雾霾对典型地物光谱曲线测量的影响分析

引言

我国经济快速增长的同时，雾霾也不期而至。近年来，雾霾不断蔓延加剧，且成爆发之势，2013年，雾霾波及25个省份，100多个大中型城市，全国平均雾霾天数达29.9天，创52年来之最。据环境部通报，2014年1月30日，中东部地区雾霾面积为143万km2，2月份重污染，波及15省面积181万km2，其中空气污染较重的面积超过了98万km2。济南市2014年1月—2月份，仅有9天的空气质量是良好，其余50天都存在空气污染的情况。2015年，雾霾持续，1月2号起，河北省雾霾持续，1月12号石家庄被迫首次启动了雾霾车辆限行。我国雾霾的发生时间成常年化趋势，且在几十年内都可能存在。

国家卫生计生委10月28日印发《2013年空气污染（雾霾）健康影响监测工作方案》，提出将通过3年至5年时间，建立覆盖全国的空气污染（雾霾）健康影响监测网络。监测站获得的雾霾数据是点数据，区域数据依赖于数据差值技术，而遥感技术因为监测范围广，周期短的优势，成为大范围雾霾监测的重要工具。目前遥感技术在雾霾方面的研究和应用，雾霾天气时的气溶胶光学厚度、散光系数、组成、垂直分布、雾霾影像的去除技术等方面。遥感监测雾霾主要是利用遥感数据获取气溶胶光学厚度等数据，分析气溶胶光学厚度与雾霾浓度的关系，比较成熟的气溶胶光学厚度反演算法主要有：基于中红外通道（2.12μm）与红（0.66μm）、蓝（0.47μm）通道关系的暗目标法；基于多角度观测的多角度方法，MISR气溶胶产品应用了此方法；基于地表反射率的结构函数法和基于偏振信息的偏振气溶胶反演方法（POLDER）。雾霾的去除算法主要分为基于图像增强的方法和基于图像复原的方法。

自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，这种特性称为地物的光谱特性，遥感就是主要利用物体的电磁波区别地物。雾霾对实际的地物光谱曲线测量的影响是不可避免的。雾霾对地物反射率的影响直接影响到植被指数、叶面积指数、叶绿素反演、土壤线计算等遥感参数的精度，影响到干旱监测、资源调查等很多遥感应用方面的工作。遥感技术在雾霾的监测和去除方面已有不少学者进行了研究，但雾霾对地物测量的反射光谱的影响还没有学者进行具体的研究，本论文主要讨论不同的雾霾情况对监测地物测量的反射光谱曲线的影响以及雾霾对遥感参数的影响。

实验部分

本论文数据基于自建的、简易的雾霾模拟实验室。简易的雾霾模拟实验室由长4m、宽3m、高3m密闭塑料棚，顶棚和右侧可自由活动。利用磨粉机控制颗粒物的直径在2.5~10μm之间，利用一个大型吹风机在实验室吹风1小时，使颗粒物与空气充分混合。控制可吸入肺颗粒物的浓度PM分别为35，75，150μg·m-3，对应的空气质量指数（AQI）分别为50，100，200。

本论文采用的土壤是褐土，利用铝盒取土，铝盒直径为200mm，厚度50mm，共采取了8块土样。土壤采样后放进烘箱烘干24h后取出，利用天平称重，同时分别计算出土壤含水量分别为0，5%，10%，15%，20%，30%，40%，50%，60%时的水的重量，利用天平和量杯称出水，然后分别加入不同的铝盒中，封口，2h后测量。当土壤水分到60%，土壤水分已经饱和，下面的分析去掉了含水量为60%时的土壤样品。植被样本采用的是人工种植的草坪，水泥地样本采用的普通水泥地表。

结果与讨论

本实验主要通过雾霾模拟实验室，利用激光粉尘仪测量PM2.5的含量；利用地物光谱仪测量了植被、水泥地表以及不同含水量（0，5%，10%，15%，20%，30%，40%，50%）的土壤在不同的雾霾浓度下（晴空、PM35，PM75，PM150）的反射光谱曲线，同时与室外太阳光照下测量的光谱进行了对比测量和分析。

3.1雾霾对草坪测量的光谱曲线的影响

不同雾霾浓度下，草坪测量的反射光谱曲线如图1。从图1可知，在不同雾霾浓度下，植被测量的反射光谱曲线有较大的变化：晴空时条件下，草坪的反射率最高，反射率曲线也最平滑，随颗粒物浓度的增加，雾霾颗粒的散射、反射等使测量的草坪反射率下降，且反射率曲线的起伏增多，但当PM值升至150时，曲线的平滑度又有所增加。室外测量PM浓度为108时的草坪的光谱曲线的近红外区域的反射率几乎与室内PM浓度150时测量的反射率相近，但可见光区的反射率高于室内PM浓度150时的测量值。

图1不同雾霾浓度下的草坪的光谱曲线

3.2雾霾对水泥地测量的光谱曲线

不同雾霾浓度下，水泥测量的反射光谱曲线如图2。从图2可知，不同的雾霾情况对水泥地反射率光谱曲线的测量同样有较大的影响：室内测量的水泥的光谱曲线随着PM值的增加而降低，且反射率光谱曲线的平滑度下降，到PM值为150时，反射率光谱曲线的平滑度略有增加。室外测量的PM值为108时的反射率值低于室测量的PM为150时的反射率。

图2不同雾霾浓度下的水泥地的光谱曲线

3.3雾霾对土壤测量的光谱曲线的影响

土壤的光谱曲线随土壤含水量的不同有较大变化，本实验测量了不同雾霾浓度对不同含水量（0，5%，10%，15%，20%，30%，40%，50%）的土壤反射率光谱曲线的影响。

图3-图7反应了不同雾霾浓度（晴空，PM35，PM75，PM150，PM108）对不同含水量（0，5%，10%，15%，20%，30%，40%，50%）土壤的反射率光谱曲线的影响。由此可见：不同的雾霾浓度对不同土壤含水量的土壤反射率光谱曲线都有不同程度的影响。雾霾对土壤反射率曲线的影响，同草坪、水泥的情况类似，晴空时土壤的反射率是最高的，反射率曲线也最平滑，随着雾霾浓度的增加，不同含水量的土壤的反射率都有所降低，且光谱曲线的平滑度也下降，尤其是在蓝、红光、近红外波段，当雾霾浓度增加时，反射率曲线起伏剧烈，即雾霾对蓝、红光、近红外波段的反射率影响较大。

图3晴空时不同含水量的土壤光谱曲线

图4PM浓度为35时不同含水量的土壤光谱曲线

图5PM浓度为75时不同含水量的土壤光谱曲线

将同一土壤在不同雾霾浓度下的光谱曲线进行比较，以土壤含水量0%和20%为例，其反射率光谱曲线见图8和图9。

由图8和图9可知，同一含水量的土壤在不同雾霾浓度下，其测量的光谱曲线也有较大的变化，说明不同的雾霾浓度对不同含水量土壤次测量的光谱曲线的影响不同，且影响的幅度也不一样。

图6PM浓度为150时不同含水量的土壤光谱曲线

图7PM浓度为108时不同含水量的土壤光谱曲线（室外）

图8不同雾霾浓度下干燥土壤的光谱曲线

3.4雾霾对地物测量的反射率光谱曲线的影响

从以上分析可知，无论是在室内还是室外，雾霾对植被、土壤、水泥地等主要地物测量的光谱曲线都有较大的影响；各主要地物的光谱曲线都是在晴空时反射率最高，反射率光谱曲线也最平滑，随雾霾颗粒物浓度的增加，各主要地物的反射率都呈降低趋势，但降幅都不尽相同，降幅没有明显的规律可循；室内与室外测量的反射率曲线因为雾霾颗粒成分、含量的不同而不同。

图9不同雾霾浓度下含水量为20%的土壤光谱曲线

3.5雾霾对遥感参数的影响

植被指数、叶面积指数、叶绿素反演、土壤线计算、干旱监测等遥感参数都与土壤、植被的反射率息息相关，雾霾对地物测量反射率光谱的影响直接影响到这些遥感参数反演的精度。从以上分析可知，雾霾对各主要地物反射率的影响虽有大体的规律可循，但不同波段、不同含水量状况、不同雾霾浓度等的影响都不尽相同，且影响大小、范围都没有明显的规律，因此利用统计规律消除雾霾影响有较大困难。

结语

以简单的雾霾模拟实验室为基础，分析不同雾霾浓度（晴空，PM35，PM75，PM150，PM108）对植被、水泥地、土壤等主要地物测量的反射率光谱曲线的影响；主要的研究结论有：（1）植被、水泥地、土壤等主要地物的反射率光谱曲线都是在晴空时反射率最高，光谱曲线也最平滑，随雾霾颗粒物浓度的增加，各主要地物的反射率都呈降低趋势，但降幅都不尽相同，降幅没有明显的规律可循；（2）植被与水泥地的光谱反射率曲线存在随雾霾浓度增加，曲线平滑度下降，但当PM浓度达到150时（重污染），曲线平滑度又略有增加的趋势；（3）室内与室外测量的地物反射率光谱曲线因为雾霾颗粒成分、含量的不同而不同；（4）雾霾对各主要地物测量的光谱的影响虽有大体的规律可循，但不同波段、不同含水量状况、不同雾霾浓度等的影响都不尽相同，且影响大小、范围都没有明显的规律，因此利用统计规律消除雾霾影响有较大困难。本文以实测数据为基础，分析了雾霾对主要地物测量的反射率光谱的影响，但是仍然存在很多不足，如雾霾模拟实验室比较简陋，难以实现对雾霾条件的精准控制；主要地物的反射率光谱曲线仍需要进一步测试与分析；对测量数据的分析较简单，仍需进一步深入研究，雾霾对众多遥感参数、遥感应用工作方面的影响仍需深入分析等。

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审核编辑 黄宇