高分辨率卫星遥感揭示北京市区PM2.5详细分布

“雾霾”所造成的空气污染直接影响到我们的生活质量和身体健康。雾是指在低空的大气中悬浮的水汽凝结物，是一种的天气现象。而霾是指在近地面的空气中，悬浮的大量尘埃，烟屑和其它化学物质，主要是由人类的活动所造成的。其中PM2.5构成对人类健康的严重威胁，因为人体本身的过滤系统无法阻止PM2.5直接进入人类的肺部和心血管系统，一般意义上的口罩对PM2.5也无效。不难看出，霾是空气污染的主要原因。治理PM2.5造成的空气污染，首先要分析PM2.5的来源。地面监测站可以提供每天24小时的PM2.5数据，但是地面监测站的分布太稀疏，无法描述具体小范围的PM2.5。遥感卫星图像数据已经被用于PM2.5的分析，由于大气反演算法的限制，所用卫星图像的分辨率在500到1000米（例如美国的MODIS和NOAA-AVHRR），精度也不高。一般只可以用于大尺度的PM2.5年平均的分析，无法描述详细的小尺度PM2.5的分布。

下面采用中国资源3号高分辨率卫星遥感图像（5.8米）分析北京市区PM2.5的详细空间分布。

图1，2012年10月11日，北京天气预报

(http://www.tianqi.la/history/beijing/20121011.html）

2012年10月11日，北京市，晴，10°C - 22°C，微风，是一个难得的好天气（图1）。根据天气预报，运动指数：较适宜,白天天气晴朗，较适宜在户外开展低强度的运动，另外由于紫外线较强，户外运动注意防晒。晨练指数:适宜,天气晴朗，空气清新,是您晨练的大好时机,建议不同年龄段的人们积极参加户外身身活动。

当天上午10点30分过境的中国资源3号高分辨率卫星观测到，北京上空存在着一条自西南向东北的高亮度的比较宽的带状区域（图2）。采用最先进的高分辨率卫星图像去霾处理技术COOL(www.ksky.ca)，成功地将霾污染层从高分辨率的卫星图像中分离（图3和图4）。

图2，中国资源3号卫星图像（分辨率5.8米），北京，2012/10/11,10:30AM

图3，用COOL技术去霾之后的资源3号卫星图像，北京，2012/10/11,10:30AM

根据图2和3，将原始的高分辨率卫星图像（图2）和去霾之后的处理结果（图3）相比，可以看出去霾处理之后的卫星图像基本恢复了正常情况下的亮度和色彩。图4 是由高分辨率卫星图像中分离出来的霾分布。当空气中存在着各种尺度和不同性质的气溶胶粒子时，电磁波在空气中的散射就会大大地增强。一般情况下，超亮度的区域就意味着空气中的杂质含量比较大。空气中杂质越多，空气质量越差。图4也告诉我们，北京的城区空气质量明显比西北角的植物园区和东南角的郊区和农业区要差很多。

图4，用COOL技术从资源3号卫星图像分离出的霾的强度分布，北京，2012/10/11,10:30AM

虽然，图4中霾强度的空间分布可以告诉我们很多信息。但是，若要更详细地分析PM2.5产生的具体原因和可能造成的危害，进一步分析是非常必要的。

应用高分辨率卫星图像霾浓度分布估算方法，我们获得北京市区2012年10月11日上午10点30分的地面PM2.5的定量空间分布（图5）。北京市有30多个空气质量监测站，并且24小时实时发布监测结果。通过地面监测站的数据，经过统计计算，可以获得高准确度的定量的PM2.5地理分布。在这里，我们仅根据美国驻中国大使馆（北京，朝阳区，安家楼路55号）的PM2.5监测的历史数据进行定标的。(PM2.5:2012-10-11,10:00, 114μg/m3； 11:00, 194μg/m3) 10:30的监测值，我们取10点和11点之间的中间值PM2.5：154μg/m3。由于，用于定标的现场监测数据数量不足，图5的北京市PM2.5定量分布的结果，仅供参考。

图5，北京PM2.5浓度高分辨定量分布估算（μg/m3, 2012/10/11，10:30AM）

图6，中国资源3号高分辨率卫星图像监测的北京市的范围（2012,10/11,10:30 AM）

考虑到卫星图像的尺寸，四个较为典型的分区域（见图6中的红框）选做较为详细的展示，分别是美国驻华使馆区（图7），房山区（图8），故宫和天坛区（图9）以及北京工业大学区（图10）。每个分区，分别给出了原始卫星图像，去霾之后的图像，PM2.5空间分布和该区的Google地图。

图7，北京，美国驻华大使馆周围区域的细节显示和PM2.5的分析结果

图8，北京，房山周围区域的细节显示和PM2.5的分析结果

图9，北京，故宫和天坛周围区域的细节显示和PM2.5的分析结果

图10，北京，北京工业大学周围区域的细节显示和PM2.5的分析结果

从图5整体来看，整个卫星监测的范围PM2.5的平均值为150μg/m3 左右。但是从美国驻华使馆10点到11点的监测值（从114到194μg/m3）来看，PM2.5正处于快速上升时段。因此，可以预见当天下午北京的PM2.5可能会更高。具体验证，根据其他监测站的历史数据可以再分析。

PM2.5被称为看不见的杀手。PM2.5的强度达到150μg/m3时，已经是不健康的水平。从上边4个分区的详细显示可以看出，有些地方甚至已经达到254μg/m3（非常不健康）。限于篇幅和本文的目的，对每个分区中PM2.5的详细分布不做详细分析。

从遥感分析技术层面，选择晴天的卫星图像，可以假定在整个城区的上空的水汽含量是均匀的。因此，散射量的小尺度变化主要由接近地面的分布引起。根据大气散射原理，进一步分析空气污染层，若将不同的散射性质（Rayleigh，Mie和Nonselective）进行分解，空气污染的成分可以得到更详细的分解和分析。

这里要强调的是，当天的天气报告是晴天，没有雾，又是中晚秋季节，自然环境状况应当是非常良好。之所以出现这种造成环境污染的霾，可以简单直接地推断，是人类的各种活动产生的，包括建筑扬尘，汽车尾气和工业排放等等。雾霾会直接作用于我们的视觉，人们会自觉地采取各种防护措施，避免过多地接触有害的空气。而晴空中的PM2.5污染不同于雾霾，没有很强烈的视觉感受，空气干燥，凉爽，也不影响交通。大部分人会在这个季节，这种天气条件下，选择多开展户外活动。因此晴空之下的霾，更具有欺骗性。我们往往容易忽视防护，从而也就可能对我们的健康造成比雾霾情况下更严重的伤害。

另外需要指出，2012年10月11日（星期四）是北京的一个典型的工作日，又没有任何特殊的天气状况影响。因此，由这幅资源3号高分辨率卫星监测图像导出的PM2.5的分布结果，很可能是北京市空气质量的在那个时间段的一个常态。将通过其它卫星图像数据做进一步的验证。

感谢中国资源卫星应用中心提供资源3号卫星图像数据。希望能与国内的同行合作，运用中国其他城市的典型高分辨率卫星图像数据，进行PM2.5在这些城市详细分布的分析试验。