徐淮矿区及周边冬季AOD遥感监测及时空特征研究

摘要

近年来，随着全球经济的不断发展，大气污染事件频繁发生，严重影响人类的正常生活和财产安全。目前国内外学者基于各种卫星数据实现对中大型城市的大气环境监测，而针对矿区及矿区转型城市的研究仍较少。高分系列卫星是我国自主研发的对地观测卫星，利用国产高分卫星对矿区及周边城市进行大气环境监测对于推动国产卫星发展，监测矿区及周边空气质量变化意义显著。 本文基于暗目标和深蓝两种算法，利用高分一号(GF-1)WFV数据反演徐淮矿区及周边气溶胶光学厚度(AOD)，并将反演AOD利用AERONET地基观测数据对比验证反演精度。基于研究区大气污染点源、土地利用类型数据进行研究区AOD时空特征分析，并将反演AOD与空气质量数据(AQI、PM2.5、PM10)拟合多种回归模型分析相关性，确定最合适的模型;针对研究时序内一次严重的污染事件分析AOD与气象因子（TEM、RHU、PRE和WIN）的相互关系。主要研究内容与结论如下: (1)基于暗目标法和深蓝算法利用GF-1卫星WFV数据实现徐淮矿区及周边2014-2017年间200m分辨率AOD反演。反演AOD与AERONET地基数据对比显示，AOD与站点数据之间相关性良好，暗目标法相关系数(R2)为0.876，RMSE为0.161，深蓝算法相关系数(R2)0.899，RMSE为0.158。 (2)不同时期反演AOD空间分布基本一致，AOD高值区多分布于人口密集、经济发展较好的城市区域，平均数值达到2.0。AOD高值区与大气污染点源数据有相似的空间分布特征，在图像中显示为发电厂、采矿区、建筑工程和工厂分布密集区域，在土地利用类型中显示为建筑区域;AOD低值区则分布于人口分布较少，植被生长态势好的区域，在土地利用图像中显示为林地、耕地和水体区域，此类区域可以吸收大气污染物并限制其传输。从整体上来看，冬季深蓝算法反演AOD相比于夏季，高值区域范围更广，AOD最高值更大，达到2.4，低值区域相对夏季范围更小。 (3)两种算法反演AOD与空气质量数据（AQI、PM2.5和PM10）经过Pearson相关性分析表明显著相关，AOD与三种参数的Pearson相关系数分别为:暗目标法反演AOD与AQI相关系数为0.667，AOD与PM2.5为0.683，AOD与PM10为0.484;深蓝算法反演AOD与AQI相关系数为0.762，AOD与PM2.5为0.752，AOD与PM10为0.642。对比多种拟合模型相关系数(R2)可以得出:对于研究区反演AOD，AOD与AQI最优关系模型为指数函数;AOD与PM2.5最优关系模型为一元二次函数;AOD与PM10最优关系模型为一元二次函数; (4)本文以一次严重污染事件为例对反演AOD与气象因子相互关系进行分析，分析结果表明，空气污染时期气溶胶浓度的增长会对气温产生冷却效应，与相对湿度呈一定正相关性，且抑制降水生成。此外，研究区西北部相山的高地形和盛行西北风也可能是阻碍高空气溶胶颗粒物扩散的重要条件。