淺述遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

楊凱 宋夢(mèng)潔 陳曉婷

摘 要：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問題變得愈發(fā)突出。傳統(tǒng)的環(huán)境手工監(jiān)測(cè)方法周期較長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)范圍局限、監(jiān)測(cè)成本高等缺點(diǎn)越來越不適應(yīng)目前的監(jiān)測(cè)要求。遙感具有快速、連續(xù)、大范圍、低成本監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用越來越廣泛。該文從大氣、水和生態(tài)環(huán)境3個(gè)方面對(duì)遙感環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行闡述，并對(duì)其不足和發(fā)展前景進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：遙感；環(huán)境監(jiān)測(cè)；運(yùn)用

中圖分類號(hào) TP79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）13-0130-03

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益變得嚴(yán)重，突發(fā)性環(huán)境污染事故時(shí)有發(fā)生，環(huán)境監(jiān)測(cè)為環(huán)境污染的管理決策提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)，在環(huán)境治理發(fā)揮著不可替代的作用。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)受制于自然條件和時(shí)空等因素的影響，具有一定的局限性[1]，僅依靠現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)臺(tái)和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)無法滿足宏觀、動(dòng)態(tài)、連續(xù)、及時(shí)的污染監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)要求。遙感的高時(shí)間、空間和光譜分辨率恰好能夠適應(yīng)當(dāng)下的監(jiān)測(cè)要求，伴隨遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的運(yùn)用也運(yùn)來越廣泛。目前，遙感技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域主要運(yùn)用在水環(huán)境遙感、大氣環(huán)境遙感和生態(tài)環(huán)境遙感3個(gè)方面[2]。

2 遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

近年來，大氣環(huán)境污染已成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)也顯得越發(fā)重要。傳統(tǒng)的大氣監(jiān)測(cè)主要以濕法電化學(xué)技術(shù)和抽氣取樣后的實(shí)驗(yàn)室分析為基礎(chǔ)[3]，無法滿足大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸成為大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的理想工具。遙感技術(shù)在大氣監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用范圍廣泛，例如對(duì)大氣中的O3、CO2、SO2等痕量氣體成分分析，對(duì)大氣氣溶膠監(jiān)測(cè)，大氣PM2.5的監(jiān)測(cè)以及部分有害氣體的監(jiān)測(cè)等[4]。本文簡(jiǎn)單介紹大氣臭氧和氣溶膠監(jiān)測(cè)。

2.1 大氣臭氧監(jiān)測(cè) 平流層臭氧分子在200～290nm以及600nm附近對(duì)太陽紫外輻射具有極強(qiáng)的吸收作用[5]，阻擋了強(qiáng)太陽紫外線到達(dá)地面，對(duì)地球生物圈起到保護(hù)作用；同時(shí)由于臭氧吸收太陽紫外輻射能量使平流層大氣增溫，對(duì)平流層的溫度場(chǎng)合大氣起決定性作用，對(duì)全球氣候和環(huán)境變化具有重要影響[6-9]。近幾十年來，衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)臭氧的研究取得了豐碩的成果。徐曉斌[10]、張瑩[11]利用TOR、TOMS、OMI等多源遙感數(shù)據(jù)，分析中國(guó)大陸上空臭氧多年變化特征，發(fā)現(xiàn)多年來臭氧濃度呈下降趨勢(shì)，且具有明顯的季節(jié)性特征；杜君平[12]等基于遙感OMI數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)臭氧總量的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究，得到中國(guó)臭氧總量呈現(xiàn)北高南低、東高西低，冬春高、夏秋低的特征。大氣臭氧監(jiān)測(cè)成為大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是評(píng)價(jià)大氣空氣質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。

2.2 大氣氣溶膠監(jiān)測(cè) 大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)顆粒物（粒子直徑0.001～100μm）的總稱[13]。大氣中的氣溶膠主要來于自然過程和人為活動(dòng)過程[14]，其對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量、人體健康以及全球氣候的輻射平衡都有著重要的影響。大氣氣溶膠研究已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。齊海等[15]利用CALIPSO星載激光雷達(dá)研究氣溶膠光學(xué)厚度與青島空氣污染指數(shù)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)通過激光衛(wèi)星遙感氣溶膠分層數(shù)據(jù)較柱狀氣溶膠光學(xué)厚度具有更高的相關(guān)性；施建中等[16]利用拉曼-瑞利-米氏激光雷達(dá)系統(tǒng)反演不同天氣條件下的典型氣溶膠消光輪廓線，發(fā)現(xiàn)多云或者污染天氣氣溶膠光學(xué)厚度明顯偏大，同時(shí)氣溶膠光學(xué)厚度還受到風(fēng)向和風(fēng)速的影響；陳輝等[17]利用MODIS資料研究京津地區(qū)不同季節(jié)氣溶膠厚度，并由此獲取近地面的PM2.5反演算法；盛莉等[18]利用環(huán)境衛(wèi)星CCD結(jié)合紅外數(shù)據(jù)，成功實(shí)現(xiàn)了大氣氣溶膠光學(xué)厚度的反演。衛(wèi)星遙感技術(shù)在大氣環(huán)境保護(hù)、監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)中具有不可替代的作用。

3 遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)是在被測(cè)水域設(shè)置大量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過人工取樣實(shí)驗(yàn)室分析進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，其過程周期性較長(zhǎng)且只能夠獲取監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)情況，無法實(shí)現(xiàn)快速、大范圍、周期性的水質(zhì)信息獲取。遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)恰好能夠彌補(bǔ)常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的不足。本文基于多光譜和高光譜2種光譜數(shù)據(jù)源對(duì)遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)進(jìn)行簡(jiǎn)述。

3.1 基于多光譜技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè) 童曉華等[19]利用TM數(shù)據(jù)提取水質(zhì)采樣點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，反演了太湖的水質(zhì)分布情況，對(duì)太湖葉綠素的分布規(guī)律進(jìn)行了探討；張飛等[20]采用TM數(shù)據(jù)分析了阿克蘇河-塔里木河斷面水質(zhì)污染狀況，通過波段DN值和常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立了能夠反應(yīng)水質(zhì)狀況的污染物監(jiān)測(cè)模型。限于多光譜數(shù)據(jù)的局限性，通常在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)之間建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，其缺點(diǎn)是通用性較差。

3.2 基于高光譜數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè) 與多光譜數(shù)據(jù)相比，高光譜數(shù)據(jù)具有波段多，光譜分辨率高的特點(diǎn)，能夠有效的捕捉到水體光譜特征的細(xì)微變化[21]，高光譜遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用越來越廣泛。莫登奎等[22]、聞建光等[23]分別基于Hyperion高光譜數(shù)據(jù)對(duì)提取葉綠素a、懸浮物濃度的光譜特征進(jìn)行分析，并建立了相應(yīng)的反演估算模型；王婷等[24]基于對(duì)光譜反射率與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)分析，提取水質(zhì)參數(shù)的特征波長(zhǎng)并建立估測(cè)模型，對(duì)鄱陽湖水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行了研究。

水質(zhì)污染是目前重要的環(huán)境問題之一，遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面具有巨大的應(yīng)用潛力。尤其是高光譜遙感技術(shù)的快速發(fā)展，使得更高精度的水質(zhì)反演算法的實(shí)現(xiàn)成為可能。

4 遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，就是利用遙感在時(shí)間和空間上對(duì)特定區(qū)域范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)組合體的類型、結(jié)構(gòu)和功能及其組合要素等進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)定和觀測(cè)的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[25]。生態(tài)監(jiān)測(cè)必須進(jìn)行長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，才能夠從大量的數(shù)據(jù)中揭示或預(yù)測(cè)其變化規(guī)律和趨勢(shì)，其變化監(jiān)測(cè)的周期較長(zhǎng)[26]。長(zhǎng)期以來，環(huán)境監(jiān)測(cè)部門注重環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)，對(duì)生態(tài)宏觀監(jiān)測(cè)的重視不夠[26]。我國(guó)生態(tài)環(huán)境起步晚，近年來隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展和普及，生態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)展迅速。邢詒等[27]基于遙感技術(shù)對(duì)深圳20a的城市景觀生態(tài)變化進(jìn)行研究，提出了一套完整的城市景觀生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方法。徐涵秋[28]基于遙感技術(shù)，提出了遙感生態(tài)指數(shù)，以達(dá)到對(duì)城市生態(tài)狀況進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。曹宇等[29]利用多項(xiàng)遙感植被指數(shù)對(duì)額濟(jì)納天然景觀生態(tài)類型進(jìn)行解譯和分類，為增強(qiáng)植被指數(shù)在景觀生態(tài)類型專題圖方面的運(yùn)用能力做出了有益的嘗試。丁照東等[30]基于遙感像元二分模型理論，提出了海島植被生態(tài)遙感評(píng)價(jià)指數(shù)，為海島植被生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供了一種新的思路。歐陽志云等[31]提出了一套基于中分辨率遙感數(shù)據(jù)的生態(tài)系統(tǒng)分類體系，探討了以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成分析方法與應(yīng)用效果，可以支持更加深入的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估。

5 結(jié)語

基于遙感技術(shù)開展環(huán)境監(jiān)測(cè)，是一種快速、高效、經(jīng)濟(jì)的辦法，有助于突破傳統(tǒng)手工監(jiān)測(cè)的局限性，有效地提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的能力。隨著我國(guó)衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，其在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步得到體現(xiàn)，運(yùn)用前景將更加廣闊。但是，遙感監(jiān)測(cè)并不是全能的，依然有很多的污染因子基于各種原因無法通過遙感技術(shù)直接進(jìn)行監(jiān)測(cè)，環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)還不能夠完全取代常規(guī)監(jiān)測(cè)手段，在實(shí)際運(yùn)用中，只有將手工監(jiān)測(cè)與遙感監(jiān)測(cè)相結(jié)合，整合其各自的優(yōu)勢(shì)，才能夠更好地為環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)管、環(huán)境保護(hù)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳文召，李光明，徐竟成，等.水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2008，24（3）：6-10.

[2]王橋.衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中應(yīng)用的進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2009，25（4）：53-56.

[3]謝品華，劉文清，魏慶農(nóng).大氣環(huán)境污染氣體的光譜遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].量子電子學(xué)報(bào)，2000，17（5）：385-393.

[4]程立剛，王艷姣，王耀庭.遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用綜述[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2005，21（5）：17-23.

[5]張興贏，張鵬，方宗義，等.應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)大氣痕量氣體的研究進(jìn)展[J].氣象，2007，33（7）：3-14.

[6] 石廣玉.大氣輻射學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2007：27-43.

[7]盛裴軒，毛節(jié)泰，李建國(guó)，等.大氣物理學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2008：11-15.

[8]Staehelin J，Harris N R P，Appenzeller C，et al.Ozone trends：A review[J].Review of Geophysics，2001，39（2）：231-290.

[9]張艷，王維和，張興贏.衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)大氣臭氧總量分布和變化[J].科技導(dǎo)報(bào)，2015，33（17）：23-29.

[10]徐曉斌，林偉立.衛(wèi)星觀測(cè)的中國(guó)地區(qū)1979-2005年對(duì)流層臭氧變化趨勢(shì)[J].2010，6（2）：100-105.

[11]張瑩，高玚，祝善友，等.近30a中國(guó)上空臭氧總量時(shí)空變化遙感監(jiān)測(cè)分析[J].地球信息科學(xué)，2014，16（6）：971-978.

[12]杜君平，朱玉霞，劉銳，等.基于OMI數(shù)據(jù)的中國(guó)臭氧總量時(shí)空分布特征[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2014，30（2）：191-196.

[13]朱恩云，馬驕.中國(guó)大氣氣溶膠研究現(xiàn)狀[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2008，33（12）：57-59.

[14]劉強(qiáng)，王明星，李晶，等.大氣氣溶膠研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)粉體技術(shù)，1999，5（3）：17-23.

[15]齊海，程文忠.CALIPSO星載激光雷達(dá)氣溶膠分層光學(xué)厚度與青島市空氣污染指數(shù)的相關(guān)性[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2015，10（6）：464-471.

[16]施建中，曹念文.南京北郊對(duì)流層氣溶膠激光雷達(dá)觀測(cè)[J].激光與電子學(xué)進(jìn)展，49，100101（2012）：1-9.

[17]陳輝，厲青，王中挺，等.利用MODIS資料檢查京津冀地區(qū)近地面PM2.5方法研究[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，30（5）：27-37.

[18]盛莉，黃敬峰，郭瑞芳，等.綜合利用環(huán)境星CCD和紅外數(shù)據(jù)反演大氣氣溶膠光學(xué)厚度[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2013，32（3）：277-282.

[19]童小華，謝歡，仇雁翎，等.基于多光譜遙感的水質(zhì)監(jiān)測(cè)處理方法與分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35（5）：675-680.

[21]王劍，施民梅，葉霞.遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用[J].滄州師范?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2011，27（4）：117-119.

[22]莫登奎，嚴(yán)恩萍，洪奕豐.基于Hyperion的東洞庭湖水質(zhì)參數(shù)空間分異規(guī)律[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29（5）：192-198.

[23]聞建光，肖青，楊一鵬，等.基于Hyperion數(shù)據(jù)的太湖水體葉綠素a濃度遙感估算[J].湖泊科學(xué)，2006，18（4）：327-336.

[24]王婷，黃文江，劉良云，等.鄱陽湖富營(yíng)養(yǎng)化高光譜遙感監(jiān)測(cè)模型初探[J].測(cè)繪科學(xué)，2007，32，（4）：44-46.

[25]胡沅，成丹，王劍，等.遙感衛(wèi)星在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用滿足度分析[J].科技進(jìn)展，2014，8：56-64.

[26]王文杰，張建輝，李雪.遙感在生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測(cè)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，1999，15，（6）：48-51.

[27]邢詒，鄭炳輝.城市景觀生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].環(huán)境科學(xué)，2002，23：99-102.

[28]徐涵秋.城市遙感生態(tài)指數(shù)的創(chuàng)建及其應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，33（24）：7853-7862.

[29]曹宇，陳輝，歐陽華，等.基于多項(xiàng)植被指數(shù)的景觀生態(tài)類型遙感解譯與分類——以額濟(jì)納天然綠洲景觀為例[J].自然資源學(xué)報(bào)，2006，21（3）：481-488.

[30]丁照東，滕駿華，孫美仙，等.基于遙感的海島植被生態(tài)宏觀評(píng)價(jià)方法初探[J].海洋學(xué)研究，2011，29（1）：62-67.

[31]歐陽志云，張路，吳炳芳，等.基于遙感技術(shù)的全國(guó)生態(tài)系統(tǒng)分類體系[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35（2）：219-226.