卫星遥感灰霾PM2.5三维可视化系统研究与实现

发布时间：2020-04-18 00:52

【摘要】：随着近年来全球工业化经济快速发展和城市化进程加快,大气污染日趋严重,以PM2.5为首的大气环境污染治理已迫在眉睫。而利用遥感手段反演近地面PM2.5质量浓度并获取其三维时空特征,能够为灰霾气溶胶三维时空输送规律的探究及政府进行灰霾区域联治、污染控制提供理论和技术支持。本文以河南省郑州市地区为研究区开展相关研究,主要取得了以下研究成果。1.相对湿度和垂直标高对AOD或PM2.5贡献率研究以郑州市为研究区,基于2013年12月至2014年11月的CALIPSO卫星激光雷达二级气溶胶数据产品,通过气溶胶湿度订正和垂直标高订正方法,建立近地面PM2.5与气溶胶光学厚度(AOD)反演模型并筛选出最优反演模型。基于该模型,首次提出利用累积量斜率变化比较法定量研究相对湿度和垂直标高对PM2.5或AOD的贡献率,以冬季为基准期,在不考虑温度、降水、风速、风向等影响因素的情况下,得出相对湿度对PM2.5相对贡献率在春夏时期和秋季时期分别为31.60%和48.40%,垂直标高对AOD相对贡献率在春夏时期和秋季时期分别为72.28%和40.23%,相对湿度对AOD相对贡献率在春夏时期和秋季时期分别为24.59%和26.23%,该研究结果为进一步提高PM2.5反演精度提供了理论依据。2.首次提出一种时空适应性PM2.5反演模型基于地理加权回归模型(GWR),引入DEM和时间因素提出一种四维时空地理加权回归模型(4D-GTWR),解决了PM2.5反演过程中四维时空非平稳性问题。基于河南省郑州市2017年12月至2018年2月的PM2.5近地面观测数据,并结合气象因子数据和中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感数据的MYD04_3K AOD产品,利用地理加权回归模型(GWR)、时间加权回归模型(TWR)、时空地理加权回归模型(GTWR)和4D-GTWR模型对PM2.5进行反演研究。结果表明,4D-GTWR模型R~2(0.9496)与GWR模型R~2(0.7761)、TWR模型R~2(0.7763)和GTWR模型R~2(0.8811)相比,表现出更好的拟合优度。3.基于组件GIS开发实现卫星遥感灰霾PM2.5三维可视化系统研究三维克里金空间插值算法,通过建立统一套合模型实现对各层PM2.5三维空间分布表达。同时基于Arcgis Engine二次开发平台构建了PM2.5三维可视化系统,从而实现灰霾PM2.5三维可视化,进而获取三维空间PM2.5质量浓度。本文创新点和特色为:首次提出一种时空适应性PM2.5反演模型——四维时空地理加权回归模型(4D-GTWR),提高了PM2.5反演精度,并实现了灰霾PM2.5三维空间分布表达及可视化。
【图文】：

度订正贡献率研究垂直订正PM2.5三维空间分布AOD与PM2.5关系模型PM2.5时空分布二三维空间插值算法三维GIS可视化平台线性回归拟合图 1 研究技术路线图1.5 论文组织结构本文基于卫星遥感灰霾 PM2.5 三维可视化系统研究与实现进行研究，共六章内容如下：第一章为绪论。介绍了研究课题的研究背景、意义、国内外研究现状以及论文的主要研究目的、内容和技术路线，最后介绍论文的组织结构。第二章为研究区与数据。介绍了研究区域地理位置，，经济发展状况，气候以及雾霾污染情况。其次重点介绍了研究所利用的遥感数据（包括 CALIPSO 和 MODIS 数据），空气质量数据（主要是 PM2.5 质量浓度数据），气象因子数据（包括相对湿度，温度，风速，风向，气压，降水量）及 DEM 数据的来源及其处理方法和步骤。第三章为贡献率研究。通过引入气溶胶湿度订正和垂直标高订正方法，从而反演近

因此，本文采用基本品质筛选对 CALIPSOLevel2 数据进行筛选，质量控制参数设置如表 1。表 1 数据质量控制主要参数筛选设置CALIPSO Level2 级层产品Feature_Optical_Depth_532≠-9999;-100≤CAD_SCORE≤-50;Extinction_QC_532=0 或 Extinction_QC_532=1;0≤Layer_Top_Altitude≤3KM;基本品质筛选技术主要利用 CALIPSO level2 数据中的 The cloud-aerosol discrimin--ationscore（简称 CADScore）、Extinctionqualitycontrol（简称 ExtinctionQC）等几个主要的标志量筛选出有效的气溶胶光学厚度[50]。为了利用更接近于近地面的大气气溶胶光学厚度，本文主要利用 CALIPSO 层产品数据中层顶高不超过 3KM 的气溶胶数据，结合基本品质筛选技术及 IDL 程序设计，获得每一轨 CALIPSO 数据近地面（3KM 以下）的气溶胶光学厚度（AOD）算术平均值。研究区域 CALIPSO 卫星轨道数据如图 2 所示。
【学位授予单位】：河南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X87;TP311.52

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本文编号：2631517