پهنه‌بندي NO2 جوي در شهرهاي صنعتي با استفاده از تصاوير OMI و MODIS (مطالعه موردي: كلان شهر تهران)

Distribution of atmospheric NO2 in the industrial cities using OMI and MODIS images (Case study: Tehran metropolis)

جو سامانه‌ گازي طبيعي پويا و پيچيده‌اي‌ است كه زندگاني در سياره زمين به آن وابسته است. غلظت ذرات معلق موجود در جو از مهمترين شاخص‌هاي آلودگي هوا محسوب شده و به همين علت از توجه زيادي برخودار است. تهران يكي از آلوده‌ترين شهرهاي جهان مي‌باشد كه عوامل متعددي در آلودگي هواي آن دخالت دارند. بنابراين تعيين مقدار آلودگي در مناطق مختلف شهر مي‌تواند منجر به راهكارهايي جهت كاهش اثرات منفي آن شود. ايستگاه‌هاي سنجش آلودگي هوا در سطح شهر مقادير آلودگي را در محدوده ايستگاه با دقت بسيار خوب اندازه‌گيري مي‌كنند، اما به دليل هزينه‌هاي بالاي نصب و نگهداري، امكان نصب تعداد زيادي از آنها در سطح شهر وجود ندارد. همچنين در مناطقي كه از ايستگاه‌ها فاصله دارند براي محاسبه ميزان آلودگي نياز به تخمين مي‌باشد. دي اكسيد نيتروژن يكي از مهمترين اجزاء آلودگي هوا در كلان شهرها مي‌باشد كه در اين پژوهش براي تعيين آن در سطح شهر با استفاده از سنجش از دور تلاش خواهد شد. براي اين‌منظور از تصاوير سنجنده OMI كه ميزان اين آلودگي را بصورت روزانه و در مناطق مختلف ارائه مي‌كند استفاده شده است. اين تصاوير مقادير آلودگي را در پيكسل‌هايي با ابعاد بزرگ ارائه مي‌كنند كه براي مناطق شهري مناسب نمي‌باشد. در اين پژوهش با استفاده همزمان از تصاوير OMI و ماديس 500 متري سعي در برقراري ارتباط بين بازتابندگي و ميزان آلودگي در باندهاي مختلف شده است. بر اين اساس ابتدا ارتباط ميزان آلودگي و بازتابندگي در چندين منطقه صنعتي و شهر بزرگ بررسي شد. سپس تركيب‌هاي خطي معادلات مختلف در باندهاي مختلف ماديس در نظر گرفته شد و بهترين تركيب معادله-باند با استفاده از داده‌هاي آزمون مشخص گرديد. در انتها روش به‌دست آمده در سطح شهر تهران پياده‌سازي و تصاوير توزيع آلودگي براي روزهاي مختلف به‌دست آمد. به منظور ارزيابي نتايج به‌دست آمده از داده‌هاي ايستگاه‌هاي زميني استفاده شد كه جذر ميانگين مربع خطاها برابر 0/29 و جذر ميانگين مربع خطاهاي نسبي برابر 44/3 درصد به‌دست آمد. خطاي مدل براي مقادير زياد آلودگي در حدود 15 درصد و براي مقادير كم آلودگي تا 100 درصد مي‌باشد. همچنين با استفاده از تجميع تصاوير به‌دست آمده در روزهاي مختلف مناطق بحراني و داراي آلودگي زياد در سطح شهر مشخص گرديد.

The atmosphere is a complicated and dynamic system containing natural gases as well as some extra gases produced through different sources. Concentration of suspended particles in the atmosphere is one of the most important indicators of air pollution. Tehran is among the most polluted cities in the world. Being able to determine the amount of pollution in the city’s air, may lead to strategies being adopted for reduction of its negative effects. Commonly, measurement of the air pollution is carried out by gauges installed in stations all around the city. These limited number of gauges can precisely measure pollution within the station zone. However, the measured data is not valid for the regions far from stations. NO2 is one of the most important factors in the air pollution; hence this study attempts to determine it in urban areas using remote sensing. OMI images are routinely providing air pollution data on a daily basis. These images give the amounts of pollution in large pixels which are not appropriate for urban areas. In this study, the concurrent images of MODIS and OMI were used in order to find a relation between pollution and reflectance in different bands. At first, the relationship between pollution and reflectance in industrial areas and large cities were determined. Then different combinations of equations were considered for MODIS bands and the best combination was chosen. At the end, distribution image of pollution was obtained in the city. Evaluation of this equation shows acceptable accuracy in prediction of NO2 by MODIS images. In addition, critical and highly polluted areas were determined by accumulation of air pollution images on different days. At the end, data of ground stations were utilized in order to evaluate acquired results (RMSE=0.29 and RRMSE=44.3%). The model showed small relative errors (15%) for large amounts of NO2 and huge errors (100%) for low amounts of pollution.