遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用和發(fā)展前景

陳海健

（廣東省海洋工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 廣州 510320）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境污染和生態(tài)破壞日益嚴(yán)重，突發(fā)性環(huán)境污染事故也時(shí)有發(fā)生.環(huán)境監(jiān)測(cè)作為環(huán)境管理和污染控制的主要手段之一，正發(fā)揮著不可替代的作用.遙感技術(shù)是獲取環(huán)境信息的有力手段，是實(shí)現(xiàn)這一目的的極有效的技術(shù).運(yùn)用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)環(huán)境污染及生態(tài)環(huán)境狀況，正確評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量，尋求改善生態(tài)環(huán)境的途徑和措施，具有重要的意義。

1 遙感技術(shù)概述

1.1 基本概念

遙感技術(shù)是從衛(wèi)星、飛機(jī)或其他飛行器上收集地物目標(biāo)的電磁輻射信息，判認(rèn)地球環(huán)境和資源的技術(shù).它是60年代在航空攝影和判讀的基礎(chǔ)上隨航天技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐漸形成的綜合性感測(cè)技術(shù).任何物體都有不同的電磁波反射或輻射特征.航空航天遙感就是利用安裝在飛行器上的遙感器感測(cè)地物目標(biāo)的電磁輻射特征，并將特征記錄下來(lái)，供識(shí)別和判斷。

1.2 基本原理

任何物體都具有光譜特性，具體地說(shuō)，它們都具有不同的吸收、反射、輻射光譜的性能.在同一光譜區(qū)各種物體反映的情況不同，同一物體對(duì)不同光譜的反映也有明顯差別.即使是同一物體，在不同的時(shí)間和地點(diǎn)，由于太陽(yáng)光照射角度不同，它們反射和吸收的光譜也各不相同.遙感技術(shù)就是根據(jù)這些原理，對(duì)物體判斷。

1.3 系統(tǒng)組成

由遙感器、遙感平臺(tái)、信息傳輸設(shè)備、接收裝置以及圖像處理設(shè)備等組成.遙感器裝在遙感平臺(tái)上，它是遙感系統(tǒng)的重要設(shè)備，它可以是照相機(jī)、多光譜掃描儀、微波輻射計(jì)或合成孔徑雷達(dá)等。信息傳輸設(shè)備是飛行器和地面間傳遞信息的工具。圖像處理設(shè)備對(duì)地面接收到的遙感圖像信息進(jìn)行處理以獲取反映地物性質(zhì)和狀態(tài)的信息。

1.4 特點(diǎn)

遙感技術(shù)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、速度快、成本低、質(zhì)量高，便于進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，還能發(fā)現(xiàn)用常規(guī)方法往往難以揭示的污染源及其擴(kuò)散的狀態(tài)，因此遙感技術(shù)正廣泛地應(yīng)用于監(jiān)測(cè)水污染、大氣污染等方面.其最重要的作用是不需要采樣而直接可以進(jìn)行區(qū)域性的跟蹤測(cè)量，快速進(jìn)行污染源的定點(diǎn)定位、污染范圍的核定、大氣生態(tài)效應(yīng)、污染物在水體、大氣中的分布、擴(kuò)散等變化，從而獲得全面的綜合信息。

2 環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

遙感技術(shù)是一種利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，遠(yuǎn)距離不直接接觸物體而識(shí)別、測(cè)量并分析目標(biāo)物性質(zhì)的技術(shù)，根據(jù)所利用的波段，遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為可見(jiàn)光、反射紅外遙感技術(shù)、熱紅外遙感技術(shù)、微波遙感技術(shù)三種類型.當(dāng)前，遙感的應(yīng)用已深入到農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、地理、地質(zhì)、海洋、水文、氣象、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地球資源勘探、城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地管理和軍事偵察等諸多領(lǐng)域。

3 環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 水環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)

對(duì)水體的遙感監(jiān)測(cè)是以污染水與清潔水的反射光譜特征研究為基礎(chǔ)的，總的看來(lái)，清潔水體反射率比較低，水體對(duì)光有較強(qiáng)的吸收性能，為了進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，可以采用以水體光譜特性和水色為指標(biāo)的遙感技術(shù)。遙感監(jiān)測(cè)視野開(kāi)闊，對(duì)大范圍內(nèi)發(fā)生的水體擴(kuò)散過(guò)程容易通覽全貌觀察出污染物的排放源、擴(kuò)散方向、影響范圍及與清潔水混合稀釋的特點(diǎn).從而查明污染物的來(lái)龍去脈。

3.1.1 泥沙污染及水體渾濁度分析

水體中泥沙含量增加使水反射率提高.隨著水中懸浮泥沙濃度的增加及懸粒徑增加，水體反射量逐漸增加，反射峰亦隨之向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，即紅移.又由于水體在0.93～1.13μm附近對(duì)紅外線吸收多，不適宜作懸浮泥沙濃度的判定波段.定量判讀懸浮泥沙濃度的最佳波段應(yīng)在0.65～0.85μm之間。

3.1.2 城市污水監(jiān)測(cè)

城市大量排放的工業(yè)廢水和生活污水中帶有大量有機(jī)物，它們分解時(shí)耗去大量氧氣，使污水發(fā)黑發(fā)臭，當(dāng)有機(jī)物嚴(yán)重污染時(shí)呈漆黑色，使水體的反射率顯著降低，在黑白像片上呈灰黑或黑色色調(diào)的條帶.使用紅外傳感器，能根據(jù)水中含有的染料、氫氧化合物、酸類等物質(zhì)的紅外輻射光譜弄清楚水污染的狀況.水體污染狀況在彩紅外像片上有很好的顯示，不僅可以直接觀察到污染物運(yùn)移的情況，而且憑借水中泥沙懸浮物和浮游植物作為判讀指示物，可追蹤出污染源。

3.1.3 廢水污染和水體熱污染調(diào)查

廢水由于水色與懸浮物性狀千差萬(wàn)別，特征曲線上的反射峰位置和強(qiáng)度也不大一樣.廢水污染一般用多光譜合成圖像進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有的根據(jù)溫度的差異也可用熱紅外方法測(cè)定.熱污染使用紅外傳感器，能根據(jù)熱效應(yīng)的差異有效地探測(cè)出熱污染排放源.熱紅外掃描圖像主要反映目標(biāo)的信息，無(wú)論白天、黑夜，在熱紅外像片上排熱水口的位置、排放熱水的分布范圍和擴(kuò)散狀態(tài)都十分明顯，水溫的差異在像片上也能識(shí)別出來(lái).利用光學(xué)技術(shù)或計(jì)算機(jī)對(duì)熱圖像作密度分割，根據(jù)少量同步實(shí)測(cè)水溫，可正確地繪出水體的等溫線.因此熱紅外圖像能基本上反映熱污染區(qū)溫度的特征，達(dá)到定量解譯的目的。

3.1.4 水體富營(yíng)養(yǎng)化

水體里浮游植物大量繁生是水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的顯著標(biāo)志.由于浮游植物體內(nèi)含的葉綠素對(duì)可見(jiàn)和近紅外光具有特殊的“陡坡效應(yīng)”，使那些浮游植物含量大的水體兼有水體和植物的反射光譜特征.隨浮游植物含量的增高，其光譜曲線與綠色植物的反射光譜越近似.因此，為了調(diào)查水體中懸浮物質(zhì)的數(shù)量及葉綠素含量，最好采用0.45～0.65μm附近的光譜線段.在可見(jiàn)光波段，反射率較低;在近紅外波段，反射率明顯升高，因此，在彩色紅外圖像上，富營(yíng)養(yǎng)化水體呈紅褐色或紫紅色。

3.2 大氣污染遙感監(jiān)測(cè)

大氣遙感是利用遙感器監(jiān)測(cè)大氣結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及變化。大氣遙感器除了測(cè)量氣溫、水蒸汽、大氣中的微量成分氣體、氣溶膠等的三維分布以外，還用來(lái)進(jìn)行風(fēng)的測(cè)量及地球輻射收支的測(cè)量等.影響大氣環(huán)境質(zhì)量的主要因素是氣溶膠含量和各種有害氣體，這些物理量通常不可能用遙感手段直接識(shí)別。對(duì)于水汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等微量氣體成分具有各自分子所固有的輻射和吸收光譜，可以通過(guò)測(cè)量大氣的吸收及輻射的光譜而從其結(jié)果中推算出來(lái)。

3.2.1 有害氣體的監(jiān)測(cè)

人為或自然條件下產(chǎn)生的SO2、氟化物等對(duì)生物肌體有毒害的氣體，通常采用間接解譯標(biāo)志進(jìn)行.植被受污染后對(duì)紅外線的反射能力下降，其顏色、紋理及動(dòng)態(tài)標(biāo)志都不同于正常的植被，如在彩紅外圖象上顏色發(fā)暗、樹(shù)木郁閉度下降、植被個(gè)體物候異常等，利用這些特點(diǎn)就可以間接分析污染情況.對(duì)于地面污染，例如農(nóng)田遭受污染之后，作物的生長(zhǎng)將起特殊變化，地下水的污染也會(huì)引起地面植被的變化，與正常生長(zhǎng)區(qū)的作物有不同的光譜表現(xiàn).多光譜成像儀能監(jiān)測(cè)這些變化，從而圈定地面污染分布范圍，進(jìn)一步對(duì)地面污染預(yù)防規(guī)劃。

3.2.2 臭氧層監(jiān)測(cè)

由于臭氧對(duì)0.3μm以下紫外區(qū)的電磁波吸收嚴(yán)重，因此可以用紫外波段來(lái)測(cè)定臭氧層臭氧含量的變化.在2.74μm處有個(gè)吸收帶，可以用頻率為11083 MHz的地面微波或用望遠(yuǎn)鏡來(lái)測(cè)定臭氧在大氣中的垂直分布.又由于大氣中臭氧含量高則溫度高，又可以用紅外波段來(lái)探測(cè)。

4 發(fā)展趨勢(shì)

遙感影像獲取技術(shù)方面，隨著高性能新型傳感器的研制開(kāi)發(fā)水平的提高以及環(huán)境資源遙感對(duì)高精度遙感數(shù)據(jù)要求的提高，高空間和高光譜分辨率已是衛(wèi)星遙感影像獲取技術(shù)的總發(fā)展趨勢(shì).雷達(dá)遙感技術(shù)具有全天候全天時(shí)影像的獲取能力以及對(duì)一些地物的穿透能力，將得到更廣泛的應(yīng)用.以地球?yàn)檠芯繉?duì)象的綜合對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)必將是當(dāng)前及今后遙感技術(shù)發(fā)展的重要方向之一.遙感信息模型的發(fā)展方面，遙感信息機(jī)理模型的發(fā)展和拓寬，特別是不確定性遙感信息模型與人工智能決策支持系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與綜合應(yīng)用也將是一個(gè)重要研究和應(yīng)用方向.將環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)（RS）與地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（Geographic Information System,GPS）、專家系統(tǒng)（Expert System，ES）技術(shù)集成，利用環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)，可以大大提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的科學(xué)性，合理性及智能化程度，從而大擴(kuò)展環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用范圍，開(kāi)發(fā)集 GPS、RS、GIS、ES于一體、適合環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的綜合多功能型的遙感信息技術(shù)，也將是今后環(huán)境遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)當(dāng)前，我國(guó)環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)依托我國(guó)的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)和對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)劃，同時(shí)充分利用國(guó)際上資源環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)，開(kāi)展廣泛的國(guó)際合作和交流，大力發(fā)展我國(guó)的環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，并充分利用現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)和常規(guī)監(jiān)測(cè)方法，采用遙感技術(shù)與地面監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，建立我國(guó)的環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

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