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高分辨率卫星遥感霾污染源诊断分析监测系统(SHSDAI) 精选

已有 5459 次阅读 2015-11-25 21:15 |个人分类:科研试验|系统分类:科研笔记| 监测系统, 卫星遥感, 霾污染源

近几年来,雾霾和PM2.5污染一直着困扰中国的绝大部分城市区域。尽管社会各方面都认识到雾霾和PM2.5直接威胁我们的身体健康,政府也在加大投资,全力以赴地治理大气污染,为什么雾霾出现的次数和强度并没见好转,有些地方甚至变得更差?大量研究已经表明汽车尾气,化石燃料燃烧排放和工地扬尘是雾霾最主要的三大污染源。为什么有针对性的治理,却没见明显的成效呢?


1.近年来中国的空气质量令人堪忧

根据中国环保部最近的报告,近75%的大城市空气质量未达标。为此,各个地方政府受到了不少批评。完全是大气污染治理的措施不够吗?我们可以看到整个社会在各级政府的领导下,采取了种种减排措施,包括汽车单双号行驶,建筑工地洒水,减少煤炭消耗,等等。可是宏观的大气质量并没有随之改变。仔细分析采取的措施和得到的结果,我们认为真正的原因是在大气污染治理的过程中,监测和执法的力度不够。由于监测和检测的技术手段的不足,在采取了相应的大气污染防治措施之后,仅凭几个监测点的数据,是很难掌握大范围的空气污染源详细的空间分布,因此也难以确定空气污染源的准确位置。没有确凿的依据,势必影响到治理效果的检验,也直接影响到执法力度。地面观测站虽然有24小时的连续监测数据,但是如果强的风漂移存在,空气中的污染成分很可能与周边区域污染有关。责任不清,难以执法,也无法用来评价大气污染治理的成效。

高分辨率卫星遥感霾污染源诊断分析监测系统SHSDAI

为了使有关部门可以有效地掌握大气污染源的位置和强度,以便于监督和治理。根据对不同城市的雾霾成因分析的算法,我们开发了“高分辨率卫星遥感霾污染源诊断分析监测系统SHSDAISystem for Haze Sources Diagnosis, Analysis& Identification。只要将符合一定天气条件的高分辨率卫星图像和同步的地面观测数据输入SHSDAI,就可以得到高分辨率的霾空间分布和强度。使当地的霾污染源一目了然。系统共分诊断,分析和确认三个部分。

·       诊断部分(Diagnosis):是对霾污染源进行分类。在掌握霾污染的强度和空间分布的基础上,可以诊断霾污染源的成因和大致成分。

·       分析部分(Analysis):是根据多光谱和多时相的卫星图像数据,可以进一步分析主要霾污染源的形成历史和季节变化。

·       确认部分(Identification):则根据霾污染源的地理位置,确定造成霾污染源的责任,也可以为有针对性地对重点污染源进行治理提供监测数据和检测治理的效果。

2. 高分辨率卫星遥感霾污染源诊断分析监测系统

SHSDAI系统可以选择四种不同的结果显示,原始卫星图像(图2),去霾之后的清晰图像(图3),霾分布(图4)和该区域的行政地图。原始卫星图像用来对整体的大气状况的估计,以便调整有关参数。去霾后的清晰图像用于评估去霾的效果,以提高霾污染源强度计算的精度。霾或者PM2.5分布是由多波段卫星图像分离出来结果,通过与地面同步观测数据的定标可以给出各个点的PM2.5定量数据(图4)。通过行政地图可以得到霾污染源的准确坐标和地址。

3. 去霾之后的图像分析

由于屏幕显示尺寸有限,主显示区无法做到全分辨率的图像显示。在左下角可以看到鼠标到达之处的局部全分辨率显示。从而可以了解各个局部的详细结构。

对获取卫星图像当天的气象要求:晴空或少云,无风或微风,湿度不超过70%。卫星图像为“tif”格式. 对于一般大城市,如果卫星图像的分辨率在5米左右,10000×10000像素,可以覆盖大约50公里X 50公里的区域。5米的霾污染源的定位精确度,可以满足实际执法的需要。而比较小的市区,可以采用更高分辨率的卫星图像1 - 2.5米)。只要整幅的卫星图像可以覆盖所监测的区域。当然如果十分必要,也可以采用几幅图像的镶嵌。作为第一版本,主要开发霾污染源监测所需的基本功能。在后续的版本中,将进一步增加相应的功能,提高精度。

SHSDAI所处理得到的是几乎没有任何外界输入的霾PM2.5分布。因此,霾分布的结果是完全由本地的地面活动造成的。在这种情况下,霾污染源可以被准确地确定。特别是多幅连续的卫星图像更可以描述霾污染源的动态变化。

4 PM2.5)污染源的空间分析

SHSDAI采用了被确认为目前世界最先进的高分辨率卫星图像雾霾分离的COOL技术,因此是首创的高分辨率卫星图像霾污染源诊断分析监测系统。SHSDAI系统的诊断分析和监测结果可以为城市区域的霾污染的治理提供可靠的依据。当大规模的雾霾发生的时候,往往是跨省尺度的雾霾笼罩。一般将这种雾霾污染归咎于天气的特殊状况。但是,归根结底,霾污染的成分是来自于地面的各项人类活动。要治理霾污染,首先就必须要确认霾污染的源。就像医生看病人,要先做诊断。SHSDAI就是用于治理大气污染的诊断工具。通过对诊断结果的分析,最后确认如何对症下药。在治理的过程中,通过SHSDAI不断的检测可以判断治理的方法是否有效。如果采用处罚措施,SHSDAI的结果也可以作为惩罚的依据。

·       诊断霾污染的真正来源:分清责任,特别是对主要受周边区域大气污染影响的城市,可以证清白。

·       分析霾污染源形成的原因:有的放矢,为有效地治理霾污染,采取什么手段和措施提供指导,科学地治理霾污染。

·       检测霾污染治理的成效:动态监测,在治理的过程中,连续的监测可以确认措施是否得当。随时修正,达到事半功倍。

·       准确地确认霾污染源的位置:严格执法,强有力的证据使违法的霾污染源无处可藏。



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2 蒋大和 王家冰

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