遙感技術在環境污染監測方面的應用

馮鵬等

摘 要：遙感技術是如今環境污染監測的重要技術手段，借助遙感技術獲取環境污染地區的遙感影像，通過計算機處理和目視解譯可以快速有效地得到觀測區的宏觀、快速、動態更新的環境狀況。該文主要對遙感技術的原理及其在環境污染監測領域中的實例應用分析進行介紹，隨后簡要介紹了遙感技術在我國環境監測領域中的應用現狀，最后指出其存在的問題，并對遙感技術在環境監測中的發展前景做了展望。

關鍵詞：遙感技術 水污染監測 大氣污染監測 地面污染監測

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

步入21世紀以來我國的經濟步入高速發展階段，由于經濟結構的不合理在經濟發展過程中引發的一系列環境問題也愈發突出，環境監測是環境保護的重要手段。環境監測的基礎是環境分析，伴隨著遙感技術的飛速發展，遙感技術發展迅速，越來越廣泛的應用環境監測領域，現已能測出水體的多種水質參數，如泥沙含量等；能測定大氣濕度、氣溫、以及多種物質的濃度分布，如NOx、PM2.5等；可調查土地利用情況、大型環境污染事故和區域生態情況等[1]。環境監測過程中，遙感技術在水環境污染檢測、大氣環境污染檢測、地面污染及土地利用發展監測等方面有廣泛的應用[2]。

1 遙感技術

1.1 遙感技術的原理

遠距離不直接接觸物體的遙感技術也可以識別、測量并分析目標物質，它利用的是物體反射或輻射電磁波的固有特性。遙感技術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（分為氣象衛星遙感和陸地衛星遙感）、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，其特點是能全天時和全天候觀測、含有幅度、特征信號豐富、極化和相位，其中全天時和全天候觀測能力是光學遙感不具備的。在不同的環境監測領域可使用不同的遙感監測技術[3]。

1.2 遙感監測技術的應用

遙感如今已深入到多種領域的應用中，如漁業、農業、林業、地質、地理、海洋、氣象、水文、城鄉規劃、環境監測、地球資源勘探、軍事偵察、土地管理、室內測量、海洋、陸地、大氣信息的采集以至全球范圍的環境變化。遙感方法的選擇應具有針對性。可采用近紅外、可見光遙感技術監測溫室效應、大氣污染、固體廢棄物污染和水質污染等；熱紅外遙感技術則通常用來監測大范圍地表的溫度狀況；要想獲得某一地區的夜間資料或云雨較多地區的資料、或者某些目標隱藏在林下、埋藏于地下則宜選用微波遙感，因為從波長來分析，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 遙感技術在環境污染監測中的應用

2.1 水環境污染監測領域

污染水與清潔水的反射光譜特征研究是水體遙感監測的基礎。總的來說，清潔水吸收光的性能較強，這是因為清潔水具有較低的反射率。故水體在一般遙感影像上表現為暗色色調。可以采用以水體光譜特性和水色為指標的遙感技術進行水質監測。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行研究。

在富營養化的水體中，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、藍光而反射綠光。在可見光波段0.44Lm（藍光）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附近的光譜線段調查水體中懸浮物質的數量及葉綠素含量[4]。

海洋環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，這對海洋生態來說是嚴重的災難。此外，附近大量的農田化學肥料、城市生活廢水和工業污水也隨河流匯入海洋，擴大了海洋污染范圍，惡化了生態環境，使環境質量下降。應用海洋遙感衛星可以為海洋環保部門提供必需的資料和數據，因為遙感能大范圍搜索石油污染和化學污染并估算污染的范圍及其擴散情況，從而為海洋環保部門提供了必需的數據和資料[5]。

在對水體熱污染監測中，熱紅外圖像能定量解譯并反映熱污染區的溫度特征。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 大氣污染監測領域

利用氣象衛星，大氣遙感可以定期監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境質量的主要因素。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厚度，而大氣污染的程度和性質只能利用間接解譯標志來推斷，這是因為有害氣體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。遙感信息的傳輸規律和介質的特性密切相關，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，所以要想監測霧、霾、沙塵的特性，我們首先應該了解他們在物理性質上差異，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，已經達到了飽和狀態，這主要是因為霧是由靠近地面的水汽凝結或凝華形成的。因為液態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與晴空區的界限。霾主要由各種污染物組成，如大量極細的塵、硫酸鹽、硝酸鹽、碳氫化合物等，細粒子氣溶膠污染是霾天氣的本質。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到飽和狀態，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的界限。刮大風時，地面的各種沙塵物質被風卷起，從而形成了沙塵天氣，黃土高原、蒙古高原、西部沙漠、沙化農田以及中亞沙漠是導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的主要物質。由于沙塵天氣主要發生在水汽含量非常小、飽和狀態非常低的沙漠及附近的半干旱地區，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。

大氣衛星都攜有探測大氣反射、輻射的紅外通道，這使得氣象衛星能夠對霧霾類天氣進行監測。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射輻射都能被遙感到。

2.3 地面污染和土地利用發展監測領域

在污染區的作物與正常生長區的作物相比，其生長會發生特殊的變化從而具有不同的光譜表現并可利用間接解譯來確定地面污染。我們可以定期地監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則反射率較高使得其特別容易測定[7]。因此在城市規劃中，通過遙感圖像，各類普遍問題如都市擴大的速度和規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確地跟蹤并解決。此外，森林砍伐和牧場開墾的速度和規模也可以用遙感來監視[8]。

以城市熱島效應為例，由于工業的發展，某些企業成為熱污染源，使得城市市中心的溫度大都高于郊區。地物的輻射溫度，如NOAA氣象衛星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，進而熱源就能根據熱效應的差異而有效地被探測出。要想詳細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，分析城市熱島的時空分布、熱島成因、熱島強度等特征，首先利用光學技術或計算機對熱圖像進行密度分割，然后對比幾個同步的實測溫度，畫出準確的城市等溫線[9，10]。

3 國內發展現狀和展望

目前，遙感技術在中國的應用較少，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，現在只能達到定性階段或初步的定量階段，由于現在我國的國家環境遙感系統平臺不完善，不能共同享有各地的環境遙感數據和其它成果，遙感監測技術發展遲緩。中國雖是后來者，但是現在遙感技術發展迅速，在環境監測領域逐步受到重視，應用也更加廣泛，我國在這些方面也體現出了優勢。我國通過遙感技術對環境進行監測，重視遙感技術與GIS和GPS系統的集成是其中一個最主要的特點。當前國內的遙感技術主要應用在監測機動車排氣，小城鎮環境，大河流域水質，礦區環境污染，各地區生態環境，內陸湖泊水質，森林火災、海洋赤潮和沙塵暴等領域。

隨著不斷發展的遙感技術，以及國產衛星數據質量的逐步提高，其在環境監測領域的發展非常迅速，前景廣闊。通過強化3S技術和遙感定量監測與GIS集成分析信息的系統建立，管理、查詢、分析遙感動態監測數據以及實時監測和預警突發性環境污染事故等功能將會最終實現。

參考文獻

[1] 譚衢霖，邵蕓.遙感技術在環境污染監測中的應用[J].遙感技術與應用，2000，15（4）：246-251.

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[10] 卿清濤，馮建東，郭海燕.基于NOAA/AVHRR資料的城市熱島效應研究方法[J].高原山地氣象研究，2010，30（3）：48-51.