霧霾對(duì)典型地物光譜曲線測(cè)量的影響分析

引言

我國經(jīng)濟(jì)快速增長的同時(shí)，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(shì)，2013年，霧霾波及25個(gè)省份，100多個(gè)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(bào)，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(hào)起，河北省霧霾持續(xù)，1月12號(hào)石家莊被迫首次啟動(dòng)了霧霾車輛限行。我國霧霾的發(fā)生時(shí)間成常年化趨勢(shì)，且在幾十年內(nèi)都可能存在。

國家衛(wèi)生計(jì)生委10月28日印發(fā)《2013年空氣污染（霧霾）健康影響監(jiān)測(cè)工作方案》，提出將通過3年至5年時(shí)間，建立覆蓋全國的空氣污染（霧霾）健康影響監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測(cè)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(cè)范圍廣，周期短的優(yōu)勢(shì)，成為大范圍霧霾監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)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(cè)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(duì)實(shí)際的地物光譜曲線測(cè)量的影響是不可避免的。霧霾對(duì)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(jì)算等遙感參數(shù)的精度，影響到干旱監(jiān)測(cè)、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(cè)和去除方面已有不少學(xué)者進(jìn)行了研究，但霧霾對(duì)地物測(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)地物測(cè)量的反射光譜曲線的影響以及霧霾對(duì)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(jiǎn)易的霧霾模擬實(shí)驗(yàn)室。簡(jiǎn)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(dòng)。利用磨粉機(jī)控制顆粒物的直徑在2.5~10μm之間，利用一個(gè)大型吹風(fēng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)室吹風(fēng)1小時(shí)，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(duì)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(shí)分別計(jì)算出土壤含水量分別為0，5%，10%，15%，20%，30%，40%，50%，60%時(shí)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(cè)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(shí)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(cè)量PM2.5的含量；利用地物光譜儀測(cè)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(shí)與室外太陽光照下測(cè)量的光譜進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量和分析。

3.1霧霾對(duì)草坪測(cè)量的光譜曲線的影響

不同霧霾濃度下，草坪測(cè)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(cè)量的反射光譜曲線有較大的變化：晴空時(shí)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(cè)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(shí)，曲線的平滑度又有所增加。室外測(cè)量PM濃度為108時(shí)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(shí)測(cè)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(shí)的測(cè)量值。

圖1不同霧霾濃度下的草坪的光譜曲線

3.2霧霾對(duì)水泥地測(cè)量的光譜曲線

不同霧霾濃度下，水泥測(cè)量的反射光譜曲線如圖2。從圖2可知，不同的霧霾情況對(duì)水泥地反射率光譜曲線的測(cè)量同樣有較大的影響：室內(nèi)測(cè)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(shí)，反射率光譜曲線的平滑度略有增加。室外測(cè)量的PM值為108時(shí)的反射率值低于室測(cè)量的PM為150時(shí)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(duì)土壤測(cè)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(cè)量了不同霧霾濃度對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)土壤反射率曲線的影響，同草坪、水泥的情況類似，晴空時(shí)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(shí)，反射率曲線起伏劇烈，即霧霾對(duì)藍(lán)、紅光、近紅外波段的反射率影響較大。

圖3晴空時(shí)不同含水量的土壤光譜曲線

圖4PM濃度為35時(shí)不同含水量的土壤光譜曲線

圖5PM濃度為75時(shí)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(cè)量的光譜曲線也有較大的變化，說明不同的霧霾濃度對(duì)不同含水量土壤次測(cè)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(shí)不同含水量的土壤光譜曲線

圖7PM濃度為108時(shí)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(duì)地物測(cè)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(duì)植被、土壤、水泥地等主要地物測(cè)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(shí)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(shì)，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(cè)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(duì)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(jì)算、干旱監(jiān)測(cè)等遙感參數(shù)都與土壤、植被的反射率息息相關(guān)，霧霾對(duì)地物測(cè)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(duì)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(jì)規(guī)律消除霧霾影響有較大困難。

結(jié)語

以簡(jiǎn)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(duì)植被、水泥地、土壤等主要地物測(cè)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(shí)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(shì)，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(shí)（重污染），曲線平滑度又略有增加的趨勢(shì)；（3）室內(nèi)與室外測(cè)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(duì)各主要地物測(cè)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(jì)規(guī)律消除霧霾影響有較大困難。本文以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了霧霾對(duì)主要地物測(cè)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(jiǎn)陋，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)試與分析；對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析較簡(jiǎn)單，仍需進(jìn)一步深入研究，霧霾對(duì)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。

推薦：

便攜式地物光譜儀iSpecField-NIR/WNIR

專門用于野外遙感測(cè)量、土壤環(huán)境、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新明星產(chǎn)品，由于其操作靈活、便攜方便、光譜測(cè)試速度快、光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是一款真正意義上便攜式地物光譜儀。

無人機(jī)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VM100

一款基于小型多旋翼無人機(jī)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高光譜成像相機(jī)、穩(wěn)定云臺(tái)、機(jī)載控制與數(shù)據(jù)采集模塊、機(jī)載供電模塊等部分組成。無人機(jī)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)通過獨(dú)特的內(nèi)置式或外部掃描和穩(wěn)定控制，有效地解決了在微型無人機(jī)搭載推掃式高光譜照相機(jī)時(shí)，由于振動(dòng)引起的圖像質(zhì)量較差的問題，并具備較高的光譜分辨率和良好的成像性能。

便攜式高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VS1000

專門用于公安刑偵、物證鑒定、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新產(chǎn)品，主要優(yōu)勢(shì)具有體積小、幀率高、高光譜分辨率高、高像質(zhì)等性價(jià)比特點(diǎn)采用了透射光柵內(nèi)推掃原理高光譜成像，系統(tǒng)集成高性能數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)，高速USB3.0接口傳輸，全靶面高成像質(zhì)量光學(xué)設(shè)計(jì)，物鏡接口為標(biāo)準(zhǔn)C-Mount，可根據(jù)用戶需求更換物鏡。

審核編輯 黃宇