn)按主要污染來源進(jìn)行區(qū)分。進(jìn)行類型區(qū)分后，遙感得到的整層大氣污染物混濁度與地面污染物濃度的呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。其中污染物的綜合污染濃度與整層大氣污染物混濁度遙感值具有最高的相關(guān)性，其次是PM10和SO2，N02的相關(guān)性相對最小。4.5模型效果的評價精度與有效性方面，從前面與地面觀測數(shù)據(jù)的對比上看，本遙感模型計(jì)算的結(jié)果在反映立柱大氣污染濃度方面具有令人滿意的精度，并與地面污染物濃度具有較顯著的相關(guān)性，可以在相當(dāng)程度上客觀地反映污染分布情況。從上述結(jié)果及其分析可以體現(xiàn)出大氣污染遙感具有幾方面突出的優(yōu)勢可以客觀地反映大氣污染在區(qū)域上的分布狀態(tài)，可以反映污染源，并可在此基礎(chǔ)上分析每個地區(qū)的主要污染類型，污染物來源。權(quán)利要求1.一種基于地氣耦合的大氣污染信息提取方法，其特征在于，包括如下步驟(1)建立各類型人為成因氣溶膠后向散射模型；(2)根據(jù)光譜特性將地物概化為數(shù)種基本組分，建立各組分之間及與大氣光譜之間的合成模型，并用多波段數(shù)據(jù)進(jìn)行求解；(3)將污染氣溶膠信息從地物信息中分解出來，得到較高分辨率的污染氣溶膠混濁度及其空間分布結(jié)果。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于地氣耦合的大氣污染信息提取方法，其特征在于，所述人為成因氣溶膠由煤煙、水溶性粒子和沙塵三種成因、特征不同的粒子組成。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于地氣耦合的大氣污染信息提取方法，其特征在于，所述人為成因氣溶膠的光學(xué)厚度用以下公式表示t。=3.8+AA—15式中A、々2、A分別為煤煙、水溶性粒子和沙塵三種基本氣溶膠的混濁度，、為波長。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于地氣耦合的大氣污染信息提取方法，其特征在于，所述步驟(2)中的地物劃分為土壤、植被、水體、土壤水份和水泥建筑物四種基本組份。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于地氣耦合的大氣污染信息提取方法，其特征在于，所述步驟(3)通過以下方程組求解獲得式中及g為地面反射率的函數(shù)，i為象元綜合反射率，X為波長，A+2和A為氣溶膠混濁度，L為植被葉面積指數(shù)，^;,為土壤含水量。全文摘要本發(fā)明公開了一種基于地氣耦合的大氣污染信息提取方法，包括如下步驟(1)建立各類型人為成因氣溶膠后向散射模型；(2)根據(jù)光譜特性將地物概化為數(shù)種基本組分，建立各組分之間及與大氣光譜之間的合成模型，并用多波段數(shù)據(jù)進(jìn)行求解；(3)將污染氣溶膠信息從地物信息中分解出來，得到較高分辨率的污染氣溶膠混濁度及其空間分布結(jié)果。本發(fā)明在反映立柱大氣污染濃度方面具有令人滿意的精度，并與地面污染物濃度具有較顯著的相關(guān)性，可以在相當(dāng)程度上客觀地反映污染分布情況。可以客觀地反映大氣污染在區(qū)域上的分布狀態(tài)，可以反映污染源，并可在此基礎(chǔ)上分析每個地區(qū)的主要污染類型，污染物來源。文檔編號G01N21/47GK101493407SQ20081021984公開日2009年7月29日申請日期2008年12月11日優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日發(fā)明者鄧孺孺申請人:中山大學(xué)