衛(wèi)星遙感細顆粒物（PM2.5）監(jiān)測技術(shù)指南（HJ 1264-2022）

HJ1264—2022

目次

前言.................................................................................................................................................................ii

1適用范圍........................................................................................................................................................1

2規(guī)范性文件....................................................................................................................................................1

3術(shù)語和定義....................................................................................................................................................1

4總則................................................................................................................................................................2

5監(jiān)測方法........................................................................................................................................................4

6結(jié)果驗證........................................................................................................................................................5

7質(zhì)量控制........................................................................................................................................................6

附錄A（資料性附錄）PM2.5濃度地理加權(quán)回歸計算方法.........................................................................7

i

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前言

為貫徹《中華人民共和國環(huán)境保護法》《中華人民共和國大氣污染防治法》，防治生態(tài)環(huán)境污染，改

善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，規(guī)范和指導(dǎo)衛(wèi)星遙感細顆粒物監(jiān)測工作，制定本標準。

本標準規(guī)定了衛(wèi)星遙感細顆粒物監(jiān)測的方法、結(jié)果驗證、質(zhì)量控制等內(nèi)容。

本標準的附錄A為資料性附錄。

本標準為首次發(fā)布。

本標準由生態(tài)環(huán)境部生態(tài)環(huán)境監(jiān)測司、法規(guī)與標準司組織制訂。

本標準主要起草單位：生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心、江蘇省揚州環(huán)境監(jiān)測中心。

本標準生態(tài)環(huán)境部2022年7月14日批準。

本標準自2023年1月15日起實施。

本標準由生態(tài)環(huán)境部解釋。

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衛(wèi)星遙感細顆粒物（PM2.5）監(jiān)測技術(shù)指南

1適用范圍

本標準規(guī)定了衛(wèi)星遙感細顆粒物監(jiān)測的方法、結(jié)果驗證、質(zhì)量控制等內(nèi)容。

本標準適用于陸地區(qū)域衛(wèi)星遙感細顆粒物監(jiān)測工作，作為地面監(jiān)測手段的補充，用于掌握大范圍細

顆粒物空間分布規(guī)律及變化趨勢。

2規(guī)范性引用文件

本標準引用了下列文件或其中的條款。凡是注明日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本標準。

凡是未注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本標準。

HJ93環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）采樣器技術(shù)要求及檢測方法

HJ653環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法

HJ655環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝和驗收技術(shù)規(guī)范

HJ817環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運行和質(zhì)控技術(shù)規(guī)范

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本標準。

3.1

氣溶膠光學(xué)厚度aerosolopticaldepth（AOD）

從地面到大氣層頂垂直路徑中整層氣溶膠消光系數(shù)的總和，量綱為1。

3.2

像元PM2.5濃度pixelPM2.5concentration

衛(wèi)星觀測1個像元范圍內(nèi)的近地面大氣細顆粒物平均質(zhì)量濃度，計量單位為μg/m3。

3.3

行星邊界層高度planetaryboundarylayerheight（PBLH）

行星邊界層也稱摩擦層或大氣邊界層，是對流層的最下層，一般自地面到1km～2km高度；行

星邊界層高度是指從地面到行星邊界層頂?shù)母叨龋硎疚廴疚镌诖怪狈较蚰鼙粺崃ν牧魉鶖U散的范圍。

3.4

地理加權(quán)回歸geographicallyweightedregression（GWR）

一種用回歸原理研究具有空間（或區(qū)域）分布特征的兩個或多個變量之間數(shù)量關(guān)系的方法，在數(shù)

據(jù)處理時考慮局部特征作為權(quán)重。

1

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4總則

4.1監(jiān)測原理

根據(jù)PM2.5質(zhì)量濃度與AOD、吸濕增長因子、密度、半徑、消光效率因子及行星邊界層高度等因

素的轉(zhuǎn)化關(guān)系計算PM2.5質(zhì)量濃度。PM2.5質(zhì)量濃度按公式（1）計算：

4?×rAOD

M(PM2.5)=××（1）

3QPBLH×f(RH)

3

式中：M(PM2.5)——PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m；

4/3——球形粒子體積計算常數(shù)，量綱為1；

3

ρ——PM2.5平均密度，μg/m；

r——PM2.5粒子有效半徑，m；

Q——PM2.5粒子平均消光效率因子，量綱為1；

AOD——氣溶膠光學(xué)厚度，量綱為1；

PBLH——行星邊界層高度，m；

RH——環(huán)境空氣相對濕度，%；

f(RH)——氣溶膠消光吸濕增長因子，量綱為1。

氣溶膠消光吸濕增長因子按公式（2）計算：

f(RH)=(1-RH/100)-g（2）

式中：f(RH)——氣溶膠消光吸濕增長因子，量綱為1；

1——常數(shù)，量綱為1；

RH——環(huán)境空氣相對濕度，%；

100——同溫度和氣壓下的飽和絕對濕度，量綱為1；

g——經(jīng)驗擬合系數(shù)，與氣溶膠成分有關(guān)，一般可以取為1。

將公式（1）取自然對數(shù)變換為PM2.5質(zhì)量濃度的多元線性回歸關(guān)系式，見公式（3）：

（）

ln(M(PM2.5))=β0+β1ln(AOD)+β2ln(HPBL)+β3ln(1-RH/100)3

式中：ln——自然對數(shù)運算；

、、、方程回歸系數(shù)；

β0β1β2β3——

3

M(PM2.5)——PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m；

AOD——氣溶膠光學(xué)厚度，量綱為1；

PBLH——行星邊界層高度，m；

RH——環(huán)境空氣相對濕度，%；

100——同溫度和氣壓下的飽和絕對濕度，量綱為1。

公式（）中參數(shù)、、、代表研究區(qū)域內(nèi)的平均值，考慮到回歸系數(shù)隨空間位置的變化特

3β0β1β2β3

征，將公式（3）進一步擴展為衛(wèi)星遙感監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度的隨空間回歸模型，見公式（4）：

（）

ln(M(PM2.5(ui,vi)))=β0(ui,vi)+β1(ui,vi)ln(AOD)+β2(ui,vi)ln(HPBL)+β3(ui,vi)ln(1-RH/100)4

式中：ln——自然對數(shù)運算；

3

M(PM2.5)——PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m；

ui——第i個（?=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標，量綱為1；

2

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vi——第?個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標，量綱為1；

、、、隨不同空間位置變化的方程回歸系數(shù)；

β0β1β2β3——

AOD——氣溶膠光學(xué)厚度，量綱為1；

PBLH——行星邊界層高度，m；

RH——環(huán)境空氣相對濕度，%；

100——同溫度和氣壓下的飽和絕對濕度，量綱為1。

根據(jù)公式（4），采用地理加權(quán)回歸方法結(jié)合PM2.5質(zhì)量濃度地面監(jiān)測樣本數(shù)據(jù)，即可計算像元PM2.5

濃度。

4.2輸入數(shù)據(jù)選擇

本標準所用輸入數(shù)據(jù)包括多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象參數(shù)及地面監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，多光譜衛(wèi)星遙感

數(shù)據(jù)的波段應(yīng)包括0.47μm附近和0.66μm附近的可見光波段、0.86μm附近的近紅外波段、2.1μm附

近的短波紅外波段和12μm附近的遠紅外波段；氣象參數(shù)包括行星邊界層高度、環(huán)境空氣相對濕度兩

個數(shù)據(jù)；地面監(jiān)測數(shù)據(jù)包括監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度小時均值及相應(yīng)的地理坐標。

4.3監(jiān)測內(nèi)容

陸地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度及分布。

4.4監(jiān)測流程

根據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源的特點，綜合利用暗目標算法、深藍算法等反演方法，從衛(wèi)星遙感光譜數(shù)據(jù)中

獲取區(qū)域AOD結(jié)果；同時，從氣象模式資料中提取出氣溶膠垂直訂正和濕度訂正所需要的行星邊界層

高度和相對濕度數(shù)據(jù)，結(jié)合地面監(jiān)測資料，采用地理加權(quán)回歸方法逐像元計算PM2.5質(zhì)量濃度，獲取陸

地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度分布結(jié)果。

陸地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度衛(wèi)星遙感監(jiān)測的一般流程如圖1所示：

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

氣象模式資料氣溶膠光學(xué)厚度反演

邊界層高度、地面PM監(jiān)測

數(shù)據(jù)匹配2.5

相對濕度數(shù)據(jù)

回歸系數(shù)獲取

像元PM2.5濃度計算

區(qū)域PM2.5濃度輸出

圖1陸地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度衛(wèi)星遙感監(jiān)測流程圖

3

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5監(jiān)測方法

5.1AOD遙感反演

利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用暗目標法和深藍算法反演獲取目標區(qū)域無云陸地像元的AOD，衛(wèi)星遙感

反演流程如下：

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

像元判別

暗亮

像像

元元查找表

查找表暗目標算法深藍算法

地表反射

率庫

區(qū)域氣溶膠光學(xué)

厚度結(jié)果

圖2衛(wèi)星遙感反演AOD流程圖

開展AOD遙感反演，主要包括以下七個步驟：

a）查找表。利用輻射傳輸模型結(jié)合衛(wèi)星傳感器可見光和近紅外波段的光譜響應(yīng)函數(shù)構(gòu)建查找表；

b）地表反射率庫。利用歷史地表反射率數(shù)據(jù)（如MOD09）合成先驗地表反射率庫，用于亮像元

AOD遙感反演；

c）遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理。對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查、輻射定標及幾何校正，然后計算可見光、近

紅外和短波紅外波段的表觀反射率及遠紅外波段的亮度溫度，并進行云、水體像元識別去除，

提取目標區(qū)域無云陸地像元；

d）像元判別。根據(jù)衛(wèi)星探測的短波紅外波段（2.1μm附近）表觀反射率，將無云陸地像元分為

暗像元和亮像元兩類；

e）暗像元AOD計算。針對暗像元，采用暗目標算法結(jié)合查找表進行AOD反演計算；

f）亮像元AOD計算。針對亮像元，采用深藍算法結(jié)合地表反射率庫及查找表進行AOD反演計

算；

g）區(qū)域AOD輸出。將暗像元AOD和亮像元AOD合并輸出為全區(qū)域AOD結(jié)果。

PM2.5衛(wèi)星遙感監(jiān)測工作中，如無條件開展AOD遙感反演工作，也可采用官方發(fā)布的MOD04、

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MCD19A2等AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為衛(wèi)星遙感細顆粒物計算模型的輸入?yún)?shù)。

5.2氣象資料提取

從氣象模式（如全球氣象預(yù)報模式（GlobalForecastSystem，GFS）和中尺度天氣預(yù)報模式（Weather

ResearchandForecasting，WRF））等資料中提取出區(qū)域行星邊界層高度和相對濕度數(shù)據(jù)，并按AOD的

空間分辨率采用雙線性插值方法進行重采樣。

5.3數(shù)據(jù)匹配

利用地面監(jiān)測站點的PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)與區(qū)域AOD、氣象資料進行時間和空間上的衛(wèi)星—模式

—地面多源數(shù)據(jù)匹配，形成輸入數(shù)據(jù)集。

a）以PM2.5質(zhì)量濃度地面監(jiān)測站點所在地理坐標為中心，根據(jù)衛(wèi)星監(jiān)測時間，考慮大氣氣溶膠移

動速度（一般微風(fēng)情況下，氣溶膠移動速度約為3m/s～5m/s）和衛(wèi)星遙感像元鄰近效應(yīng)，選

取中心位置周邊15km范圍和監(jiān)測時間前后各半小時區(qū)間內(nèi)的AOD、行星邊界層高度和相對

濕度有效結(jié)果，并計算平均值。

b）根據(jù)附錄A中公式（A.3）構(gòu)建PM2.5質(zhì)量濃度、AOD、行星邊界層高度和相對濕度輸入數(shù)據(jù)

集。

5.4回歸系數(shù)獲取

根據(jù)監(jiān)測原理形成PM2.5質(zhì)量濃度矩陣計算公式，見公式（5）：

Y=Xβ（5）

式中：Y——因變量矩陣，構(gòu)建形式見附錄A；

X——自變量矩陣，構(gòu)建形式見附錄A；

β——回歸系數(shù)矩陣，構(gòu)建形式見附錄A。

回歸系數(shù)矩陣β根據(jù)地理加權(quán)方法（原理見附錄A）求解。設(shè)定高斯函數(shù)作為權(quán)重計算方法，采用

交叉驗證方法獲取最優(yōu)帶寬，并計算獲取回歸系數(shù)矩陣β。

陸地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度回歸系數(shù)采用普通克里金插值方法（采用插值處理軟件默認參數(shù)，半變異

函數(shù)為球狀模型，搜索半徑為鄰近12個樣本點）獲取。根據(jù)回歸系數(shù)矩陣β的每一列按照對應(yīng)的地理坐

標信息依據(jù)AOD的空間分辨率進行空間插值，即可得到區(qū)域連續(xù)的回歸系數(shù)。

5.5陸地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度計算

根據(jù)目標區(qū)域中每個像元對應(yīng)的AOD、行星邊界層高度、相對濕度以及回歸系數(shù)，結(jié)合公式（5）

逐像元計算Y值，并計算像元PM2.5濃度，見公式（6）：

M(PM2.5)=exp(Y)（6）

3

式中：M(PM2.5)——PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m；

exp——以e為底的指數(shù)函數(shù)；

Y——像元回歸因變量。

將所有計算像元PM2.5濃度按照衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的投影方式和地理坐標系統(tǒng)存儲，形成陸地區(qū)域PM2.5

質(zhì)量濃度結(jié)果。

6結(jié)果驗證

采取十折交叉驗證方法驗證衛(wèi)星遙感獲取的陸地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果。根據(jù)5.3形成的輸

5

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入數(shù)據(jù)集，將其按等比例隨機分成10個數(shù)據(jù)子集，分10次輪流選取其中1個數(shù)據(jù)子集作為測試比對數(shù)

據(jù)，其他9個子集作為PM2.5質(zhì)量濃度反演訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，依據(jù)本標準的PM2.5質(zhì)量濃度反演模型采用

訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)計算回歸系數(shù)，然后根據(jù)該回歸系數(shù)采用測試比對數(shù)據(jù)計算像元PM2.5濃度遙感計算結(jié)果，

2

將遙感結(jié)果和地面監(jiān)測值進行線性相關(guān)分析，并計算決定系數(shù)（R）和相對精度（RA），用于評估PM2.5

質(zhì)量濃度預(yù)測結(jié)果在實際應(yīng)用中的準確性。

在利用衛(wèi)星遙感細顆粒物進行監(jiān)測分析應(yīng)用時，結(jié)果驗證應(yīng)滿足決定系數(shù)（R2）大于0.7且相對精

度（RA）高于70%。決定系數(shù)（R2）和相對精度（RA）計算方式分別見公式（7）和公式（8）：

∑n(??-?)2

R2=i=1?（7）

n2

∑i=1(y?-?)

式中：R2——決定系數(shù)，量綱為1；

像元濃度遙感計算結(jié)果，3；

y?i——PM2.5μg/m

3

y——區(qū)域內(nèi)所有地面監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度的平均值，μg/m；

第個（）地面站點質(zhì)量濃度監(jiān)測值，3。

yi——?i=1,2,?,?PM2.5μg/m

n

∑i=1|yi?y?|i

RA=(1?n)×100%（8）

∑i=1|??|

式中：RA——相對精度，%；

像元濃度遙感計算結(jié)果，3；

y?i——PM2.5μg/m

3

y——區(qū)域內(nèi)所有地面監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度的平均值，μg/m；

第個（?）地面站點質(zhì)量濃度監(jiān)測值，3。

yi——ii=1,2,,nPM2.5μg/m

7質(zhì)量控制

7.1衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量

在進行遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理前，要保證衛(wèi)星遙感原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，避免有噪聲條帶的數(shù)據(jù)參與后續(xù)處理，

導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生誤差。同時，要保證相應(yīng)的幾何定位數(shù)據(jù)質(zhì)量，在利用不同衛(wèi)星及傳感器的遙感數(shù)據(jù)前，

確保地理位置的幾何配準精度在一個像元之內(nèi)。

7.2輸入?yún)?shù)精度

為提高PM2.5質(zhì)量濃度遙感監(jiān)測結(jié)果的準確性，一方面要采用較為成熟的氣象預(yù)報模式模擬數(shù)據(jù)（如

GFS、WRF等），保證行星邊界層高度和相對濕度的相對精度均達80%以上；另一方面保證輸入的地面

PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠，監(jiān)測數(shù)據(jù)來自國家或省級生態(tài)環(huán)境監(jiān)測部門正式公布結(jié)果，監(jiān)測采樣儀

器、自動監(jiān)測系統(tǒng)、安裝驗收和運行質(zhì)控等技術(shù)要求分別符合HJ93、HJ653、HJ655和HJ817的規(guī)定，

42

同時保證監(jiān)測點位足夠且分布相對較均勻，一般1×10km內(nèi)至少有3個地面監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃

度監(jiān)測資料，部分PM2.5質(zhì)量濃度分布空間差異較大且地面環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)較發(fā)達的地區(qū)，可適

42

當提高至1×10km內(nèi)有5個地面監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測資料。

6

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附錄A

（資料性附錄）

PM2.5質(zhì)量濃度地理加權(quán)回歸計算方法

公式（5）中因變量矩陣Y、自變量矩陣X和回歸系數(shù)矩陣β根據(jù)匹配后的數(shù)據(jù)構(gòu)建，其中因變

量矩陣Y構(gòu)建形式見公式（A.1）：

ln(M(PM2.5(u1,v1)))

ln(M(PM(u,v)))

2.522（）

Y=[?]A.1

ln(M(PM2.5(un,vn)))

式中：Y——因變量矩陣；

3

M(PM2.5(ui,vi))——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m；

n——訓(xùn)練樣本數(shù)量；

ui——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標；

vi——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標。

自變量矩陣Y構(gòu)建形式見公式（A.2）：

ln(AOD(u1,v1))ln(PBLH(u1,v1))ln(1-RH(u1,v1)/100)

ln(AOD(u,v))ln(PBLH(u,v))

2222ln(1-RH(u2,v2)/100)（）

X=??A.2

?

ln(AOD(u,v))ln(PBLH(u,v))

[nnnnln(1-RH(un,vn)/100)]

式中：X——自變量矩陣；

AOD(ui,vi)——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的AOD，量綱為1；

PBLH(ui,vi)——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的行星邊界層高度，m；

RH(ui,vi)——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的相對濕度，量綱為1；

100——同溫度和氣壓下的飽和絕對濕度，量綱為1；

n——訓(xùn)練樣本數(shù)量；

ui——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標；

vi——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標。

回歸系數(shù)矩陣β構(gòu)建方式見公式（A.3）：

β(u,v)β(u,v)β(u,v)

011022?0nn

β(u,v)β(u,v)?β(u,v)

1111221nn（）

β=?A.3

β2(u1,v1)β2(u2,v2)β2(un,vn)

?

[β3(u1,v1)β3(u3,v3)β3(un,vn)]

式中：β——回歸系數(shù)矩陣；

、、、第個訓(xùn)練樣本的回歸系數(shù)；

β0(ui,vi)β1(ui,vi)β2(ui,vi)β3(ui,vi)——?

n——訓(xùn)練樣本數(shù)量；

ui——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標；

vi——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標。

回歸系數(shù)矩陣β一般通過地理加權(quán)方法獲取。先計算兩個樣本之間的距離，見公式（A.4）：

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22

dij=√(ui-uj)+(vi-vj)（A.4）

式中：dij——第i個訓(xùn)練樣本坐標和第j個訓(xùn)練樣本坐標的距離；

ui——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標；

vi——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標；

uj——第j個（j=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標；

v?——第j個（j=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標。

然后設(shè)定帶寬(b?)計算權(quán)重函數(shù)，見公式（A.5）：

d

W=exp(-[ij]2)（A.5）

ijb?

式中：Wij——第j個（j=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本對第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的影響權(quán)重系數(shù)；

b?——設(shè)定帶寬；

dij——第i個訓(xùn)練樣本坐標和第j個訓(xùn)練樣本坐標的距離。

再計算權(quán)重函數(shù)對角矩陣，見公式（A.6）：

Wi10?0

0W?0

W(u,v)=[i2]（A.6）

ii????

00?Win

式中：W(ui,vi)——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的權(quán)重函數(shù)矩；

n——訓(xùn)練樣本數(shù)量；

ui——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標；

vi——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標；

Wij——第j個（j=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本對第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的影響權(quán)重系數(shù)。

獲取回歸系數(shù)，計算方法見公式（A.7）：

T-1T

β(ui,vi)=[XW(ui,vi)X]XW(ui,vi)Y（A.7）

式中：n——訓(xùn)練樣本數(shù)量；

β(ui,vi)——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的回歸系數(shù)；

ui——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標；

vi——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標；

X——自變量矩陣；

Y——因變量矩陣；

W(ui,vi)——第i個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的權(quán)重函數(shù)矩。

獲取回歸系數(shù)后即可根據(jù)公式（A.3）構(gòu)建回歸系數(shù)矩陣β，根據(jù)公式（5）計算獲取因變量。求

解最優(yōu)回歸結(jié)果需要在獲取最優(yōu)帶寬的前提下獲取最優(yōu)回歸系數(shù)矩陣，一般采用交叉驗證

（cross-validation，CV）的方法獲取最優(yōu)帶寬值。即先根據(jù)監(jiān)測點之間的距離范圍，以像元大小為步

長設(shè)定等間隔帶寬值系列，依次以第?個訓(xùn)練樣本點作為回歸點，根據(jù)回歸點周圍站點的數(shù)據(jù)組按照公

式（5）和公式（A.1）～公式（A.7）進行地理加權(quán)回歸計算，計算所有回歸點的因變量實際值與回歸

值之間差值的平方和作為回歸殘差平方和CV(b?)，其計算公式見（A.8）：

n

1

CV(b?)=∑[y-y(b?)]2（A.8）

ni≠i

i=1

8

HJ1264—2022

式中：CV(b?)——回歸殘差平方和；

b?——設(shè)定帶寬；

?不包括回歸點本身的回歸值；

y≠i(b)——

第個訓(xùn)練樣本的因變量值。

yi——i

根據(jù)公式（5）和公式（A.1）～公式（A.7）計算不同帶寬b?相應(yīng)的CV(b?)值，并找到最小的CV(b?)值所對

應(yīng)的帶寬，此即最優(yōu)帶寬。將最優(yōu)帶寬代入公式（5）和公式（A.1）～公式（A.7）計算最優(yōu)因變量值。

9

中華人民共和國國家生態(tài)環(huán)境標準

HJ1264—2022

衛(wèi)星遙感細顆粒物（PM2.5）監(jiān)測

技術(shù)指南

Technicalguidelineforfineparticulatematter(PM2.5)monitoring

basedonsatelliteremotesensing

本電子版為正式標準文本，由生態(tài)環(huán)境部環(huán)境標準研究所審校排版。

HJ1264—2022

衛(wèi)星遙感細顆粒物（PM2.5）監(jiān)測技術(shù)指南

1適用范圍

本標準規(guī)定了衛(wèi)星遙感細顆粒物監(jiān)測的方法、結(jié)果驗證、質(zhì)量控制等內(nèi)容。

本標準適用于陸地區(qū)域衛(wèi)星遙感細顆粒物監(jiān)測工作，作為地面監(jiān)測手段的補充，用于掌握大范圍細

顆粒物空間分布規(guī)律及變化趨勢。

2規(guī)范性引用文件

本標準引用了下列文件或其中的條款。凡是注明日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本標準。

凡是未注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本標準。

HJ93環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）采樣器技術(shù)要求及檢測方法

HJ653環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法

HJ655環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝和驗收技術(shù)規(guī)范

HJ817環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運行和質(zhì)控技術(shù)規(guī)范

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本標準。

3.1

氣溶膠光學(xué)厚度aerosolopticaldepth（AOD）

從地面到大氣層頂垂直路徑中整層氣溶膠消光系數(shù)的總和，量綱為1。

3.2

像元PM2.5濃度pixelPM2.5concentration

衛(wèi)星觀測1個像元范圍內(nèi)的近地面大氣細顆粒物平均質(zhì)量濃度，計量單位為μg/m3。

3.3

行星邊界層高度planetaryboundarylayerheight（PBLH）

行星邊界層也稱摩擦層或大氣邊界層，是對流層的最下層，一般自地面到1km～2km高度；行

星邊界層高度是指從地面到行星邊界層頂?shù)母叨龋硎疚廴疚镌诖怪狈较蚰鼙粺崃ν牧魉鶖U散的范圍。

3.4

地理加權(quán)回歸geographicallyweightedregression（GWR）

一種用回歸原理研究具有空間（或區(qū)域）分布特征的兩個或多個變量之間數(shù)量關(guān)系的方法，在數(shù)

據(jù)處理時考慮局部特征作為權(quán)重。

1

HJ1264—2022

4總則

4.1監(jiān)測原理

根據(jù)PM2.5質(zhì)量濃度與AOD、吸濕增長因子、密度、半徑、消光效率因子及行星邊界層高度等因

素的轉(zhuǎn)化關(guān)系計算PM2.5質(zhì)量濃度。PM2.5質(zhì)量濃度按公式（1）計算：

4?×rAOD

M(PM2.5)=××（1）

3QPBLH×f(RH)

3

式中：M(PM2.5)——PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m；

4/3——球形粒子體積計算常數(shù)，量綱為1；

3

ρ——PM2.5平均密度，μg/m；

r——PM2.5粒子有效半徑，m；

Q——PM2.5粒子平均消光效率因子，量綱為1；

AOD——氣溶膠光學(xué)厚度，量綱為1；

PBLH——行星邊界層高度，m；

RH——環(huán)境空氣相對濕度，%；

f(RH)——氣溶膠消光吸濕增長因子，量綱為1。

氣溶膠消光吸濕增長因子按公式（2）計算：

f(RH)=(1-RH/100)-g（2）

式中：f(RH)——氣溶膠消光吸濕增長因子，量綱為1；

1——常數(shù)，量綱為1；

RH——環(huán)境空氣相對濕度，%；

100——同溫度和氣壓下的飽和絕對濕度，量綱為1；

g——經(jīng)驗擬合系數(shù)，與氣溶膠成分有關(guān)，一般可以取為1。

將公式（1）取自然對數(shù)變換為PM2.5質(zhì)量濃度的多元線性回歸關(guān)系式，見公式（3）：

（）

ln(M(PM2.5))=β0+β1ln(AOD)+β2ln(HPBL)+β3ln(1-RH/100)3

式中：ln——自然對數(shù)運算；

、、、方程回歸系數(shù)；

β0β1β2β3——

3

M(PM2.5)——PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m；

AOD——氣溶膠光學(xué)厚度，量綱為1；

PBLH——行星邊界層高度，m；

RH——環(huán)境空氣相對濕度，%；

100——同溫度和氣壓下的飽和絕對濕度，量綱為1。

公式（）中參數(shù)、、、代表研究區(qū)域內(nèi)的平均值，考慮到回歸系數(shù)隨空間位置的變化特

3β0β1β2β3

征，將公式（3）進一步擴展為衛(wèi)星遙感監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度的隨空間回歸模型，見公式（4）：

（）

ln(M(PM2.5(ui,vi)))=β0(ui,vi)+β1(ui,vi)ln(AOD)+β2(ui,vi)ln(HPBL)+β3(ui,vi)ln(1-RH/100)4

式中：ln——自然對數(shù)運算；

3

M(PM2.5)——PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m；

ui——第i個（?=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理橫坐標，量綱為1；

2

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vi——第?個（i=1,2,?,n）訓(xùn)練樣本的地理縱坐標，量綱為1；

、、、隨不同空間位置變化的方程回歸系數(shù)；

β0β1β2β3——

AOD——氣溶膠光學(xué)厚度，量綱為1；

PBLH——行星邊界層高度，m；

RH——環(huán)境空氣相對濕度，%；

100——同溫度和氣壓下的飽和絕對濕度，量綱為1。

根據(jù)公式（4），采用地理加權(quán)回歸方法結(jié)合PM2.5質(zhì)量濃度地面監(jiān)測樣本數(shù)據(jù)，即可計算像元PM2.5

濃度。

4.2輸入數(shù)據(jù)選擇

本標準所用輸入數(shù)據(jù)包括多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象參數(shù)及地面監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，多光譜衛(wèi)星遙感

數(shù)據(jù)的波段應(yīng)包括0.47μm附近和0.66μm附近的可見光波段、0.86μm附近的近紅外波段、2.1μm附

近的短波紅外波段和12μm附近的遠紅外波段；氣象參數(shù)包括行星邊界層高度、環(huán)境空氣相對濕度兩

個數(shù)據(jù)；地面監(jiān)測數(shù)據(jù)包括監(jiān)測點位的PM2.5質(zhì)量濃度小時均值及相應(yīng)的地理坐標。

4.3監(jiān)測內(nèi)容

陸地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度及分布。

4.4監(jiān)測流程

根據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源的特點，綜合利用暗目標算法、深藍算法等反演方法，從衛(wèi)星遙感光譜數(shù)據(jù)中

獲取區(qū)域AOD結(jié)果；同時，從氣象模式資料中提取出氣溶膠垂直訂正和濕度訂正所需要的行星邊界層

高度和相對濕度數(shù)據(jù)，結(jié)合地面監(jiān)測資料，采用地理加權(quán)回歸方法逐像元計算PM2.5質(zhì)量濃度，獲取陸

地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度分布結(jié)果。

陸地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度衛(wèi)星遙感監(jiān)測的一般流程如圖1所示：

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

氣象模式資料氣溶膠光學(xué)厚度反演

邊界層高度、地面PM監(jiān)測

數(shù)據(jù)匹配2.5

相對濕度數(shù)據(jù)

回歸系數(shù)獲取

像元PM2.5濃度計算

區(qū)域PM2.5濃度輸出

圖1陸地區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度衛(wèi)星遙感監(jiān)測流程圖

3

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5監(jiān)測方法

5.1AOD遙感反演

利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用暗目標法和深藍算法反演獲取目標區(qū)域無云陸地像元的AOD，衛(wèi)星遙感

反演流程如下：

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

像元判別

暗亮

像像

元元查找表

查找表暗目標算法深藍算法

地表反射

率庫

區(qū)域氣溶膠光學(xué)

厚度結(jié)果

圖2衛(wèi)星遙感反演AOD流程圖

開展AOD遙感反演，主要包括以下七個步驟：

a）查找表。利用輻射傳輸模型結(jié)合衛(wèi)星傳感器可見光和近紅外波段的光譜響應(yīng)函數(shù)構(gòu)建查找表；

b）地表反射率庫。利用歷史地表反射率數(shù)據(jù)（如MOD09）合成先驗地表反射率庫，用于亮像元

AOD遙感反演；

c）遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理。對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查、輻射定標及幾何校正，然后計算可見光、近

紅外和短波紅外波段的表觀反射率及遠紅外波段的亮度溫度，并進行云、水體像元識別去除，

提取目標區(qū)域無云陸地像元；

d）像元判別。根據(jù)衛(wèi)星探測的短波紅外波段（2.1μm附近）表觀反射率，將無云陸地像元分為

暗像元和亮像元兩類；

e）暗像元AOD計算。針對暗像元，采用暗目標算法結(jié)合查找表進行AOD反演計算；

f）亮像元AOD計算。針對亮像元，采用深藍算法結(jié)合地表反射率庫及查找表進行AOD反演計

算；

g）區(qū)域AOD輸出。將暗像元AOD和亮像元AOD合并輸出為全區(qū)域AOD結(jié)果。

PM2.5衛(wèi)星遙感監(jiān)測工作中，如無條件開展AOD遙感反演工作，也可采用官方發(fā)布的MOD04、

4

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MCD19A2等AOD數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為衛(wèi)星遙感細顆粒物計算模型的輸入?yún)?shù)。

5.2氣象資料提取

從氣象模式（如全球氣象預(yù)報模式（GlobalForecastSystem，GFS）和中尺度天氣預(yù)報模式（Weather

ResearchandForecasting，WRF））等資料中提取出區(qū)域行星邊界層高度和相對濕度數(shù)據(jù)，并按AOD的

空間分辨率采用雙線性插值方法進行重采樣。

5.3數(shù)據(jù)匹配

利用地面監(jiān)測站點的PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)與區(qū)域AOD、氣象資料進行時間和空間上的衛(wèi)星—模式

—地面多源數(shù)據(jù)匹配，形成輸入數(shù)據(jù)集。

a）以PM2.5質(zhì)量濃度地面監(jiān)測站點所在地理坐標為中心，根據(jù)衛(wèi)星監(jiān)測時間，考慮大氣氣溶膠移

動速度（一般微風(fēng)情況下，氣溶膠移動速度約為3m/s～5m/s）和衛(wèi)星遙感像元鄰近效應(yīng)，選

取中心位置周邊15km范圍和監(jiān)測時間前后各半小時區(qū)間內(nèi)的AOD、行星邊界層高度和相對

濕度有效結(jié)果，并計算平均值。

b）根據(jù)附錄A中公式（A.3）構(gòu)建PM2.5質(zhì)量濃度、AOD、行星邊界層高度和相對濕度輸入數(shù)據(jù)

集。

5.4回歸系數(shù)獲取

根據(jù)監(jiān)測原理形成PM2.5質(zhì)量濃度矩陣計算公式，見公式（5）：

Y=Xβ（5）

式中：Y——因變量矩陣，構(gòu)建形式見附錄A；

X——自變量矩陣，構(gòu)建形式見附錄A；