淺述遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的運用

楊凱 宋夢潔 陳曉婷

摘 要：隨著中國經(jīng)濟的快速發(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)測方法周期較長、監(jiān)測范圍局限、監(jiān)測成本高等缺點越來越不適應(yīng)目前的監(jiān)測要求。遙感具有快速、連續(xù)、大范圍、低成本監(jiān)測的優(yōu)勢，在環(huán)境監(jiān)測中的運用越來越廣泛。該文從大氣、水和生態(tài)環(huán)境3個方面對遙感環(huán)境監(jiān)測進行闡述，并對其不足和發(fā)展前景進行了討論。

關(guān)鍵詞：遙感；環(huán)境監(jiān)測；運用

中圖分類號 TP79 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）13-0130-03

1 引言

隨著我國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益變得嚴重，突發(fā)性環(huán)境污染事故時有發(fā)生，環(huán)境監(jiān)測為環(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)測技術(shù)受制于自然條件和時空等因素的影響，具有一定的局限性[1]，僅依靠現(xiàn)有的監(jiān)測臺和傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)無法滿足宏觀、動態(tài)、連續(xù)、及時的污染監(jiān)測和預(yù)測要求。遙感的高時間、空間和光譜分辨率恰好能夠適應(yīng)當(dāng)下的監(jiān)測要求，伴隨遙感技術(shù)的不斷進步，其在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的運用也運來越廣泛。目前，遙感技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域主要運用在水環(huán)境遙感、大氣環(huán)境遙感和生態(tài)環(huán)境遙感3個方面[2]。

2 遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的運用

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

2.1 大氣臭氧監(jiān)測 平流層臭氧分子在200～290nm以及600nm附近對太陽紫外輻射具有極強的吸收作用[5]，阻擋了強太陽紫外線到達地面，對地球生物圈起到保護作用；同時由于臭氧吸收太陽紫外輻射能量使平流層大氣增溫，對平流層的溫度場合大氣起決定性作用，對全球氣候和環(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，國內(nèi)外對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，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)對中國臭氧總量的時空分布特征進行研究，得到中國臭氧總量呈現(xiàn)北高南低、東高西低，冬春高、夏秋低的特征。大氣臭氧監(jiān)測成為大氣環(huán)境監(jiān)測的一項重要內(nèi)容，也是評價大氣空氣質(zhì)量的一個重要參數(shù)。

2.2 大氣氣溶膠監(jiān)測 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過程[14]，其對大氣環(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際學(xué)術(shù)界的研究熱點。齊海等[15]利用CALIPSO星載激光雷達研究氣溶膠光學(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、監(jiān)測和預(yù)測中具有不可替代的作用。

3 遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的運用

常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測是在被測水域設(shè)置大量監(jiān)測點，通過人工取樣實驗室分析進行水質(zhì)監(jiān)測，其過程周期性較長且只能夠獲取監(jiān)測斷面的水質(zhì)情況，無法實現(xiàn)快速、大范圍、周期性的水質(zhì)信息獲取。遙感水質(zhì)監(jiān)測恰好能夠彌補常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測的不足。本文基于多光譜和高光譜2種光譜數(shù)據(jù)源對遙感水質(zhì)監(jiān)測進行簡述。

3.1 基于多光譜技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測 童曉華等[19]利用TM數(shù)據(jù)提取水質(zhì)采樣點光譜數(shù)據(jù)，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，反演了太湖的水質(zhì)分布情況，對太湖葉綠素的分布規(guī)律進行了探討；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)測數(shù)據(jù)建立了能夠反應(yīng)水質(zhì)狀況的污染物監(jiān)測模型。限于多光譜數(shù)據(jù)的局限性，通常在水質(zhì)監(jiān)測中利用實測數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)之間建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，其缺點是通用性較差。

3.2 基于高光譜數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測 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，能夠有效的捕捉到水體光譜特征的細微變化[21]，高光譜遙感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的運用越來越廣泛。莫登奎等[22]、聞建光等[23]分別基于Hyperion高光譜數(shù)據(jù)對提取葉綠素a、懸浮物濃度的光譜特征進行分析，并建立了相應(yīng)的反演估算模型；王婷等[24]基于對光譜反射率與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)分析，提取水質(zhì)參數(shù)的特征波長并建立估測模型，對鄱陽湖水體富營養(yǎng)化進行了研究。

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)反演算法的實現(xiàn)成為可能。

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

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，就是利用遙感在時間和空間上對特定區(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行系統(tǒng)的測定和觀測的長期動態(tài)監(jiān)測[25]。生態(tài)監(jiān)測必須進行長期的動態(tài)監(jiān)測，才能夠從大量的數(shù)據(jù)中揭示或預(yù)測其變化規(guī)律和趨勢，其變化監(jiān)測的周期較長[26]。長期以來，環(huán)境監(jiān)測部門注重環(huán)境污染的監(jiān)測，對生態(tài)宏觀監(jiān)測的重視不夠[26]。我國生態(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)測發(fā)展迅速。邢詒等[27]基于遙感技術(shù)對深圳20a的城市景觀生態(tài)變化進行研究，提出了一套完整的城市景觀生態(tài)遙感監(jiān)測技術(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)，以達到對城市生態(tài)狀況進行快速監(jiān)測與評價。曹宇等[29]利用多項遙感植被指數(shù)對額濟納天然景觀生態(tài)類型進行解譯和分類，為增強植被指數(shù)在景觀生態(tài)類型專題圖方面的運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)遙感評價指數(shù)，為海島植被生態(tài)環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測以及趨勢預(yù)測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)評估。

5 結(jié)語

基于遙感技術(shù)開展環(huán)境監(jiān)測，是一種快速、高效、經(jīng)濟的辦法，有助于突破傳統(tǒng)手工監(jiān)測的局限性，有效地提高環(huán)境監(jiān)測的能力。隨著我國衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，其在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的優(yōu)勢將進一步得到體現(xiàn)，運用前景將更加廣闊。但是，遙感監(jiān)測并不是全能的，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)直接進行監(jiān)測，環(huán)境遙感監(jiān)測還不能夠完全取代常規(guī)監(jiān)測手段，在實際運用中，只有將手工監(jiān)測與遙感監(jiān)測相結(jié)合，整合其各自的優(yōu)勢，才能夠更好地為環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)管、環(huán)境保護服務(wù)。

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