遙感技術(shù)在水環(huán)境和大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用探討

徐國成 左少新 梁 茜

(1.宜春市袁州區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，江西 宜春 336000；2.宜春市袁州區(qū)工業(yè)園環(huán)保所，江西 宜春 336000；3.宜春市環(huán)境監(jiān)測站，江西 宜春 336000)

前言：遙感技術(shù)是根據(jù)電磁波的理論，應(yīng)用各種傳感儀器對遠(yuǎn)距離目標(biāo)所輻射和反射的電磁波信息，進行收集、處理，并最后成像，從而對地面各種景物進行探測和識別的一種綜合技術(shù)。早在20世紀(jì)60年代，得益于信息技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)就在地質(zhì)探測領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用，現(xiàn)代找礦、水環(huán)境監(jiān)測和大氣環(huán)境監(jiān)測等工作進一步應(yīng)用了遙感技術(shù)，使相關(guān)工作質(zhì)量得到了明顯提升。

1 遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

1.1 水體渾濁度的監(jiān)測

水體渾濁度監(jiān)測工作早在20世紀(jì)中期就已經(jīng)引起各國重視，此前多應(yīng)用樣本分析法進行測定，技術(shù)環(huán)節(jié)多而繁瑣，遙感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一局面。任何物體包括水體都具有光譜反射特征，遙感就是通過水體在光譜影像上的差異來判定水體污染的變化。此前學(xué)者的研究表明，懸浮物質(zhì)數(shù)目對直接音響概念該光譜衰減系數(shù)，最容易透過的波段從0.50μm附近向紅色區(qū)移動，渾濁度越高的水體，其入射光被散射的深度越淺，反射率也會越高，二者的變化如表1所示。

表1 水體渾濁度與散射率之間的變化關(guān)系

結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在進行水體渾濁度的觀測時，700-900nm波段的效果往往較好，由于0渾濁度和90%以上渾濁度的觀測價值一般不大(0渾濁度幾乎不存在)，在進行研究的過程中，調(diào)整固定波段即可通過數(shù)字設(shè)備獲取水體圖像，了解其波峰出現(xiàn)的位置，得出渾濁度數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.2 城市污水的監(jiān)測

城市污水一般指工業(yè)廢水和生活廢水，這些廢水中的有機物以及一些金屬元素可能導(dǎo)致水體質(zhì)量惡化、富營養(yǎng)化或者金屬元素超標(biāo)，通過遙感技術(shù)可以實現(xiàn)水體環(huán)境的監(jiān)測，長期積累的數(shù)據(jù)還可以用于分析水體污染的變化趨勢。目前常用的是二向反射光度計法、波譜數(shù)據(jù)分析法等。應(yīng)用二向反射光度計法進行監(jiān)測時，首先了解多角度偏振反射光譜數(shù)據(jù)，包括探測方位角、光線入射角、探測天頂角、偏振角、波段等，將其與探測目標(biāo)進行一對一降維關(guān)聯(lián)，了解不同因素的影響系數(shù)，之后以撲拓學(xué)原理進行羅列，再分析遙感測量后的生成數(shù)據(jù)，進行模型疊加，了解對象的污染情況。波譜數(shù)據(jù)分析法強調(diào)化學(xué)需氧量COD測定，通過地面實測光譜數(shù)據(jù)做精細(xì)化分析。該方法下，遙感技術(shù)的適用范圍得以提升，大面積監(jiān)測和小范圍監(jiān)測都有可行空間，但在進行大面積監(jiān)測時，需借助衛(wèi)星作業(yè)。

1.3 水體熱污染的監(jiān)測

熱污染是指現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和生活中排放的廢熱所造成的環(huán)境污染，可污染大氣和水體。在進行水體熱污染監(jiān)測時，主要利用水體中污染物質(zhì)類別、數(shù)目的差異做綜合分析，將監(jiān)測所獲特征以曲線的形式表達，判斷特異性，了解熱污染強度和污染類型。也有學(xué)者提出溫度分析法，該方法不能用于污染元素的辨別。一般而言，不同污染物造成的水體熱污染存在差別，污染物的數(shù)目越多，遙感技術(shù)生成的曲線變化越復(fù)雜，而單一污染物數(shù)目極多的情況下，曲線將具有突出的特異性。熱污染級別與曲線的變化關(guān)系如表2所示。

表2 熱污染級別與曲線的變化關(guān)系

在熱污染監(jiān)測中，遙感技術(shù)所獲數(shù)據(jù)可以反應(yīng)污染級別，但需要結(jié)合曲線特異性、水體狀況進行污染元素的分析。曲線特異性的誤差往往在2%-3.5%之間，我國工作人員在針對珠江一帶的水體熱污染監(jiān)測中，一度將誤差控制在1.0%以下，獲取了良好監(jiān)測效果。

2 遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 氣溶膠的監(jiān)測

氣溶膠是指懸浮在大氣中的各種液態(tài)或固態(tài)微粒，通常所指的煙、霧、塵等都是氣溶膠。在遙感圖像中工廠排放的煙霧、大規(guī)模的沙塵暴、火山噴發(fā)產(chǎn)生的煙柱、森林失火導(dǎo)致的濃煙都有清晰的影像。遙感技術(shù)應(yīng)用于氣溶膠監(jiān)測的原理較為簡單，主要是借助氣溶膠粒子特征參數(shù)和光學(xué)厚度進行綜合成像，由于目前氣溶膠的形成以及其主要物質(zhì)類別是相對明確的，監(jiān)測所獲結(jié)果也往往比較科學(xué)可信。常用方法如被動式空基遙感和主動式地基遙感等，上述方法均強調(diào)遙感技術(shù)設(shè)備的精確性，將設(shè)備置于室外環(huán)境下，針對目標(biāo)對象做持續(xù)性數(shù)據(jù)收集，之后將所成圖像做分離處理，選取不同的特征態(tài)勢與單一氣溶膠成像情況進行匹配分析，圖像相似度越高，表明分析對象中該氣溶膠的成分越大。氣溶膠光學(xué)厚度對低地表反射率比較敏感，而與太陽光的相互作用主要表現(xiàn)為吸收。為保證監(jiān)測效果，目前通常以主動式地基遙感進行核心對象的針對性分析，以被動式空基遙感進行目標(biāo)對象的長期分析。

2.2 有害氣體的監(jiān)測

對有害氣體進行監(jiān)測，是目前遙感技術(shù)應(yīng)用的典型方式，主要目標(biāo)包括二氧化硫、氟化物、乙烯、煙霧等，常用方法包括反射率分析法、邊界分析法兩種。也有學(xué)者提出根據(jù)反演推斷法，參考長期資料進行有害氣體監(jiān)測。我國學(xué)者針對不同有害氣體進行了觀測波段分析，如二氧化氮，其觀測波段一般在432nm到448nm之間。2016年11月，河北某地霧霾嚴(yán)重，技術(shù)人員通過反射率分析法進行了有害氣體的監(jiān)測，選取波長為300nm-900nm，涵蓋了幾乎所有有害氣體的觀測波段，獲取了大氣環(huán)境信息，并與同一時期北京地區(qū)對二氧化硫、二氧化碳的監(jiān)測結(jié)果進行了對照，兩組差異平均為0.2%，檢測結(jié)果精準(zhǔn)可信。邊界分析法屬于一種較為典型的匹配分析法，也是開放性監(jiān)測的一種體現(xiàn)。該方法強調(diào)收集大部分常見有害氣體、混合氣體的監(jiān)測數(shù)據(jù)，生成監(jiān)測結(jié)果模型，之后應(yīng)用遙感技術(shù)對當(dāng)前目標(biāo)進行監(jiān)測，匹配監(jiān)測結(jié)果與模型之間的差異，了解有害氣體類型和污染態(tài)勢，一般可用于長期監(jiān)測。

2.3 城市熱島效應(yīng)監(jiān)測

城市熱島效應(yīng)是城市中的空氣溫度高于城市周圍郊區(qū)的溫度，從而形成了從城市流向郊區(qū)的一種環(huán)流。各國對該現(xiàn)象的研究由來已久，遙感技術(shù)的應(yīng)用較為有效的推動了該研究課題的進展，目前主要通過研究城市下墊面的熱紅外遙感進行分析，將不同時相的遙感資料的收集，總結(jié)出城市熱島的日變化和年變化規(guī)律。在紅外成像原理下，城市下墊面的所有對象以及其熱量信息都得到實時跟蹤，2017年4月，德國學(xué)者曾在慕尼黑對低能耗建筑進行熱島效應(yīng)檢測，并與常規(guī)建筑進行對比，結(jié)果上看，低能耗建筑的的熱能存儲能力高于常規(guī)建筑41%，散熱能力則優(yōu)化34%，這是其能耗少、更宜居的主要原因。我國學(xué)者也曾進行過類似研究，所獲結(jié)果與德國學(xué)者基本相同。

3 總結(jié)

綜上，遙感技術(shù)在水環(huán)境和大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用普遍，效果也比較理想。通常針對不同對象目標(biāo)、不同指標(biāo)的監(jiān)測存在技術(shù)方面的差異，遙感技術(shù)借助專業(yè)設(shè)備和明確的原理進行探測作業(yè)，能夠?qū)⒉煌瑢ο蟮奶禺愋酝ㄟ^多種方式展現(xiàn)出來，便于技術(shù)人員進行分析研究，也能夠為后續(xù)工作持續(xù)提供參考。