光學遙感技術及其在污染觀測中的應用

韓學飛

【摘? 要】及時了解和掌握城市的環境狀況，對于合理保護城市環境和實現區域可持續發展具有十分重要的意義。傳統的環境監測和調查，因其人工成本高、效率低、時間長，不能對城市環境的變化趨勢及時進行反饋。根據統計，2018年我國發射的遙感衛星已經達到了40顆，遠超過2017年發射的19顆，預計今后會有更多的遙感衛星升空，對我國的遙感監測發揮重要作用。隨著遙感技術的進步，遙感衛星傳感器的專業化、高精度化和其光譜的廣域覆蓋能力不斷增強，遙感監測已成為環境保護最重要的監測手段之一。

【關鍵詞】光學遙感技術;污染觀測;應用

1 城市污染監測的內容

目前，先進的遙感衛星上都會搭載高精度的專業級別的光譜傳感器，因為地球上各地物的光譜不同，傳感器感受到的反射光譜也不同，這就成為地物辨別、環境監測的基礎。在所有物質中，水體對光的反射最小，光波大多都被水體吸收了，反射率一般在2%—5%左右。能夠對水體進行遙感的光波段為可見光，尤其是藍光波段是最適合的，海洋大多呈現為藍色也是這個道理。當水體受到污染時，反射光譜會隨著污染物的性質和濃度的不同而發生變化，根據常用儀器檢測的經驗可以反推水體污染不同程度的光譜特征以供遙感技術的對比使用。由于監測水體需要用到光譜的分析，水體中與光譜變化有關，能夠通過反演來測定的指標有葉綠素、固體懸浮物、水體透明度、生物需氧量、總磷、總氮、氨氮等，這些就是進行污染遙感監測的內容。

2 城市污染監測的數據處理

2.1 污染實地調查數據的獲取

此次研究以我國某地級市為目標區域，城區內的河道有18條，總長度約為30 km。城區水域的面積占城區總面積的10%左右。城區的河道水力坡度差較小，加之城市內的河床比郊區的河床高，周邊清澈的水很難流入市區，造成河道自凈能力較差，因此隨著經濟發展和生產活動的加劇，造成水體污染加劇。這就為水體污染監測工作帶來較大困難，常規的監測手段和現有的人員承擔不了龐大的工作量，所以需要采用衛星遙感技術進行實時監測，可以減少大量的外業工作。

2.2 污染遙感數據的獲取

根據采樣時GPS-TRK定位的坐標數據，通過遙感衛星得到基礎圖像，基礎圖像的獲得需要通過“地理空間數據云”中獲取或者從其他網站取得。在處理遙感圖像時，需要使用遙感圖像處理平臺ENVI，對遙感圖像進行數據預處理、水體提取等常規功能，經過處理能夠得到高質量的遙感圖像（如圖2所示）以及圖像數據。

2.3 數據處理

在對遙感圖像提取的灰度值與水體實測指標數據進行相關性分析以便遙感衛星能夠直接或間接進行水體反演時，需要利用數學統計的兩個知識：回歸分析和因素分析。它們是統計學的一個重要分支。回歸分析是確定因變量與一個或者多個自變量的相關關系，最終建立回歸方程的一種分析。在實際運用中，建立回歸方程的目的就是為了確認變量與因變量是否存在某種關系，用相關系數的大小來判斷它們的相關程度。因素分析是根據回歸分析結果，得出各個自變量對目標變量產生的影響，原理就是按照各變量的相關性大小進行分組，把相關性大的分為一組，相關性低的分為一組。每個組的變量作為一個因素，用不可預測的變量來表示，這個因素就稱作為公共因素。這樣統計的問題就能夠用這些公共因素和特殊因素構成基本函數來描述需要統計的每個變量。在研究的領域來講，許多問題的產生，都不是孤立的，一般都是有某種因素影響或者多種因素的作用。

為了研究遙感圖像提取的灰度值與城區水域實測數據間是否存在相關聯的關系，以采樣位置的遙感圖像灰度值為自變量，以采樣位置的實測值為因變量建立回歸分析，再利用因素分析的降維方法，建立簡單描述各種污染因素的回歸方程。

3 遙感技術在生態系統脆弱性評價上的運用

生態系統脆弱性的評價可以預測在某些外部因素下是否易于引發生態問題及環境污染，能較好地反映生態環境對外界干擾的承受程度。生態環境脆弱性研究不僅能為脆弱生態環境重建工作提供科學依據，進行生態環境脆弱性評價同時也是制定區域可持續發展規劃的重要前提。以遙感和地面調查數據為基礎，通過分析研究區域生態系統格局及演變趨勢、生態系統質量及生態系統服務功能等的時空特征，判斷其生態系統脆弱的等級，提出生態保護的對策和建議。

生態環境脆弱性評價指標確定方面：該區域的突出環境特點;區域地貌、氣候、土壤、植被特點等及人類活動。故而，基礎地理數據、專題數據里的地形數據（高程、坡度、坡向）、土壤數據、降水數據（全國范圍內分辨率為100米×100米的GRID數據）、植被數據、農田分布和農業人口比重數據都可以在GIS軟件中處理進行制圖和分析。

4 結束語

通過對城市污染監測的研究可以看出，環境遙感的方法比常規的監測手段有更高的效率、更直觀的效果、更低的成本，隨著技術的成熟化，完全可以通過遙感技術建立整個城市的生態環境監測系統，對正大氣、水、土壤等環境要素進行實時監測，及時進行污染預防、污染治理、突發狀況處理等工作，有助于城市環境的可持續發展。本文通過對遙感污染監測的原理、方法以及數學統計分析得到了污染要素反演的關聯關系以及綜合污染分布圖，證明了經驗分析模型的有效性。當然，遙感水質監測方法在后續研究工作中，還應該加強水體反演方法的研究;由于水質監測的參數較多，目前的遙感技術還不十分完備，與實際應用中的水質監測要求存在一定距離，需要研究更寬范圍的光學傳感器以增加水質監測的范圍。

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（作者單位：浙江泰樂地理信息技術股份有限公司）