遙感在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用——遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、遙感在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用 遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用摘要：簡要說明了遙感技術(shù)應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的原理，從不同大氣污染物的角度介紹了近年來遙感技術(shù)在國內(nèi)外大氣污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展。最后，對(duì)我國大氣環(huán)境遙感研究中存在問題和發(fā)展前景進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：遙感技術(shù)；大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)；應(yīng)用Application of Remote Sensing in Environmental ScienceApplication of Remote Sensing Technology in Atmospheric environmental MonitoringAbstract： The physical princ

2、iples of remote sensing technology application was briefly described， and the progress of application of remote sensing technology in atmosphere monitoring in recent years from the perspective of different ambient pollutants was introduced. At last，the future developing direction of the atmospheric

3、remote sensing in China and the existing defect of atmospheric remote sensing monitoring technology were discussed，Key words： remote sensing technology; atmospheric environmental monitoring; application隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，大氣環(huán)境問題已日益嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅人們的健康，抑制經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。對(duì)區(qū)域性的大氣環(huán)境質(zhì)量狀況采用常規(guī)的地面監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果，且還需要投入大量的人員、設(shè)備和

4、資金。而遙感技術(shù)具有速度快、成本低、監(jiān)測(cè)范圍廣等特點(diǎn)，能進(jìn)行長期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。遙感技術(shù)不僅能對(duì)大范陶的大氣環(huán)境變化和大氣環(huán)境污染進(jìn)行快速、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、省時(shí)省力地監(jiān)測(cè)，還可以對(duì)突發(fā)性大氣環(huán)境污染事件的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速跟蹤和監(jiān)測(cè)，從而能及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施，使大氣污染造成的損失大大減少，因此，遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在大氣環(huán)境管理和大氣污染控制中發(fā)揮著重要的作用1。1遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的原理物理學(xué)研究證實(shí)，凡是高于絕對(duì)溫度0 K（-273 ）的物體自身都會(huì)發(fā)射電磁波，照射到地面的太陽輻射能與地物相互作用也可產(chǎn)生反射、吸收和投射3 種效應(yīng)。地物反射率會(huì)受到傳感器位置、氣候、地面濕度、大氣狀況等

5、諸多因素的影響。不同地物因結(jié)構(gòu)和成分不同，其反射光譜特性也不同。遙感技術(shù)就是運(yùn)用對(duì)物體反射或輻射的電磁波敏感的器件，捕捉遠(yuǎn)方電磁波信號(hào)并成像，以感知、識(shí)別、測(cè)量并分析目標(biāo)物的各種性質(zhì)特點(diǎn)。大氣傳感器可以監(jiān)測(cè)大氣中的O3 、CO2 、SO2 、CH4 及氣溶膠、有害氣體的三維分布。這些物理量通常不可能用遙感手段直接識(shí)別。但是，由于水汽、CO2 、O3 、CH4 等微量氣體成分具有各自分子所固有的輻射和吸收光譜，可以通過測(cè)量大氣的散射、吸收及輻射的光譜而從中識(shí)別出來2，3 。應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的電磁波譜主要是近紫外線到紅外線范圍( 0. 4 25m) ， 以及微波范圍( 10 200 GHZ) 。

6、按照所利用電磁波輻射源的不同，可將大氣遙感技術(shù)分為被動(dòng)式遙感技術(shù)和主動(dòng)式遙感技術(shù)4 。根據(jù)遙感平臺(tái)的不同，大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)又可分為空基遙感和地基遙感 。2監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境的遙感技術(shù)地球觀測(cè)衛(wèi)星是利用遙感技術(shù)進(jìn)行大氣環(huán)境觀測(cè)的。用于大氣監(jiān)測(cè)的遙感技術(shù)種類較多，一般有相關(guān)光譜技術(shù)5、激光雷達(dá)技術(shù)及熱紅外掃描技術(shù)等。2. 1 相關(guān)光譜技術(shù)相關(guān)光譜技術(shù)基于光的吸收原理， 受監(jiān)測(cè)氣體選擇吸收特定波長的光后， 按光強(qiáng)衰減程度來推算對(duì)象氣體物的濃度。在測(cè)定過程中配合相關(guān)技術(shù)可以排除非對(duì)象組分的干擾。相關(guān)光譜系統(tǒng)采用的吸收光限于紫外光和可見光。在遙測(cè)中， 需在自然光充分的條件下， 利用地表之上漫射光所匯聚的光源。

7、在相關(guān)技術(shù)中使用二二成對(duì)的吸收光， 每對(duì)吸收光是鄰近波長的， 且所選定的波長要使它們通過監(jiān)測(cè)對(duì)象時(shí)分別發(fā)生強(qiáng)吸收和弱吸收， 這樣有利于提高監(jiān)測(cè)的靈敏度。相關(guān)光譜系統(tǒng)裝備在汽車或直升機(jī)上， 即可大范圍遙測(cè)大氣污染物及其分布的情況。相關(guān)光譜技術(shù)的實(shí)用對(duì)象目前還只限于NO、NO2 SO2。監(jiān)測(cè)這3 種污染物組分的實(shí)際工作波長范圍分別是： NO 為195 230nm， NO2 為420450nm， SO2 為250 310nm。2. 2 激光雷達(dá)技術(shù)激光雷達(dá)是一種主動(dòng)遙感技術(shù)。因激光具有單色性好、高度方向性和能量集中等優(yōu)點(diǎn)， 使得根據(jù)激光原理制作的傳感器具有很高的靈敏度和良好的分辨率。故近期運(yùn)用激光對(duì)

8、大氣污染進(jìn)行遙感的技術(shù)發(fā)展很快。激光脈沖射入環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)象介質(zhì)后， 首先因發(fā)生散射作用而衰減。射向大氣的激光束遭遇氣態(tài)分子時(shí)， 可能發(fā)生雷利散射和拉曼散射。散射作用在大氣遙感中占有相當(dāng)重要地位， 主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)多是基于這種作用機(jī)制而建造的。紅外激光- 熒光遙感器可用于監(jiān)測(cè)大氣中NOX、CO、CO2、SO2、O3 等污染物及其濃度， 其監(jiān)測(cè)頻率在可見光至紫外光區(qū)域， 根據(jù)熒光波長和強(qiáng)度可分別作定性和定量監(jiān)測(cè)。應(yīng)用紫外激光- 熒光遙感儀可監(jiān)測(cè)大氣中HO 自由基濃度。3遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用3. 1 大氣氣溶膠監(jiān)測(cè)氣溶膠是指懸浮在大氣中的各種液態(tài)或固態(tài)微粒。氣溶膠粒子的來源很復(fù)雜，地球表面的巖石

9、和土壤風(fēng)化，海洋表面由于風(fēng)浪的作用使海水泡沫飛濺而形成的海鹽粒子，植物花粉、孢子，人類燃燒活動(dòng)和自然火災(zāi)(包括火山爆發(fā)，森林及農(nóng)田火災(zāi)) 以及工廠排放的氣體或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的液態(tài)或固態(tài)粒子等，構(gòu)成了來源廣泛而又復(fù)雜的大氣氣溶膠體系。氣溶膠本身是污染物，同時(shí)又是許多有毒、有害物質(zhì)的攜帶者，它的分布在一定程度上反映了大氣污染的狀況。在對(duì)氣溶膠的遙感監(jiān)測(cè)方面，高分辨率的衛(wèi)星遙感不但提供了監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠的可能性，而且可以利用遙感圖像分析大氣氣溶膠的分布和含量，甚至可在遙感圖像上直接確定污染物的位置和范圍，并根據(jù)他們的運(yùn)動(dòng)，發(fā)展規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。一般來說，氣溶膠質(zhì)量濃度在垂直方向呈指數(shù)分布，垂直方向

10、總積分質(zhì)量與地面濃度成近似的線性關(guān)系，而氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）與垂直方向總積分質(zhì)量一般也成近似線性關(guān)系5。在上海，采用高分辨率（1 km1 km）MODIS 數(shù)據(jù)反演出的AOD 與城市空氣污染指數(shù)（API）的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.86。這表明AOD 在相當(dāng)程度上可以被定量用于空氣質(zhì)量的評(píng)估，遙感數(shù)據(jù)可以定量用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，補(bǔ)充地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的不足。3.2大氣污染物監(jiān)測(cè)全球臭氧監(jiān)測(cè)儀(GOME)主要用于監(jiān)測(cè)O3 以及在對(duì)流層和平流層臭氧化學(xué)中具有重要影響的痕量氣體（如NO2、SO2 和一些鹵化物）的全球分布。利用Aura衛(wèi)星搭載的OMI 儀器觀測(cè)反演得到2008 年奧運(yùn)會(huì)期間華北地區(qū)的對(duì)流層NO2

11、 柱濃度7，發(fā)現(xiàn)在實(shí)施奧運(yùn)空氣質(zhì)量保障方案后，北京市NO2 柱濃度（101 015 分子/cm2）明顯低于周邊城市天津和唐山分子數(shù)為(1520)1 015 個(gè)/cm2，而20052007 年同期三城市濃度則大致相同，且在奧運(yùn)期間（2008 年78 月）下降了約40%，證明了實(shí)施相關(guān)大氣質(zhì)量保障方案有效。在農(nóng)村，秸稈焚燒會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量SO2。南京市某研究綜合利用了地面大氣污染監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感火點(diǎn)監(jiān)測(cè)和氣象監(jiān)測(cè)等資料，分析了南京及周邊地區(qū)與2008 年10 月底一次嚴(yán)重的空氣污染事件，發(fā)現(xiàn)SO2濃度在數(shù)小時(shí)之內(nèi)由低于0.05 mg/m3迅速上升至0.57 mg/m3，之后緩慢下降，且其他污染物

12、（NO2、CO、PM10）也有相同趨勢(shì)。通過進(jìn)一步的氣流軌跡分析得出，較低的邊界層高度、500 hPa 以下弱垂直速度、渦度和散度及逆溫層的存在等不利于污染物擴(kuò)散的天氣形勢(shì)和邊界層條件是此次污染的氣象學(xué)原因8。3. 3 災(zāi)害性大氣污染監(jiān)測(cè)災(zāi)害性大氣污染包括沙塵暴、有毒氣體泄露等。沙塵暴是大風(fēng)揚(yáng)起的地面沙塵，使空氣變渾濁、大氣水平能見度低于1 km、近地面大氣層中懸浮顆粒物急劇增加的一種自然現(xiàn)象。目前國外對(duì)沙塵暴的遙感監(jiān)測(cè)主要利用靜止氣象衛(wèi)星(GMS/VISSR)和極軌氣象衛(wèi)星(NOAA/AVHRR )兩大衛(wèi)星遙感系列數(shù)據(jù)。近年來，不同研究分別利用NOAA/AVHRR 和MODIS數(shù)據(jù)分析內(nèi)蒙古

13、沙塵暴的波譜特點(diǎn)，有效地區(qū)分了沙塵區(qū)與其他地物，監(jiān)測(cè)沙塵暴的影響范圍及濃度分布，繪制分布圖像，得到了很好的效果9-11。3.4城市熱島監(jiān)測(cè)城市熱島是指城市氣溫高于郊區(qū)的現(xiàn)象，是一種大氣熱污染現(xiàn)象。城市熱島的遙感研究主要是通過對(duì)城市下墊面的熱紅外遙感來進(jìn)行。目前對(duì)城市熱島的監(jiān)測(cè)主要有基于溫度的熱島監(jiān)測(cè)方法和基于植被指數(shù)的熱島監(jiān)測(cè)方法?；跍囟鹊臒釐u監(jiān)測(cè)方法是最常用，也是最直接的方法。以TM 和ETM + 遙感數(shù)據(jù)來分析上海城市熱島擴(kuò)展的時(shí)空演變格局，通過相關(guān)分析和回歸分析能夠揭示出地表溫度與植被覆蓋具有強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)關(guān)系，植被分布面積的增加對(duì)城市熱島強(qiáng)度的降低具有非常積極的作用12。4結(jié)語作為全世

14、界范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的國家之一，我國的大氣污染問題已引起越來越多的關(guān)注。構(gòu)建并完善以常規(guī)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，遙感監(jiān)測(cè)為輔助的天地一體式環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，提高監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)水平，是一個(gè)值得探索的課題。目前，遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用仍存在監(jiān)測(cè)時(shí)間過短、獲取數(shù)據(jù)不具表性等缺陷，影響了研究結(jié)論的說服力。目前，遙感技術(shù)正從單一遙感資料的分析，向多時(shí)相、多數(shù)據(jù)源(包括非遙感數(shù)據(jù)資料數(shù)據(jù))的信息復(fù)合與綜合分析過渡。從對(duì)各種事物的表面性的描述，向內(nèi)在規(guī)律分析、定量化分析過渡，就大氣環(huán)境遙感而言，有待于在以下幾方面加強(qiáng)研究：(1)大氣環(huán)境遙感的定量化、集成化、系統(tǒng)化和全球化；(2)大氣環(huán)境的主動(dòng)和被動(dòng)式衛(wèi)星遙感

15、的一體化；(3)高光譜、高時(shí)間、高空間及多角度、多時(shí)相、多偏振等多種數(shù)據(jù)源的綜合應(yīng)用；(4)高性能傳感器的研制；（5）“4S”一體化，4S即環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)(RS) 與地理信息系統(tǒng)( GIS) 、全球定位系統(tǒng)( Geograp hic Information System ，GPS) 、專家系統(tǒng)( Expert System ， ES) 。隨著遙感監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的增多、衛(wèi)星分辨率的提高、數(shù)據(jù)共享程度的提高和數(shù)據(jù)處理與解釋的完善，遙感技術(shù)將逐漸成為大氣監(jiān)測(cè)乃至各種環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)的主要手段，發(fā)展和應(yīng)用環(huán)境遙感技術(shù)將會(huì)直接促進(jìn)環(huán)境保護(hù)工作的開展，并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。參考文獻(xiàn)： 1 吳忠勇、

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