1 适用范围
本标准规定了卫星遥感细颗粒物监测的方法、结果验证、质量控制等内容。 本标准适用于陆地区域卫星遥感细颗粒物监测工作，作为地面监测手段的补充，用于掌握大范围细颗粒物空间分布规律及变化趋势。 2 规范性引用文件
本标准引用了下列文件或其中的条款。凡是注明日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本标准。凡是未注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本标准。
HJ 93 环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）采样器技术要求及检测方法
HJ 653 环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统技术要求及检测方法
HJ 655 环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统安装和验收技术规范
HJ 817 环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统运行和质控技术规范
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本标准。
青黛霜3.1
气溶胶光学厚度 aerosol optical depth（AOD）
从地面到大气层顶垂直路径中整层气溶胶消光系数的总和，量纲为1。
3.2
像元PM2.5浓度 pixel PM2.5 concentration 卫星观测1个像元范围内的近地面大气细颗粒物平均质量浓度，计量单位为μg /m3。
3.3
行星边界层高度 planetary boundary layer height（PBLH）
行星边界层也称摩擦层或大气边界层，是对流层的最下层，一般自地面到1 km～2 km高度；行星边界层高度是指从地面到行星边界层顶的高度，表示污染物在垂直方向能被热力湍流所扩散的范围。
3.4
地理加权回归 geographically weighted regression（GWR）
一种用回归原理研究具有空间（或区域）分布特征的两个或多个变量之间数量关系的方法，在数据处理时考虑局部特征作为权重。
4 总则
4.1 监测原理
根据PM2.5质量浓度与AOD、吸湿增长因子、密度、半径、消光效率因子及行星边界层高度等因素的转化关系计算PM2.5质量浓度。PM2.5质量浓度按公式（1）计算：
M(PM2.5)=4
3
×
ρr
Q
×
AOD
PBLH×f(RH)
（1）
式中：M(PM2.5)—— PM2.5质量浓度，μg/m3；
4/3——球形粒子体积计算常数，量纲为1；
ρ——PM2.5平均密度，μg/m3；
r——PM2.5粒子有效半径，m；
Q——PM2.5粒子平均消光效率因子，量纲为1；
AOD——气溶胶光学厚度，量纲为1；
PBLH——行星边界层高度，m；
RH——环境空气相对湿度，%；
f(RH)——气溶胶消光吸湿增长因子，量纲为1。
气溶胶消光吸湿增长因子按公式（2）计算：
f(RH)=(1-RH/100)-g（2）
式中：f (RH) ——气溶胶消光吸湿增长因子，量纲为1；
1——常数，量纲为1；
RH——环境空气相对湿度，%；
100——同温度和气压下的饱和绝对湿度，量纲为1；
利益相关者理论
g——经验拟合系数，与气溶胶成分有关，一般可以取为1。
将公式（1）取自然对数变换为PM2.5质量浓度的多元线性回归关系式，见公式（3）：
ln(M(PM2.5))=β
0+β
1
ln(AOD)+β
2
ln(HPBL)+β
3
ln(1-RH/100)（3）
式中：ln——自然对数运算；
β0、β
1
、β
2
、β
3
——方程回归系数；
M(PM2.5)—— PM2.5质量浓度，μg/m3；
农业生产结构AOD——气溶胶光学厚度，量纲为1；PBLH——行星边界层高度，m；
RH——环境空气相对湿度，%；
100——同温度和气压下的饱和绝对湿度，量纲为1。
公式（3）中参数β
0、β
山西省人事厅网
1
、β
2
、β
3
代表研究区域内的平均值，考虑到回归系数随空间位置的变化特
征，将公式（3）进一步扩展为卫星遥感监测PM2.5质量浓度的随空间回归模型，见公式（4）：
ln(M(PM2.5(u i,v i)))=β
0(u i,v i)+β
1
(u i,v i)ln(AOD)+β
2
2012湖北高考一分一段表(u i,v i)ln(HPBL)+β
3
(u i,v i)ln(1-RH/100)（4）
式中：ln——自然对数运算；
M(PM2.5)—— PM2.5质量浓度，μg/m3；
俄罗斯素描技法
u i——第i个（i=1,2,⋯,n）训练样本的地理横坐标，量纲为1；
v i——第i个（i=1,2,⋯,n）训练样本的地理纵坐标，量纲为1；
β0、β
1
、β
2
、β
3
——随不同空间位置变化的方程回归系数；
AOD——气溶胶光学厚度，量纲为1；
PBLH——行星边界层高度，m；
RH——环境空气相对湿度，%；
100——同温度和气压下的饱和绝对湿度，量纲为1。
根据公式（4），采用地理加权回归方法结合PM2.5质量浓度地面监测样本数据，即可计算像元PM2.5浓度。
4.2 输入数据选择
本标准所用输入数据包括多光谱卫星遥感数据、气象参数及地面监测数据。其中，多光谱卫星遥感数据的波段应包括0.47 μm附近和0.66 μm附近的可见光波段、0.86 μm附近的近红外波段、2.1 μm附近的短波红外波段和12 μm附近的远红外波段；气象参数包括行星边界层高度、环境空气相对湿度两个数据；地面监测数据包括监测点位的PM2.5质量浓度小时均值及相应的地理坐标。
4.3 监测内容
陆地区域PM2.5质量浓度及分布。
4.4 监测流程
根据卫星遥感数据源的特点，综合利用暗目标算法、深蓝算法等反演方法，从卫星遥感光谱数据中获取区域AOD结果；同时，从气象模式资料中提取出气溶胶垂直订正和湿度订正所需要的行星边界层高度和相对湿度数据，结合地面监测资料，采用地理加权回归方法逐像元计算PM2.5质量浓度，获取陆地区域PM2.5质量浓度分布结果。
陆地区域PM2.5质量浓度卫星遥感监测的一般流程如图1所示：
边界层高度、
相对湿度
气象模式资料
图1 陆地区域PM2.5质量浓度卫星遥感监测流程图
5 监测方法
5.1 AOD 遥感反演
利用卫星遥感数据，采用暗目标法和深蓝算法反演获取目标区域无云陆地像元的AOD ，卫星遥感反演流程如下： 像元判别
暗目标算法深蓝算法
区域气溶胶光学
厚度结果暗
像
元
亮像元查表
卫星遥感数据
遥感数据预处理
地表反射
率库
查表图2 卫星遥感反演AOD 流程图
开展AOD 遥感反演，主要包括以下七个步骤：
a ） 查表。利用辐射传输模型结合卫星传感器可见光和近红外波段的光谱响应函数构建查表；
b ） 地表反射率库。利用历史地表反射率数据（如MOD09）合成先验地表反射率库，用于亮像元
AOD 遥感反演；
c ） 遥感数据预处理。对卫星遥感数据进行质量检查、辐射定标及几何校正，然后计算可见光、近
红外和短波红外波段的表观反射率及远红外波段的亮度温度，并进行云、水体像元识别去除，提取目标区域无云陆地像元；
d ） 像元判别。根据卫星探测的短波红外波段（2.1 μm 附近）表观反射率，将无云陆地像元分为
暗像元和亮像元两类；
e ） 暗像元AOD 计算。针对暗像元，采用暗目标算法结合查表进行AOD 反演计算；
f ） 亮像元AOD 计算。针对亮像元，采用深蓝算法结合地表反射率库及查表进行AOD 反演计
算；
g ） 区域AOD 输出。将暗像元AOD 和亮像元AOD 合并输出为全区域AOD 结果。
PM 2.5卫星遥感监测工作中，如无条件开展AOD 遥感反演工作，也可采用官方发布的MOD04、
MCD19A2等AOD数据产品作为卫星遥感细颗粒物计算模型的输入参数。
5.2 气象资料提取
从气象模式（如全球气象预报模式（Global Forecast System，GFS）和中尺度天气预报模式（Weather Research and Forecasting，WRF））等资料中提取出区域行星边界层高度和相对湿度数据，并按AOD的空间分辨率采用双线性插值方法进行重采样。
5.3 数据匹配
利用地面监测站点的PM2.5质量浓度数据与区域AOD、气象资料进行时间和空间上的卫星—模式—地面多源数据匹配，形成输入数据集。
a）以PM2.5质量浓度地面监测站点所在地理坐标为中心，根据卫星监测时间，考虑大气气溶胶移动速度（一般微风情况下，气溶胶移动速度约为3 m/s～5 m/s）和卫星遥感像元邻近效应，选
取中心位置周边15 km范围和监测时间前后各半小时区间内的AOD、行星边界层高度和相对湿度有效结果，并计算平均值。
b）根据附录A中公式（A.3）构建PM2.5质量浓度、AOD、行星边界层高度和相对湿度输入数据集。
5.4 回归系数获取
根据监测原理形成PM2.5质量浓度矩阵计算公式，见公式（5）：
Y=Xβ（5）式中：Y——因变量矩阵，构建形式见附录A；
X——自变量矩阵，构建形式见附录A；
β——回归系数矩阵，构建形式见附录A。
回归系数矩阵β根据地理加权方法（原理见附录A）求解。设定高斯函数作为权重计算方法，采用交叉验证方法获取最优带宽，并计算获取回归系数矩阵β。
陆地区域PM2.5质量浓度回归系数采用普通克里金插值方法（采用插值处理软件默认参数，半变异函数为球状模型，搜索半径为邻近12个样本点）获取。根据回归系数矩阵β的每一列按照对应的地理坐标信息依据AOD的空间分辨率进行空间插值，即可得到区域连续的回归系数。
5.5 陆地区域PM2.5质量浓度计算
根据目标区域中每个像元对应的AOD、行星边界层高度、相对湿度以及回归系数，结合公式（5）逐像元计算Y值，并计算像元PM2.5浓度，见公式（6）：
M(PM2.5)=exp(Y)（6）式中：M(PM2.5)—— PM2.5质量浓度，μg/m3；
exp——以e为底的指数函数；
Y——像元回归因变量。
将所有计算像元PM2.5浓度按照卫星遥感数据的投影方式和地理坐标系统存储，形成陆地区域PM2.5质量浓度结果。
6 结果验证
采取十折交叉验证方法验证卫星遥感获取的陆地区域PM2.5质量浓度监测结果。根据5.3形成的输
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