探究遙感FTIR在大氣環境監測中的發展

吳娟 徐可欣 遲穎

摘要：遙感FTIR技術在當前的大氣環境監測中是主要的監測方法，主要是這種技術具有靈敏性強和分辨率高的特點，在不確定被監測對象的情況下滿足多組分測定，特別是在易揮發與有毒的氣體中監測作用明顯。基于此，本文從大氣遙感監測技術入手，討論遙感FTIR的主要特點，分析主要的遙感FTIR監測技術，提出了遙感FTIR技術在大氣環境監測中的運用，希望對相關研究帶來幫助。

關鍵詞：遙感FTIR;大氣;環境監測;發展

在當前的社會發展中，國家對生態環保工作的開展高度重視，其中在水環境、土壤環境與大氣環境的污染物監測中對諸多技術加以利用，成為后續的環境治理工作有力保障。新時期，在測繪行業、林業和牧業資源調查、軍事偵察中都對遙感技術進行了利用，而環境遙感是在遙感技術應用的前期下分析環境變化、環境污染性質、污染物擴散規律學科，在我國環境工程學中起到了重要作用。

一、大氣遙感監測技術

該技術的實現需要原子和分子間的相互作用，還需要電磁輻射作用，對監測的光譜波段中，借助大氣中痕量研究氣體吸收性質以及光的衰減可以解釋反演其濃度。在大氣環境監測中遙感FTIR促進了大氣探測的發展，還影響著資源衛星空間探測和衛星的行星大氣探測。整體看來，這一技術集合了空間、光學、電子、生物學、計算機、地學等科學最新成果，也是當前高新技術領域的研究重點。光學遙感方法可以在數百米到幾千米的距離應用，在一定程度上代替了傳統實驗室中的取樣池，整體處理過程是發射一束光通過待測氣體，然后在另一端接收和分析，其中光源發射器和儀器信號接收器距離對光程長度起到了決定性作用[1]。

二、遙感FTIR的主要特點

環保部門主要是借助取樣定點法對大氣環境的污染情況進行檢測，一般只能對區域內的環境被污染程度體現，無法體現觀測區域之外的污染情況，遙感FTIR技術（傅立葉變換紅外光譜分析）可以解決以上問題，并且成為了地區發展速度快和運用范圍廣的監測技術，并且在取樣方式上有所不同，也不會受到范圍的限制，該技術的主要特征如下：其一，可以滿足于超遠距離的無線監測，并且該技術可以24小時對遠距離的大氣污染物進行不間斷監測;其二，遙感FTIR技術可以對多組的空氣污染物分析，并且進行精確的判斷;其三，遙感FTIR技術在實際應用中可以簡化分析環節，并且能量消耗更少;其四，遙感FTIR技術可以對地面、海面與高空進行立體化的環境監控，當前我國對遙感FTIR技術的應用不斷加大投入力度，其中被動式遙感技術、化學計量都取得可喜成績[2]。

三、主要的遙感FTIR監測技術

（一）被動式遙感監測技術

當前遙感FTIR技術在我國環境監測的應用中取得長足進步，并且諸多專家也在復雜的大氣環境中分析被動式遙感FTIR監測技術應用效果。整體來看，被動式遙感FTIR監測技術可以對熱氣體放射源發散的多種輻射化學成分與物理特性檢測，成為了大氣污染物監測發展重要方向。被動式遙感FTIR監測技術在應用中主要是根據空氣中污染物溫度，并且在缺乏背景信息的情況下對多方向的數據進行收集，由此省去了樣品的處理環節，并且該技術可以對多樣品的大氣污染監測，也不會受到時間或者空間的限制。在實際的利用中需要工作人員明確該技術的工作特點與原理，還要分析儀器響應函數的應用規律。儀器的響應函數又叫做檢測儀器的頻率函數，在差異性的實驗環境下，由于黑體校正、溫度高低差值與儀器信號接收情況，響應了函數存在差異，所以該技術盡管在應用上便捷，但是以上三個方面的因素也導致了該及時依舊處于實驗階段，還需要進一步加強研究。

其一，自然環境的變化會改變背景輻射，進而造成譜圖樣品的嚴重偏移;其二，由于風向、風速以及樣本釋放不穩定，隨著實際條件變化出現了儀器所測區域濃度也會變化，降低了成圖譜測量重復性，還存在著監測不穩定、噪音大問題;其三，濕度與溫度的變化導致了儀器響隨函數變化，這也是導致測量結果偏差的一個因素;其四，這種儀器較為精密，所以不適合在復雜的野外環境操作，雖然相關的情況得到了緩解，但是依舊導致被動式遙感FTIR技術獲得數據難于處理。

（二）化學計量學在遙感FTIR技術的應用

在科學技術不斷發展的背景下，計量科目的技術方法對化學各個方面產生了影響，也讓我國的化學計量科學發展，其中對遙感FTIR技術光譜圖分析應用逐漸深入，化學計量學模型主要是指神經網絡、最小二乘法、遺傳算法和KALMANFILTER。有研究人員對以上化學計量學中模型進行定量、定性分析，具體說來：

其一，定量、定性分析多組數據信息。監測人員在實際的監測中對神經網絡、偏最小二乘法和KALMANFILTER加以利用，并且對光譜圖中存在的空氣污染物定量分析，從得到的結果中發現，以上方法都可以定量監測復雜大氣環境。同時，定性監測復雜的空氣污染物過程中，應用人工神經網絡法對未名干擾物監測，之后通過遺傳算法分析多樣組的空氣環境情況，減少了網絡結構、監控時間，并且縮小監控誤差，進而對網絡模型得到的信號變量提取，發現分析遙感FTIR監控的光譜圖更加準確、高效。此外，遺傳算法的計量模型在保證求解能力與數代非線性特征明顯的同時，還作為了光圖庫中理想的數據檢索工具[3]。

其二，提取遙感FTIR光譜圖的特征信號與噪聲。有研究人員發現，噪聲的科學處理也影響了遙感FTIR光譜圖，一般來說監控人員能利用WA程序提取遙感FTIR光譜圖信號數據，還可以借助WA程序來分解信號數據，可以在過濾、祛除光譜圖的噪音環境下體現數據信息的位置。有研究發現，開路遙感FTIR監測存在噪音的光譜圖可以通過采集數據的預處理，由此實現噪音徹底清除，這種處理思路也叫作稱為信號正交校正，并且結果可以對比二階求導處理結果。結果發現，信號正交校正法光譜圖數據處理之后，模型誤差數值為16.58%，這個數據通過二階求導法處理后數據（49.93%），并且誤差接近40%，結果也說明的信號正交校正法對光譜圖中噪音處理優勢更加明顯。

四、遙感FTIR技術在大氣環境監測中的運用

（一）監測大氣中氣溶膠含量

氣溶膠就是霧、煙、塵等人們生活中熟悉的物質，一般難以對地面上的氣溶膠監測，不過遙感FTIR技術可以解決這一問題。遙感FTIR技術在監測大氣中的氣溶膠上具有精確性高的優勢，不管是高空還是地面，環境監控的范圍更大，彌補了傳統監測方法不足。在上世紀80年代，我國就監測了北京某地區的氣溶膠的厚度，并且發現了氣溶膠的含量與空氣污染關系密切[4]。

（二）監測臭氧層

遙感FTIR技術在監測臭氧時同步于臭氧圖的形成時間，進而在遙感FTIR技術支持下得到了臭氧層的分布范圍圖。臭氧層是大氣中臭氧濃度偏高的區域和空間層，集中分布于平流層，作用在于吸收紫外線。在工業經濟飛速發展的背景下對環境造成了嚴重的污染，也對臭氧層造成了破壞，遙感FTIR技術的出現可以通過衛星監控，監測臭氧分布，便于進行臭氧空洞地帶的污染治理[5]。

五、遙感FTIR在大氣環境的監測中的應用新成果

在大氣環境的監測中遙感FTIR是重要的監測技術，該技術分辨率高，也因此在大氣環境中的監測過程中得到越來越多的應用，這種技術已經被證實可以感測出熱氣體放射源發出的紅外輻射，并且這種及時可以簡化大氣監測樣品預處理環節，并且在背景信息不完善的情況下分析大氣污染物的溫度差異，最終實現對數據的搜集。為了實現對遙感FTIR技術的熟練掌握，需要技術人員在大氣環境的監測過程中掌握該技術的解其工作原理、工作特點，并且對監測期間儀器響應函數的規律加以了解。儀器的響應函數在不同的實驗環境下也不同，主要的影響因素包括了校正時的黑體溫度、儀器接收信號。在實際應用中，通過紅外源可以達到遠距離的非接觸型遙測，還可以對燃燒火焰里的激發態分子的轉動或振動信息掌握，在不需要對樣品預處理的情況下就可以同時檢測多種燃燒產物，并且監測速度快、精度高，加之使用反射望遠鏡后可以遠距離遙感監測發電廠與化工廠等大型污染性企業排放的污染氣體。這些技術的發展都對我國大氣環境的科學發展起到了支持作用，有利于對大氣環境加以保護。

結束語：

綜上所述，遙感FTIR技術在我國環境污染監測中扮演了重要角色，這種技術可以遠距離、實時的分析易揮發與有毒的氣體，還可以用于大氣中氣溶膠含量、臭氧層的監測。該技術在我國的應用時間較短，還需要繼續加強研究，進而促進我國的環境保護工作開展和人類社會的可持續發展。

參考文獻：

[1]李明明.大氣環境監測中遙感技術的應用研究[J].中國新技術新產品，2020，22（17）：130-131.

[2]滕清松.淺談遙感技術在水環境和大氣環境監測中的應用研究進展[J].新農民，2020，11（24）：29.

[3]陳博明.遙感技術在生態環境監測及執法中的應用進展[J].礦冶工程，2020，40（4）：165-168，173.

[4]卜小東，郭輝，黃可京.熱紅外遙感在農田環境水分監測中的應用進展[J].江蘇農業科學，2020，48（20）：25-30.

[5]達鵬奎，張歡，張玉潔.基于衛星遙感和GIS技術的區域大氣污染監測研究[J].環境科學與管理，2020，45（2）：154-159.