丁釗煜，魏 青,周 陽

(1.河北衡水中學，河北 衡水 053000； 2.河北卓爾地理信息技術股份有限公司，河北 石家莊 050031 3.河北省第二測繪院，河北 石家莊 050037)

遙感監(jiān)測技術在河北省霧霾監(jiān)測中的應用

丁釗煜1，魏 青2,周 陽3

(1.河北衡水中學，河北 衡水 053000； 2.河北卓爾地理信息技術股份有限公司，河北 石家莊 050031 3.河北省第二測繪院，河北 石家莊 050037)

河北省是霧霾天氣的重災區(qū)，政府對于霧霾的治理與監(jiān)測越來越重視，發(fā)改委、環(huán)保、測繪、氣象等有關部門對霧霾的產(chǎn)生、防治進行了深入的調(diào)查與研究。常規(guī)地基監(jiān)測手段只能探測局部區(qū)域，探測范圍有限，利用新型遙感監(jiān)測技術從影像反演氣溶膠厚度、揚塵地表遙感解譯、秸稈焚燒航天與航空結合三個方面探究霧霾污染源的監(jiān)測思路和工作方法，收集信息及時提供政府決策，從而達到大范圍霧霾監(jiān)測的目的。

遙感監(jiān)測； 秸稈焚燒； 揚塵地表

1 引言

近幾年來，河北省霧霾天氣頻發(fā)，空氣質(zhì)量已成為公眾關注的焦點。國家環(huán)保部在2016年7月8日發(fā)布了2016年6月重點區(qū)域和74個城市空氣質(zhì)量狀況通報顯示，74個城市空氣質(zhì)量排名相對較差的后10位城市中，河北省占6席，京津均上榜[1]。

河北省環(huán)京、津兩地，由于地理因素、城鎮(zhèn)化和工業(yè)化加快的影響，河北省產(chǎn)業(yè)結構以能源消耗型的大型工業(yè)為主，其中石油煉制企業(yè)、鋼鐵企業(yè)、電力企業(yè)、水泥工廠、玻璃制造業(yè)、采礦等產(chǎn)業(yè)廢氣排放以及廢渣擴散產(chǎn)生了大量PM2.5。城市中的汽車尾氣、地表或道路揚塵、建筑施工、非法燃燒等也是大氣顆粒物污染的主要來源[2]。由于霧霾天氣頻發(fā)，對人的肺、心臟、血管和腦等諸多器官有很大傷害，導致呼吸道、心血管等疾病犯病率上升，嚴重影響人們的身體健康?！办F霾現(xiàn)象”已經(jīng)成為河北省面臨的主要環(huán)境問題之一，對于霧霾的治理，也緊緊的約束著河北經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[3,4]。

為治理大氣污染、改善空氣質(zhì)量，政府部門付出了諸多努力，壓縮落后產(chǎn)能、削減煤炭消耗、淘汰黃標車、降低粉塵排放、治理企業(yè)超標排放、植樹造林，“壯士斷腕”頻頻出現(xiàn)在大氣污染治理的文件和各級領導的講話中，充分表明了河北省治理霧霾的決心[5]。2016年11月2日，河北省大氣辦印發(fā)了《河北省大氣污染防治強化措施實施方案(2016-2017年)》，提出到2017年全省PM2.5年均濃度較2015年下降13%。2016年11月7日，河北省大氣辦對9個污染傳輸通道城市下達了1號大氣污染防治調(diào)度令，要求水泥、鑄造、鋼鐵、火電、焦化等重點行業(yè)和燃煤鍋爐在冬季采暖期間實行錯峰停產(chǎn)等調(diào)控措施，降低區(qū)域性大氣污染傳輸?shù)挠绊?，使得河北省成為我國第一個在大氣污染防治上實施調(diào)度令制度的省份。

對于產(chǎn)生霧霾的眾多污染物來源，目前我國環(huán)保部門的主要探測手段是利用各地環(huán)監(jiān)站布設的采樣器，通過重量法自動連續(xù)測定空氣中PM2.5/PM10濃度[6]，科研院所利用太陽光度計、微脈沖激光雷達等儀器對氣溶膠光學厚度和垂直分布進行觀測并推演霧霾的污染程度。這些地基觀測方式雖然精度高，但監(jiān)測的區(qū)域有限，僅獲得點信息，無法獲取大范圍區(qū)域信息。隨著遙感影像空間分辨率、光譜分辨率的提高，利用衛(wèi)星遙感進行大氣監(jiān)測，具有視角大、覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)采集快和持續(xù)監(jiān)測的特點。對遙感影像進行定量反演分析，獲取霧霾污染種類、分布、危害等信息，為政府決策提供重要的定量與定性的數(shù)據(jù)支持[7]。

導致霾現(xiàn)象主要是大氣中的氣溶膠顆粒，利用MODIS、HJ-1等遙感影像反演氣溶膠光學厚度，可以實時獲取大范圍的氣溶膠空間分布、厚度情況，全面掌握河北省霧霾源的地理位置、污染等級、區(qū)域覆蓋面積等信息，可以及時發(fā)現(xiàn)污染源，實時監(jiān)測治理過程，提高霧霾治理監(jiān)管力度[8,9]。

本文利用新型的遙感監(jiān)測技術，從影像反演氣溶膠厚度、揚塵地表遙感解譯、秸稈焚燒航天與航空結合三個方面探究霧霾污染源的監(jiān)測思路和工作方法，并為霧霾治理提出建議，為政府的決策提供了依據(jù)。

2 遙感技術應用于霧霾治理

2.1 遙感影像反演霧霾污染

目前我國對霧霾的監(jiān)測，主要是基站方式進行觀測，不能滿足大范圍、區(qū)域性的監(jiān)測需求。具有大范圍、時效性特點的衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術能很好的彌補缺點。遙感影像是通過獲取地物的反射、輻射和散射的電磁波信息進行成像。在霧霾天氣下，由于霧霾粒子的散射和吸收，對地物電磁波的輻射傳輸造成不同程度影響，因此分析遙感影像特殊信息，獲取霧霾顆粒濃度情況得到廣泛研究。

利用遙感影像反演氣溶膠厚度，已經(jīng)在霧霾監(jiān)測方面得到廣泛應用。利用暗像元上空，衛(wèi)星觀測反射率隨大氣氣溶膠光學厚度單調(diào)增加的關系，反演大氣氣溶膠光學厚度的暗像元法算法[10]；以“清潔日”大氣為基本參考，對比“污染日”，通過引入構造函數(shù)，反演氣溶膠光學厚度。在晴空條件下，選擇明暗對比明顯的區(qū)域，反演氣溶膠光學厚度的高反差地表法。結合Terra和Aqua雙星的MODIS數(shù)據(jù)系統(tǒng)反演算法，將地表反射率與大氣氣溶膠一同反演的多星協(xié)同算法，已經(jīng)在應用實踐中取得良好的效果[11]。河北省地貌復雜，通過衛(wèi)星影像反演氣溶膠光學厚度，與大氣顆粒物濃度建立回歸模型，獲取河北省霧霾污染范圍與程度，提高霧霾監(jiān)測效率與精度，加強管理。

2.2 揚塵地表遙感解譯

根據(jù)大氣顆粒物人為源和自然源的分類特征[12]，大氣顆粒物污染排放源主要有以下幾種：碾壓踩踏地表或道路揚塵、露天堆放物揚塵、土壤塵、建筑塵、燃煤塵、汽車尾氣、生物質(zhì)燃燒等。根據(jù)地理國情普查地表覆蓋分類[13]的特點，與揚塵相關的地表覆蓋有碾壓踩踏地表、露天采掘場、堆放物、建筑工地和自然裸露地表五種類型。利用高分辨率遙感影像對上述五種揚塵地表進行遙感解譯和分類提取，通過分析其數(shù)量、位置、范圍、空間分布及地域差異等之間的關系，可為河北省地區(qū)霧霾源頭之一的地面揚塵研究提供參考依據(jù)。

主要工作流程為：利用分辨率優(yōu)于2m的多光譜衛(wèi)星影像，采集河北省范圍內(nèi)的揚塵地表圖斑；對于內(nèi)業(yè)采集無法明確類型的圖斑，進行外業(yè)實地拍照核查，核查后對內(nèi)業(yè)圖斑進行修正得到最終揚塵地表圖斑成果。對于五種揚塵地表的不同特點和分布區(qū)域，制定了以下采集要求：1)碾壓踩踏地表：采集裸露有土質(zhì)或沙質(zhì)的運動場、停車場、打谷場、道路兩側(cè)裸露地、廠區(qū)和庭院內(nèi)部非硬化地，以及其他非農(nóng)耕用途的平整閑置土地。2)露天采掘場：采集露天煤礦、鐵礦、銅礦、稀土、石料、砂石及取土等活動人工形成的裸露地表。3)堆放物：采集煤堆、沙土、灰粉、水泥、尾礦、棄渣、磚窯、樓板廠、建筑垃圾、生活垃圾等人工形成的長期堆積物地表。4)建筑工地：采集正在進行土木建筑工程施工的場地和在建道路、鐵路及隧道兩側(cè)的施工區(qū)域。5)自然裸露地表：采集植被覆蓋度低于10%的泥土、沙質(zhì)、鹽堿地表及沙土質(zhì)的河床、山地等。除自然裸露地表最小采集圖斑面積為10000m2外，其余四類揚塵地表最小采集圖斑面積均為1600m2。需要特別指出的是，由于季節(jié)原因?qū)е掠跋裰芯G色植被或農(nóng)作物不可見的，不納入揚塵范疇。

通過揚塵地表成果和衛(wèi)星影像圖，可直觀展示全省各地的揚塵類型、分布和面積情況。結合人口分布數(shù)據(jù)，可對揚塵地表人群暴露風險進行專題分析；結合環(huán)保部門遍布全省的空氣質(zhì)量監(jiān)測站點，可對揚塵與PM2.5、PM10等顆粒物的監(jiān)測數(shù)值進行相關性分析；結合全省的植被覆蓋、水體分布及數(shù)字高程數(shù)據(jù)，可對植被、水體和山脈對揚塵的阻斷作用進行分析；當利用不同年份的衛(wèi)星影像獲取了全省揚塵地表數(shù)據(jù)時，可對揚塵地表的變化特點、增長趨勢進行解析，有利于針對重點區(qū)域、揚塵的主要類型進行防控和治理。

2.3 秸稈焚燒遙感監(jiān)察

秸稈焚燒過程中會增加PM2.5、PM10等顆粒物的濃度，加重造成霧霾天氣，并產(chǎn)生大量有毒有害物質(zhì)，對人與其他生物健康形成威脅，甚至會帶來火災事故、造成人員傷亡和財產(chǎn)損失[14]。據(jù)統(tǒng)計，京津冀及周邊地區(qū)每年因秸稈焚燒向大氣中排放的顆粒物達數(shù)十萬噸，可使區(qū)域內(nèi)PM2.5日均濃度平均增加60.6ug/m3[15]，導致嚴重的大氣污染。每年春秋時節(jié)都是秸稈燃燒的重點時期，也是霧霾產(chǎn)生的頻發(fā)期，加強秸稈燃燒的治理和防范也是一直以來政府面臨的重大難題。河北省環(huán)抱首都北京，橫跨華北、東北兩大地區(qū)，區(qū)域廣、面積大，雖然各級政府部門在秸稈綜合利用和禁燒工作上取得了積極成效，但部分地區(qū)秸稈焚燒現(xiàn)象仍然屢禁不止，實際工作中存在執(zhí)法范圍大、監(jiān)管不及時等現(xiàn)象。利用遙感影像火點監(jiān)測技術，獲取河北省全境區(qū)域，秸稈燃燒空間分布，火點起源，火源擴散等情況。對于火點起源市縣或重點監(jiān)管區(qū)域，利用航空影像監(jiān)測技術，實現(xiàn)人工監(jiān)測，明確火源，落實到村、戶。

目前，利用衛(wèi)星遙感技術，獲取各個市縣秸稈燃燒的空間位置、燃燒范圍、擴散趨勢，已在各個省份得到廣泛應用。遙感火點探測利用火點高溫像元與背景常溫像元在中紅外和熱紅外波段輻射能量的差異來識別地面火點。20世紀70年代，利用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)的遠紅外波段、中紅外波段進行火災監(jiān)測得到廣泛的應用。隨著衛(wèi)星遙感的快速發(fā)展，新一代傳感器MODIS得到廣泛應用，MODIS數(shù)據(jù)有著較高的時間分辨率、空間分辨率和光譜分辨率，在一定程度上解決了NOAA數(shù)據(jù)的不足之處，并很快代替其他數(shù)據(jù)源被廣泛應用于火災的監(jiān)測。

遙感監(jiān)測技術雖然可以快速獲取大范圍秸稈燃燒情況，由于空間分辨率的限制，無法精確獲取燃燒秸稈的責任人。對于重點監(jiān)測區(qū)域，采用航空攝影測量技術實現(xiàn)秸稈焚燒火點的實時監(jiān)測，查找燃燒源頭，明確肇事者。航空監(jiān)測采用的儀器設備包括載人動力三角翼飛行器、北斗導航定位系統(tǒng)、即時通訊系統(tǒng)和影像傳感器采集設備。具體技術思路為：使用三角翼飛機，按作業(yè)計劃路線進行空中巡視，航拍人員發(fā)現(xiàn)地面著火、冒煙或已焚燒過的地塊后，飛行器飛臨上空使用影像采集設備拍攝照片取證，照片文件同時記錄當前飛行器位置信息，然后通過即時通訊系統(tǒng)將照片實時傳送給地面的控制中心，控制中心根據(jù)照片對照當?shù)氐母咔暹b感影像圖進行對比分析，定位出焚燒地塊的具體位置。計劃區(qū)域巡查完畢后，對采集的焚燒地塊進行統(tǒng)計，列出所屬村鎮(zhèn)、方位和精確經(jīng)緯度坐標，附加對應的航攝照片，匯總形成監(jiān)測報告，上報給政府相關部門，依法對焚燒秸稈個人進行懲處?？此坪唵蔚淖鳂I(yè)流程，實施前需要做好空域申請、起降備降場地選擇、巡查航線規(guī)劃工作，協(xié)調(diào)好控制中心、飛行編組、地面保障編組的相互配合，此外還要考慮天氣因素、空中煙霧區(qū)的避讓及飛行員、航拍人員的安全因素，確保做到萬無一失。

3 治理霧霾建議

通過影像反演氣溶膠厚度、揚塵地表遙感解譯、秸稈焚燒航天與航空結合監(jiān)管方面，提出以下有針對性的治理霧霾的建議：

(1)增加城市綠地面積，提高主城區(qū)綠化面積，嚴格限制綠化不達標樓盤的開發(fā)建設。高分遙感影像信息提取，以及現(xiàn)場調(diào)查相結合的策略，切實做好在城市灰塵監(jiān)管和治理措施。

(2)加大秸稈禁燒的宣傳工作、防范工作、懲罰責任，利用遙感影像獲取全省秸稈燃燒空間分布、擴散趨勢，對重點區(qū)域和火源區(qū)進行航空監(jiān)管，力爭做到麥收、秋收季節(jié)全省零火點、無冒煙。

(3)針對重點排污企業(yè)，使用法律手段督促改生產(chǎn)技術環(huán)節(jié)，嚴格監(jiān)控污染物排放量，建立污染物排放上報、評估和監(jiān)察制度。提高資金扶持力度，實現(xiàn)高耗能企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，限制或減少煤炭消耗，促進綠色發(fā)展、低碳發(fā)展，鼓勵發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)。

(4)全省各級政府切實把環(huán)境保護擺上突出位置，通過衛(wèi)星遙感反演技術，獲取霧霾空間分布，顆粒物濃度等信息，對改造良好、有進步的地區(qū)進行獎勵，對于沒有改觀或持續(xù)惡化的地區(qū)進行處罰。

(5)調(diào)動全社會的力量，引導公眾參與舉報違法排放企業(yè)和揭發(fā)秸稈焚燒，環(huán)境保護，人人盡責。

4 結束語

霧霾治理是一個長期、復雜、艱巨的過程，大氣顆粒物污染，尤其是PM2.5、PM10的治理需要長期、精細化的研究。本文利用遙感監(jiān)測技術，從遙感影像反演氣溶膠厚度、揚塵地表遙感解譯、秸稈焚燒航天與航空結合監(jiān)管三個角度分析了霧霾分布、源頭的監(jiān)測方法和工作思路，與傳統(tǒng)地面離散的監(jiān)測站點不同的是，該工作不局限于個別站點和局部地區(qū)，而是從整體上、宏觀上獲取了整個河北省的大氣顆粒物污染源的部分來源。接下來，可在此工作基礎上開展以半年或一年為周期開展常態(tài)化數(shù)據(jù)采集，為發(fā)掘、探究霧霾的產(chǎn)生和演變機制提供動態(tài)的參考依據(jù)。

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Application of remote sensing monitoring technology in haze monitoring in Hebei Province

DING Zhao-yu1,WEI Qing2,ZHOU Yang3

(1.HengshuiHighSchoolofHebei,HengshuiHebei053000,China;2.HebeiZhuoerGeographicInformationTechnologyCO.LTD,ShijiazhuangHebei050031,China;3.TheSecondSuroeyingandMapingInsitituteofHebeiProvince,ShijiazhuangHebei050037,China)

Hebei Province is an area polluted seriously by haze weather.The provincial government has paid more and more attention to the governance and monitoring of fog. Some departments like the National Development and Reform Commission, the Environmental Protection Department, the Surveying and Mapping Department, the Meteorological Departments etc.have taken actions to investigate and study generation causes and the prevention and cure methods of haze.Conventional gound-based monitoring method can only detect local area due to the limited detection range. Latest remote sensing monitoring technology can provide a new way of thinking and working method to explore the polluted haze sources and causes by combining three aspects of data including remote sensing image inversion thickness of aerosol, dust surface image interpretation, straw burning monitoring through aerospace and aviation means to collect information in a timely manner and to provide government decision-making, so as to achieve a wide range of fog monitoring purposes.

Remote sensing monitoring; Straw burning; Dust surface

2016-09-25

1001-9383(2016)04-0053-05

P237

A