京津冀“遥感”空气质量 “天眼”跟踪沙尘暴

▲工作人员正在检查空气质量监测卫星接收天线。《京华时报》记者陶然摄

□编者按

新一轮技术革命和工业革命正在世界范围内蓬勃发展。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、夯实基础、绿色发展，加快从制造大国向制造强国的转型。科技创新是中国制造业升级和经济转型的动力。在科技创新方面，首都北京被赋予“国家科技创新中心”的地位，责无旁贷。

不久前，2014年北京科技奖大会召开了。共有220项科技成果获得北京市科技奖。获奖成果产生了一批引领产业转型升级、具有产业竞争力的“高科技”技术成果。一些获奖成果也为解决“城市病”难题提供了技术支持。在这里，我们特别挑选了一些有代表性的科技创新，让读者能够通过我们的报道，接触到这些看似遥不可及、实际上与我们日常生活密切相关的科研成果。

获奖项目

“北京地区空气质量遥感监测技术及工程应用”可以提供北京及周边6个省市的大气污染物(如PM2.5、PM10)的空间分布和变化过程，并对粉尘、秸秆焚烧等空气污染源进行动态监测。

目前，该成果已应用于北京市环境保护的日常监测，并已建成覆盖北京及周边地区3年、3个层次、60多种专题产品的遥感数据库，总计算机存储容量为20TB。自项目实施以来，共报告了数百份关于秸秆焚烧、沙尘、大气非点源和大气重污染的监测简报和遥感报告，已在北京、天津和河北环保部门得到广泛应用。

13年后的上周，北京又遭遇了一场大规模的强沙尘暴。北京监测网各站的PM10浓度超过1000微克/立方米，北京环境保护监测中心发布严重空气污染预报。这一预报的一个重要数据支持来自于区域沙尘的遥感监测。“北京地区空气质量遥感监测技术及工程应用”项目刚刚获得北京市科技二等奖。借助卫星遥感监测技术，实现了从蒙古沙到北京的全程监测、预测和预警，海量数据的计算速度降低到几分钟。

□泄露秘密

各种空气污染都无法逃离“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。自2004年起，北京开始对秸秆焚烧和PM10进行监测。然而，包括PM2.5、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳和其他空气污染物在内的整个监测系统于2012年建立。

谈到卫星遥感的监测过程，北京环境保护监测中心遥感室的李玲君指着计算机房里的各种监测设备告诉记者，以一种流行的方式，卫星传输将对地球“拍照”。数据将通过调制解调器经接收天线转换成原始数据，然后传输到前端计算机。之后，计算机会将普通人无法完全理解的数据分发到后端处理系统进行处理和分析，使各种空气污染数据包括PM2.5、灰尘、二氧化氮等。每天都被分析。

"这次我们在计算方法上有所创新."李玲君表示，该卫星以极快的速度扫过京津冀地区，只需几分钟，但卫星遥感传回的数据量非常大，整个轨道数据约为1G。过去，分析这些数据需要三四个小时。通过技术改进，现在只需几分钟就可以计算出来，这对将来实现数据的实时监控具有重要意义。

“天眼”监测的范围不限于北京、天津和河北

除算法创新外，本项目的主要成果在于实现了业务应用，使北京市环境保护监测中心能够实现北京地区主要大气污染物的日常遥感监测，在国内处于领先地位。

监测中心的工作人员告诉记者，为了准确监测北京的空气污染，仅仅依靠卫星遥感数据来“拍摄”整层空气是不准确的。卫星遥感“地面”监测必须与“点”监测数据相结合，并要求对地面附近的实时监测数据进行核实和核实。目前，北京有35个地面自动监测站，提供“点”的实时空气污染物数据。

“目前，我们生成的北京、天津、河北地区日PM2.5的区域数据是遥感数据，结合地面监测数据校正，得到近地面和区域PM2.5的分布变化。”上述工作人员表示，“目前，卫星遥感的主要监测范围已延伸至北京、天津、河北及周边6个省市，包括山东、山西和内蒙古。”

卫星传输每天接收大量数据，而京津冀PM2.5和PM10监测数据图将每天制作两次，分别在11点左右和13点左右。“因为卫星的传输时间基本上是固定的，所以现阶段只有这么多数据。”李玲君说。

今后，每10分钟为PM2.5“画一幅图”。

事实上，每天11点和13点并不是北京空气中PM2.5的最高浓度。这种监测可能不能充分反映整个区域目前的污染状况。

“未来的发展趋势是每小时甚至每10分钟拍照一次。如果应用这一技术，就可以分析北京市大气中可吸入颗粒物(PM2.5)全天的连续变化过程，相关研究目前正在进行中。”李玲君说:“目前，这种地球同步卫星已经存在，主要是为了开发合适的数据反演方法，并生产准确可靠的PM2.5数据产品。”

至于数据的使用，监测中心表示，目前大部分数据都用于环境保护系统，为环境监管和污染预测提供预警数据支持。“当上周蒙古的沙尘开始上升时，监测中心将根据天气状况分析沙尘的运动和变化，看它是否会影响北京地区。”

利用北京35个地面监测站的实时公众监测数据，区域空气污染遥感监测数据已逐步向公众发布。《2014年北京环境监测公报》发布了部分遥感监测结果。未来将有越来越多的卫星遥感监测数据公之于众。

“遥感监测的精度仍然略低于地面监测。虽然范围广，监测效率高，但PM2.5等污染物的具体评价浓度应基于地面附近的监测数据。”李玲君说。

对话

PM2.5三维立体图有待开发

《北京时报》:除了大气遥感技术的应用，监测中心在科技创新方面还取得了哪些重要成果？

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”):利用卫星遥感技术，实现了对北京市裸地扬尘和平房燃煤的全面监测，为环境执法和环境统计提供了依据。北京每年有数亿平方米的裸露土地在建设中。如果管理不当，春季相对干燥时，灰尘会上升，导致大气颗粒物浓度上升。

《北京时报》:遥感监测的中长期目标是什么？

监测:如果京津冀地区形成“卫星遥感+地面监测”的监测网络，就可以对整个地区的空气污染状况、变化过程、累积程度以及重污染的影响有更全面、更深入的了解。在此基础上，建立数据共享平台，更好地服务于大气污染区域的联防联控。

此外，今后我们还需要及时跟进国内外先进的监控技术。我们正在对空气污染进行激光雷达监测，以便我们能够详细了解空气污染物从地面到高空的垂直分布。目前，卫星遥感只能看到地表的分布，而激光雷达可以从垂直方向看到各层的污染情况。这样就可以得到一个完整的空气污染的三维立体图，这样我们就可以更全面地了解PM2.5在三维空间中是如何迁移和转化的，从而更清楚地了解PM2.5的形成机制

目前，北京有四个激光雷达监测点，并已开始监测。如果设立更多的监测站，就可以更清楚地了解污染物的区域差异及其相互影响。从中长期来看，激光雷达监测点的数量可以适当增加，然后扩展到北京、天津和河北的整个区域。监测数据也应该更加详细。

中国制造的专业卫星很少是短板。

《北京时报》:科技创新有哪些困难？

监测:对空气污染过程的机理了解不够透彻，目前利用卫星遥感监测空气污染的工作并不连续。因此，卫星遥感监测需要开发更新的数据源，以提高监测频率。同时，与地面监测相比，目前遥感监测结果不够准确，应从反演方法和与其他数据的相互结合等方面提高精度。

此外，监测中心在遥感监测方面投入了大量的人力和物力，但遥感监测技术发展相对较快，需要更多的卫星数据和更全面的环境遥感监测产品，需要不断投资。

《北京时报》:你认为我们目前的工作还需要什么样的支持？

班长:目前，我们需要在方法上做更多的研究和开发。就数据资源而言，我们能够访问更多的卫星吗？我国是否有可能发射自己的大气环境监测专用卫星？目前，我们使用的大多数专用卫星来自欧洲、美国和日本。

《北京时报》记者平一凡和《北京时报》制图员吴尚南

本课题由北京市科委和北京市科技奖办公室负责。(原题:遥感监测技术帮助京津冀联防控制空气质量“天眼”全程跟踪和捕捉沙尘暴)