遙感技術在城市環境監測中的應用

王美香，孫代華，劉曉霞

（臨淄區生態環境技術服務中心，山東淄博 255400）

0 引言

城市是對自然環境進行有計劃改造與利用而創造出的生存環境，是人類聚居的場所，也是人們活動的中心。隨著社會的快速發展，城市經濟也得到了蓬勃發展，在這一過程中，城市自然環境發生了顯著改變，很多問題也隨之產生，目前城市環境問題已成為社會發展中面臨的重要問題之一。環境質量的相關數據具有很強的時效性，如果采用常規方式對城市環境實施監測，即使耗費巨大的人力、物力、財力，也可能無法完全獲得立體性的監測數據信息。但是，通過利用遙感技術就可以及時獲取準確的環境質量信息，充分體現了該技術的優越性，有效克服了傳統監測方式的缺陷，為環境管理、數據分析提供了支持。由此可以看出，合理運用遙感技術對于城市發展具有非常重要的意義。

1 我國城市發展及環境問題

目前我國正處于城市化快速發展的關鍵時期，隨著城市的快速發展，人們的生產生活獲得了極大的便利，但城市原有的自然環境也發生了巨大改變，城市環境大氣污染嚴重、人地矛盾日益突出、水資源匱乏、生物多樣性明顯減少等問題對人們造成了很大困擾，同時也不利于城市的進一步發展。因此，探索監測與治理城市環境的有效方法，推動城市的可持續發展，已成為目前人類急需解決的重要問題。

2 遙感技術概述

遙感技術是一項重要的監測技術，其利用傳感儀器對電磁波、遠距離信息等數據進行收集，通過處理、成像等一系列操作后，可以用于對地面景物的探測與識別（圖1為遙感的工作過程）。遙感技術具有監測范圍廣、速度快、宏觀性強、實時動態、成本低及精度高等優點，因此得到了廣泛應用。從環境監測角度來看，應用遙感技術可以監測出傳統監測手段無法發現的污染源，還能對指定區域進行跟蹤監測，并且在短時間內獲取準確、全面的數據，如污染源的位置、范圍及分布情況等，以便及時采取有效措施，其應用范圍越來越廣，體現出了實時便捷性的特點。

圖1 遙感的工作過程

3 遙感技術的應用

現階段遙感技術在城市環境監測中的應用主要體現在城市綠地遙感、城市熱島遙感、大氣環境遙感等方面。

3.1 城市綠地遙感的應用

綠地是整個城市生態系統中的一項重要內容，因此明確城市區域內的綠地情況可為城市綠地生態效益評估工作的開展提供參考依據。

同時，綠地在景觀功能與結構中也起到了重要作用，其布局與城市景觀結構直接相關，對城市環境與經濟文化發展有較大影響。分析城市綠地結構的合理性，可以為城市綠地景觀系統的建立提供重要依據，從而為高效協調城市景觀的構建奠定基礎。例如，以“快鳥”衛星圖像為信息源，根據景觀多樣性、廊道密度以及綠地景觀構成等指數，利用遙感與地理信息系統（geographic information system,GIS）技術對城市的空間格局進行分析，建立城市綠地信息專題數據庫，以景觀生態學理論為指導，對城市的綠地景觀格局進行分析，為城市綠地景觀結構的優化與創新提供依據[1]。圖2為MapGIS技術下的地下空間開發。

圖2 MapGIS技術下的地下空間開發

3.2 城市熱島遙感的應用

在區域溫度分布圖上，城市的溫度相比郊區明顯高一些，呈凸出的島狀，因此被稱為“城市熱島”。在對城市熱島進行研究時，一般會用到熱紅外遙感，縱觀其應用的整個過程，起初主要利用空間分辨率為1.1 km的熱紅外波段，之后，為了提升陸地亮度溫度反演精度，會剔除一些反演算法。由于以前所用衛星NOAA/AVHRR的地面空間分辨率比較低，其所獲數據只能用于宏觀熱島現象分析，且這些數據在微觀熱環境觀測中是無法使用的。Land sat TM熱紅外波段的空間分辨率較高，在城市熱島研究中可以充分展現其價值[2]。

3.2.1 基于溫度的熱島監測

基于溫度的熱島監測是城市熱島研究領域中最常用的方法和手段，按照溫度處理方法的不同還可以將其劃分為基于地表溫度、亮度溫度的監測方法。其中基于亮度溫度開展城市熱島研究，一般都會假設這樣一種情境，即城市區域的范圍是有限的，如果研究區域中的水汽情況基本一致，那么基本上可以忽略大氣對亮度溫度的影響[3]。但在傳導過程中地表輻射會受到大氣等多方面影響，衛星遙感觀測獲得的熱輻射強度已不是最原始的地表熱輻射強度，只能從一定程度上通過亮度溫度反映出熱場的相對分布情況，而采用亮度溫度直接開展城市熱島研究存在的局限性比較大。在反演溫度時，基于地表溫度的監測需要同時考慮到輻射、大氣等多方面的影響，但是城市下墊面的整體情況非常復雜，加上衛星過境時獲取數據存在很大困難，因此地表溫度精確反演困難重重?，F階段，一般可采用一些簡化方式來獲取地表溫度，例如，利用大氣參數和輻射率等指標來求出地表溫度[4]。

3.2.2 基于植被指數的熱島監測

在應用遙感技術時，植被指數可以作為信息反映的一項重要信息源，目前已經廣泛應用于對植被活力的定量、定性評價上。例如，采用TM、ETM+遙感數據對上海市的地表溫度進行反演，這樣既可以分析該市熱島擴展下的時空演變結構，同時通過分析結果還可以揭示出城市地表溫度、植被覆蓋之間的關系。又如，采用ETM+遙感影像對杭州市環境監測數據行處理，從而提取其地表亮度溫度、NDVI數據，并通過監督分類等方式，得到該市熱島強度、NDVI的定量關系模型，從而反映出其熱島效應、植被覆蓋指數之間的關系[5]。

3.3 城市大氣遙感的應用

大氣遙感主要采用遙感手段對大氣污染源的位置、分布狀況及空間濃度等進行監測，可以采用間接解譯標志進行研究，也就是說通過使用植物指示大氣環境的污染狀況，判斷城市的大氣環境質量。生長情況正常的植物葉片在紅外線下反射較強，彩色紅外相片上的色澤比較顯眼，如果受到污染，彩色紅外相片上的顏色就會比較暗，所以利用遙感監測結果即可對城市污染源與污染物的種類、排放強度、擴散分布等情況進行分析，同時借助環境監測站點資料數據，就可以獲得定量指標。借助彩色紅外遙感圖像、地物波譜測試數據以及少量常規監測數據，可以得到最基本的城市大氣環境質量數據，并且可以在其基礎上構建大氣污染評價模型[6]。

大氣遙感包括兩個方面的內容：①城市大氣污染監測。利用航空遙感監測獲得的資料，繪制出不同類型的大氣污染源分布圖，通過該分布圖，污染源可以得到有效展示，尤其是高能耗污染源的分布情況，并且人口密集區、商業區、交通擁堵分布狀況等都可以得到展現。采用航空多光譜技術，可對大氣污染中的主要污染物分布情況進行監測，從而對不同類別的城市大氣污染采取不同的處理措施[7]。②擴散規律研究。通過遙感技術可以為人們提供氣溶膠類物質的含量、分布等情況，按照熱紅外掃描圖像的分析情況，可進一步明確地面輻射溫度、熱島現象形成之間存在的關聯。

3.4 城市水體遙感的應用

無論是工業廢水還是生活污水，都會污染城區水體，被污染的水體顏色會有所變化，因此光譜反射特性也會隨之改變，在遙感圖像上，灰度值是污染最直觀的體現。例如，利用遙感技術對廣州珠江水環境進行質量檢測，結果顯示，TM數據圖像獲得的灰度值與該區域水質污染情況存在密切關聯，特別是TM可見光波段可以將水質污染情況正確反映出來。又如，利用NOAA/AVHRR氣象衛星對城市綠度、透明度與溫度等方面進行監測，可以識別出不同水體下水質的變化情況。采用遙感技術對城市水環境質量進行監測（具體流程如圖3所示），可以體現出該技術直觀、全面等特征，通過與一些常規水質自動監測站相結合，即可全面反映城市水環境的質量情況，有效彌補了常規監測的不足與弊端[8]。

圖3 水質監測流程

3.5 垃圾堆放與固體廢棄物遙感的應用

利用遙感技術還可以對固體廢物實施監測，即定期通過遙感圖像對固體廢物堆積情況進行監測，利用全球定位系統明確相應的空間位置，通過GIS圖像比較，明確固體廢物污染信息，根據城市產業布局、垃圾處理系統制定相應的管理方案，從而達到對固體廢物實施動態監測與管理的目的。根據光譜特性可以區分城市固體廢物的參量，分析參量、光譜之間的關系，合理選擇閾值，即可有效去除城市固體廢物不相關的像元，突出城市需要監管的固體廢物[9]。在統計分析過程中，監督與非監督分類法同樣適用于固體廢物分類處理之中，圖像的非監督分類可將假彩色合成圖像作為參考，去除城市固體廢物的無關類別，選取剩余圖像樣區實施統計，再開展監督分類，將空間地理信息加入圖像中，最終可獲得分類結果[10]。

4 結語

遙感技術在環境監測中的應用，充分體現了其經濟性、高效性、快速性等優勢，充分彌補了傳統監測的局限性，進一步提升了城市環境監測能力。但遙感監測也并非萬能，目前仍然有很多污染因子無法通過這項技術直接監測，因此遙感監測技術不能完全取代傳統的監測方法，只有將遙感監測技術與傳統監測方法結合起來，才能充分發揮其優勢，達到提高環境監測工作效率的目的。