京津冀“遥感”空气质量“天眼”跟踪沙尘暴

　　 新一轮技术革命和产业革命正在全球范围内蓬勃兴起。面对这一历史机遇，国家适时提出了“中国制造2025”发展战略，要求通过创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快从制造大国转向制造强国。科技创新是驱动中国制造业升级、推动中国经济转型的动力之源。在科技创新方面，被赋予“全国科技创新中心”定位的首都北京责无旁贷。

　　前不久，2014年度北京市科学技术奖励大会召开，共有220项科技成果荣获北京市科学技术奖。获奖成果涌现出一批引领产业转型升级、具有产业竞争力的“高精尖”技术成果；一些获奖成果还为破解“城市病”困局提供了技术支撑。在此，我们特别选取其中一些有代表性的科技创新成果，让广大读者借由我们的报道，走近这些看起来高不可攀、实则与你我日常生活息息相关的科研成果。

　　获奖项目

　　“北京地区空气质量遥感监测技术与工程化应用”能够提供北京及周边6省区

　　市 PM2.5、PM10等大气污染物的空间分布和变化过程，并且动态监控沙尘、秸秆焚烧等大气污染来源。

　　目前，该成果已应用于北京市环境保护的日常监测工作，并构建了覆盖北京及周边地区3年3个级别60余种，共计20TB(计算机存储容量单位)的专题产品遥感数据库。项目实施以来，共上报秸秆焚烧、沙尘、大气面源以及空气重污染等监测简报与遥感报告上百份，已在京津冀环保部门广泛应用。

　　上周，北京13年后再次遭遇大范围强沙尘天气。北京监测网络各站点PM10浓度均超过1000微克/立方米，北京市环境保护监测中心发布大气重污染预报。这次预报的一个重要数据支持就来源于区域沙尘的遥感监测。“北京地区空气质量遥感监测技术与工程化应用”项目刚刚荣获北京市科学技术二等奖。凭借卫星遥感监测技术，实现了从蒙古国沙起到过境北京全过程的监控、预测、预警，对于海量数据的计算速度已经缩至短短几分钟。

　　揭秘

　　各种大气污染都逃不过“天眼”

　　据了解，卫星环境遥感监测技术在北京的应用始于2002年。2004年后，针对北京范围内的秸秆焚烧、PM10监测已经开始。不过，包括PM2.5、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等大气污染物在内的整套监测系统建立起来是在2012年。

　　说到卫星遥感的监测流程，北京市环境保护监测中心遥感室李令军指着机房形态各异的监测设备告诉记者，通俗地说，卫星过境就会给地球“拍照”，数据通过接收天线经调制解调器将电磁信号转换成原始数据传入前端计算机。之后，计算机会将这些普通人完全看不懂的数据分发到后端处理系统上进行处理分析，这样每天包括PM2.5、沙尘、二氧化氮等在内的各类大气污染数据就解析出来了。

　　“这次我们在计算方法上做了创新。”李令军说，卫星扫过京津冀区域的速度非常快，只需要几分钟，但卫星遥感传回的数据量却很大，整轨数据在1G左右。过去分析这些数据需要三四个小时，通过技术改进，现在只要几分钟就可计算完成，这对今后实现数据的实时监测具有重大意义。

　　“天眼”监测范围不止京津冀

　　除了算法上的创新，该项目最主要的成就在于实现了业务化应用，使得北京市环境保护监测中心对北京地区的主要大气污染物的遥感监测实现了日报，这在国内处于领先地位。

　　监测中心的工作人员告诉记者，要做到对北京大气污染的精确监测，只依靠对整层空气进行“拍照”的卫星遥感数据并不准确，卫星遥感“面”上的监测要结合“点”上的监测数据，需要近地面实时监测数据的校核验证。目前，北京共有35个地面自动监测站，提供“点”上的实时大气污染物数据。

　　“目前我们生成的每日京津冀PM2.5的区域数据，就是遥感数据配合地面监测数据矫正，得到近地面的、区域的PM2.5分布变化情况。”上述工作人员表示，“而目前卫星遥感主要的监测范围已经扩大到京津冀及周边6省区市，将山东、山西、内蒙古也包含其中。”

　　每天，卫星过境都会接收大量数据，而京津冀PM2.5、PM10监测数据图一天会出两张，分别在11点和13点左右。“因为卫星过境的时间基本是固定的，现阶段的数据只有这么多了。”李令军说。

　　今后每10分钟为PM2.5“画一次像”

　　事实上，每天11点和13点并不是北京PM2.5浓度最高的时候，这样的监测可能并不能完全反映出整个区域的污染现状。

　　“以后的发展趋势是每小时甚至10分钟拍照一次，如果这个技术开始应用，就可以把北京全天PM2.5连续的变化过程分析出来，现在正在进行相关研究。”李令军说，“目前，这样的静止卫星已经有了，主要是研究出合适的数据反演方法，制作出精度可靠的PM2.5的数据产品。”

　　而对于数据的用途，监测中心方面表示，现在大部分集中在环保系统内部使用，为环境监管和污染预测提供预警的数据支撑。“上周蒙古国起沙了，监测中心就会根据气象场分析沙尘的迁移、变化，看能否影响到北京地区。”

　　配合北京市35个地面监测站实时公开的监测数据，区域大气污染遥感监测数据已逐渐向社会公众发布，2014年的北京市环境监测公报已发布了一些遥感监测成果。未来越来越多的卫星遥感监测数据会向公众公开。

　　“遥感监测和地面监测相比精度还是略差一点。虽然范围广、监测效率高，但PM2.5等污染物的具体评价浓度还是以近地面监测数据为准。”李令军说。

　　对话

　　未来将出PM2.5三维立体图

　　京华时报：除了大气遥感技术的应用，监测中心在科技创新方面还有哪些重要成果？

　　北京市环境保护监测中心遥感室工作人员（以下简称“监测人员”）：我们利用卫星遥感技术，实现了北京市裸地扬尘、平房燃煤的全监测，为环境执法和环境统计提供依据。北京每年有上亿平方米的在建裸地，如果管理不好，在春季比较干燥的时候就会造成扬尘，使得大气颗粒物浓度上升。

　　京华时报：遥感监测的中长期目标是什么？

　　监测人员：如果京津冀三地将“卫星遥感+地面监测”形成一个监测网络，这样对整个区域的大气污染情况、变化过程、积累程度、重污染的影响就能有更全面深入的认识，在此基础上建立一个数据共享平台，更好地服务于大气污染区域联防联控工作。

　　另外，未来我们还需要及时跟进国内外先进的监测技术。我们正在做大气污染的激光雷达监测，这样就可以详细了解从地面到高空大气污染物的垂直分布。目前卫星遥感只是看面的分布，而激光雷达可以从垂直方向看到每一层污染情况。这样可以获取大气污染完整三维立体图，使我们更充分了解PM2.5在三维空间是怎么迁移转化的，由此可以更清楚地理解PM2.5的形成机理。

　　目前北京有4个激光雷达监测点，并且已经开始监测。如果布设更多的监测站点，就可以更清楚了解污染物的区域差异和相互之间的影响。从中长期来看，激光雷达监测点可适当增加，进而延伸到京津冀整个区域，监测的数据也应该更细化。

　　国产专业卫星太少是短板

　　京华时报：在科技创新方面还有哪些困难？

　　监测人员：对大气污染过程的机理理解还不够透彻，现在卫星遥感对大气污染的监控并不连续。因此，卫星遥感监测需要开发更新的数据源，提高监控的频次。同时，相对于地面监测来说，遥感监测的结果目前精度不够，以后还应该从反演方法、与其他数据的相互结合方面提高精度。

　　此外，监测中心在遥感监测方面已经投入了大量的人力、物力，但是相对飞速发展的遥感监测技术，需要获取更多的卫星数据、开发更全面的环境遥感监测产品，需要持续不断的投入。

　　京华时报：您认为我们当前工作还需要哪些支持？

　　监测人员：目前我们需要在方法上做更多开发研究，在数据资源方面以后是不是可以接入更多的卫星？是不是我们国家可以自己发射专业的大气环境监测方面的专用卫星？现在我们使用的专用卫星以欧美、日本国家的居多。