遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 摘 要:環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)作為環(huán)境管理的重要手段,近年來(lái)得到格外重視。本文將遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用狀況做些介紹。并闡述遙感技術(shù)在大氣遙感監(jiān)測(cè)、水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)等方面的根本原理及應(yīng)用狀況。 關(guān)鍵詞:遙感技術(shù)污染環(huán)境監(jiān)測(cè) 中圖分類號(hào)： X32文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 1. 概述 提到環(huán)境,人們首先就會(huì)想到用化學(xué),生物和儀器等方法去監(jiān)測(cè)環(huán)境中的有害物質(zhì)的性質(zhì)及含量,隨著科學(xué)的開展遙感技術(shù)已經(jīng)成為環(huán)境監(jiān)測(cè)的有效手段。人類通過(guò)大量的實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)地球上每一個(gè)物體都在不停地吸收、發(fā)射和反射信息和能量,其中有一種人類已經(jīng)認(rèn)識(shí)到的形式一一電磁波,并且發(fā)現(xiàn)

2、不同物體的電磁波特性是不同的。遙感就是根據(jù)這個(gè)原理來(lái)探測(cè)地表物體對(duì)電磁波的反射和其發(fā)射的電磁波,從而提取這些物體的信息,完成遠(yuǎn)距離識(shí)別物體。遙感監(jiān)測(cè)就是用儀器對(duì)一段距離以外的目標(biāo)物或現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè),是一種不直接接觸目標(biāo)物或現(xiàn)象而能收集信息,對(duì)其進(jìn)行識(shí)別、分析、判斷的更高自動(dòng)化程度的監(jiān)測(cè)手段。它最重要的作用是不需要采樣而直接可以進(jìn)行區(qū)域性的跟蹤測(cè)量,快速進(jìn)行污染源的定點(diǎn)定位,污染范圍的核定、大氣生態(tài)效應(yīng)、污染物在水體、大氣中的分布、擴(kuò)散等變化,從而獲得全面的綜合信息。 2.遙感技術(shù) 2.1 遙感器分類 遙感器的分類主要分為三種:一是按工作光譜段分為可見光近紅外遙感器、熱紅外遙感器、微波遙感器；二是

3、按獲取數(shù)據(jù)性質(zhì)分為成像遙感器與非成像遙感器；三是按工作性質(zhì)分為主動(dòng)式遙感器與被動(dòng)式遙感器等。 2.2 遙感監(jiān)測(cè)技術(shù) 遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)和微波遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)兩大類。光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括可見光與紅外遙感技術(shù)、熱紅外遙感技術(shù)、高光譜遙感技術(shù)等;微波遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括成像雷達(dá)技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)、微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)技術(shù)等。與光學(xué)遙感相比擬,微波遙感除了具有光學(xué)遙感不具備的全天候和全天時(shí)觀測(cè)能力外,還具備特征信號(hào)豐富,含有幅度、相位和極化等多種特點(diǎn),它對(duì)地球覆蓋層的穿透能力也較紅外波段強(qiáng)。不同的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)適用于不同的環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,譚衢林曾有較為翔實(shí)的描述。 3. 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀 環(huán)境監(jiān)測(cè)

4、中的遙感技術(shù)應(yīng)用在我國(guó)開展較晚。目前,相當(dāng)局部的遙感圖像需要從國(guó)外購(gòu)置,遙感技術(shù)的應(yīng)用受到限制。同時(shí),在遙感圖像分析方面,中國(guó)還根本處于定性階段或初步的定量階段,至今我國(guó)尚未建立統(tǒng)一的國(guó)家環(huán)境遙感系統(tǒng)平臺(tái),使得各地環(huán)境遙感數(shù)據(jù)與其它成果難以共享,延緩了遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的開展。但是,中國(guó)也表達(dá)出了后來(lái)者的優(yōu)勢(shì),具體表現(xiàn)在遙感技術(shù)日益受到重視,開展迅速,在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛等方面。國(guó)內(nèi)應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè),一個(gè)重要的特點(diǎn)是注重遙感技術(shù)與GIS和GPS系統(tǒng)的集成。目前應(yīng)用領(lǐng)域包括:小城鎮(zhèn)環(huán)境監(jiān)測(cè),機(jī)動(dòng)車排氣監(jiān)測(cè),礦區(qū)環(huán)境污染監(jiān)測(cè),大河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè),內(nèi)陸湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè),各地區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè),海洋赤潮

5、監(jiān)測(cè),沙塵暴監(jiān)測(cè)和森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)等。 3. 1 遙感技術(shù)用于監(jiān)測(cè)海洋石油污染 海洋是人類生命之源,它為人類生存提供了巨大財(cái)富,如生物資源和礦產(chǎn)資源。但人類在利用、開發(fā)海洋的同時(shí),卻嚴(yán)重污染了海洋,使海洋生態(tài)惡化,環(huán)境質(zhì)量下降。在海洋的所有污染中,危害最大的當(dāng)屬石油污染.我國(guó)有18000km的海洋岸線和14000km的島嶼岸線以及3×106km2的管轄海域,對(duì)于如此廣袤的海洋領(lǐng)域,用常規(guī)的海監(jiān)船和海監(jiān)飛機(jī)只能對(duì)重點(diǎn)海域進(jìn)行污染監(jiān)測(cè),由于能力所限,難免發(fā)生遺漏。因而,科學(xué)家們嘗試使用氣象衛(wèi)星,資源衛(wèi)星等衛(wèi)星資料和常規(guī)調(diào)查相結(jié)合的方法對(duì)海洋石油污染的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究。對(duì)1990年渤海老鐵山水域

6、石油污染的研究結(jié)果說(shuō)明:通過(guò)對(duì)資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理,可以把油膜從海水背景中區(qū)分出來(lái),并能計(jì)算出各區(qū)的面積和油量:通過(guò)對(duì)污染發(fā)生后各天的氣象衛(wèi)星圖像的比照分析,可以確定油膜的漂移方向,計(jì)算出其擴(kuò)散速度和擴(kuò)散面積。從衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)看,此次污染范圍為1839.4km2,依法應(yīng)對(duì)事故責(zé)任者罰款3000萬(wàn)美元,可當(dāng)時(shí)由于證據(jù)缺乏,僅罰款300萬(wàn)美元。由此可見,應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)海洋石油污染是可行的,可以發(fā)揮其大范圍、實(shí)時(shí)、同步和連續(xù)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn),以最少的投資,發(fā)揮最大的作用,為保護(hù)海洋環(huán)境提供依據(jù),增強(qiáng)執(zhí)法力度。利用遙感手段對(duì)湖泊(海洋)生態(tài)的監(jiān)測(cè)與研究,主要利用水體中的物質(zhì),特別是能進(jìn)行光合作用的飄浮

7、有機(jī)物質(zhì)(如浮游植物)、無(wú)機(jī)顆粒物與入射光相互作用而產(chǎn)生水色變化進(jìn)行工作。由于浮游植物中的葉綠素對(duì)藍(lán)光、紅光有較強(qiáng)的吸收作用,可用來(lái)推算水體中的葉綠素分布情況。此外,有機(jī)、無(wú)機(jī)顆粒物質(zhì)可吸收入射光,影響水體的透明度等。 3.2 遙感技術(shù)用于監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)和草場(chǎng)演化 火災(zāi)是森林災(zāi)害之首,嚴(yán)重危害著生態(tài)的平衡. 我國(guó)平均每年發(fā)生森林火災(zāi)15800多起,過(guò)火面積近90萬(wàn)公頃,占全國(guó)森林總覆蓋面積的0.8% ,給國(guó)家造成了巨大的損失。因而,防止森林火災(zāi)、減少林火損失是保護(hù)森林資源的當(dāng)務(wù)之急。將衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)等新技術(shù)相結(jié)合,可以根據(jù)氣候、可燃物積累和含水量、林木組成等預(yù)測(cè)火災(zāi)可能發(fā)生

8、的地區(qū)、時(shí)段和火災(zāi)等級(jí),以采取防范措施；在火災(zāi)發(fā)生時(shí),可監(jiān)測(cè)其過(guò)程和開展趨勢(shì),為及時(shí)消滅火災(zāi)提供第一手資料；在災(zāi)后,可以迅速查明損失,同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。例如,大興安嶺森林火災(zāi)發(fā)生的時(shí)候,由于著火的樹木溫度比沒(méi)有著火的樹木溫度高,它們?cè)陔姶挪ǖ臒峒t外波段會(huì)輻射出比沒(méi)有著火的樹木更多的能量,這樣,當(dāng)消防指揮官面對(duì)著熊熊烈火擔(dān)憂不已的時(shí)候,如果這時(shí)候正好有一個(gè)載著熱紅外波段傳感器的衛(wèi)星經(jīng)過(guò)大興安嶺上空,傳感器拍攝到大興安嶺周圍方圓上萬(wàn)平方公里的影像,因?yàn)橹鸬纳衷跓峒t外波段比沒(méi)著火的森林輻射更多的電磁能量,在影像著火的森林就會(huì)顯示出比沒(méi)有著火的森林更亮的淺色調(diào)。當(dāng)影像經(jīng)過(guò)處理,交到

9、消防指揮官手里時(shí),指揮官一看,圖像上發(fā)亮的范圍這么大,而消防隊(duì)員只是集中在一個(gè)很小的地點(diǎn)上,說(shuō)明火情逼人,必須馬上調(diào)遣更多的消防員到不同的地點(diǎn)參加滅火戰(zhàn)斗。草場(chǎng)資源是牧業(yè)的根底,也是影響生態(tài)平衡及自然環(huán)境質(zhì)量的重要因素,應(yīng)用衛(wèi)星遙感建立的草場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以監(jiān)測(cè)草場(chǎng)資源變化和草畜平衡狀況,并對(duì)火災(zāi)、雪災(zāi)、草場(chǎng)退化和沙化等草場(chǎng)災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估,從而指導(dǎo)合理開發(fā)、利用草場(chǎng)資源,維持生態(tài)平衡、保護(hù)自然環(huán)境。青海省衛(wèi)星遙感中心建立的氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)系統(tǒng),已能夠向青海省、州、縣各級(jí)政府,定期提供牧草返青期、青草產(chǎn)量、牧草黃枯期的遙感監(jiān)測(cè)信息,從而指導(dǎo)合理安排牧業(yè)生產(chǎn)。 3.3 遙感技術(shù)用于城市環(huán)境監(jiān)測(cè) 城

10、市環(huán)境與人們的生活、工作息息相關(guān),查明影響城市環(huán)境的因素,可有針對(duì)性地調(diào)整工業(yè)布局、城市結(jié)構(gòu),加強(qiáng)城市環(huán)境管理,從而降低環(huán)境污染,提高人們生活和工作的環(huán)境質(zhì)量。目前遙感技術(shù)在城市環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用主要表現(xiàn)在: (1) 城市土地利用分類及變化研究,主要是結(jié)合歷史用地狀況,現(xiàn)狀及未來(lái)用地規(guī)劃建立土地利用變化的調(diào)控和管理。 (2) 人口分布、工業(yè)分布格局、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變化的調(diào)查;利用遙感技術(shù)獲得的信息可以為政府部門的決策和管理提供依據(jù)。 3.4 遙感在水污染的監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用 3.4.1 水域分布變化和水體沼澤化 水體總體反射率較低,在波長(zhǎng)0.5-0.7微米處相對(duì)較高,0.7微米以后由于水體紅外光吸收嚴(yán)重

11、,反射率很低。對(duì)水域分布變化以選用1.55 -1.75微米的多時(shí)域影像為適宜。沼澤化在多時(shí)域圖象上反映為水體面積縮小,從水體向邊緣呈規(guī)律變化,顯示出程度不同的植被特征。 3.4.2 水體富營(yíng)養(yǎng)化 當(dāng)水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化時(shí),由于浮游植物中的葉綠素對(duì)近紅外光具有明顯的“陡坡效應(yīng),因此這種水體兼有水體和植物的光譜特征。在彩色紅外圖象上,呈現(xiàn)紅褐色或紫紅色。 3.4.3 廢水污染和水體熱污染 廢水由于水色與懸浮物性狀千差萬(wàn)別,特征曲線上的反射峰位置和強(qiáng)度也不大一樣。廢水污染一般用多光譜合成圖象進(jìn)行監(jiān)測(cè)。有的根據(jù)溫度的差異也可用熱紅外方法測(cè)定。熱污染大多是從工廠中排出的熱水造成的。它不僅危及水體中的生物,也

12、影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)。熱污染用熱紅外傳感器很容易探測(cè)到。其圖象可顯示出熱污染排放,流向和溫度分布的情形。對(duì)圖象進(jìn)行偽彩色密度的分割可繪制等溫線,測(cè)出水中溫度分布。 3.5 遙感在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用 3.5.1 臭氧層監(jiān)測(cè) 由于臭氧對(duì)0.3m以下的紫外區(qū)的電磁波吸收嚴(yán)重,因此可以用紫外波段來(lái)測(cè)定臭氧層的臭氧含量變化. 在2.74 毫米處有個(gè)吸收帶, 可以用頻率為11083MHz 的地面微波輻射計(jì)或用射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)測(cè)定臭氧在大氣中的垂直分布. 又由于大氣中臭氧含量高那么溫度高,又可以用紅外波段來(lái)探測(cè)。 3.5.2 大氣氣溶膠監(jiān)測(cè) 通常我們把大氣中的煙,霧,塵等歸屬于氣溶膠。大氣中的這些物質(zhì)一般由火山

13、爆發(fā),森林或草場(chǎng)火災(zāi),工業(yè)廢氣等產(chǎn)生,在遙感圖象上可直接確定污染物的位置和范圍,并根據(jù)他們的運(yùn)動(dòng),開展規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)報(bào)。由這些污染物形成的在低空漂浮的塵埃,可通過(guò)探測(cè)植物的受害程度來(lái)間接分析。 3.5.3 有害氣體的監(jiān)測(cè) 人為或自然條件下產(chǎn)生的SO2氟化物等對(duì)生物肌體有毒害的氣體,通常采用間接解譯標(biāo)志進(jìn)行,植被受污染后對(duì)紅外線的反射能力下降,其顏色,紋理及動(dòng)態(tài)標(biāo)志都不同于正常的植被,如在彩紅外圖象上顏色發(fā)暗,樹木郁閉度下降,植被個(gè)體物候異常等,利用這些特點(diǎn)就可以間接分析污染情況。 3.6 遙感在固體廢棄物監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用 目前,地面垃圾亂堆放造成的環(huán)境污染在我國(guó)各大城市乃至鄉(xiāng)村地帶隨處可見,“

14、垃圾圍城的現(xiàn)象已十分普遍。遙感監(jiān)測(cè)的內(nèi)容有:工業(yè)、生活垃圾的堆放狀況,堆放點(diǎn)的分布,堆放點(diǎn)的面積、數(shù)量等,優(yōu)化垃圾處理處置場(chǎng)。從空間分辨率上要求比擬高,到達(dá)3m10m的水平。 在固體廢棄物的監(jiān)測(cè)方面,利用遙感技術(shù)對(duì)我國(guó)多個(gè)城市的工業(yè)廢渣和生活垃圾及堆放地與污染狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè),如中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院在“八五期間采用遙感方法對(duì)北京市的垃圾堆放場(chǎng)作了監(jiān)測(cè)研究。 3.7 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè) 植物受酸沉降(S02氣體、酸雨)污染的結(jié)果是植物產(chǎn)生一系列的負(fù)生態(tài)效應(yīng),即在植物形態(tài)上表現(xiàn)為植物葉片失綠脫水、出現(xiàn)傷斑、植株長(zhǎng)勢(shì)減弱,致使其產(chǎn)品質(zhì)量下降等。在植物生理方面那么表現(xiàn)為植物體內(nèi)的物質(zhì)成分(如含硫量增大、葉綠素含

15、量)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生不良變化。眾所周知,植物葉片對(duì)可見光(0.38m0.76m)的反射能力主要取決于葉綠素。而在近紅外波段(0.76m1.0m),植物反射率主要受植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的控制。因此,受污染植物的上述生理變化,必然導(dǎo)致其葉片反射波譜特性的變化,也必然反映在其航空影像特征上。這是受污染植物受害狀況遙感監(jiān)測(cè)的理論依據(jù)所在。植物對(duì)近紅外波段電磁波具強(qiáng)反射,但遭受污染毒害的植物反射率卻迅速降低,因此植被近紅外波段反射率(PIR)的大小,在一定程度上反映了一個(gè)地區(qū)植被生態(tài)環(huán)境和污染的狀況。因此,使用彩色紅外航片,其近紅外波段(0.7m一0.9m)信息明顯地反映了工作區(qū)地表植被的分布及長(zhǎng)勢(shì)特征

16、。馬向平等在重慶市酸沉降污染造成的植被受狀況遙感監(jiān)測(cè)中,選取全區(qū)廣布、對(duì)酸沉降物反響極為敏感的黃桷樹為主要監(jiān)測(cè)植物,輔以抗酸沉降物毒害能力中等的另一種行道樹刺桐。對(duì)植物受二氧化硫污染發(fā)生的生物效應(yīng)進(jìn)行分析。研究說(shuō)明,重慶市植被遭受毒害較重的區(qū)域是大面積分布的居民區(qū)和大型污染源影響區(qū)。反映在遙感圖片上,隨著距上述源區(qū)距離增大,植物遭受污染毒害程度減輕。 4. 結(jié)論 由以上遙感技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用中可以看出,利用遙感技術(shù)開展環(huán)境監(jiān)測(cè)是一種快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、有效的方法。遙感技術(shù)的應(yīng)用,把我們的視野提高到了一個(gè)新的境界,充分利用遙感技術(shù)的各種優(yōu)勢(shì),進(jìn)行科學(xué)研究和其他成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用,是今后提高環(huán)境監(jiān)測(cè)工

17、作水平的開展方向,也是完成環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)的有效途徑。隨著我國(guó)衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)一步開展,我國(guó)的遙感應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步得到拓寬,遙感技術(shù)作為高新科技的先進(jìn)性也將進(jìn)一步得到表達(dá),應(yīng)用前景更加廣闊。硬件方面,一個(gè)重要的開展方向是研制能夠選擇性的監(jiān)測(cè)某種或某類環(huán)境污染物濃度的高性能遙感器。軟件方面,重點(diǎn)那么在于遙感圖像的定量分析,即建立遙感監(jiān)測(cè)圖像與環(huán)境污染物或環(huán)境其它參數(shù)的定量關(guān)系。在此根底上,強(qiáng)化3S技術(shù),建立遙感定量監(jiān)測(cè)與GIS集成分析信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理、查詢、分析以及對(duì)突發(fā)性環(huán)境污染事故實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的功能。這一新的技術(shù)將幫助人們突破傳統(tǒng)污染監(jiān)測(cè)方法的局限,提高環(huán)境保護(hù)和污染監(jiān)測(cè)能力

18、,為保護(hù)生態(tài)環(huán)境的平衡、提高人們生存環(huán)境的質(zhì)量作出奉獻(xiàn)。 參考文獻(xiàn): 【1】李樹楷.遙感時(shí)空信息集成技術(shù)及其應(yīng)用M.北京:科學(xué)出版社, 2003 【1】彭望綠.遙感概論M.普通高等學(xué)校教材.北京:高等教育出版社,2002 【2】孫家柄,舒寧等.遙感原理方法和應(yīng)用M.普通高等教育測(cè)繪類規(guī)劃教材.北京:測(cè)繪出版社,2003 【3】李紅清.遙感技術(shù)在水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用探求J.水利水電快報(bào).2003 【4】馬天、王玉杰.生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及其在我國(guó)的開展J.四川環(huán)境.2003 【5】江麗.遙感技術(shù)在資源調(diào)查及環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用J.海洋測(cè)繪.2003 【6】雷利卿等.遙感技術(shù)在礦區(qū)環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究J.環(huán)境監(jiān)測(cè),2002 【7】姚俊等.遙感技術(shù)在上海蘇州河水污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用J.影像技術(shù),2003 【8】張淵智等.外表水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)研究J.遙感技術(shù)與應(yīng)用,2000 【9】馬躍良等.珠江廣州河段水體污染的遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究J.重慶環(huán)境科學(xué),2003 10焦守莉.遙感技術(shù)用于監(jiān)測(cè)海水水質(zhì)J.北京測(cè)繪,1999 11汪小欽等.遙感在近岸海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用J .海洋環(huán)境科學(xué),2000 12王學(xué)軍等.應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)太湖水質(zhì)狀況J.環(huán)境科學(xué),2000 13馬向平等.重慶市酸沉降污染造成的植被受害狀況遙感監(jiān)測(cè)研究J.國(guó)土資源遙感,1997