霧霾對典型地物光譜曲線測量的影響分析

引言

我國經(jīng)濟(jì)快速增長的同時，霧霾也不期而至。近年來，霧霾不斷蔓延加劇，且成爆發(fā)之勢，2013年，霧霾波及25個省份，100多個大中型城市，全國平均霧霾天數(shù)達(dá)29.9天，創(chuàng)52年來之最。據(jù)環(huán)境部通報，2014年1月30日，中東部地區(qū)霧霾面積為143萬km2，2月份重污染，波及15省面積181萬km2，其中空氣污染較重的面積超過了98萬km2。濟(jì)南市2014年1月—2月份，僅有9天的空氣質(zhì)量是良好，其余50天都存在空氣污染的情況。2015年，霧霾持續(xù)，1月2號起，河北省霧霾持續(xù)，1月12號石家莊被迫首次啟動了霧霾車輛限行。我國霧霾的發(fā)生時間成常年化趨勢，且在幾十年內(nèi)都可能存在。

國家衛(wèi)生計生委10月28日印發(fā)《2013年空氣污染（霧霾）健康影響監(jiān)測工作方案》，提出將通過3年至5年時間，建立覆蓋全國的空氣污染（霧霾）健康影響監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測站獲得的霧霾數(shù)據(jù)是點(diǎn)數(shù)據(jù)，區(qū)域數(shù)據(jù)依賴于數(shù)據(jù)差值技術(shù)，而遙感技術(shù)因?yàn)楸O(jiān)測范圍廣，周期短的優(yōu)勢，成為大范圍霧霾監(jiān)測的重要工具。目前遙感技術(shù)在霧霾方面的研究和應(yīng)用，霧霾天氣時的氣溶膠光學(xué)厚度、散光系數(shù)、組成、垂直分布、霧霾影像的去除技術(shù)等方面。遙感監(jiān)測霧霾主要是利用遙感數(shù)據(jù)獲取氣溶膠光學(xué)厚度等數(shù)據(jù)，分析氣溶膠光學(xué)厚度與霧霾濃度的關(guān)系，比較成熟的氣溶膠光學(xué)厚度反演算法主要有：基于中紅外通道（2.12μm）與紅（0.66μm）、藍(lán)（0.47μm）通道關(guān)系的暗目標(biāo)法；基于多角度觀測的多角度方法，MISR氣溶膠產(chǎn)品應(yīng)用了此方法；基于地表反射率的結(jié)構(gòu)函數(shù)法和基于偏振信息的偏振氣溶膠反演方法（POLDER）。霧霾的去除算法主要分為基于圖像增強(qiáng)的方法和基于圖像復(fù)原的方法。

自然界中任何地物都具有其自身的電磁輻射規(guī)律，這種特性稱為地物的光譜特性，遙感就是主要利用物體的電磁波區(qū)別地物。霧霾對實(shí)際的地物光譜曲線測量的影響是不可避免的。霧霾對地物反射率的影響直接影響到植被指數(shù)、葉面積指數(shù)、葉綠素反演、土壤線計算等遙感參數(shù)的精度，影響到干旱監(jiān)測、資源調(diào)查等很多遙感應(yīng)用方面的工作。遙感技術(shù)在霧霾的監(jiān)測和去除方面已有不少學(xué)者進(jìn)行了研究，但霧霾對地物測量的反射光譜的影響還沒有學(xué)者進(jìn)行具體的研究，本論文主要討論不同的霧霾情況對監(jiān)測地物測量的反射光譜曲線的影響以及霧霾對遙感參數(shù)的影響。

實(shí)驗(yàn)部分

本論文數(shù)據(jù)基于自建的、簡易的霧霾模擬實(shí)驗(yàn)室。簡易的霧霾模擬實(shí)驗(yàn)室由長4m、寬3m、高3m密閉塑料棚，頂棚和右側(cè)可自由活動。利用磨粉機(jī)控制顆粒物的直徑在2.5~10μm之間，利用一個大型吹風(fēng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)室吹風(fēng)1小時，使顆粒物與空氣充分混合?？刂瓶晌敕晤w粒物的濃度PM分別為35，75，150μg·m-3，對應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）分別為50，100，200。

本論文采用的土壤是褐土，利用鋁盒取土，鋁盒直徑為200mm，厚度50mm，共采取了8塊土樣。土壤采樣后放進(jìn)烘箱烘干24h后取出，利用天平稱重，同時分別計算出土壤含水量分別為0，5%，10%，15%，20%，30%，40%，50%，60%時的水的重量，利用天平和量杯稱出水，然后分別加入不同的鋁盒中，封口，2h后測量。當(dāng)土壤水分到60%，土壤水分已經(jīng)飽和，下面的分析去掉了含水量為60%時的土壤樣品。植被樣本采用的是人工種植的草坪，水泥地樣本采用的普通水泥地表。

結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)主要通過霧霾模擬實(shí)驗(yàn)室，利用激光粉塵儀測量PM2.5的含量；利用地物光譜儀測量了植被、水泥地表以及不同含水量（0，5%，10%，15%，20%，30%，40%，50%）的土壤在不同的霧霾濃度下（晴空、PM35，PM75，PM150）的反射光譜曲線，同時與室外太陽光照下測量的光譜進(jìn)行了對比測量和分析。

3.1霧霾對草坪測量的光譜曲線的影響

不同霧霾濃度下，草坪測量的反射光譜曲線如圖1。從圖1可知，在不同霧霾濃度下，植被測量的反射光譜曲線有較大的變化：晴空時條件下，草坪的反射率最高，反射率曲線也最平滑，隨顆粒物濃度的增加，霧霾顆粒的散射、反射等使測量的草坪反射率下降，且反射率曲線的起伏增多，但當(dāng)PM值升至150時，曲線的平滑度又有所增加。室外測量PM濃度為108時的草坪的光譜曲線的近紅外區(qū)域的反射率幾乎與室內(nèi)PM濃度150時測量的反射率相近，但可見光區(qū)的反射率高于室內(nèi)PM濃度150時的測量值。

圖1不同霧霾濃度下的草坪的光譜曲線

3.2霧霾對水泥地測量的光譜曲線

不同霧霾濃度下，水泥測量的反射光譜曲線如圖2。從圖2可知，不同的霧霾情況對水泥地反射率光譜曲線的測量同樣有較大的影響：室內(nèi)測量的水泥的光譜曲線隨著PM值的增加而降低，且反射率光譜曲線的平滑度下降，到PM值為150時，反射率光譜曲線的平滑度略有增加。室外測量的PM值為108時的反射率值低于室測量的PM為150時的反射率。

圖2不同霧霾濃度下的水泥地的光譜曲線

3.3霧霾對土壤測量的光譜曲線的影響

土壤的光譜曲線隨土壤含水量的不同有較大變化，本實(shí)驗(yàn)測量了不同霧霾濃度對不同含水量（0，5%，10%，15%，20%，30%，40%，50%）的土壤反射率光譜曲線的影響。

圖3-圖7反應(yīng)了不同霧霾濃度（晴空，PM35，PM75，PM150，PM108）對不同含水量（0，5%，10%，15%，20%，30%，40%，50%）土壤的反射率光譜曲線的影響。由此可見：不同的霧霾濃度對不同土壤含水量的土壤反射率光譜曲線都有不同程度的影響。霧霾對土壤反射率曲線的影響，同草坪、水泥的情況類似，晴空時土壤的反射率是最高的，反射率曲線也最平滑，隨著霧霾濃度的增加，不同含水量的土壤的反射率都有所降低，且光譜曲線的平滑度也下降，尤其是在藍(lán)、紅光、近紅外波段，當(dāng)霧霾濃度增加時，反射率曲線起伏劇烈，即霧霾對藍(lán)、紅光、近紅外波段的反射率影響較大。

圖3晴空時不同含水量的土壤光譜曲線

圖4PM濃度為35時不同含水量的土壤光譜曲線

圖5PM濃度為75時不同含水量的土壤光譜曲線

將同一土壤在不同霧霾濃度下的光譜曲線進(jìn)行比較，以土壤含水量0%和20%為例，其反射率光譜曲線見圖8和圖9。

由圖8和圖9可知，同一含水量的土壤在不同霧霾濃度下，其測量的光譜曲線也有較大的變化，說明不同的霧霾濃度對不同含水量土壤次測量的光譜曲線的影響不同，且影響的幅度也不一樣。

圖6PM濃度為150時不同含水量的土壤光譜曲線

圖7PM濃度為108時不同含水量的土壤光譜曲線（室外）

圖8不同霧霾濃度下干燥土壤的光譜曲線

3.4霧霾對地物測量的反射率光譜曲線的影響

從以上分析可知，無論是在室內(nèi)還是室外，霧霾對植被、土壤、水泥地等主要地物測量的光譜曲線都有較大的影響；各主要地物的光譜曲線都是在晴空時反射率最高，反射率光譜曲線也最平滑，隨霧霾顆粒物濃度的增加，各主要地物的反射率都呈降低趨勢，但降幅都不盡相同，降幅沒有明顯的規(guī)律可循；室內(nèi)與室外測量的反射率曲線因?yàn)殪F霾顆粒成分、含量的不同而不同。

圖9不同霧霾濃度下含水量為20%的土壤光譜曲線

3.5霧霾對遙感參數(shù)的影響

植被指數(shù)、葉面積指數(shù)、葉綠素反演、土壤線計算、干旱監(jiān)測等遙感參數(shù)都與土壤、植被的反射率息息相關(guān)，霧霾對地物測量反射率光譜的影響直接影響到這些遙感參數(shù)反演的精度。從以上分析可知，霧霾對各主要地物反射率的影響雖有大體的規(guī)律可循，但不同波段、不同含水量狀況、不同霧霾濃度等的影響都不盡相同，且影響大小、范圍都沒有明顯的規(guī)律，因此利用統(tǒng)計規(guī)律消除霧霾影響有較大困難。

結(jié)語

以簡單的霧霾模擬實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，分析不同霧霾濃度（晴空，PM35，PM75，PM150，PM108）對植被、水泥地、土壤等主要地物測量的反射率光譜曲線的影響；主要的研究結(jié)論有：（1）植被、水泥地、土壤等主要地物的反射率光譜曲線都是在晴空時反射率最高，光譜曲線也最平滑，隨霧霾顆粒物濃度的增加，各主要地物的反射率都呈降低趨勢，但降幅都不盡相同，降幅沒有明顯的規(guī)律可循；（2）植被與水泥地的光譜反射率曲線存在隨霧霾濃度增加，曲線平滑度下降，但當(dāng)PM濃度達(dá)到150時（重污染），曲線平滑度又略有增加的趨勢；（3）室內(nèi)與室外測量的地物反射率光譜曲線因?yàn)殪F霾顆粒成分、含量的不同而不同；（4）霧霾對各主要地物測量的光譜的影響雖有大體的規(guī)律可循，但不同波段、不同含水量狀況、不同霧霾濃度等的影響都不盡相同，且影響大小、范圍都沒有明顯的規(guī)律，因此利用統(tǒng)計規(guī)律消除霧霾影響有較大困難。本文以實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了霧霾對主要地物測量的反射率光譜的影響，但是仍然存在很多不足，如霧霾模擬實(shí)驗(yàn)室比較簡陋，難以實(shí)現(xiàn)對霧霾條件的精準(zhǔn)控制；主要地物的反射率光譜曲線仍需要進(jìn)一步測試與分析；對測量數(shù)據(jù)的分析較簡單，仍需進(jìn)一步深入研究，霧霾對眾多遙感參數(shù)、遙感應(yīng)用工作方面的影響仍需深入分析等。

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審核編輯 黃宇