基于遥感和GIS的城市颗粒物污染分布研究
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表 -@ >7?? D ?B2CC 8 个通道的波段、 波谱响应和地面分辨率 !+E%" -@ F+G" &+)H"，3$"IJ&+% &"3$4)3" +)K 31&L+I" &"34%1J,4) 4L >7?? D ?B2CC’ 3 8 IM+))"%3
通道 OMOM. OM/ OM5 OM8 波段 D !# PA 8= Q PA 9= PA ;.8 Q -A -P /A 88 Q /A </ -PA / Q --A / --A 8 Q -.A 8 波谱响应 可见光 近红外 中红外 热红外 热红外 地面分辨率 D N# -A -A -A -A -A -
6+)"*-/"： 19K P6 PWK XGLLKOK:P G:L79K:RK 6L G:WN7NY7K MNOPGR7K M6779PN:P 9M6: PWK PON:THGTTGQGPU YKPZKK: QGTGY7K RWN:> :K7 N:X :KNO G:LONOKX RWN::K7 6L ,)-- TNPK77GPK，N XGLLKOK:RK QKJKPNPG6: G:XK[ ! 15 GT Y9G7P8 -:X PWK OK7NPG6:TWGM YK> PZKK: ! 15 N:X MNOPGR97NPK M6779PG6: G:XK[ ! BC!$ 6YTKOQKX YU PWK JO69:X K:QGO6:HK:P H6:GP6OG:J TPNPG6: GT L69:X8 ): PWK YNTGT 6L \9N:PGPNPGQK OKQKOTG6: 6L M6779PG6: HKNT9OKHK:PT YU TNPK77GPK ，R6HYG:G:J ZGPW JOKK: 7N:X XGTPOGY9PG6:， JOKK: 7N:X TPNPGTPGRT N:X HKPK6O676JGRN7 XNPN ，N XU:NHGR H6:GP6OG:J N:X OKTKNORW WNT YKK: X6:K P6 PWK MNOPGR7K M67> 79PG6: 6L PWK RK:PON7 9OY G: 3WN:JWNG YU 9TG:J A23 H97PGLNRP6O G:PKJONPKX N:N7UTGT8 71% 8&*$)： ,)-- TNPK77GPK； MNOPGR7K M6779PN:P； A23 H97PGLNRP6O K7KHK:P； G:PKJONPKX N:N7UTGT
! A ! A # @ 绿地分布资料 @ @ 所采用的绿地分布资料来自于对资源一号卫星资料的信息解译和分类提取。 ! A #" 污染监测资料 采用的地面污染资料为上海市环境监测中心每天通过网络传给上海市气象局的上海 -P 个环境监测站 的污染 -P !# 颗粒物 （ R:-P ） 资料。 ! A $" 气象资料
!" 卷 " 期 #$$% 年 & 月
自’ 然’ 灾’ 害’ 学’ 报 ()*+,-. )/ ,-0*+-. 123-304+3
5678 !" ， ,68 " #$$% (9:8 ，
文章编号： !$$%>%?@% （ #$$% ） $"> $$?=> $@
基于遥感和 A23 的城市颗粒物污染分布研究
［ =］ 采用源自 《 上海气候》 的上海市风向、 风速的气候统计资料。
! A %" 绿地统计资料 绿地统计资料为上海市绿化管理局提供的 .PP- 年上海市各行政区的建成区绿化覆盖率和人均公共绿 地面积资料。
# @ 监测原理和方法
# A !" 监测原理 对于洁净大气， 利用 >7?? 卫星位于大气窗区的可见光通道和近红外通道， 可以遥感到来自地球表面 万方数据 的太阳辐射的反射辐射， 受大气中污染物粒子的吸收和散射影响较小 （ 在此未考虑大气中的水滴粒子影
［ !］ 显著， 可以利用卫星遥感的方法直接进行监测。范一大等 利用可见光、 近红外和远红外通道多光谱合成 ［ "# ］ 遥感数字图像进行沙尘暴的监测和沙尘信息的提取； 罗敬宁 等利用 "$ % !& 的波段建立可比沙尘强度指
数， 进行多源遥感数据的沙尘暴强度监测， 取得了明显的效果。而城市大气中的可吸入颗粒物， 由于其粒子 半径、 密度相对较小， 在可见光和近红外波段， 它对太阳辐射的吸收和散射可以忽略不计。但是， 它对大气透 过率却有一定影响。当大气中的可吸入颗粒污染物增加时， 卫星可见光和近红外通道的大气透过率都会下 降， 而近红外通道的下降比可见光通道快。因此， 本文根据颗粒污染物对可见光和近红外通道大气透过率下 降的影响差异， 利用 ’()) 卫星的双通道组合技术， 构造差值植被指数 （ ! *+ ） ， 并通过建立卫星与污染实测值 之间的相关关系来达到卫星污染测值的反演和计算。 ! $ !" 研究方法 ! $ ! $ # , 卫星资料预处理 （ " ）’()) 卫星资料预处理, ’()) 卫星的 )+-.. 资料经定标、 定位以及太阳高度角、 临边变暗订正 后， 采用二次多项式方法进行卫星图象与上海市行政区划矢量专题图件的配准和双线性插值放大， 然后与上 海地区二值图像 （# ， "） 进行逻辑乘， 截取上海市区域子图， 形成区域分析图象。 （ / ）资源一号卫星资料预处理 地进行训练分类。 最大似然分类法的多变量正态密度函数公式为 " 3 *" " （ # $ !% ） & & 012 ［ * " $ /（ ! " # % ） $% （ ! " #% ） ］ ’$ / （ / "） ( )% ( " $ / （ % & "， /， +） !!， 其中 # % 为均值矢量， $ % 为协方差矩阵， ) % 表示矩阵的行列式。 $ 函数， ’ 为模式矢量的维数， ! 为分类模式。 ! % 为模式类别， 最大似然判别函数集为 ,（ - ! $ !% ） （ - !% ） （ % & "， /， +） !!， % !） & （ 即 （ - !% ） 3 *" ,（ & 012 ［ * " $ /（ ! " # % ） $% （ ! " #% ） ］ % !） & ’$ / ( )% ( " $ / （ / "） /， +） （ % & "， !!， 其中 （ - !% ） 为先验概率。值得注意的是， 该分类方法对只有少量样本时， 不一定能得到最佳效果。 ! $ ! $ ! , 卫星光谱特征提取 , , 根据地面环境监测站的地理坐标， 在配准并经截取后的 ’()) 卫星图像上， 找出污染监测点对应的各 点坐标。同时， 为了减小定位误差， 取该点周边的 5 6 5 的模板进行邻域加权， 以加权值代表对应污染监测站 点的光谱特征值。 ! $ ! $ $ , 卫星污染测值的反演 （ " ）差值植被指数构造 ： 被指数 （ ! *+ ） ! *+ & . 78/ * . 78" . 78" 和 . 78/ 是 ’()) 卫星的可见光通道和近红外通道的反射率。 式中， 式 （9） 中所构造的差值植被指数不仅突出了颗粒物污染的光谱信息， 还部分消除了太阳高度角、 卫星扫 描角以及大气程辐射的影响。 （ / ）相关关系设立 利用回归统计方法， 找出地面污染监测值和对应卫星近红外和可见光通道的光谱 差值 （ 即差值植被指数） 之间的关系。 即选取晴天无云的 ’()) 卫星资料， 建立相应各点差值植被指数与地面监测点颗粒物污染指数 ! :;"# 相 关关系。例 /##5 年 9 月 "% 日和 < 月 /9 日卫星图象的相关公式分别为 万方数据 ! :;"# & * # / !%<= ! *+ 0 <5 / <>5, , , , （ ./ & # / >=#/ ） （>） （9） 根据颗粒污染物对可见光和近红外通道大气透过率的影响差异， 构造差值植 （5） （/）
余梓木! ， 周红妹# ， 郑有飞!
（ !8 南京气象学院环境科学系， 江苏 南京 #!$$%% ； #8 上海市城市环境气象研究中心， 上海 #$$$"$ ）
摘要： 根据可吸入颗粒污染物对 ,)-- 卫星可见光和近红外通道大气透过率影响的差异， 通过构造 卫星差值植被指数 ! 15 ， 建立了该指数与地面环境监测站的颗粒物污染指数 ! BC!$ 的相关关系。在卫星 污染测值的定量反演基础上， 结合绿地分布、 绿地统计以及气象等资料， 通过 A23 多因子要素综合分 析， 对上海中心城区的颗粒物污染状况进行了动态监测和研究。 关键词： ,)-- 卫星； 颗粒污染物； A23 多因子要素； 综合分析 中图分类号： D?!" ’ ’ ’ 文献标识码： -
收稿日期： #$$" ; !! ; $# ； ’ 修订日期： #$$% ; $" ; #! ’ ’ 作者简介： 余梓木 （ !<=$ ; ） ， 男， 福建宁德人， 硕士研究生， 主要从事遥感应用和地理信息系统研究8
万方数据
/期
余梓木等： 基于遥感和 ST6 的城市颗粒物污染分布研究
・ 8<・
［ -， .］ !"#$%"#"&’"&， (")*+#,) 等 最早根据污染地区地物反射率发生变化、 边界模糊的情况来对大气污染情况 ［ /］ ［ 5］ 进行估计； 范心圻等 根据城市热岛情况对城市大气污染进行宏观估计； 01*,,， 2,3+4 等 根据树叶中 67. 含 ［ /］ 量与遥感数据中植被指数的关系估计大气污染的情况； 施玉琪等 利用植被指数和大气污染综合指数之间 ［ 8］ 的关系， 推求了大气污染的范围和影响强度； 张韬等 利用遥感技术结合地物波谱进行了叶表面内大气污 ［ 9］ 染元素的含量测定， 分析研究了呼和浩特市的大气污染状况； 王雪梅等 首次从 !: 卫星数据直接定量提取 ［ ;］ 区域大气污染气体累加浓度信息， 并对珠江口大气污染状况有较客观、 形象的再现； 邓孺孺、 田国良等 在
通道 OMOM. OM/ OM5 OM8 波段 D !# PA 8= Q PA 9= PA ;.8 Q -A -P /A 88 Q /A </ -PA / Q --A / --A 8 Q -.A 8 波谱响应 可见光 近红外 中红外 热红外 热红外 地面分辨率 D N# -A -A -A -A -A -
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! A ! A # @ 绿地分布资料 @ @ 所采用的绿地分布资料来自于对资源一号卫星资料的信息解译和分类提取。 ! A #" 污染监测资料 采用的地面污染资料为上海市环境监测中心每天通过网络传给上海市气象局的上海 -P 个环境监测站 的污染 -P !# 颗粒物 （ R:-P ） 资料。 ! A $" 气象资料
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基于遥感和 A23 的城市颗粒物污染分布研究
［ =］ 采用源自 《 上海气候》 的上海市风向、 风速的气候统计资料。
! A %" 绿地统计资料 绿地统计资料为上海市绿化管理局提供的 .PP- 年上海市各行政区的建成区绿化覆盖率和人均公共绿 地面积资料。
# @ 监测原理和方法
# A !" 监测原理 对于洁净大气， 利用 >7?? 卫星位于大气窗区的可见光通道和近红外通道， 可以遥感到来自地球表面 万方数据 的太阳辐射的反射辐射， 受大气中污染物粒子的吸收和散射影响较小 （ 在此未考虑大气中的水滴粒子影
［ !］ 显著， 可以利用卫星遥感的方法直接进行监测。范一大等 利用可见光、 近红外和远红外通道多光谱合成 ［ "# ］ 遥感数字图像进行沙尘暴的监测和沙尘信息的提取； 罗敬宁 等利用 "$ % !& 的波段建立可比沙尘强度指
数， 进行多源遥感数据的沙尘暴强度监测， 取得了明显的效果。而城市大气中的可吸入颗粒物， 由于其粒子 半径、 密度相对较小， 在可见光和近红外波段， 它对太阳辐射的吸收和散射可以忽略不计。但是， 它对大气透 过率却有一定影响。当大气中的可吸入颗粒污染物增加时， 卫星可见光和近红外通道的大气透过率都会下 降， 而近红外通道的下降比可见光通道快。因此， 本文根据颗粒污染物对可见光和近红外通道大气透过率下 降的影响差异， 利用 ’()) 卫星的双通道组合技术， 构造差值植被指数 （ ! *+ ） ， 并通过建立卫星与污染实测值 之间的相关关系来达到卫星污染测值的反演和计算。 ! $ !" 研究方法 ! $ ! $ # , 卫星资料预处理 （ " ）’()) 卫星资料预处理, ’()) 卫星的 )+-.. 资料经定标、 定位以及太阳高度角、 临边变暗订正 后， 采用二次多项式方法进行卫星图象与上海市行政区划矢量专题图件的配准和双线性插值放大， 然后与上 海地区二值图像 （# ， "） 进行逻辑乘， 截取上海市区域子图， 形成区域分析图象。 （ / ）资源一号卫星资料预处理 地进行训练分类。 最大似然分类法的多变量正态密度函数公式为 " 3 *" " （ # $ !% ） & & 012 ［ * " $ /（ ! " # % ） $% （ ! " #% ） ］ ’$ / （ / "） ( )% ( " $ / （ % & "， /， +） !!， 其中 # % 为均值矢量， $ % 为协方差矩阵， ) % 表示矩阵的行列式。 $ 函数， ’ 为模式矢量的维数， ! 为分类模式。 ! % 为模式类别， 最大似然判别函数集为 ,（ - ! $ !% ） （ - !% ） （ % & "， /， +） !!， % !） & （ 即 （ - !% ） 3 *" ,（ & 012 ［ * " $ /（ ! " # % ） $% （ ! " #% ） ］ % !） & ’$ / ( )% ( " $ / （ / "） /， +） （ % & "， !!， 其中 （ - !% ） 为先验概率。值得注意的是， 该分类方法对只有少量样本时， 不一定能得到最佳效果。 ! $ ! $ ! , 卫星光谱特征提取 , , 根据地面环境监测站的地理坐标， 在配准并经截取后的 ’()) 卫星图像上， 找出污染监测点对应的各 点坐标。同时， 为了减小定位误差， 取该点周边的 5 6 5 的模板进行邻域加权， 以加权值代表对应污染监测站 点的光谱特征值。 ! $ ! $ $ , 卫星污染测值的反演 （ " ）差值植被指数构造 ： 被指数 （ ! *+ ） ! *+ & . 78/ * . 78" . 78" 和 . 78/ 是 ’()) 卫星的可见光通道和近红外通道的反射率。 式中， 式 （9） 中所构造的差值植被指数不仅突出了颗粒物污染的光谱信息， 还部分消除了太阳高度角、 卫星扫 描角以及大气程辐射的影响。 （ / ）相关关系设立 利用回归统计方法， 找出地面污染监测值和对应卫星近红外和可见光通道的光谱 差值 （ 即差值植被指数） 之间的关系。 即选取晴天无云的 ’()) 卫星资料， 建立相应各点差值植被指数与地面监测点颗粒物污染指数 ! :;"# 相 关关系。例 /##5 年 9 月 "% 日和 < 月 /9 日卫星图象的相关公式分别为 万方数据 ! :;"# & * # / !%<= ! *+ 0 <5 / <>5, , , , （ ./ & # / >=#/ ） （>） （9） 根据颗粒污染物对可见光和近红外通道大气透过率的影响差异， 构造差值植 （5） （/）
余梓木! ， 周红妹# ， 郑有飞!
（ !8 南京气象学院环境科学系， 江苏 南京 #!$$%% ； #8 上海市城市环境气象研究中心， 上海 #$$$"$ ）
摘要： 根据可吸入颗粒污染物对 ,)-- 卫星可见光和近红外通道大气透过率影响的差异， 通过构造 卫星差值植被指数 ! 15 ， 建立了该指数与地面环境监测站的颗粒物污染指数 ! BC!$ 的相关关系。在卫星 污染测值的定量反演基础上， 结合绿地分布、 绿地统计以及气象等资料， 通过 A23 多因子要素综合分 析， 对上海中心城区的颗粒物污染状况进行了动态监测和研究。 关键词： ,)-- 卫星； 颗粒污染物； A23 多因子要素； 综合分析 中图分类号： D?!" ’ ’ ’ 文献标识码： -
收稿日期： #$$" ; !! ; $# ； ’ 修订日期： #$$% ; $" ; #! ’ ’ 作者简介： 余梓木 （ !<=$ ; ） ， 男， 福建宁德人， 硕士研究生， 主要从事遥感应用和地理信息系统研究8
万方数据
/期
余梓木等： 基于遥感和 ST6 的城市颗粒物污染分布研究
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［ -， .］ !"#$%"#"&’"&， (")*+#,) 等 最早根据污染地区地物反射率发生变化、 边界模糊的情况来对大气污染情况 ［ /］ ［ 5］ 进行估计； 范心圻等 根据城市热岛情况对城市大气污染进行宏观估计； 01*,,， 2,3+4 等 根据树叶中 67. 含 ［ /］ 量与遥感数据中植被指数的关系估计大气污染的情况； 施玉琪等 利用植被指数和大气污染综合指数之间 ［ 8］ 的关系， 推求了大气污染的范围和影响强度； 张韬等 利用遥感技术结合地物波谱进行了叶表面内大气污 ［ 9］ 染元素的含量测定， 分析研究了呼和浩特市的大气污染状况； 王雪梅等 首次从 !: 卫星数据直接定量提取 ［ ;］ 区域大气污染气体累加浓度信息， 并对珠江口大气污染状况有较客观、 形象的再现； 邓孺孺、 田国良等 在
