馮鵬等

摘 要：遙感技術(shù)是如今環(huán)境污染監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)手段，借助遙感技術(shù)獲取環(huán)境污染地區(qū)的遙感影像，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理和目視解譯可以快速有效地得到觀(guān)測(cè)區(qū)的宏觀(guān)、快速、動(dòng)態(tài)更新的環(huán)境狀況。該文主要對(duì)遙感技術(shù)的原理及其在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的實(shí)例應(yīng)用分析進(jìn)行介紹，隨后簡(jiǎn)要介紹了遙感技術(shù)在我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后指出其存在的問(wèn)題，并對(duì)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的發(fā)展前景做了展望。

關(guān)鍵詞：遙感技術(shù) 水污染監(jiān)測(cè) 大氣污染監(jiān)測(cè) 地面污染監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0128-02

步入21世紀(jì)以來(lái)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)步入高速發(fā)展階段，由于經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的不合理在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中引發(fā)的一系列環(huán)境問(wèn)題也愈發(fā)突出，環(huán)境監(jiān)測(cè)是環(huán)境保護(hù)的重要手段。環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)是環(huán)境分析，伴隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感技術(shù)發(fā)展迅速，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，現(xiàn)已能測(cè)出水體的多種水質(zhì)參數(shù)，如泥沙含量等；能測(cè)定大氣濕度、氣溫、以及多種物質(zhì)的濃度分布，如NOx、PM2.5等；可調(diào)查土地利用情況、大型環(huán)境污染事故和區(qū)域生態(tài)情況等[1]。環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，遙感技術(shù)在水環(huán)境污染檢測(cè)、大氣環(huán)境污染檢測(cè)、地面污染及土地利用發(fā)展監(jiān)測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用[2]。

1 遙感技術(shù)

1.1 遙感技術(shù)的原理

遠(yuǎn)距離不直接接觸物體的遙感技術(shù)也可以識(shí)別、測(cè)量并分析目標(biāo)物質(zhì)，它利用的是物體反射或輻射電磁波的固有特性。遙感技術(shù)的分類(lèi)方式有按遙感平臺(tái)分類(lèi)和按傳感器的探測(cè)波段分類(lèi)兩種：其中遙感平臺(tái)包括航空遙感（分為氣象衛(wèi)星遙感和陸地衛(wèi)星遙感）、航宇遙感、地面遙感、航天遙感。傳感器的探測(cè)波段包括多波段遙感、微波遙感（1mm～10m）、紅外遙感（0.76～1000um）、可見(jiàn)光遙感（0.38～0.76um）、紫外遙感（0.05～0.38um）。

與光學(xué)遙感相比較，微波遙感對(duì)地球覆蓋層的穿透能力較紅外波段強(qiáng)，其特點(diǎn)是能全天時(shí)和全天候觀(guān)測(cè)、含有幅度、特征信號(hào)豐富、極化和相位，其中全天時(shí)和全天候觀(guān)測(cè)能力是光學(xué)遙感不具備的。在不同的環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域可使用不同的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)[3]。

1.2 遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

遙感如今已深入到多種領(lǐng)域的應(yīng)用中，如漁業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、地理、海洋、氣象、水文、城鄉(xiāng)規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地球資源勘探、軍事偵察、土地管理、室內(nèi)測(cè)量、海洋、陸地、大氣信息的采集以至全球范圍的環(huán)境變化。遙感方法的選擇應(yīng)具有針對(duì)性?？刹捎媒t外、可見(jiàn)光遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)溫室效應(yīng)、大氣污染、固體廢棄物污染和水質(zhì)污染等；熱紅外遙感技術(shù)則通常用來(lái)監(jiān)測(cè)大范圍地表的溫度狀況；要想獲得某一地區(qū)的夜間資料或云雨較多地區(qū)的資料、或者某些目標(biāo)隱藏在林下、埋藏于地下則宜選用微波遙感，因?yàn)閺牟ㄩL(zhǎng)來(lái)分析，與紅外波相比，微波的波長(zhǎng)要長(zhǎng)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(duì)其基本上沒(méi)有限制。

2 遙感技術(shù)在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域

污染水與清潔水的反射光譜特征研究是水體遙感監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。總的來(lái)說(shuō)，清潔水吸收光的性能較強(qiáng)，這是因?yàn)榍鍧嵥哂休^低的反射率。故水體在一般遙感影像上表現(xiàn)為暗色色調(diào)?？梢圆捎靡运w光譜特性和水色為指標(biāo)的遙感技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。在污染物種類(lèi)繁多的江河湖海各種水體中，通常將其分為熱污染、富營(yíng)養(yǎng)化、海洋石油污染和固體漂浮物等幾種類(lèi)型，以方便使用遙感方法對(duì)各種水污染物進(jìn)行研究。

在富營(yíng)養(yǎng)化的水體中，其程度可通過(guò)葉綠素濃度來(lái)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(xiàn)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(lán)光而反射綠光。在可見(jiàn)光波段0.44Lm（藍(lán)光）和0.65Lm（紅光）處有兩個(gè)吸收帶，但在0.55Lm（綠光）附近有反射率為10%～20%的一個(gè)波峰。一般采用0.45～0.65Lm附近的光譜線(xiàn)段調(diào)查水體中懸浮物質(zhì)的數(shù)量及葉綠素含量[4]。

海洋環(huán)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(guò)一千多萬(wàn)噸的石油及其制品排入海洋，這對(duì)海洋生態(tài)來(lái)說(shuō)是嚴(yán)重的災(zāi)難。此外，附近大量的農(nóng)田化學(xué)肥料、城市生活廢水和工業(yè)污水也隨河流匯入海洋，擴(kuò)大了海洋污染范圍，惡化了生態(tài)環(huán)境，使環(huán)境質(zhì)量下降。應(yīng)用海洋遙感衛(wèi)星可以為海洋環(huán)保部門(mén)提供必需的資料和數(shù)據(jù)，因?yàn)檫b感能大范圍搜索石油污染和化學(xué)污染并估算污染的范圍及其擴(kuò)散情況，從而為海洋環(huán)保部門(mén)提供了必需的數(shù)據(jù)和資料[5]。

在對(duì)水體熱污染監(jiān)測(cè)中，熱紅外圖像能定量解譯并反映熱污染區(qū)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(diào)暗。熱紅外波段影像可以識(shí)別與周?chē)w有顯著溫差的熱污染水體。

2.2 大氣污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域

利用氣象衛(wèi)星，大氣遙感可以定期監(jiān)測(cè)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(shí)別的物理量如氣溶膠含量和各種有害氣體是影響大氣環(huán)境質(zhì)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(guò)遙感圖像可以直接分析出大氣氣溶膠的分布和光學(xué)厚度，而大氣污染的程度和性質(zhì)只能利用間接解譯標(biāo)志來(lái)推斷，這是因?yàn)橛泻怏w通常不能在遙感圖像上直接顯示出來(lái)。

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(guī)律和介質(zhì)的特性密切相關(guān)，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(jiān)測(cè)霧、霾、沙塵的特性，我們首先應(yīng)該了解他們?cè)谖锢硇再|(zhì)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(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，這主要是因?yàn)殪F是由靠近地面的水汽凝結(jié)或凝華形成的。因?yàn)橐簯B(tài)水或冰晶組成的霧的散射基本上不受波長(zhǎng)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(qū)與晴空區(qū)的界限。霾主要由各種污染物組成，如大量極細(xì)的塵、硫酸鹽、硝酸鹽、碳?xì)浠衔锏?，?xì)粒子氣溶膠污染是霾天氣的本質(zhì)。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(dá)到飽和狀態(tài)，由上述多種污染物形成的霾，包含大量的散射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光，所以在遙感圖像上霾主要是黃色或灰色，與霧相比，沒(méi)有明顯的日變化和顯著的與晴空區(qū)的界限。刮大風(fēng)時(shí)，地面的各種沙塵物質(zhì)被風(fēng)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(nóng)田以及中亞沙漠是導(dǎo)致中國(guó)沙塵性天氣形成的主要沙塵來(lái)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(zhì)的主要物質(zhì)。由于沙塵天氣主要發(fā)生在水汽含量非常小、飽和狀態(tài)非常低的沙漠及附近的半干旱地區(qū)，所以沙塵粒子一般具有較長(zhǎng)的散射波長(zhǎng)，在遙感圖像上主要是黃色或深黃色。

大氣衛(wèi)星都攜有探測(cè)大氣反射、輻射的紅外通道，這使得氣象衛(wèi)星能夠?qū)F霾類(lèi)天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)這些探測(cè)，土壤、植被、水體等下墊面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射輻射和自身的發(fā)射輻射都能被遙感到。

2.3 地面污染和土地利用發(fā)展監(jiān)測(cè)領(lǐng)域

在污染區(qū)的作物與正常生長(zhǎng)區(qū)的作物相比，其生長(zhǎng)會(huì)發(fā)生特殊的變化從而具有不同的光譜表現(xiàn)并可利用間接解譯來(lái)確定地面污染。我們可以定期地監(jiān)測(cè)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(guī)則反射率較高使得其特別容易測(cè)定[7]。因此在城市規(guī)劃中，通過(guò)遙感圖像，各類(lèi)普遍問(wèn)題如都市擴(kuò)大的速度和規(guī)模等和各類(lèi)特殊問(wèn)題如隔熱不佳的建筑物的熱損失等都能被準(zhǔn)確地跟蹤并解決。此外，森林砍伐和牧場(chǎng)開(kāi)墾的速度和規(guī)模也可以用遙感來(lái)監(jiān)視[8]。

以城市熱島效應(yīng)為例，由于工業(yè)的發(fā)展，某些企業(yè)成為熱污染源，使得城市市中心的溫度大都高于郊區(qū)。地物的輻射溫度，如NOAA氣象衛(wèi)星AVHRR的第4、5通道、Landsat-TM的第6波段，先用熱紅外遙感測(cè)定，然后推算出地表溫度，進(jìn)而熱源就能根據(jù)熱效應(yīng)的差異而有效地被探測(cè)出。要想詳細(xì)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(lèi)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(shí)空分布、熱島成因、熱島強(qiáng)度等特征，首先利用光學(xué)技術(shù)或計(jì)算機(jī)對(duì)熱圖像進(jìn)行密度分割，然后對(duì)比幾個(gè)同步的實(shí)測(cè)溫度，畫(huà)出準(zhǔn)確的城市等溫線(xiàn)[9，10]。

3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和展望

目前，遙感技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用較少，大部分的遙感圖像仍需要從外國(guó)購(gòu)買(mǎi)。此外，中國(guó)的遙感圖像分析，現(xiàn)在只能達(dá)到定性階段或初步的定量階段，由于現(xiàn)在我國(guó)的國(guó)家環(huán)境遙感系統(tǒng)平臺(tái)不完善，不能共同享有各地的環(huán)境遙感數(shù)據(jù)和其它成果，遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展遲緩。中國(guó)雖是后來(lái)者，但是現(xiàn)在遙感技術(shù)發(fā)展迅速，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域逐步受到重視，應(yīng)用也更加廣泛，我國(guó)在這些方面也體現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)。我國(guó)通過(guò)遙感技術(shù)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，重視遙感技術(shù)與GIS和GPS系統(tǒng)的集成是其中一個(gè)最主要的特點(diǎn)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的遙感技術(shù)主要應(yīng)用在監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)排氣，小城鎮(zhèn)環(huán)境，大河流域水質(zhì)，礦區(qū)環(huán)境污染，各地區(qū)生態(tài)環(huán)境，內(nèi)陸湖泊水質(zhì)，森林火災(zāi)、海洋赤潮和沙塵暴等領(lǐng)域。

隨著不斷發(fā)展的遙感技術(shù)，以及國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的逐步提高，其在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展非常迅速，前景廣闊。通過(guò)強(qiáng)化3S技術(shù)和遙感定量監(jiān)測(cè)與GIS集成分析信息的系統(tǒng)建立，管理、查詢(xún)、分析遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警突發(fā)性環(huán)境污染事故等功能將會(huì)最終實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚衢霖，邵蕓.遙感技術(shù)在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2000，15（4）：246-251.

[2] 王橋，楊一鵬，黃家柱，等.環(huán)境遙感[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3] 孫家柄，舒寧，等.遙感原理方法和應(yīng)用[M].北京：測(cè)繪出版社，2003：411-417.

[4] 劉谞承，賀磊.水體富營(yíng)養(yǎng)化研究中遙感技術(shù)的應(yīng)用[J].科學(xué)，2014，66（5）：47-50.

[5] 胡佳臣，王迪峰.基于遙感的海洋溢油監(jiān)測(cè)方法[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2014（1）：68-73.

[6] 徐靜茹.遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2014（4）：97.

[7] 韓燕，崔玉民.淺談遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].阜陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（1）：42-45.

[8] 屈冉，王昌佐，劉慧明，等.緬甸與我國(guó)接壤地區(qū)森林砍伐遙感監(jiān)測(cè)分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2012（5）：98-102.

[9] 劉金梅，代愛(ài)妮.遙感影像在城市熱島效應(yīng)研究中的應(yīng)用[J].青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（3）：232-234.

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