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“高异质性高亮度地区颗粒物遥感监测技术”获中国地理信息科技进步奖二等奖
时间:2016-08-30

  一、项目概况 

  当前大气颗粒物污染监测主要以地面监测为主,由于地面监测网点布局相对稀少、分散,监测的总体污染状况受监测站点周围环境污染要素的影响较大,地面监测站点不能全面、动态地反映区域环境质量状况,更无法实现污染预报。卫星遥感技术具有视域广,覆盖区域连续,能够进行动态监测的特点,是提高大气颗粒物监测水平的有效方式。 

  国际国内已有大量卫星传感器用于大气颗粒物的监测。传统的颗粒物卫星遥感监测主要集中于海洋以及浓密植被地区,该类地区颗粒物光学厚度的反演,能够达到较高的精度。而城市、矿区等高异质性、高亮度区域,颗粒物的遥感反演非常困难,无法实现在该类型区域颗粒物环境效应的分析要求。当前颗粒物光学特性反演结果的空间分辨率停留在10公里这一空间尺度上,难以应用。 

  该项目实现了城市、稀疏植被等地区的颗粒物光学厚度和浓度的遥感反演,为大气环境质量的遥感反演和研究开拓新的方法和途径,对拓展颗粒物卫星遥感监测的空间范围、增强传感器的应用能力、提高卫星数据的利用率等方面具有重要的推动作用,是传统大气环境遥感的补充和发展,同时也为其他大气监测、遥感应用等技术的研究提供技术借鉴。 

  二、项目成果 

  (一)构建了城市地区的地表二向反射率模型,并用于支持该区域颗粒物的反演。 

  基于几何光学模型的基本理论,从宏观和微观两个尺度构建了城市地区的地表二向反射率模型。并把构建的地表反射率模型用于城市地区的颗粒物光学厚度反演,成功实现了城市这一特殊地表颗粒物光学特性的反演,有效拓展了颗粒物反演的空间范围。 

  (二)构建了稀疏植被地区地表反射率模型,并用于支持该类型区域颗粒物光学特性的反演。 

  基于混合想象分解的理论,利用大气辐射传输模型和SAIL 模型,建立了稀疏植被区域地表反射率模型,利用多波段数据的信息差异来反演稀疏植被区的颗粒物光学特性。实现了稀疏植被地区颗粒物光学特性的反演,从大尺度上提高了颗粒物光学特性反演的空间分辨率。

 

  1. 地表反射率数据支持的颗粒物光学特性遥感反演流程及反演结果

 

  2. 先验知识库支持的颗粒物光学特性反演方法获得的北京市颗粒物空间分布

  (三)提出了先验地表知识数据库支持的颗粒物光学特性遥感反演方法。 

  缺少2.1微米附近短波红外波段的传感器(如我国的HJ-1 A/B CCD数据),地表反射率的确定也比较困难,限制了该类型传感器颗粒物业务化监测的应用能力。此外,对于能够适用高亮度区域颗粒物反演的结构函数算法,需要在待反演图像相近时间范围的清晰图像的支持,而实时的清晰图像的选取非常困难。为克服以上问题,创新性地提出了先验地表反射率数据支持的地表反射率确定方法,对拓展颗粒物卫星遥感监测的空间范围、增强传感器的应用能力、提高卫星数据的利用率等方面具有重要的推动作用。 

  (四)构建了多参数关联的颗粒物浓度估计模型 

  项目结合已有地面颗粒物监测网和环境空气质量监测网,基于地基观测颗粒物数据、颗粒物卫星产品数据、颗粒物标高分布数据、水汽含量数据、以及近地表颗粒物浓度数据等,使用长时间序列数据研究不同时间颗粒物标高和颗粒物类型的变化,研究湿度、标高、颗粒物类型等对颗粒物消光系数的影响,在此基础上构建参数关联的二者转换模型,使得颗粒物遥感反演结果由单一的气候效应分析,转为气候效应和环境效应分析的双重应用。 

  该成果的主要实施效果包括: 

  1、促进了遥感反演颗粒物的环境效应分析应用。传统方法生成的颗粒物遥感产品的空间分辨率,因为方法仅能在均一低反射地区进行,而致使空间分辨率普遍较低(图3左图),低空间分辨率的遥感产品无法较好地实现城市、矿区等区域的环境效益分析应用。本成果生成的颗粒物遥感产品,克服了区域限制,使得分辨率能够达到像元级,显著提高了颗粒物遥感反演的空间分辨率,图3右图为本成果产生的500米分辨率的颗粒物遥感产品,在气候效应分析的应用和环境效应分析上发挥重要作用。 

  3. 本成果监测颗粒物分布结果与传统方法监测结果的比较 

  2、有力促进了颗粒物遥感产品在我国气象、环保以及其他企事业单位的应用。目前已在中国资源卫星应用中心(图4)、河北省气象局(图5)、沈阳市环保局等单位业务化应用。 

  

4. 中国资源卫星应用中心利用本成果生成的气溶胶光学厚度分布图 

5. 河北省气象局利用本成果监测的京津唐颗粒物光学特性的空间分布

  三、项目的创新点 

  1、构建了城市地区的二向反射率模型以及稀疏植被地区的地表反射率模型,突破了高异质性、高亮度地区的颗粒物光学特性反演的限制。 

  2、提出了多源卫星遥感数据协同支持的高亮度高异质性区域颗粒物光学特性遥感反演方法。 

  3、改进了适用于高异质性、高亮度地区的颗粒物光学特性遥感反演方法,推动了该类型区域颗粒物遥感反演的业务化实现。 

  4、提出了多参数关联的颗粒物光学特性向颗粒物浓度转换的模型,突破了颗粒物遥感产品在环境污染监测中应用的瓶颈。 

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