C35 空气污染和暴露其中的人口（Part 7）

导读

在过去的几十年里，我们越来越多地接触到一系列监测地球大气成分的卫星传感器。然而，重要的是要注意，卫星测量的是对流层和平流层的污染物浓度，对流层和平流层在地球表面以上延伸许多公里。因此，卫星测量不一定代表人类在地面上接触到的浓度，因此不建议仅依靠卫星数据进行人类健康应用。然而，更复杂的方法将来自卫星遥感数据的信息、复杂的大气化学模型和地面监测仪相结合，以提供高可信度的地面污染物浓度。

主要内容

• 了解Sentinel-5P数据；
• 量化空气污染物浓度随时间的变化；
• 计算人口加权空气污染物浓度。

Section 1 数据导入与清洗

• 在GEE中有一系列基于卫星的空气污染数据集可供选择。
• Sentinel-5  于2017年10月发射，但是数据最早是2018年7月才可以用。
• TROPMI是Sentinel-5 卫星携带的传感，可以感应紫外线（ultraviolet）可见光（visible）, 近红外（near-infrared）, 短波红外（shortwave infrared wavelengths）；
• 可用来监测大气中的NO2, O3, aerosol（气溶胶）, methane (CH4), formaldehyde（甲醛）,CO, and SO2 ；
• TROPOMI在地面上的条带宽度约为2600公里，可实现7 × 7公里的空间分辨率的全球日覆盖；
• 除CH4外，所有Sentinel-5P数据集都有两个版本:近实时(NRTI)和离线(OFFL);CH4仅有OFFL可用。

示例使用OFFL NO2产品。

代码中涉及到的数据集：

人口数量和密度数据集:（世界第 4 版网格化人口 (GPWv4) 修订版30 弧秒1公里格网）CIESIN/GPWv411/GPW_Population_Count;  

（GEE中还有两个人口数据集 WorldPop和Global Human Settlement Layers）

全球行政单位层（GAUL）国家-省/州层面数据集：FAO/GAUL_SIMPLIFIED_500m/2015/level1

// 导入GAUL全球行政单元 1级产品 
var adminUnits = ee.FeatureCollection( 'FAO/GAUL_SIMPLIFIED_500m/2015/level1'); 

// 根据自定义的（武汉）区域选择GAUL图层
var adminSelect = adminUnits.filterBounds(geometry); 

// Center the map on this area. 
Map.centerObject(adminSelect, 7); 

// 设置地图显示选项指定了地图的底图样式。
//'HYBRID' 选项将地图显示为混合模式，即卫星图像和地图图层的组合. 
//结合了卫星影像和地理信息，如道路、地名等
Map.setOptions('HYBRID'); 

Map.addLayer(adminSelect, {}, 'selected admin unit'); 

// 导入人口统计数据 Gridded Population of the World Version 4. 
var population = ee.ImageCollection( 'CIESIN/GPWv411/GPW_Population_Count') 
    // Filter for 2020 using the calendar range function. 
    .filter(ee.Filter.calendarRange(2020, 2020, 'year')) 
    // There should be only 1 image, but convert to an image using .mean(). 
    .mean(); 
    
// 根据区域裁剪人口数据
var populationClipped = population.clipToCollection(adminSelect); 


// 将其添加到地图上以查看人口分布。
var popVis = { 
    min: 0, 
    max: 4000, 
    palette: ['black', 'yellow', 'white'], 
    opacity: 0.55 
}; 
Map.addLayer(populationClipped, popVis, 'population count');


//=========================================================================================
//导入Sentinel-5P NO2离线产品
var no2Raw = ee.ImageCollection('COPERNICUS/S5P/OFFL/L3_NO2'); 

// 去云函数. 
function maskClouds(image) { 
    // Get the cloud fraction band of the image. 
    var cf = image.select('cloud_fraction'); 
    // Create a mask using 0.3 threshold. 
    var mask = cf.lte(0.3); // You can play around with this value. 
    // Return a masked image. 
    return image.updateMask(mask).copyProperties(image); 
} 

// Clean and filter the Sentinel-5P NO2 offline product. 
var no2 = no2Raw 
    .filterBounds(adminSelect) 
    .map(maskClouds) 
    .select('tropospheric_NO2_column_number_density'); 
    
// 创建2021年3月的中值合成影像 
var no2Median = no2.filterDate('2021-03-01', '2021-04-01').median(); 


var no2MedianClipped = no2Median.clipToCollection(adminSelect); 
// Visualize the median NO2. 
var no2Viz = { 
    min: 0, 
    max: 0.00015, 
    palette: ['black', 'blue', 'purple', 'cyan', 'green', 'yellow', 'red' ] 
}; 
Map.addLayer(no2MedianClipped, no2Viz, 'median no2 Mar 2021'); 

Section 2 量化和可视化变化

测试一下看看我们是否能看到2020年COVID-19封锁期间二氧化氮浓度的变化。

将2020年3月(湖北省封城期间)二氧化氮浓度中值与2019年3月的二氧化氮浓度中值进行比较。

// Define a lockdown NO2 median composite. 
var no2Lockdown = no2.filterDate('2020-03-01', '2020-04-01') 
    .median().clipToCollection(adminSelect); 
    
// Define a baseline NO2 median using the same month in the previous year. 
var no2Baseline = no2.filterDate('2019-03-01', '2019-04-01') 
    .median().clipToCollection(adminSelect); 
    
// Create a ui map widget to hold the baseline NO2 image. 
var leftMap = ui.Map().centerObject(adminSelect, 8).setOptions( 'HYBRID'); 
// Create ta ui map widget to hold the lockdown NO2 image. 
var rightMap = ui.Map().setOptions('HYBRID'); 

// Create a split panel widget to hold the two maps. 
var sliderPanel = ui.SplitPanel({ 
    firstPanel: leftMap, 
    secondPanel: rightMap,
    orientation: 'horizontal', 
    wipe: true, 
    style: { 
        stretch: 'both' 
    } 
}); 

var linker = ui.Map.Linker([leftMap, rightMap]); 

// Make a function to add a label with fancy styling. 
function makeMapLab(lab, position) { 
    var label = ui.Label({ 
        value: lab, 
        style: { 
            fontSize: '16px', 
            color: '#ffffff', 
            fontWeight: 'bold', 
            backgroundColor: '#ffffff00', 
            padding: '0px' 
        } 
    }); 
    
    var panel = ui.Panel({ 
        widgets: [label], 
        layout: ui.Panel.Layout.flow('horizontal'), 
        style: { 
            position: position, 
            backgroundColor: '#00000057', 
            padding: '0px' 
        } 
    }); 
    return panel; 
} 

// Create baseline map layer, add it to the left map, and add the label. 
var no2BaselineLayer = ui.Map.Layer(no2Baseline, no2Viz); 
leftMap.layers().reset([no2BaselineLayer]); 
leftMap.add(makeMapLab('Baseline 2019', 'top-left')); 


// Create lockdown map layer, add it to the right map, and add the label. 
var no2LockdownLayer = ui.Map.Layer(no2Lockdown, no2Viz); 
rightMap.layers().reset([no2LockdownLayer]); 
rightMap.add(makeMapLab('Lockdown 2020', 'top-right')); 

// Reset the map interface (ui.root) with the split panel widget. 
// Note that the Map.addLayer() calls earlier on in Section 1 
// will no longer be shown because we have replaced the Map widget 
// with the sliderPanel widget. 
ui.root.widgets().reset([sliderPanel]); 

　　对比分块图中的两幅图，发现封锁期间二氧化氮浓度有所下降