科技发展
您当前的位置 > 首页 > 科技发展
名称 新冠病毒疫情期间复工复产卫星遥感监测
发布机构 科技外事处 索引号 2189234/2021-00153
主题分类 科技发展 文号
发布日期 2021-02-10 主题词

新冠病毒疫情期间复工复产卫星遥感监测

发布日期:2021-02-10 18:38 信息来源:科技外事处 访问量:? 字体 :[ 大 ][ 中 ][ 小 ]

新冠病毒疫情期间复工复产卫星遥感监测

1引言

复工复产是指因新冠病毒疫情期间使全部或大部分企事业单位不能进行生产活动、生产经营活动、停工停产后,由国家和地方政府根据抗击新冠肺炎疫情的逐渐好转,统一指导部署复工与复产相关事宜。卫星遥感通过对地表高温热辐射和排放的污染气体的监测,可以反映有关如钢铁、冶金、焦化、水泥、化工、玻璃、医药、淀粉等所有涉及高温处理工艺的工业类型的工作状态,以及涉及污染气体二氧化氮排放的煤炭燃烧、机动车等人为活动水平(Liu等,2018Krotkov等,2015)。所以,卫星对工业热源的定位和数量变化监测,以及对二氧化氮浓度变化监测,可以从全国和重点地区等大尺度了解复工复产的基本状况。本文将利用卫星从工业热源和大气二氧化氮浓度两个方面,从全国尺度和重点地区,分别比对今年疫情期间和去年同期,以及疫情前后期的变化,来阐述复工复产情况。

2数据与方法

2.1数据

本文利用美国新一代极轨卫星NPP搭载的VIIRS(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)载荷数据反演获取热点资料(Schroeder等,2014)。热点监测结果已剔除所有太阳耀斑、水面耀斑等虚假火点,以及秸秆焚烧和森林火灾等生物质燃烧热点,仅保留下垫面为工业用地的热点。工业热源点监测结果主要包含钢铁、冶金、玻璃、水泥、焦化、化工、医药、淀粉加工等所有具有高温燃烧强热信号的工业生产和经营的企业(Zhou等,2018)。基于375m分辨率的NPP/VIIRS红外数据的高几何定位精度,可以较准确地监测工业企业位置和生产状况。

此外,还利用搭载在美国NASA对地观测卫星Aura上的OMI(Ozone Monitoring Instrument)载荷的二氧化氮对流层柱浓度资料(Bucsela等,2013)。二氧化氮污染物可以反映工业企业对煤炭等能源的消耗量(DeFoy等,2016)。本文中所使用二氧化氮对流层柱浓度数据为OMIL2级产品OMN02D中的对流层数据集(https://acdisc.gesdisc.eosdis.nasa.gov/data/Aura_0MI_Leve13/OMN02d.003

2.2方法

采用热异常点红外遥感探测技术和K-means聚类方法实现对全国工业热源点的监测,且已基于高分辨率卫星影像进一步验证。由于VIIRS的热点数据空间分辨率达到375m,因此,工业热源点可以被精确定位到工业热源企业所在位置。工业热源点的热排放状态监测可以说明该企业是否处于生产运行状况,所以工业热源点的数量是一个非常直接地用于复工复产的监测手段。

其次,以30km尺度的格网为单位,对375m空间分辨率的热源点进行统计,反映工业热源点的密度,尤其是可以反映成规模的工业园区,或企业生产区的复工复产状况。

再次,从热源点排放的热辐射能量FRP(Fire Radiative Power)的大小,可以反映出该企业的耗能水平。热辐射资料越大,说明企业消耗能量的程度越高,表明企业复工复产的强度大。

由于高耗能企业都需要进行废弃的排放,所以在热点探测的基础上,考虑了对流层二氧化氮柱浓度的探测,可以监测企业对能源的消耗程度,间接反映复工复产的状况。

3结果与分析

3.12020-01-02全国工业监测概况

2020-02全国共监测到工业热源点6814个,较2019年同期增加12.8%,较20201月增加10.1%(审图号:GS(2020)1848))。通过在30km尺度格网内进行工业热源点统计,2020-022019年同期工业热源点个数增加的区域主要分布在山西、河北、安徽和江苏等地区,减小的区域主要分布在河北、山东部分地区和云南、广西等南方地区;2020-022020-01工业热源点个数则主要呈现北方增加,南方降低的分布特征。通过分析工业热源FRP分布,中国地区工业热源FRP呈北高南低,与大型高能耗工矿企业主要分布在北方地区相关。2020-02工业热源FRP月均值较2019年同期和2020-01增加的区域均少于减少的区域。2020-02.虽然山西、河北、山东和内蒙古等省份许多地区工业热源点个数显著上升,但FRP却有较大程度的降低趋势,说明新冠肺炎疫情以来,这些区域的热源企业虽然已基本复工生产,但生产规模或产能并未完全恢复。同时,受新冠肺炎停工停产影响,2020-02,湖北省除武汉、黄石和鄂州地区仍可监测到少数热点外,其他地区均未再监测到任何热点。

基于2019年和2020-01-02NO2,月均值合成结果展示全国地区的NO2,空间分布和变化特征。结果表明,2020-01-02新冠疫情前后全国大气NO2,柱浓度与2019年同期相比,均呈现显著下降趋势,尤其是河北、山西、山东、河南和天津等NO2,高值区的污染程度大幅下降。2020-02期间,对流层NO2,柱浓度虽已达到极低水平,但重工业集中的京津冀部分区域仍呈现出NO2,高浓度污染。

3.2春节假期及疫情期间全国工业热源变化监测

在日尺度上,2020年正月期间的工业热源点个数与2019年差异较大,但将二者统一到农历时间,2020年正月与2019年正月的工业热源点个数总数分别为71536898个,无显著差异,且日变化趋势基本一致,均在正月十五之后工业热源点个数呈逐渐增加的趋势。将2020-01-20-2020-03-087d为间隔分为7个时间段,其中,由于02-24-03-01期间受云覆盖影响较大,其结果不在本文中进行展示。春节前后(01-20-01-2601-24为除夕),全国工业热源点分布为7个时间段最稀疏,图像亮度最低。01-27-02-02期间,可能由于处于新冠肺炎爆发初期,尚未引起足够重视等原因,全国工业热源出现反弹。02-03国家法定假期结束,但受新冠肺炎疫情爆发上升期影响,全国工业热源出现显著回落。随着疫情的逐渐控制,02-03-03-087个时间段,全国工业热源密度图中被点亮的区域范围越来越大,被点亮的地区越来越亮,说明在此期间全国范围复工复产正在稳步进行。

3.3京津冀地区复工复产变化监测

京津冀地区作为钢铁和焦化等重工业集中区,2020-02的工业热源点分布并未较2020-01有所减少,反而邯郸、石家庄、保定和张家口地区的工业热源点密度有明显增加,但FRP则有较大程度的降低,其中,唐山和邯郸在2月未再出现FRP大于3WM10km网格。2020-01-20-2020-03-08,随时间变化,6个时间段内的工业热源点分布范围逐渐变大,工业热源点密度逐渐增加,但新增加的10km工业热源网格一般仍处于FRP小于1WM的低能耗水平,直到2020-03-02-2020-03-08期间FRP水平才有所回升。反映出京津冀地区自2020-02-03正式复工复产以来,工业尤其是重工业企业正逐步恢复生产秩序,且随着新冠肺炎疫情得到逐步控制,工人到岗复工率提升,3月开始企业产能已有较大程度提高。

202001-02京津冀地区对流层NO2柱浓度月均值合成结果。2020年新冠疫情发生之后京津冀地区大气NO2柱浓度与2019年同期相比,均呈现显著下降趋势。2020-01,京津冀地区NO2高值区主要分布在唐山、天津、邯郸和邢台地区,与工业热源高密度地区基本一致,说明除供暖燃煤和汽车尾气等对NO2的贡献外,工业污染排放是京津冀地区NO2主要污染源。2020-02,上述高值区NO2污染水平显著降低,除唐山外其他地区基本与周边低值区NO2浓度水平相当。

3.4长三角地区复工复产变化监测

长三角地区的重工业主要集中在安徽和江苏的沿长江发展带地区及两省的北部地区,浙江的重工业分布则非常有限。较2020-01,安徽和江苏北部地区、浙江2月的工业热源点分布显著减少,沿长江发展带地区则无明显变化,甚至部分区域的工业热源点密度有所增高。2020-01-20-2020-03-08期间,2020-01-20-2020-02-2310km工业热源网格数和FRP并无显著变化,2020-03-02-2020-03-0810km工业热源网格数在沿长江发展带地区和浙江省则明显增加,但增加的网格的FRP多处于小于1WM的低能耗水平。反映出长三角地区热源相关企业受新冠病毒疫情和春节假期影响并不太大,且3月之后更加积极向好,这与2020-02-25之后江苏、安徽和浙江相继将疫情防控应急响应级别由突发公共卫生事件一级响应调整为二级响应开始全面复工复产有关。以江苏省为例,2020-01-25-2020-02-02共监测到工业热源企业22个(非工业热源点),2020-02-03-2020-02-24共监测到工业热源企业28个,2020-02-25调整为二级回应后至2020-03-08共监测到工业热源企业32个。

2020-01-02月京津冀地区对流层NO2,结果表明,与京津冀地区相似,长三角地区2020-02对流层NO2柱浓度较2019年同期和2020-01均呈现显著下降趋势,显著下降区域主要集中在安徽和江苏的沿长江发展带地区及两省的北部地区,该区域与工业热源高密度地区基本一致。

4结论

春节假期一直是停止生产和经营活动并和家人大团圆的日子,今年又和全国共同抗击新冠病毒疫情相迭加,严禁出行防止病毒扩散,使交通运输、旅游、餐饮行业全部停歇。随着疫情逐步得到控制,生产活动和生产经营活动均的陆续开始恢复。本文利用卫星数据对各种工业生产活动产生的高温热辐射并同时排放的污染气体浓度的进行卫星监测,从全国尺度和重点地区,分别比对今年疫情期间和去年同期,以及疫情前后期的变化,来阐述复工复产情况。具体结论如下:

(1)NPP卫星VIIRS375m空间分辨率的工业热源监测和辐射能量监测,具有较高的灵敏度和空间定位精度。工业热源点的数量和热耗能水平的卫星监测,结合Aura卫星OMI载荷的二氧化氮污染气体浓度状况的监测,可以反映能源消耗与污染物排放变化状况,从而读出全国尺度和重点区域复工复产水平。

(2)2020-01-20-2020-03-087d为间隔分为7个时间段,从全国的工业热源点数来看,春节前后全国工业热源点最稀疏,图像亮度最低。2020-02卫星遥感监测全国工业热源点数较1月份及2019年同期均有10%左右的增加,但多数工业热源增加的区域,其工业企业的耗能水平却出现显著降低,且大气NO2柱浓度也呈现显著下降趋势。其中,2020-02-03春节假期虽已结束,但受新冠肺炎疫情爆发上升期,全国工业热源出现显著回落。到2020-03-08疫情逐渐得到控制后全国工业热源密度图范围和亮度越来越大,说明在此期间全国范围复工复产正在稳步进行。

(3)从重点地区来看,湖北省除武汉、黄石和鄂州地区仍可监测到少数热点外,其他地区2月份均未再监测到任何热点。与去年同期相比,2月份京津冀地区工业热源点密度有明显增加,但耗能水平却有较大程度的降低,二氧化氮浓度水平的降低从另一侧面得到了证实。随疫情逐步得到控制后,京津冀的工业热源点密度虽逐渐增加,但至2020-03起,企业产能才有较大程度提高;和1月及去年同期相比,2月份长三角多数工业热源点分布总体显著减少,但长江沿江发展带则无明显变化,部分区域的工业热源点密度反而有所增高;进入3月以后工业热源网格数在沿长江发展带和浙江省明显增加,反映出这些地区相关企业受春节和疫情的影响不大。

摘自《遥感学报》2020年第7

 

扫一扫在手机打开当前页

新冠病毒疫情期间复工复产卫星遥感监测

科技外事处 2021-02-10

新冠病毒疫情期间复工复产卫星遥感监测

1引言

复工复产是指因新冠病毒疫情期间使全部或大部分企事业单位不能进行生产活动、生产经营活动、停工停产后,由国家和地方政府根据抗击新冠肺炎疫情的逐渐好转,统一指导部署复工与复产相关事宜。卫星遥感通过对地表高温热辐射和排放的污染气体的监测,可以反映有关如钢铁、冶金、焦化、水泥、化工、玻璃、医药、淀粉等所有涉及高温处理工艺的工业类型的工作状态,以及涉及污染气体二氧化氮排放的煤炭燃烧、机动车等人为活动水平(Liu等,2018Krotkov等,2015)。所以,卫星对工业热源的定位和数量变化监测,以及对二氧化氮浓度变化监测,可以从全国和重点地区等大尺度了解复工复产的基本状况。本文将利用卫星从工业热源和大气二氧化氮浓度两个方面,从全国尺度和重点地区,分别比对今年疫情期间和去年同期,以及疫情前后期的变化,来阐述复工复产情况。

2数据与方法

2.1数据

本文利用美国新一代极轨卫星NPP搭载的VIIRS(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)载荷数据反演获取热点资料(Schroeder等,2014)。热点监测结果已剔除所有太阳耀斑、水面耀斑等虚假火点,以及秸秆焚烧和森林火灾等生物质燃烧热点,仅保留下垫面为工业用地的热点。工业热源点监测结果主要包含钢铁、冶金、玻璃、水泥、焦化、化工、医药、淀粉加工等所有具有高温燃烧强热信号的工业生产和经营的企业(Zhou等,2018)。基于375m分辨率的NPP/VIIRS红外数据的高几何定位精度,可以较准确地监测工业企业位置和生产状况。

此外,还利用搭载在美国NASA对地观测卫星Aura上的OMI(Ozone Monitoring Instrument)载荷的二氧化氮对流层柱浓度资料(Bucsela等,2013)。二氧化氮污染物可以反映工业企业对煤炭等能源的消耗量(DeFoy等,2016)。本文中所使用二氧化氮对流层柱浓度数据为OMIL2级产品OMN02D中的对流层数据集(https://acdisc.gesdisc.eosdis.nasa.gov/data/Aura_0MI_Leve13/OMN02d.003

2.2方法

采用热异常点红外遥感探测技术和K-means聚类方法实现对全国工业热源点的监测,且已基于高分辨率卫星影像进一步验证。由于VIIRS的热点数据空间分辨率达到375m,因此,工业热源点可以被精确定位到工业热源企业所在位置。工业热源点的热排放状态监测可以说明该企业是否处于生产运行状况,所以工业热源点的数量是一个非常直接地用于复工复产的监测手段。

其次,以30km尺度的格网为单位,对375m空间分辨率的热源点进行统计,反映工业热源点的密度,尤其是可以反映成规模的工业园区,或企业生产区的复工复产状况。

再次,从热源点排放的热辐射能量FRP(Fire Radiative Power)的大小,可以反映出该企业的耗能水平。热辐射资料越大,说明企业消耗能量的程度越高,表明企业复工复产的强度大。

由于高耗能企业都需要进行废弃的排放,所以在热点探测的基础上,考虑了对流层二氧化氮柱浓度的探测,可以监测企业对能源的消耗程度,间接反映复工复产的状况。

3结果与分析

3.12020-01-02全国工业监测概况

2020-02全国共监测到工业热源点6814个,较2019年同期增加12.8%,较20201月增加10.1%(审图号:GS(2020)1848))。通过在30km尺度格网内进行工业热源点统计,2020-022019年同期工业热源点个数增加的区域主要分布在山西、河北、安徽和江苏等地区,减小的区域主要分布在河北、山东部分地区和云南、广西等南方地区;2020-022020-01工业热源点个数则主要呈现北方增加,南方降低的分布特征。通过分析工业热源FRP分布,中国地区工业热源FRP呈北高南低,与大型高能耗工矿企业主要分布在北方地区相关。2020-02工业热源FRP月均值较2019年同期和2020-01增加的区域均少于减少的区域。2020-02.虽然山西、河北、山东和内蒙古等省份许多地区工业热源点个数显著上升,但FRP却有较大程度的降低趋势,说明新冠肺炎疫情以来,这些区域的热源企业虽然已基本复工生产,但生产规模或产能并未完全恢复。同时,受新冠肺炎停工停产影响,2020-02,湖北省除武汉、黄石和鄂州地区仍可监测到少数热点外,其他地区均未再监测到任何热点。

基于2019年和2020-01-02NO2,月均值合成结果展示全国地区的NO2,空间分布和变化特征。结果表明,2020-01-02新冠疫情前后全国大气NO2,柱浓度与2019年同期相比,均呈现显著下降趋势,尤其是河北、山西、山东、河南和天津等NO2,高值区的污染程度大幅下降。2020-02期间,对流层NO2,柱浓度虽已达到极低水平,但重工业集中的京津冀部分区域仍呈现出NO2,高浓度污染。

3.2春节假期及疫情期间全国工业热源变化监测

在日尺度上,2020年正月期间的工业热源点个数与2019年差异较大,但将二者统一到农历时间,2020年正月与2019年正月的工业热源点个数总数分别为71536898个,无显著差异,且日变化趋势基本一致,均在正月十五之后工业热源点个数呈逐渐增加的趋势。将2020-01-20-2020-03-087d为间隔分为7个时间段,其中,由于02-24-03-01期间受云覆盖影响较大,其结果不在本文中进行展示。春节前后(01-20-01-2601-24为除夕),全国工业热源点分布为7个时间段最稀疏,图像亮度最低。01-27-02-02期间,可能由于处于新冠肺炎爆发初期,尚未引起足够重视等原因,全国工业热源出现反弹。02-03国家法定假期结束,但受新冠肺炎疫情爆发上升期影响,全国工业热源出现显著回落。随着疫情的逐渐控制,02-03-03-087个时间段,全国工业热源密度图中被点亮的区域范围越来越大,被点亮的地区越来越亮,说明在此期间全国范围复工复产正在稳步进行。

3.3京津冀地区复工复产变化监测

京津冀地区作为钢铁和焦化等重工业集中区,2020-02的工业热源点分布并未较2020-01有所减少,反而邯郸、石家庄、保定和张家口地区的工业热源点密度有明显增加,但FRP则有较大程度的降低,其中,唐山和邯郸在2月未再出现FRP大于3WM10km网格。2020-01-20-2020-03-08,随时间变化,6个时间段内的工业热源点分布范围逐渐变大,工业热源点密度逐渐增加,但新增加的10km工业热源网格一般仍处于FRP小于1WM的低能耗水平,直到2020-03-02-2020-03-08期间FRP水平才有所回升。反映出京津冀地区自2020-02-03正式复工复产以来,工业尤其是重工业企业正逐步恢复生产秩序,且随着新冠肺炎疫情得到逐步控制,工人到岗复工率提升,3月开始企业产能已有较大程度提高。

202001-02京津冀地区对流层NO2柱浓度月均值合成结果。2020年新冠疫情发生之后京津冀地区大气NO2柱浓度与2019年同期相比,均呈现显著下降趋势。2020-01,京津冀地区NO2高值区主要分布在唐山、天津、邯郸和邢台地区,与工业热源高密度地区基本一致,说明除供暖燃煤和汽车尾气等对NO2的贡献外,工业污染排放是京津冀地区NO2主要污染源。2020-02,上述高值区NO2污染水平显著降低,除唐山外其他地区基本与周边低值区NO2浓度水平相当。

3.4长三角地区复工复产变化监测

长三角地区的重工业主要集中在安徽和江苏的沿长江发展带地区及两省的北部地区,浙江的重工业分布则非常有限。较2020-01,安徽和江苏北部地区、浙江2月的工业热源点分布显著减少,沿长江发展带地区则无明显变化,甚至部分区域的工业热源点密度有所增高。2020-01-20-2020-03-08期间,2020-01-20-2020-02-2310km工业热源网格数和FRP并无显著变化,2020-03-02-2020-03-0810km工业热源网格数在沿长江发展带地区和浙江省则明显增加,但增加的网格的FRP多处于小于1WM的低能耗水平。反映出长三角地区热源相关企业受新冠病毒疫情和春节假期影响并不太大,且3月之后更加积极向好,这与2020-02-25之后江苏、安徽和浙江相继将疫情防控应急响应级别由突发公共卫生事件一级响应调整为二级响应开始全面复工复产有关。以江苏省为例,2020-01-25-2020-02-02共监测到工业热源企业22个(非工业热源点),2020-02-03-2020-02-24共监测到工业热源企业28个,2020-02-25调整为二级回应后至2020-03-08共监测到工业热源企业32个。

2020-01-02月京津冀地区对流层NO2,结果表明,与京津冀地区相似,长三角地区2020-02对流层NO2柱浓度较2019年同期和2020-01均呈现显著下降趋势,显著下降区域主要集中在安徽和江苏的沿长江发展带地区及两省的北部地区,该区域与工业热源高密度地区基本一致。

4结论

春节假期一直是停止生产和经营活动并和家人大团圆的日子,今年又和全国共同抗击新冠病毒疫情相迭加,严禁出行防止病毒扩散,使交通运输、旅游、餐饮行业全部停歇。随着疫情逐步得到控制,生产活动和生产经营活动均的陆续开始恢复。本文利用卫星数据对各种工业生产活动产生的高温热辐射并同时排放的污染气体浓度的进行卫星监测,从全国尺度和重点地区,分别比对今年疫情期间和去年同期,以及疫情前后期的变化,来阐述复工复产情况。具体结论如下:

(1)NPP卫星VIIRS375m空间分辨率的工业热源监测和辐射能量监测,具有较高的灵敏度和空间定位精度。工业热源点的数量和热耗能水平的卫星监测,结合Aura卫星OMI载荷的二氧化氮污染气体浓度状况的监测,可以反映能源消耗与污染物排放变化状况,从而读出全国尺度和重点区域复工复产水平。

(2)2020-01-20-2020-03-087d为间隔分为7个时间段,从全国的工业热源点数来看,春节前后全国工业热源点最稀疏,图像亮度最低。2020-02卫星遥感监测全国工业热源点数较1月份及2019年同期均有10%左右的增加,但多数工业热源增加的区域,其工业企业的耗能水平却出现显著降低,且大气NO2柱浓度也呈现显著下降趋势。其中,2020-02-03春节假期虽已结束,但受新冠肺炎疫情爆发上升期,全国工业热源出现显著回落。到2020-03-08疫情逐渐得到控制后全国工业热源密度图范围和亮度越来越大,说明在此期间全国范围复工复产正在稳步进行。

(3)从重点地区来看,湖北省除武汉、黄石和鄂州地区仍可监测到少数热点外,其他地区2月份均未再监测到任何热点。与去年同期相比,2月份京津冀地区工业热源点密度有明显增加,但耗能水平却有较大程度的降低,二氧化氮浓度水平的降低从另一侧面得到了证实。随疫情逐步得到控制后,京津冀的工业热源点密度虽逐渐增加,但至2020-03起,企业产能才有较大程度提高;和1月及去年同期相比,2月份长三角多数工业热源点分布总体显著减少,但长江沿江发展带则无明显变化,部分区域的工业热源点密度反而有所增高;进入3月以后工业热源网格数在沿长江发展带和浙江省明显增加,反映出这些地区相关企业受春节和疫情的影响不大。

摘自《遥感学报》2020年第7