遥感反演助力大气污染防治

2020-03-03叶晓婷郑挺颖

环境与生活 2020年10期

叶晓婷郑挺颖

气溶胶对气象、气候、交通、生态等，尤其是公众健康造成显著影响，近些年，雾霾成为社会关注热点。要减少雾霾的发生，减少大气中的气溶胶含量是必要途径。中国矿业大学能源与环境遥感大数据研究中心主任、国际欧亚科学院院士薛勇，在气溶胶遥感定量反演及遥感大数据处理方面，已取得丰硕研究成果，连续两年被遥感领域国际顶级期刊进行封面报道。

薛勇院士的团队开发了新的物理模型与算法，利用卫星遥感数据与地面实测相结合进行陆地大气气溶胶浓度估算，推导出区域及全球尺度的气溶胶时空变化，力求解决地球大数据处理方面的“卡脖子”问题，为大气污染防治提供科学依据和技术支撑。

9月29日，《环境与生活》杂志记者前往江苏徐州的中国矿业大学环境与测绘学院，就气溶胶的遥感定量反演等相关问题采访了薛勇教授。

为区域大气污染防治提供科技支撑

“气溶胶是在气体中稳定分散悬浮的液态或固体小颗粒，颗粒直径一般小于100微米（0.1毫米），我们熟悉的空气污染物PM2.5就是一种气溶胶。你看这是苏皖鲁豫一带气溶胶每年的情况。这是我们中国矿业大学能源与环境遥感大数据研究中心的团队依据卫星数据，结合自主开发的算法模型，做出的定量反演产品，从这些图片中能非常清晰地看到这片区域每年的气溶胶变化。另外，这是采用我国高分系列卫星的数据反演出的苏皖鲁豫交界区域，包括徐州、济宁、菏泽、枣庄、商丘、淮北等地的气溶胶情况。我们的模型不仅可以计算区域的气溶胶变化情况，还可以计算全球的。”9月29日，薛勇院士在他的办公室里，指著电脑上的图片，向《环境与生活》杂志记者介绍了苏皖鲁豫交界区气溶胶的遥感反演结果。

据了解，近年来，苏皖鲁豫交界区作为京津冀及周边地区、长三角两个大气污染治理重点区域的连接带，空气污染问题逐渐凸显。该地区集中了近8000万吨钢铁、4000万吨焦化、1.4亿吨水泥、1.1亿吨石化产能，区域煤炭总消费量达到3.2亿吨，基础排放量高，而大气污染治理起步较晚，基础相对薄弱，成为大气污染治理和环境监管的“洼地”。生态环境部在综合考量评估该区域的污染程度、区位特点、基础排放、治理进程等因素后，将其纳入管控重点。

薛勇院士表示，受资源条件、产业发展等因素影响，煤炭在我国能源安全中起压仓石作用，未来很长一段时间内，其主体地位很难根本改变。以煤为主的能源开发利用，不可避免地带来了大气污染、土地退化、植被破坏等环境污染和生态破坏问题。江苏省重工业基地徐州是苏皖鲁豫交界处经济体量最大的城市，而地处徐州的中国矿业大学作为该区域最有影响力的高校之一，具有很好的区位优势和研究基础，在“苏皖鲁豫交界区域大气污染防治”中，可发挥重要的学术纽带和科技支撑的作用。

他说，中国矿业大学作为目前以矿业命名的特色鲜明大学，在与煤炭开发、生产和利用相关的安全、测绘、信息技术、生态恢复、管理工程等领域的研究形成了优势。与此同时，随着新一代国产高分系列卫星相继投入应用，我国遥感已正式步入高分辨率影像的大数据时代。遥感大数据具有长时间序列、大范围覆盖的优势，在煤基污染与温室气体排放监测评估、矿区土地复垦与生态修复等能源与环境研究中，发挥着越来越重要的作用。

“2019年，我们中心在这些背景下应运而生，目前主要工作是使用高分辨率、高光谱大气成分遥感技术，动态、定量地评价燃煤电厂、焦化厂、煤化工的氮氧化物、二氧化硫、气溶胶颗粒物及甲烷、一氧化碳、二氧化碳等污染物与温室气体的排放。我们团队还可以使用长时序、高分辨率的遥感数据，反演煤矿区的生态系统生产力、土壤质量、植被指数、人为热排放等生态与环境指标。”薛勇教授介绍。

负责和承担国际国内重大科研项目

薛勇院士是土生土长的徐州人，1982年考入北京大学空间物理本科专业，在北大遥感与地理信息研究所读完研究生后留在北大任教。两年后，薛勇到英国丹迪大学攻读应用物理专业博士，后来在英国读了博士后，在英国多所著名大学任教，从讲师成长为教授。他是英国皇家特许物理学家，IEEE（国际电气与电子工程师协会）地学遥感学会高级会员，英国物理研究所学术成员，英国遥感和航空测量学会专业会员。

在国外期间，他承担了众多重大科研项目，如欧盟FP7计划项目、欧洲航天局（ESA）全球气候变化气溶胶项目等。1999年，薛勇入选我国“教育部长江学者奖励计划”第二批特聘教授，此后与国内科研院所建立了许多合作关系。他还担任国家遥感中心“龙计划”大气卫星遥感项目的首席调查员。

薛勇院士介绍，“龙计划”是国家遥感中心与欧洲航天局对地观测部2004年在地球观测领域启动的大型科技合作研究计划，目的是联合中欧知名遥感专家开展合作研究，促进遥感技术应用水平的提高，每4年为一期。历经16年，中欧双方逐步探索出了一套“政府搭建平台，科学家自主参与，共享地球观测数据”的科技合作机制，建立了中欧地球观测数据共享应用的独特渠道。在前四期合作基础上，最新的“龙计划”第五期涵盖了气候变化、大数据分析等10个研究领域的55个合作项目，丰富了卫星数据共享资源并扩大了参研科学家规模。

薛勇院士还是国家重点研发计划“全球变化及应对”重点专项“全球变化大数据的科学认知与云共享平台项目”子课题负责人、国家重点研发计划“东部沿海天-空-地多平台一体化监测技术综合集成应用示范”子课题负责人、国家自然科学基金项目“基于时间序列技术的NOAA/AVHRR 陆地气溶胶遥感反演研究”项目负责人，曾经担任863计划地球观测与导航技术领域“基于遥感机理模型的高性能陆地大气气溶胶定量反演”项目负责人。他30多年来在国内外一直从事“定量遥感”的研究工作，研究重点基本相同。

根据薛勇院士的观察，近年来，我国在能源与环境遥感研究方面与欧洲、美国的差距在迅速缩小，在一些领域甚至超过欧洲水平，“欧洲的科研规模比不上中国。中国在这方面的科研水平一直是和美国比肩的。”

2019年，薛勇被全职引进到中国矿业大学工作。聊起这些年的跨国经历，薛勇教授动情地说：“我在国外长期从事大气环境遥感方面的研究，我国近些年大气污染问题比较突出，我就希望能把自身的研究成果应用于国家大气污染治理中。落叶归根，我也想为家乡的建设做点贡献。我从小就知道徐州最好的大学是中国矿业大学，虽然我没在此就读，但她在我心中始终很亲切。矿大是以煤炭资源的开发利用为特色的高校，煤炭消费与大气污染密切相关，所以我选择回到徐州的矿大工作。”

当选“国际欧亚科学院”院士

2019年9月18日，薛勇当选为联合国教科文组织下属的非政府组织“国际欧亚科学院”院士。国际欧亚科学院成立于1994年，目前拥有欧洲、亚洲、北美洲、南美洲和大洋洲等地46国的600余名院士、通讯院士和荣誉委员，他们是各国著名的自然科学家、工程技术专家和社会科学家。“它的存在反映了世界科技新的发展趋势，具有广泛的国际性、多学科交叉和非政府机构体制等特点。”

薛勇院士介绍，1995年5月，国际欧亚科学院中国科学中心在北京成立，2017年经中央机构编制委员会办公室批准为公益二类事业单位。目前，国际欧亚科学院共有200余位在国际学术界中享有崇高地位的中国籍院士。这个实体有利于中国科学家在国际科技舞台发挥影响力、沟通与促进双边或多边政府间的科技交流与合作。“‘国际欧亚科学院院士这个称号是对我个人研究工作的肯定，亦是对国家科研水平、学校科研实力的认可。加入这个机构，我可以第一时间接触最前沿的学术动态和高精尖的技术；与国际、国内顶尖科学家进行跨学科、高水平的创新融合；开展并参与更多高层次科技活动，将我国有水平、有影响力的开创性成果推出去。这为我们团队产出高水平、高影响力的学术成果，培养具有国际化视野的科研人才，以及助力国家科技创新发展等，都将大有裨益。”

以卫星图像破译大气污染物“密码”

薛勇院士的团队主要从“遥感数据气溶胶反演”入手研究大气污染。气溶胶可分为一次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气，如被风扬起的细灰和微尘）和二次气溶胶。二次气溶胶是指排到大气中的气态或颗粒态污染物发生化学反应（主要是紫外光、臭氧等引起的光化学反应）后，形成新的大气颗粒物。

气溶胶通过吸收、散射太阳辐射或通过参与云的微物理过程，改变云的辐射特性，进而影响地-气系统辐射平衡，是影响全球气候变化的重要因子。薛院士告诉记者：“目前所知的大气污染、对全球气候变化的影响等，主要是燃煤引起的。燃煤产生二氧化硫、二氧化氮，如果发生二次化学反应就会产生气溶胶，即使降低燃煤中硫的排放，其他排放物也容易形成二次气溶胶，燃煤造成的直接空气污染目前控制得较好，而我们关注的是二次化学反应产生的气溶胶。”

薛勇院士表示，气溶胶是大气中性质最不稳定、化学成分最复杂的物质之一。科学家做气候变化研究时，最先要回答的就是大气中有多少气溶胶。“这就需要创新的方式。我们的工作相当于破译污染物中的‘密码，第一步就是建立物理模型。光是一种电磁波，透过大气到达地表，反射到卫星传感器上，我们用物理公式描述这个物理过程，再结合不同物质在物理、化学方面的一些特性，比如臭氧对某个波段的电磁波有很强的吸收效果、PM2.5对某个波段的电磁波有非常强的散射作用等，建立不同的物理模型，根据物理模型反过来演算出气溶胶的光学厚度、对地表的反射率、对太阳的短波辐射等。同时，我们还借助很多地面测量来辅助反演，比如设立地面站，通過雷达的反射，了解区域大气的轮廓线，了解每一层大气的情况，包括温度、风速、成分等，将一些‘点的具体情况与物理模型的‘面结合，进而算出整个区域的大气情况。搞清楚这些参数，可用于研究全球气候变化、空气污染指数预报等。”

薛勇院士介绍，要破译卫星影像数据的信息，有两种手段。传统的“目视解译”方式凭借人的眼睛，依靠解译者的知识、经验和掌握的相关资料，通过大脑分析、推理、判断，提取遥感图像中有用的信息。“当年我在北京大学学遥感时，计算机还没发展起来，主要依靠目视解译，比如拿到卫星照片后，凭肉眼透过一种简单的镜片看出立体来。研究地质的人如果通过这种方式，可以判断出某处地表的岩性、构造，能‘定性，却不能‘定量，无法知道某类岩石的分布范围有多广。”这就需要第二种手段“定量解译”。

“举个例子，有一个湖原来很小，因为城市规划发展、变迁等因素变大了，若是目视解译，从卫星云图中能了解到那是一片湖，而定量解译则可以看出每年变大多少。再如鄱阳湖、白洋淀，利用遥感数据定量反演出它们的蓄水面积，可为该地区抗旱或泄洪提早做预案提供依据，防患于未然。”薛勇院士说。

我国高分系列卫星免费开放数据分辨率高

美国中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据是薛勇院士团队平常做气溶胶反演用得较多的数据来源。MODIS是美国国家航空航天局（NASA）管理的“特拉（Terra）”和“阿瓜（Aqua）”卫星上搭载的传感器，全球许多国家和地区都在免费接收和使用MODIS数据。MODIS可对陆地、海洋、大气进行高频次观测。“它生产了近50种产品，不过产品质量有高有低。”

20世纪80年代后，我国的风云气象卫星、资源卫星、环境减灾卫星、高分卫星、碳卫星等遥感卫星成功发射，使我国跻身于世界遥感科技的前列。“高分卫星系列是我国比较有特色的卫星，目前在国内外领先。”薛勇院士说。它们搭载了包括光学及多高光谱、SAR（特定吸收率）、中波红外等传感器，实现了“高空间分辨率（高分二号全色0.8米，达到亚米级）、高时间分辨率（高分四号20秒）、高光谱分辨率（高分五号330个波段）”的对地观测。

薛勇院士团队最近根据高分一号卫星2米分辨率的数据做出了气溶胶反演产品。他介绍，“高分卫星16米分辨率的数据免费开放，2米、亚米分辨率的数据例外，只有承担、执行国家任务的人才可申请。在民用层面，我国16米分辨率的卫星遥感数据已对公众开放，这比美国强，美国免费开放的是30米分辨率的数据。从民用卫星技术、发射、传感器质量来说，我国与美国差不多。但卫星遥感数据的应用推广方面不及国外，这是差异。”

薛勇院士谈到，我国高分系列卫星的立项始于“十三五”规划，到现在发射了13颗卫星，速度很快，不过有些工作还不完美，有的研究单位就在弥补不足，比如生态环境部有项目在做“定标”工作。他解释了定标的含义：卫星传感器扫描地球得到图像，要看看像元代表什么，是河流还是山等等，通过选择地面上一些长时间特性不变的、有特色的区域、点，作为参考点，建立相关关系，然后把卫星上的数据转换成物理含义。“要精确处理数据，必须将数据、地表特性建立关系，这种关联是定标的第一步。定标做好了，才有希望进一步做定量分析。‘反演相当于我们想知道地面上的物理参数，比如地面上各个物体的温度，通过卫星的热红外传感器给地球照相，我们能根据卫星图像数据，把地面物体的温度计算出来。”

大数据计算效率和精度成为“卡脖子”问题

地球大数据、地表大气边界层能量交换遥感、高性能地学计算、大气气溶胶遥感反演是薛勇院士的主要研究方向。他说：“仅从字面理解，这四个研究方向区别较大，其实它们互相支撑和补充，同属地球科学与计算机科学等的前沿交叉领域。”

卫星遥感观测到的是承载地球自上而下所有信息的电磁波，是采集地球信息的重要技术手段，具备无国界限制、覆盖面积广、观测具有周期性、数据客观等诸多特点。由此产生的“遥感大数据”容量大、类型多、难辨识、维度高、尺度多，需要复杂的物理模型，经过辐射校正、几何校正、投影变换、镶嵌等基本处理和信息提取（分类、变化检测、目标检测等），从这样一个耦合总量中解译出特定的大气和地表参数等，才能进一步提供信息和服务。遥感大数据是地球大数据的重要组成部分。

“大气边界层”是与地表直接接触的大气底层，是地球-大气之间进行物质和能量交换的桥梁，薛勇院士指出，研究湍流作用（湍流现象在自然界、工业装置和日常生活中比比皆是，如大气中的乱云、河流中的急流、热电厂的浓烟等）导致的能量交换，以及大气成分的垂直变化等，对了解气候和指导人类活动具有重要意义。

“对全球和区域环境的定性和定量解译是研究一切地球科学的基石，而具有长时序、全覆盖特点的遥感数据更是重中之重。海量的遥感数据和模型均离不开高性能计算，特別是现在卫星传感器都向着高光谱、高分辨率发展，针对遥感大数据的计算效率和精度成为‘卡脖子问题，所以基于遥感数据特点的软硬件开发是解决难题的有效手段。此外，获取的数据如何使用、能从中获取什么信息，是地球大数据研究的重要课题。”薛勇在英国写博士论文时，其研究工作需要结合地表反照率、地表温度等计算地表大气边界层能量交换，包括短波辐射、长波辐射、显热通量和潜热通量。“在计算短波辐射时，需要大气气溶胶数据。我自己创新性地推导出一个定量反演大气气溶胶的算法。而在进行遥感数据处理、分析和计算地表物理参数时，我发现普通计算机的计算速度比较慢，于是从2000年开始高性能地学计算的工作。”

这些术语乍一听让人容易云里雾里，但薛勇院士强调，无论在国内还是国外，他从事的研究都基于“人类与大气和谐、可持续发展的需求和挑战”，其实同日常生活和生产都密切相关。“我们将卫星数据进行处理和展示，公众就可从中直观地了解所需的科学信息，如对气溶胶反演的研究可应用于日常大气污染监测。再如，地表能量交换研究与天气预报、农业生产息息相关。而地球大数据的研究应用体现在日常的天气预报、快递的地图指示等方面。我们目前很多项目都聚焦于我国哪些地方存在大气污染、严重到什么程度，最后的项目成果可以支撑不同领域的需求，如为国家能源产业规划和决策提供大气污染信息、为一个区域内的大气污染协同治理提供数据支持等。”

自主研发我国首个长时间序列气溶胶光学厚度数据集

海洋上的气溶胶反演较为容易，因为人类影响相对小，而陆地地表很复杂，所以薛院士一直专攻陆地气溶胶反演。在陆地大气气溶胶反演领域，薛勇的团队已开发出三大创新成果。

一是创建了我国第一个自主研发的“长时间序列气溶胶光学厚度数据集”。

薛勇院士强调，大气成分的总量变化是一个长期过程，包括人类活动和污染治理对大气的影响都具有一定的交互过程。气溶胶光学厚度是目前可得到的气溶胶数据中覆盖范围最广、较准确的一种数据，同时也是推算气溶胶含量、评估大气污染程度、确定气溶胶气候效应的关键参数。长期连续监测气溶胶光学厚度，对研究区域气候特征、环境政策甚至全球变化的应对等有重要意义。“国际上已有不少气溶胶光学厚度的数据集，但受各种因素影响，仍存在较大区域性和系统性偏差，尤其是针对中国这种异质（不均匀、复杂）陆地表面。”

据了解，美国的MODIS自2000年开始才产生数据，迄今只有20年左右的数据量。而美国国家海洋大气局“NOAA系列气象观测卫星”上搭载的AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer，高级甚高分辨率辐射仪）传感器，从1978年开始试运行，其数据具有连续性和时空一致性。基于AVHRR的数据，薛勇的团队做了两项创新工作：首先，对NOAA的卫星传感器进行系统性的后验定标，做了一套定标算法，确保所有光谱数据具有一致的精度；另外，基于单波段地气系统耦合反演难题，开发了一套气溶胶反演算法，这套算法经过长期验证和改进，与当下应用最广泛的NASA/ MODIS算法精度相当。“两个算法相结合产生的创新成果是基于35年以上高分辨率、长时序的遥感数据，反演出陆地大气气溶胶光学厚度，可以把1982年至今陆地上的气溶胶光学厚度变化情况算出来，这为研究全球气候变化和人类活动共同作用下的环境污染效应，提供了科学数据的支撑。”

薛勇院士指出，长时序的卫星遥感数据集是反映大气成分时空分布周期变化最有效的手段。一般而言，长时序数据集时间跨度越长越好，而从科学角度出发，还需要满足以下条件才具有研究价值：数据是连续观测的，时空分辨率一致；精度一致、稳定可靠。我们这个‘China Collection数据集在保证精度的前提下，实现了时间尺度的扩展，不仅具有自主知识产权，而且几乎称得上是全球能提供40年以上气溶胶光学厚度的唯一数据集，现在我们准备将成果发布在矿大的遥感大数据服务平台上。”

成果连续两年登遥感领域顶级期刊封面

薛勇院士团队的第二个研究成果是利用卫星遥感数据反演百米以内空间分辨率的气溶胶光学厚度数据。“近几年学界一直在探讨我国高分卫星‘卡脖子的问题：高分卫星的分辨率那么高，怎么利用起来？我们做了一些相关工作。一般来说，计算气溶胶光学厚度，大家常用的是一公里空间分辨率的数据，相当于地面上一公里乘以一公里的范围在卫星上呈一个点，而我们现在可以利用100米乘以100米在卫星上呈一个点的数据来计算气溶胶光学厚度。”

薛勇院士团队的第三个创新性研究成果是利用静止卫星（永远固定在地球上空某个位置的卫星）数据，生产覆盖全球的、高时间频率（每小时）的陆地大气气溶胶产品。“气溶胶长时间序列反演研究的一般是气溶胶的月平均量、年平均量。但对于很多大气现象，我们需要看它一天内发生了什么，地球静止卫星具有较高的时空分辨率和较广的观测范围，可以提供这类数据，这也是我们研究的侧重点。静止卫星每15分钟就给地球拍一次照，这么一来，一天内不同时段大气发生了什么就比较容易知晓。目前，除了我们开发的算法，还没看到第二家用静止卫星数据计算全球陆地每小时气溶胶光学厚度的情况。”

据了解，薛勇院士这方面的相关研究成果分别于2019年和2020年在遥感领域顶级国际期刊《IEEE地球科学与遥感汇刊》（IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing）获得封面报道。与全球大气观测站点结果以及全球气溶膠光学厚度数据集对比验证，薛勇院士团队提出的方法使气溶胶光学厚度数据精度达到国际前沿水平。

这些成果的产出离不开薛勇院士团队在“物理建模”方面的多重创新。第一个有特色的创新建模方法是关于地表能量交换的建模。“常规的物理建模主要考虑地球物理参数的空间轴性质，在我们的模型中，首次加入地球物理参数的时间轴，这样就可以建立地表热惯量的遥感定量反演解析模型。”

该团队第二个创新的建模方法是关于陆地气溶胶卫星遥感定量反演。“流行的方法是假设地表的情况再反演气溶胶特性。我们则是通过重新求解大气辐射传输方程，将地表特性和气溶胶特性同时求解，使模型适用于任何地表情况的评估。”

集成人工智能技术以打破国际技术壁垒

薛勇院士还告诉《环境与生活》记者，我国人工智能和遥感领域目前都处于世界领先水平，自他回国加盟矿大以来，就一直在思考如何将我国在人工智能和遥感技术的优势结合，以打破国际上在定量遥感领域“卡脖子”的技术垄断。

目前，薛勇院士的团队已与中国矿业大学人工智能研究院联合成立了“遥感大数据智能分析研究中心”。他介绍：“我们团队已经在地表生态监测、地形地貌特征精细提取、大气定量反演模型、遥感数据处理和分析等方面，探索性地集成人工智能技术，产生了一批能够支持地球遥感大数据应用服务的研究成果。我们已将人工智能中的深度学习算法集成应用于PM2.5、二氧化氮、臭氧等的定量遥感反演模型中。下一步，我们将把人工智能更多地应用于煤矿区典型地物高精度识别中。”

矿大对薛勇而言，是他事业的新起点，经过近一年的努力，他带领的“矿大能源与环境遥感大数据研究团队”已初具规模。在充分调研徐州本地大气污染状况后，针对目前全面污染监测需求，矿大能源与环境遥感大数据研究中心已经获批建立徐州市大气环境天空地协同监测工程研究中心，拟开展大气污染多组分高光谱卫星遥感定量反演技术、气溶胶颗粒物垂直廓线反演技术、低空多组分大气环境探测装备、天空地大数据人工智能分析技术和应用平台等研究。