遙感技術在現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測與環(huán)境保護中的應用

薛井科

（菏澤市生態(tài)環(huán)境局成武縣分局，山東 菏澤 274200）

當前，社會經濟不斷進步為科學技術的發(fā)展提供了良好的條件，各種現(xiàn)代信息技術手段日新月異。然而，隨著生產力的提高，生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測與保護也面臨著更加嚴峻的問題。環(huán)境保護是世界各國全面發(fā)展的基本前提之一，在實現(xiàn)經濟增長和發(fā)展的同時，必須保護生物多樣性與生態(tài)平衡。環(huán)境遙感技術能通過遙感技術提取的環(huán)境信息用于測繪和監(jiān)測自然資源、環(huán)境和土地利用等，進一步提升對現(xiàn)代環(huán)境的監(jiān)測與環(huán)境保護。

1 現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測與環(huán)境保護概況

自然環(huán)境與社會經濟的可持續(xù)發(fā)展和人類生存密切相關，自工業(yè)革命以來，人類對自然資源的使用強度不斷增加，特別是過度開發(fā)資源導致環(huán)境惡化的情況越來越嚴重。例如，化石燃料的消費和森林資源的砍伐加速了全球氣候變暖，并進一步導致生物物種以前所未有的速度滅絕。當環(huán)境所承受壓力超過生態(tài)系統(tǒng)自身上限時，生態(tài)系統(tǒng)將逐漸衰弱和枯竭。中國仍處于快速發(fā)展階段，自然環(huán)境正經歷著重大的變化，遙感在環(huán)境監(jiān)測和保護中發(fā)揮著重要作用。盡管近幾十年來，很少有研究系統(tǒng)、全面地總結我國遙感環(huán)境監(jiān)測的進展，許多機構還是開展了大量環(huán)境遙感工作，以監(jiān)測生態(tài)狀況和變化。例如，生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心利用陸地衛(wèi)星、MODIS等國際衛(wèi)星數(shù)據(jù)和HJ-1A、高分1號、高分2號等衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展了大量相關工作[1]。

2 遙感技術原理及運用簡介

2.1 遙感技術基本原理

遙感技術是一種利用衛(wèi)星或飛行器從太空觀測地球表面或大氣層的技術。遙感使用電磁頻譜的一部分或幾個部分記錄地球表面反射或發(fā)射的電磁能量，這意味著遙感技術可以在不與物體或區(qū)域直接接觸的情況下獲取有關地球表面物體或區(qū)域的信息。遙感圖像的主要特征之一是其在電磁波譜中表示的波長區(qū)域，其中一些圖像表示電磁光譜可見光和近紅外區(qū)域的反射太陽輻射，另一些圖像是對地球表面本身即熱紅外波長區(qū)域發(fā)射的能量的測量。

2.2 遙感技術運用領域與發(fā)展

遙感圖像在土地利用、林業(yè)、城市規(guī)劃、考古調查、軍事觀察和地貌測量、水質動態(tài)變化等方面有著廣泛的應用。例如，遙感技術用于監(jiān)測特定地區(qū)的天氣模式。通過遙感技術采集的信息被用來預測一個地區(qū)的降雨模式，有助于跟蹤區(qū)域降水變化。遙感技術已經發(fā)展到航空攝影和多光譜衛(wèi)星成像，全球區(qū)域環(huán)境監(jiān)測在很大程度上依賴遙感衛(wèi)星和傳感器，這些衛(wèi)星和傳感器能夠迅速收集地球表面大量實體的空間和光譜信息。在電磁波譜的不同區(qū)域，地球和大氣的輻射相互作用特征對于識別和表征地球和大氣特征具有重要價值[2]。

3 遙感技術在現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測與環(huán)境保護中的具體應用

3.1 大氣環(huán)境監(jiān)測

3.1.1 臭氧層監(jiān)測

近年來，平流層臭氧層的破壞是地球大氣中觀測到的最明顯的變化之一，這種現(xiàn)象在極地地區(qū)最為明顯，尤其是在南極洲。減緩全球變暖作為《蒙特利爾議定書》和《京都議定書》的部分內容，世界氣象組織和氣候變化專家委員會需對平流層臭氧和未來的氣候變化進行評估報告。遙感技術可用于測量太陽光在紫外、可見和近紅外波長范圍內被地球大氣層或表面反射和散射的情況。由于臭氧對0.3 μm以下的紫外區(qū)的電磁波吸收作用明顯，因此可以用紫外波段測量臭氧含量變化。另外，由于臭氧層吸收太陽發(fā)出的紫外線而變暖，因此可以用紅外線帶進行檢測。例如用10 μm左右的熱紅外探測器分別獲取衛(wèi)星上臭氧層的溫度改變情況，并根據(jù)臭氧濃度與溫度的相關性計算臭氧濃度的分布[3]。

3.1.2 大氣氣溶膠監(jiān)測

氣溶膠是空氣中的懸浮顆粒，是煙霧的關鍵成分。這種煙霧會降低空氣質量，對人類健康和環(huán)境有害。當吸入高濃度的氣溶膠時，會導致上呼吸道疾病。同時氣溶膠會降低環(huán)境能見度，導致交通事故發(fā)生。除了城市工業(yè)氣溶膠來源外，火山灰噴發(fā)、沙塵暴、森林火災和農田燃燒也會產生氣溶膠。通過探測植物的受害程度來間接分析污染源的位置，或在降雪后探測雪層光譜變化。通過比較紅外通道之間的信號差異（如亮度溫度）以及其他光譜和空間變異性測試，尤其是灰塵和煙霧氣溶膠，可以檢測到氣溶膠的存在。

3.1.3 城市熱島效應監(jiān)測

熱島效應的產生是由于植被和郊區(qū)土壤被比熱容更小的路面和建筑材料所取代，使得城市升溫較快，造成了城市和周圍非城市地區(qū)之間的溫差。利用多種多樣的遙感數(shù)據(jù)來評估所在地區(qū)不同生態(tài)氣候區(qū)的城市熱島現(xiàn)象及其與城市空間結構和規(guī)模的關系。遙感地表溫度提供了對城市熱島效應的大小和空間范圍的充分表征，并允許比較大陸尺度上不同規(guī)模的城市地區(qū)熱島效應差異。根據(jù)指數(shù)研究熱島，學者們可以使用相關反演算法從遙感圖像中獲取城市地表溫度，然后構建城市熱島比率指數(shù)和熱場變化指數(shù)等指標來評估熱島強度。除此之外，還可以從多周期數(shù)據(jù)集中研究熱環(huán)境的模式，從空間維度上分析城市島嶼的空間分布特征。利用遙感技術可以研究探索熱島的驅動機制。一方面，從熱波段和大氣參數(shù)中獲取地表溫度信息；另一方面，由光學波段得出土地利用和覆蓋（工業(yè)用地、農田、林地）模式，對此進行相關分析，以此確定與熱島相關的重要因素。

3.2 水環(huán)境監(jiān)測

3.2.1 海洋石油污染監(jiān)測

對海洋環(huán)境造成的主要石油污染是工業(yè)廢物、油輪事故、勘探和運輸過程中船舶產生的石油。石油意外地泄漏到海洋中時會危害海洋生物，破壞海洋生態(tài)環(huán)境。遙感數(shù)據(jù)和技術在通過衛(wèi)星和航空觀測打擊和探測石油污染方面發(fā)揮著重要作用。在石油污染災難的緊急情況下，可以利用遙感數(shù)據(jù)探測石油污染的空間分布和大小，根據(jù)衛(wèi)星圖像生成的信息，快速執(zhí)行應急計劃。根據(jù)電磁光譜中，石油對不同波長的輻射有不同的響應和特征，可以通過不同的遙感應用來檢測石油泄漏情況。紫外線技術可用于檢測漏油，即使在薄層上也能顯示出高反射率的紫外線輻射。此外，紅外傳感器在評估油膜厚度時很有價值，因為隨著厚度的增加，厚油膜在紅外圖像中顏色更深，可以與薄的油膜區(qū)分開來。由于微波穿透大氣層時損失很少，微波傳感器受天氣條件、云層、薄霧和晝夜的影響也很小，非常適用于石油污染監(jiān)測。

3.2.2 水體熱污染監(jiān)測

熱污染通常是由于工廠未將工業(yè)熱水通過冷卻池和冷卻塔進行處理，直接將熱水排放所造成的。這不僅危害動植物的生長，也對人們的生活造成影響。遙感技術是監(jiān)測和評估沿海水域熱污染的有效工具，它可以在沿海水域的環(huán)境管理中發(fā)揮重要作用，包括發(fā)電廠排放位置的選擇。遙感技術為定量監(jiān)測沿海水域熱污染強度和反演提供了有效手段，水體熱污染遙感結果可用于沿海水域的環(huán)境管理。紅外掃描儀的應用可以顯示熱污染的排放、流動方向和溫度分布。通過少量同步測得的水溫，通過熱圖形成像色調的差異可以準確地繪制出水體的等溫線，測量出水中的溫度分布。

3.2.3 黑臭水體污染監(jiān)測

河流和湖泊作為水資源和排水系統(tǒng)服務于城市人口，作為家庭、工業(yè)和農業(yè)水資源發(fā)揮著重要作用。然而，污水處理系統(tǒng)的建設往往跟不上過快的城市人口的增長迅速，導致城市河流受到可見和可聞的污染。近年來，許多發(fā)展中國家也遇到了城市河流污染的問題，河流污染最明顯的表現(xiàn)是顏色變化，通常為黑色，通常伴有強烈的難聞氣味。在監(jiān)測分析中，利用遙感技術獲取黑臭水體的總長度、總污染面積及相關水體污染程度，通過對遙感圖像數(shù)據(jù)得到分析結果，對監(jiān)測河段建立重點觀測區(qū)域。從實踐效果來看，通過分析黑臭河段水量、截流壩狀況和水體破壞的原因，深入研究影響環(huán)境容量和加速污染物擴散過程的因素，表明了遙感技術在環(huán)境監(jiān)測各個領域的可靠應用。在水體環(huán)境監(jiān)測中，將遙感技術應用于葉綠素含量、水溫等相關污染指標的監(jiān)測，在很大范圍內具有應用意義和價值。

3.3 其他環(huán) 境監(jiān)測

3.3.1 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的遙感監(jiān)測

礦產資源的大規(guī)模開發(fā)過程中會產生一系列的地質災害和環(huán)境破壞，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法需要現(xiàn)場采集大量的樣本，獲取實時信息時間較長。遙感技術在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與土壤生態(tài)環(huán)境領域中的監(jiān)測和應用價值密切相關，如植被破壞、水土流失、地層破壞、礦化度變化等方面。隨著礦產資源的有效利用和科學開發(fā)，在分析環(huán)境問題時，利用遙感技術的監(jiān)測特點，從礦區(qū)宏觀角度把握，通過動態(tài)監(jiān)測快速，為礦區(qū)的生態(tài)準備與保護、生產決策和可持續(xù)發(fā)展提供信息化和技術開發(fā)的優(yōu)勢。通過測定植被中葉綠素和重金屬含量，分析重金屬對植物的生物學效應；對野外采集的植被光譜進行處理和分析；采用多元統(tǒng)計方法分析光譜特征，從而達到監(jiān)測礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞情況的目的。

3.3.2 土壤監(jiān)測

土壤污染、退化和棲息地破壞等現(xiàn)狀促使人們監(jiān)測環(huán)境質量并制定更好的政策來保護環(huán)境。遙感技術可以獲取土壤含水量、鹽度、溫度和其他參數(shù)的準確和瞬時信息，是一項重要工具。遙感技術具有高效、研究廣泛的特點，使得其在土壤監(jiān)測方面得到廣泛應用，如：提高作物產量、固土保水、保護當?shù)厮Y源不受徑流影響、節(jié)約能源成本等。監(jiān)測土壤存在狀態(tài)為保護和了解當?shù)睾蛥^(qū)域土地資源提供了重要信息。土壤是有機質、礦物質、氣體、液體和有機物的多相態(tài)物質，可以作為植物生長的媒介，作為水的儲存、供應和凈化的介質，作為生物體的棲息地。在污染過程中，土壤成分的物理化學性質往往會改變，穩(wěn)定性降低，其遙感光譜特征是組分物理化學性質的整體反應，因此可以利用類似現(xiàn)象通過遙感技術對土壤層進行針對性識別。土壤性質不僅可以由具體的參數(shù)（如地層滲透率、有機質豐度等）反映外，還能通過參考森林面積和土地利用類型等方法間接推測。盡管遙感技術已廣泛應用于動態(tài)監(jiān)測土地沙漠化、水土流失和鹽漬化等情況，仍然需要進一步持續(xù)監(jiān)控和驗證。

4 環(huán)境污染的遙感監(jiān)測技術應用

4.1 城市污染植物反射光譜特征分析

在過去幾十年中，遙感工作的重點主要是自然環(huán)境。隨著高分辨率圖像和功能更強的技術的出現(xiàn)，在技術進步和社會需求的推動下，城市地區(qū)遙感日益成為地理空間技術的一個新領域，并在相關社會經濟部門得到應用。近紅外波長超出人類視覺的極限，然而，植物對近紅外輻射的反應方式與對可見光輻射的反應方式大不相同。因此，遙感技術可較好地監(jiān)測有毒氣體對污染源周圍樹木和農作物危害的情況。通常，在環(huán)境良好的區(qū)域，不易檢測到植被的污染，但其光譜反射率會發(fā)生顯著變化，在遙感圖像中的差異性體現(xiàn)為灰度。正常植物葉片紅外反射強，樹木影像較大，在彩色紅外照片上顏色更加明亮；受污染葉片的葉綠素受破壞，對紅外射線的反射能力降低，樹木影像小，彩色紅外照片的顏色變暗。

4.2 遙感圖像水系特征分析

遙感圖像上的水系特征表明了一定的地質構造特征，能反映水系的發(fā)育與地質地貌之間的關聯(lián)。水系特征分析包括密度分析、對稱性分析和水系圖形分析。在新算法的幫助下，從遙感數(shù)據(jù)中提取有用的水文信息并用于水文和環(huán)境建模。這些水文參數(shù)有助于評價環(huán)境中水資源的性質，從而增加對不同水文過程的理解。例如，水系和線性構造與地震相關分析是近年來隨著遙感和數(shù)學應用的發(fā)展而頗為引人注意的問題。從空間分布來看，強震區(qū)大多位于大型斷裂帶上（對應于一定的水系發(fā)育）。因此，分析水系和線性構造與地震的相關關系，對地震的預測有一定價值。在聚類的基礎上，分析每一類型水系和斷裂與已有地震的相關性，得到地震危險區(qū)預測圖。

4.3 土壤水分遙感研究

土壤水分是連接地表和大氣過程的關鍵水文狀態(tài)參量，對土壤水分狀態(tài)及其時空動態(tài)的詳細了解對于作物生產避免水分脅迫、緩解過度灌溉造成的不利環(huán)境影響以及保護水資源至關重要。土壤水分遙感方法包括可見光-紅外遙感監(jiān)測、熱紅外遙感監(jiān)測等。衛(wèi)星和各種飛行器遙感使相關工作人員能夠估算大規(guī)模土壤濕度，模擬陸地和大氣之間的相互作用，以更高的精度模擬天氣和氣候。高分辨率土壤水分地圖清晰地捕捉傳感器位置的空間可變性，這些發(fā)現(xiàn)可與無人機系統(tǒng)觀測結合應用，以協(xié)助農場規(guī)模的精確灌溉管理，提高種植系統(tǒng)的用水效率，并在世界缺水地區(qū)節(jié)約利用水資源。盡管在大規(guī)模土壤水分估算方面取得了重大進展，但基于微波觀測的方法在較小規(guī)模（如農田）的適用性有限，因此不適合較為精確的灌溉管理。這要求開發(fā)和實施適用于現(xiàn)場規(guī)模土壤水分監(jiān)測和測繪的高分辨率遙感技術。

4.4 遙感環(huán)境監(jiān)測信息處理與地理信息系統(tǒng)

遙感技術提供了一個關于環(huán)境監(jiān)測的持續(xù)不斷的信息源，而地理信息系統(tǒng)（GIS）是處理所有這些地理數(shù)據(jù)的一種方法。作為一門遠距離獲取信息的科學，遙感利用從飛機或衛(wèi)星獲取的圖像提取關于地球陸地和水面等環(huán)境的空間明確屬性。然后，這些屬性可以與表示景觀特征（例如，地形、土壤、道路等）的輔助地理信息數(shù)據(jù)一起存儲、管理、分析和顯示在地理信息系統(tǒng)中。從本質上講，遙感為地理信息系統(tǒng)提供了寶貴的環(huán)境空間數(shù)據(jù)（通常為柵格格式），以便進一步進行地理處理。反之，對獲取的環(huán)境參數(shù)的許多關鍵分析，如幾何配準、輻射校正、圖像分類和變化檢測，可受益于輔助地理信息數(shù)據(jù)和地理處理程序（如掩蔽、疊加和鄰近分析）的使用。遙感與地理信息技術集成已成功應用于自然資源和環(huán)境科學的許多領域，包括農業(yè)、林業(yè)、土地利用、生物保護、生態(tài)恢復和自然災害管理。隨著計算創(chuàng)新、人工智能和大數(shù)據(jù)科學的最新進展，遙感和地理信息系統(tǒng)的集成正在進入一個新階段，將進一步加強對各種來源的空間數(shù)據(jù)的分析。地理信息系統(tǒng)應用分析功能包括應用分析模型與應用分析程序兩部分構成?？梢栽谙到y(tǒng)本身提供的空間分析和其他分析運算功能的支持下實現(xiàn)，也可建立專業(yè)性的應用分析模型與軟件來實現(xiàn)。

5 遙感技術在現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測與環(huán)境保護中的重要價值

與地面測量相比，從空間獲取的信息具有許多明顯的優(yōu)勢，因為這些信息是遠程獲取的，能在不同的時間和不同的區(qū)域之間利用電磁頻譜的不同，提供監(jiān)測服務。借助于遙感技術的技術優(yōu)勢，可以提高對環(huán)境監(jiān)測的精確度。通過利用多源遙感數(shù)據(jù)和提高遙感參數(shù)反演精度可以彌補單一類型數(shù)據(jù)在不同類型分辨率上的不足，提高模型評價的準確性，為環(huán)境監(jiān)測提供準確信息。隨著環(huán)境遙感技術的不斷突破，將積極推動我國環(huán)境保護，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展。

6 結語

遙感技術誕生以來，世界各國相關工作人員對其進行了廣泛深入的研究與試驗，相關科技的發(fā)展使得獲取的光譜信息更加豐富，極大地促進了遙感技術的發(fā)展。雖然遙感技術在我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護中起步較晚，但由于國家的高度重視和相關工作人員的積極努力，遙感技術在我國的大氣環(huán)境監(jiān)測、水環(huán)境監(jiān)測、城市環(huán)境監(jiān)測等方面得到了良好的應用。為了保持生態(tài)的發(fā)展，遙感技術將更廣泛地應用于現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測和環(huán)境保護，保障社會經濟快速、可持續(xù)發(fā)展。