霧霾天氣對航空伽瑪能譜測量數據影響研究

王 寧，鄭向向，姜德才，李 健，梁 韌

(中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

航空伽瑪能譜測量具有效率高、成本較低、便于大面積工作等顯著優點，在基礎性及公益性地質調查、戰略性礦產勘查中發揮著積極的作用，已被廣泛地應用于地質填圖、稀有礦產勘查、輻射環境評價等眾多領域[1-3]。因此，野外測量數據質量控制顯得尤為重要。在野外測量過程中，除儀器本身誤差外，航空伽瑪能譜數據質量主要受到空氣濕度、地表濕度、飛行高度等因素影響[4]。除此之外，筆者在實際測量過程中發現，霧霾天氣對伽瑪能譜數據也存在一定的影響。我們利野外測量伽瑪能譜原始數據及測區空氣質量等相關數據，通過對數據進行深入分析，找出霧霾天氣與伽瑪能譜數據質量的相關性，并提出改善霧霾天氣下測量原始數據質量的方法建議。

1 研究基礎

氡(222Rn)是238U 衰變鏈中226Ra 的衰變產物, 是一種放射性惰性氣體, 半衰期為3.82 d。由于226Ra 廣泛存在于巖石、土壤等各種地質環境中, 所以222Rn 廣泛存在于大氣中。其擴散率取決于巖石、土壤性質、氣象因素等。擴散到大氣中的氡，衰變時產生的子體產物以正離子的形式存在，附著于大氣塵粒(氣溶膠微粒)上，其濃度和分布受大氣混合條件的強烈影響[5-7]。

航空伽瑪能譜測量譜線可看成U、Th、K 組分譜和飛行器、宇宙射線本底和氡本底疊加而成。宇宙射線和飛行器本底都是固定的常數, 兩者可以通過處理在大氣氡校正之前去除。而航空伽馬能譜測量中大氣氡能譜譜線形狀和鈾系伽馬曲線大體是一致的[3]，大氣氡及其子體濃度是航空伽馬能譜測量中不容忽視的主要干擾之一，它直接影響到總量伽馬照射量率和鈾含量測量的準確性。因此，在航空伽瑪能譜測量作業中，“航空伽瑪能譜測量規范”明確規定了在雨天和雨后的第一天不允許飛行。孫海仁等[8]也對此進行了詳細的試驗分析并提出了相應的應對措施。此外，根據宋麗娜等[1]研究發現，霧霾天氣氡子體濃度明顯偏高，從整體趨勢上來看，AQI(空氣質量指數)[9]與結合態氡子體濃度呈正相關關系。AQI越大，即霧霾越嚴重，結合態氡子體濃度越大[1]。為驗證霧霾天氣對航空伽瑪能譜測量影響，筆者對實際測區能譜基線及測線數據進行對比分析，為霧霾天氣中測量數據進行大氣氡校正處理時提供依據。

表1 空氣質量及相對濕度

2 環境因素分析

為有效分析霧霾天氣對航空伽瑪能譜數據測量的影響，選取了2018年10月-12月雄安新區測區11個架次實測基線數據、保定市監測站空氣監測數據以及中國氣象局氣象數據為分析對象，通過對比分析相同條件下測量，空氣質量對航空伽瑪能譜數據測量的影響。

2.1 能譜測量基線選擇

雄安新區位于河北省保定市北東方向，由雄縣、容城和安心縣及部分周邊區域組成。全境西北較高，東南略低，海拔標高在7 m～19 m之間，自然縱坡千分之一左右，為緩傾平原，土層深厚，地形開闊，植被覆蓋率很低。居民區分布較為分散，分布不具有規律性。

為保證基線測量的一致性，能譜測量基線選取地勢開闊且無居民區的固定區域，長度約4 km，具體基線位置如圖1所示，基線選擇在測區外附近，地表無明顯人文干擾。

圖1 測網示意圖

2.2 測量氣象條件分析

氣象條件是影響能譜測量關鍵因素，因此本文研究中將空氣質量、地表濕度作為重要參考對象。由于地表濕度數據無法獲取，將使用相對濕度作為參考。

空氣質量為取全天監測數據均值作為最終參考標準，相對濕度來源于國家氣象信息中心。通過監測數據可以發現能譜測量中，雄安新區地區相對濕度較為穩定，有利于能譜測量工作，可視為排除濕度對能譜測量數據的干擾。

3 航空伽瑪能譜野外測量數據分析

首先將13架次數據根據AQI值分為兩組，即空氣質量為優、良(AQI值0～100)為一組；空氣質量輕度、中度污染(AQI值101～200)為一組。其次，為方便統計對比，對早晚基線能譜計數率數據及AQI值求均值處理(表2、表3)。

表2 優、良空氣質量下測量能譜基線計數率

表3 輕度、中度污染空氣質量下測量能譜基線計數率

由于總道計數率較大，而鈾道、釷道計數率較小，為方便在同一縱比例尺下進行比較分析，我們對數據進行簡單處理，即總道計數率總體縮小5倍；鈾道、釷道計數率整體擴大3倍，具體對比趨勢圖如圖2、圖3所示。

圖2 AQI(小于100)與伽瑪能譜計數率(早基)曲線對比圖

圖3 AQI(大于100)與伽瑪能譜計數率(早基)曲線對比圖

圖4 相鄰架次鈾道計數率局部原始影像

圖5 相鄰架次鈾道計數率局部校正影像

由圖2、圖3可以看出，在AQI值小于100時，伽瑪能譜各道(K、U、Th、Tc)計數率和AQI值無明顯相關性；在AQI值大于100時，Tc道計數率、U道計數率和AQI值趨勢變化相似；K道計數率、Th道計數率則和AQI值無明顯相關性。

利用對應架次數據生成立體陰影圖，如圖4所示?？梢园l現霧霾天氣對航空伽瑪測量產生較大的影響，架次數據鈾道計數率明顯偏高，影像圖中出現沿測線方向條帶狀高揚。

4 降低空氣質量干擾方法探討

空氣質量對航空伽瑪測量影響很大，如何在測量中準確獲取測量數據，提高測量數據質量，筆者提出以下幾種方法：

4.1 飛行測量方面

1)在條件允許的情況下，盡可能選擇空氣質量良好(AQI值小于100)天氣進行飛行測量。

2)野外測量時，應詳細記錄測區內天氣狀況，包括空氣質量、濕度、溫度等，以便后期處理人員根據實際情況進行校正數據。

3)在飛行測量過程中，實時監測空氣質量，作為后期大氣氡校正的參考因素。

4.2 數據處理方面

利用基線測量數據，對比分析霧霾天氣下空氣質量能譜計數率對應關系，進而建立線型校正模型，以基線數據為基準，對霧霾天氣下測量數據進行校正，結果顯示測量數據條帶現象得到明顯地改善(圖4)。

5 結語

筆者對比分析了實際測量航空伽瑪數據與空氣質量的關系，發現在AQI值大于100時，空氣質量對航空伽瑪測量影響較大，具體表現為鈾道計數率和總道計數率值偏高，測量影像出現沿測線方向高值條帶。為解決這一問題，筆者圍繞測量和數據處理過程，提出了幾種改進方法，以提高測量數據質量。由于大氣氡的變化與多個因素有關，在以后的研究中需要進一步結合多個因素變化進行研究分析。