卫星遥感监测:捕捉阴霾的“天眼”

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每年秋冬都是北京进入“十霾日”的季节。

如何监测烟雾以找到对策不仅是普通人关心的话题，也是科学研究人员致力于解决的技术问题。卫星遥感监测技术正在成为我国控制空气污染的一种新方法。

“在纪念抗日战争胜利70周年的阅兵式期间，对区域大气环境的遥感监测结果表明，北京、天津、河北及周边地区的大气PM2.5浓度同时不同程度地下降。所有地区0+的空气质量都得到了显著改善，减排措施非常有效。”最近，北京环境监测中心遥感办公室主任李玲君指着电脑上的张卫星监测图片，在接受记者采访时说。

近年来，借助卫星遥感监测技术，北京市环境保护监测中心可以提供北京及周边6个省、自治区、直辖市大气中PM2.5、PM10等污染物的分布和变化过程，并对粉尘、秸秆焚烧等大气污染源进行动态监测。此外，建立了北京及其周边地区3年3个层次60余种专题产品30TB(计算机存储容量单位)遥感数据库。自项目实施以来，已有数百份关于秸秆焚烧、沙尘、大气非点源污染和0+重污染的监测简报和遥感报告，并在北京、天津和河北环保部门得到广泛应用。他们承担的“北京地区空燃气质量遥感监测技术及工程应用”项目获得了2014年北京市科技奖二等奖。

从“平面”观察空气体质量

卫星环境遥感监测技术在北京的应用始于2002年。

“当时，我们首先建立了一个卫星接收和处理系统，并尝试使用遥感技术进行环境监测。”李玲君告诉记者，“灰尘污染，秸秆焚烧和PM10监测是早期的主要监测方法

2012年，监测中心承担了“北京地区空燃气质量遥感监测技术及工程应用”重点项目，开始全面推广遥感技术在大面积空燃气质量监测中的业务应用。目前，该监测中心基于MODIS、OMI、AIRS等卫星传感器，可对PM2.5、NO2等各种空气污染物、烟雾分布、粉尘传播、秸秆焚烧、城市热岛、植被指数等一系列区域空气污染和生态环境遥感服务进行动态监测。

我们建立了北京地区3年、3个层次、60个品种的30TB特种产品遥感数据库，积累了北京及周边地区最完整的大气遥感基础数据，为大气污染防治提供信息支持李玲君说。

对于空的气体质量监测，目前我国空气污染物的浓度主要通过基于固定地面站的观测仪器获得。但是，台站的观测结果只能代表台站所在区域一定范围内的空气污染状况，难以全面反映区域空气污染的特征。

北京有35个自动监测站，可以连续自动地分析0+气体中颗粒物的浓度及其化学成分李玲君告诉记者，自动监测站是目前最常用的监测方法，但分布并不均匀。这些监测站集中在城镇，在广大农村地区和偏远山区覆盖面较小。

然而，卫星遥感监测刚刚弥补了监测点分布不均匀的问题。卫星遥感数据可以快速反映区域PM2.5在空之间的分布和变化过程，可以从更宏观的“表面”观察到空气体的质量。

李玲君说，通过使用卫星遥感技术监测霾，可以收集该地区的连续监测数据，通常每平方公里可以获得一组数据。普通地面监测站无法覆盖这种监测密度。此外，遥感监测还可以实现气溶胶光学厚度(AOD)、颗粒物质量浓度(PM10、PM2.5)和污染气体柱浓度(SO2、NO2、CO等)的监测。)，是霾引发的重要物质来源，在霾预报和预警中发挥着重要作用。

“如果蒙古有沙，监测中心将根据对沙运动变化的实时遥感监测和对大气流场的预测来判断它是否会影响北京地区。”李玲君说，遥感监测可以反映污染物的传输和积累过程，有助于了解污染形成和变化的过程和规律，从而预测和预警未来空的气体状况。

当然，为了准确监测北京的空气污染，仅仅依靠卫星遥感数据是不准确的。有必要“结合点和面”，并检查和验证近地面实时监测数据。

“遥感监测的精度仍然略低于地面监测。虽然范围广，监测效率高，但PM2.5等污染物的具体评价浓度应基于地面附近的监测数据。”李玲君说。

我们在许多技术上进行了重大创新。

然而，利用卫星直接监测烟雾并对其进行分析和预测也是世界上的一门前沿科学。世界仍处于研究阶段，很少有商业应用。

“世界上现有的遥感技术可以反演一些空气污染参数，但许多模型并不适合中国城市地区的具体污染情况，现有的模型算法大多基于科研测试模型，计算耗时且效率低下，在空气体环境质量遥感监测的业务应用中适用性较差。”李玲君说。

项目团队面临着前所未有的困难，需要走自己的路。最后，年轻的项目团队真诚合作，逐一解决了各种技术问题。

他们基于来自国内外10多颗卫星的数据集成了20多套反演算法，并通过关键技术突破和优化改进，在许多算法上实现了与国际同类研究相比的重大创新。

率先将1公里MODIS气溶胶产品用于中国区域环境业务监测，开发了城市高反射率地面气溶胶反演技术，解决了0+气体质量监测卫星产品的关键问题，启动了300米分辨率气溶胶光学厚度反演技术，城市精度达到85%，推进了中国环境卫星HJ-1A/B宽覆盖面电荷耦合器件数据大气污染监测。

创新开发了适用于大面积PM2.5的卫星遥感机制模型和反演技术，实现了70%以上精度的城市群PM2.5卫星遥感监测，并与地面PM2.5站点网络相结合，为北京地区空气质量监测提供基础信息支持。

他们还在世界上首次实现了霾卫星遥感监测技术，解决了世界上缺乏霾组分模型和反演方法的难题，填补了中国环境空气体质量遥感监测0+0+白色的空白。

“发达国家没有霾，国际气象组织的气溶胶成分中也没有霾型气溶胶成分模型。世界上现有的气溶胶算法不能有效地处理中国经常发生的霾污染李玲君说。

针对目前世界范围内存在的两个问题，即雾霾成分模型未知和雾霾条件下表面反射噪声难以估计，项目组提出了一种解决雾霾气溶胶模型问题的新思路，采用综合技术手段，如雾霾粒子成分的电子显微镜扫描、多角度卫星硫酸盐等可溶性盐类的反演以及大气化学模型CAMQ对雾霾成分的模拟。

他们还突破了卫星遥感复杂模型和大量科学计算的工程技术瓶颈，显著提高了运行效率，创新性地解决了快速实时遥感反演的工程技术难题，将气溶胶产品的计算时间从30分钟缩短到不到2分钟，将大气拉曼散射的计算时间缩短到原来的1/1000。

"这次我们在计算方法上有所创新."李玲君表示，卫星的“相机”速度非常快，但遥感传回的数据量非常大，整个轨道数据约为1G。过去，分析这些数据需要三四个小时。通过技术改进，现在只需几分钟就可以计算出来，这对将来实现数据的实时监控具有重要意义。

让所有的污染源“展现它们的本来面目”

卫星遥感监测不仅使霾“无处可逃”，而且为建筑粉尘、平房燃煤、农业等非点源创造了高分卫星动态监测技术。，为从区域范围内监测潜在污染源提供技术支持，大大提高执法能力。

例如，利用不同特征的卫星数据，遥感监测还可以实现对区域林地、草地、耕地、湿地等的监测。利用高分辨率卫星传感器，遥感监测可以监测北京的混凝土搅拌站和裸露建筑。

在分辨率为0+的分米卫星摄像机镜头前，北京各地的混凝土搅拌站无处可藏。"卫星图像清楚地显示了哪些搅拌站在工作，以及它们是否是非法建造的。"李玲君说。

据悉，监测中心将及时向北京市环保局和北京市环境监测队提交卫星遥感监测结果，配合环境监测队查处建设裸地违法行为，配合环保局开展非点源污染排放的环境统计。

此外，卫星遥感监测可以通过对二氧化氮和二氧化硫(PM2.5的前驱物)的遥感观测，动态监测和评价北京地区汽车尾气和工业燃煤排放对空气污染的相对贡献，为排放源控制和产业结构优化升级决策提供基础信息支持。

“我们利用卫星遥感技术，实现了对北京市裸露土地粉尘排放和平房燃煤的动态监测，为环境执法和环境统计提供了依据。”李玲君说，建筑工地是一个容易扬尘的地方。北京每年都有数亿平方米的裸露土地在建设中。如果管理不好，很容易扬起灰尘，导致大气颗粒物浓度上升。

此外，每年6月至10月，北京市环境监测中心将结合地面地理信息数据，基于卫星遥感对北京及周边地区的农业用地进行日常火点遥感监测，并结合农作物种植提前进行预评估，为监管提供原始信息来源。

协助京津冀联防联控空天然气质量

“空气体质量监督不仅是北京方面的事情，也是一个区域性的问题，需要结合起来考虑。”李玲君告诉记者，在京津冀一体化背景下，北京周边地区秸秆焚烧、裸露建筑用地和燃煤的遥感监测数据将提供给京津冀及周边地区大气污染防治协调小组办公室决策。

“你看，在北京周边的裸楼中，与北京接壤的河北区县相对集中，其中廊坊的数量和面积最大。”李玲君指着卫星监控图像中的一大片灰色区域。

据了解，自项目实施以来，监测中心已上报了数百份秸秆焚烧、沙尘、大气非点源污染和0+重空气污染的监测简报和遥感报告，持续支持北京及周边省市各级环保部门的环境监管工作，并在北京、天津、河北等省市环保部门得到广泛应用。

“我们使用卫星数据来监测北京乃至北京、天津和河北的空气质量及其污染源。例如，我们一眼就知道稻草被烧到了哪里。”李玲君说。

此外，相关遥感监测结果已以环保信息、工作简报、专题报告等形式报送国务院办公厅、京津冀及周边地区大气污染防治合作小组成员单位、北京市政府和北京市环保局，为北京及区域大气污染防治提供重要决策支持。

“目前，我们生成的北京、天津、河北区域日PM2.5数据是遥感数据，结合地面监测数据校正，得到区域PM2.5分布变化。”李玲君说:“目前，卫星遥感的主要监测范围已扩展到京津冀及周边七省市，包括山东、山西、内蒙古和河南。”

(编者:胡彦明)