遙感技術(shù)在環(huán)境污染監(jiān)測方面的應(yīng)用

馮鵬等

摘 要：遙感技術(shù)是如今環(huán)境污染監(jiān)測的重要技術(shù)手段，借助遙感技術(shù)獲取環(huán)境污染地區(qū)的遙感影像，通過計(jì)算機(jī)處理和目視解譯可以快速有效地得到觀測區(qū)的宏觀、快速、動態(tài)更新的環(huán)境狀況。該文主要對遙感技術(shù)的原理及其在環(huán)境污染監(jiān)測領(lǐng)域中的實(shí)例應(yīng)用分析進(jìn)行介紹，隨后簡要介紹了遙感技術(shù)在我國環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后指出其存在的問題，并對遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的發(fā)展前景做了展望。

關(guān)鍵詞：遙感技術(shù) 水污染監(jiān)測 大氣污染監(jiān)測 地面污染監(jiān)測

中圖分類號：TP79 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0128-02

步入21世紀(jì)以來我國的經(jīng)濟(jì)步入高速發(fā)展階段，由于經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的不合理在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中引發(fā)的一系列環(huán)境問題也愈發(fā)突出，環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護(hù)的重要手段。環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)是環(huán)境分析，伴隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感技術(shù)發(fā)展迅速，越來越廣泛的應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，現(xiàn)已能測出水體的多種水質(zhì)參數(shù)，如泥沙含量等；能測定大氣濕度、氣溫、以及多種物質(zhì)的濃度分布，如NOx、PM2.5等；可調(diào)查土地利用情況、大型環(huán)境污染事故和區(qū)域生態(tài)情況等[1]。環(huán)境監(jiān)測過程中，遙感技術(shù)在水環(huán)境污染檢測、大氣環(huán)境污染檢測、地面污染及土地利用發(fā)展監(jiān)測等方面有廣泛的應(yīng)用[2]。

1 遙感技術(shù)

1.1 遙感技術(shù)的原理

遠(yuǎn)距離不直接接觸物體的遙感技術(shù)也可以識別、測量并分析目標(biāo)物質(zhì)，它利用的是物體反射或輻射電磁波的固有特性。遙感技術(shù)的分類方式有按遙感平臺分類和按傳感器的探測波段分類兩種：其中遙感平臺包括航空遙感（分為氣象衛(wèi)星遙感和陸地衛(wèi)星遙感）、航宇遙感、地面遙感、航天遙感。傳感器的探測波段包括多波段遙感、微波遙感（1mm～10m）、紅外遙感（0.76～1000um）、可見光遙感（0.38～0.76um）、紫外遙感（0.05～0.38um）。

與光學(xué)遙感相比較，微波遙感對地球覆蓋層的穿透能力較紅外波段強(qiáng)，其特點(diǎn)是能全天時(shí)和全天候觀測、含有幅度、特征信號豐富、極化和相位，其中全天時(shí)和全天候觀測能力是光學(xué)遙感不具備的。在不同的環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域可使用不同的遙感監(jiān)測技術(shù)[3]。

1.2 遙感監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

遙感如今已深入到多種領(lǐng)域的應(yīng)用中，如漁業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、地理、海洋、氣象、水文、城鄉(xiāng)規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、地球資源勘探、軍事偵察、土地管理、室內(nèi)測量、海洋、陸地、大氣信息的采集以至全球范圍的環(huán)境變化。遙感方法的選擇應(yīng)具有針對性?？刹捎媒t外、可見光遙感技術(shù)監(jiān)測溫室效應(yīng)、大氣污染、固體廢棄物污染和水質(zhì)污染等；熱紅外遙感技術(shù)則通常用來監(jiān)測大范圍地表的溫度狀況；要想獲得某一地區(qū)的夜間資料或云雨較多地區(qū)的資料、或者某些目標(biāo)隱藏在林下、埋藏于地下則宜選用微波遙感，因?yàn)閺牟ㄩL來分析，與紅外波相比，微波的波長要長得多，所以微波的散射較小，減少了在大氣中的衰減，云、煙、霧、雨對其基本上沒有限制。

2 遙感技術(shù)在環(huán)境污染監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 水環(huán)境污染監(jiān)測領(lǐng)域

污染水與清潔水的反射光譜特征研究是水體遙感監(jiān)測的基礎(chǔ)?？偟膩碚f，清潔水吸收光的性能較強(qiáng)，這是因?yàn)榍鍧嵥哂休^低的反射率。故水體在一般遙感影像上表現(xiàn)為暗色色調(diào)。可以采用以水體光譜特性和水色為指標(biāo)的遙感技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。在污染物種類繁多的江河湖海各種水體中，通常將其分為熱污染、富營養(yǎng)化、海洋石油污染和固體漂浮物等幾種類型，以方便使用遙感方法對各種水污染物進(jìn)行研究。

在富營養(yǎng)化的水體中，其程度可通過葉綠素濃度來反映，浮游生物迅速繁殖，水體兼有植物和水兩種光譜特征，光譜曲線隨浮游植物的含量的升高越近似于綠色植物的反射光譜。葉綠素主要吸收紅光、藍(lán)光而反射綠光。在可見光波段0.44Lm（藍(lán)光）和0.65Lm（紅光）處有兩個吸收帶，但在0.55Lm（綠光）附近有反射率為10%～20%的一個波峰。一般采用0.45～0.65Lm附近的光譜線段調(diào)查水體中懸浮物質(zhì)的數(shù)量及葉綠素含量[4]。

海洋環(huán)境惡化的重要原因是海洋石油污染和向海洋傾倒廢棄物。每年全球超過一千多萬噸的石油及其制品排入海洋，這對海洋生態(tài)來說是嚴(yán)重的災(zāi)難。此外，附近大量的農(nóng)田化學(xué)肥料、城市生活廢水和工業(yè)污水也隨河流匯入海洋，擴(kuò)大了海洋污染范圍，惡化了生態(tài)環(huán)境，使環(huán)境質(zhì)量下降。應(yīng)用海洋遙感衛(wèi)星可以為海洋環(huán)保部門提供必需的資料和數(shù)據(jù)，因?yàn)檫b感能大范圍搜索石油污染和化學(xué)污染并估算污染的范圍及其擴(kuò)散情況，從而為海洋環(huán)保部門提供了必需的數(shù)據(jù)和資料[5]。

在對水體熱污染監(jiān)測中，熱紅外圖像能定量解譯并反映熱污染區(qū)的溫度特征。在熱紅外波段，由于水體的熱容量大，特征明顯，其遙感影像輻射低，色調(diào)暗。熱紅外波段影像可以識別與周圍水體有顯著溫差的熱污染水體。

2.2 大氣污染監(jiān)測領(lǐng)域

利用氣象衛(wèi)星，大氣遙感可以定期監(jiān)測大氣溫度及水蒸汽垂直分布情況。通常不可能用遙感手段直接識別的物理量如氣溶膠含量和各種有害氣體是影響大氣環(huán)境質(zhì)量的主要因素。有些微量氣體分子的輻射和吸收光譜是固定的，如二氧化碳、水汽、甲烷、臭氧等。所以可反演推算大氣的吸收、輻射及散射光譜[6]。通過遙感圖像可以直接分析出大氣氣溶膠的分布和光學(xué)厚度，而大氣污染的程度和性質(zhì)只能利用間接解譯標(biāo)志來推斷，這是因?yàn)橛泻怏w通常不能在遙感圖像上直接顯示出來。

用霧、霾和沙塵天氣的遙感目視解譯作為例子。遙感信息的傳輸規(guī)律和介質(zhì)的特性密切相關(guān)，霧、霾、沙塵的物理特性決定了其輻射傳輸特性，在傳感器的各通道上，他們具有出不同的波譜特性，所以要想監(jiān)測霧、霾、沙塵的特性，我們首先應(yīng)該了解他們在物理性質(zhì)上差異，并且清楚波譜特性受物理特性的影響情況，然后再選擇選擇合適的遙感通道。

霧的粒子由水滴或冰晶組成，它具有較大的粒子尺度和充足的水汽含量，已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，這主要是因?yàn)殪F是由靠近地面的水汽凝結(jié)或凝華形成的。因?yàn)橐簯B(tài)水或冰晶組成的霧的散射基本上不受波長的影響，所以在遙感圖像上霧主要是乳白色或青白色，它具有顯著的日變化和明顯的霧區(qū)與晴空區(qū)的界限。霾主要由各種污染物組成，如大量極細(xì)的塵、硫酸鹽、硝酸鹽、碳?xì)浠衔锏?，?xì)粒子氣溶膠污染是霾天氣的本質(zhì)。霾是非水溶性的，這是由于干粒子的存在使得水汽含量不能達(dá)到飽和狀態(tài)，由上述多種污染物形成的霾，包含大量的散射波長較長的光，所以在遙感圖像上霾主要是黃色或灰色，與霧相比，沒有明顯的日變化和顯著的與晴空區(qū)的界限。刮大風(fēng)時(shí)，地面的各種沙塵物質(zhì)被風(fēng)卷起，從而形成了沙塵天氣，黃土高原、蒙古高原、西部沙漠、沙化農(nóng)田以及中亞沙漠是導(dǎo)致中國沙塵性天氣形成的主要沙塵來源，因此分布尺度跨度大的一些粒子比如粘土、硅酸鋁、石英等是決定沙塵質(zhì)的主要物質(zhì)。由于沙塵天氣主要發(fā)生在水汽含量非常小、飽和狀態(tài)非常低的沙漠及附近的半干旱地區(qū)，所以沙塵粒子一般具有較長的散射波長，在遙感圖像上主要是黃色或深黃色。

大氣衛(wèi)星都攜有探測大氣反射、輻射的紅外通道，這使得氣象衛(wèi)星能夠?qū)F霾類天氣進(jìn)行監(jiān)測。通過這些探測，土壤、植被、水體等下墊面對太陽輻射的反射輻射和自身的發(fā)射輻射都能被遙感到。

2.3 地面污染和土地利用發(fā)展監(jiān)測領(lǐng)域

在污染區(qū)的作物與正常生長區(qū)的作物相比，其生長會發(fā)生特殊的變化從而具有不同的光譜表現(xiàn)并可利用間接解譯來確定地面污染。我們可以定期地監(jiān)測地面的情況得知土地利用方式的變化，從而使資源管理更加便利。由于人工建筑物的形狀和規(guī)則反射率較高使得其特別容易測定[7]。因此在城市規(guī)劃中，通過遙感圖像，各類普遍問題如都市擴(kuò)大的速度和規(guī)模等和各類特殊問題如隔熱不佳的建筑物的熱損失等都能被準(zhǔn)確地跟蹤并解決。此外，森林砍伐和牧場開墾的速度和規(guī)模也可以用遙感來監(jiān)視[8]。

以城市熱島效應(yīng)為例，由于工業(yè)的發(fā)展，某些企業(yè)成為熱污染源，使得城市市中心的溫度大都高于郊區(qū)。地物的輻射溫度，如NOAA氣象衛(wèi)星AVHRR的第4、5通道、Landsat-TM的第6波段，先用熱紅外遙感測定，然后推算出地表溫度，進(jìn)而熱源就能根據(jù)熱效應(yīng)的差異而有效地被探測出。要想詳細(xì)反映熱污染在該城市的分布狀況，分析人口密度、城市布局、建筑物類型等受城市溫度和其他熱能消耗的影響，分析城市熱島的時(shí)空分布、熱島成因、熱島強(qiáng)度等特征，首先利用光學(xué)技術(shù)或計(jì)算機(jī)對熱圖像進(jìn)行密度分割，然后對比幾個同步的實(shí)測溫度，畫出準(zhǔn)確的城市等溫線[9，10]。

3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和展望

目前，遙感技術(shù)在中國的應(yīng)用較少，大部分的遙感圖像仍需要從外國購買。此外，中國的遙感圖像分析，現(xiàn)在只能達(dá)到定性階段或初步的定量階段，由于現(xiàn)在我國的國家環(huán)境遙感系統(tǒng)平臺不完善，不能共同享有各地的環(huán)境遙感數(shù)據(jù)和其它成果，遙感監(jiān)測技術(shù)發(fā)展遲緩。中國雖是后來者，但是現(xiàn)在遙感技術(shù)發(fā)展迅速，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域逐步受到重視，應(yīng)用也更加廣泛，我國在這些方面也體現(xiàn)出了優(yōu)勢。我國通過遙感技術(shù)對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，重視遙感技術(shù)與GIS和GPS系統(tǒng)的集成是其中一個最主要的特點(diǎn)。當(dāng)前國內(nèi)的遙感技術(shù)主要應(yīng)用在監(jiān)測機(jī)動車排氣，小城鎮(zhèn)環(huán)境，大河流域水質(zhì)，礦區(qū)環(huán)境污染，各地區(qū)生態(tài)環(huán)境，內(nèi)陸湖泊水質(zhì)，森林火災(zāi)、海洋赤潮和沙塵暴等領(lǐng)域。

隨著不斷發(fā)展的遙感技術(shù)，以及國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的逐步提高，其在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展非常迅速，前景廣闊。通過強(qiáng)化3S技術(shù)和遙感定量監(jiān)測與GIS集成分析信息的系統(tǒng)建立，管理、查詢、分析遙感動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警突發(fā)性環(huán)境污染事故等功能將會最終實(shí)現(xiàn)。

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