遥感技术在环境污染监测中的应用Word文档下载推荐.docx

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测量中所

利用的电磁波的光谱范围很宽,从紫外、可见、红外

等光学领域一直扩展到微波、毫米波等无线电波的

领域。

大气遥感器分为主动式和被动式,主动方式中

有代表性的遥感器是激光雷达,被动式遥感器有微

波辐射计、热红外扫描仪等。

气溶胶是指悬浮在大气中的各种液态或固态微

粒,通常所指的烟、雾、尘等都是气溶胶。

气溶胶本身

是污染物,又是许多有毒、有害物质的携带者,它的

分布在一定程度上反映了大气污染的状况。

对于大

气污染,需定性或定量地发现大气中的有害物质,可

以用可调谐激光系统作主动探测,也可用多通道辐

射计探测,因为绝大部分空气污染分子的光谱都在2

～20μm的红外波段、这些光谱可用作吸收或辐射

测量。

测定气溶胶含量可采用多通道粒子计数器,它

能反映出大气中气溶胶的水平分布和垂直分布。

用遥感图像也可分析大气气溶胶的分布和含量。

有害气体通常指人为或自然条件下产生的二氧

化硫、氟化物、光化学烟雾等对生物有机体有毒害的

气体。

有害气体通常不能在遥感图像上直接显示出

来,只能利用间接解译标志—植物对有害气体的敏

感性来推断某地区大气污染的程度和性质。

除植物

的颜色以外,还可通过植物的形态、纹理和动态标志

加以综合判断。

对城市环境而言,城市热岛也是一种大气热污

染现象。

红外遥感图像能反映地物辐射温度的差异,

可为研究城市热岛提供依据。

根据不同时相的遥感

资料,还可研究城市热岛的日变化和年变化规律。

总

结城市热岛与下垫面性质的相关关系,可从城市规

划入手,制约那些形成城市热岛的因素,防止城市环

境的进一步恶化〔2〕。

对于地面污染,例如农田遭受污染之后,作物的

生长将起特殊变化,地下水的污染也会引起地面植

被的变化,与正常生长区的作物有不同的光谱表现。

多光谱成像仪能监测这些变化、从而圈定地面污染

分布范围,进一步对地面污染作出预防规划〔8〕。

4　国内发展现状

我国环境污染遥感监测技术发展和应用的主要

问题有:

①环境污染遥感监测系统和技术方法基本

上处于起步阶段。

虽然我国的遥感理论、技术和应用

发展很快,但与国外相比差距甚大,在环境污染监测

中的应用基本还没有开展起来,目前在全国范围内

基本上没有建立起环境遥感的监测体系与系统。

②

对于环境监测而言,传感器的技术性能要求较高,不

仅要求传感器能提供高分辨率的探测,而且要求具

有全天候、全天时、大范围、多谱段和灵敏度高的特

点,这样才能满足环境污染动态、实时、多样的监测

需求。

当前所用的高分辨率传感器基本上依靠进口,

在地面和飞机上测量化学成分的遥感技术还处于实

249第4期　　　　　　　　　　　谭衢霖等:

遥感技术在环境污染监测中的应用　　　　　　　　　　　　

射计监测技术

微波辐射计是一种无源微波遥感器。

它接收并

测量由地面目标产生的热辐射功率,以便掌握目标

在微波波段的特性,区分不同目标,并推导出目标的

某些参数。

辐射计观测的亮度温度用瑞利—金斯辐

射定律表示,通常它是地表的各种性质及途中的传

播媒介的影响的复合结果。

为此要从观测量中推算

出特定的物理量就要利用能够把消除各自影响的频

率极化组合起来的多通道辐射计。

微波辐射计可用来观测海面状态和大气状态,

如海面温度、海风、盐度、海冰、水蒸汽量、云层含水

量、降水强度、大气温度、风、臭氧、气溶胶、氧化氮等

（表2）。

表1　激光雷达可测量的大气物理量〔1〕

名称大气物理量测量量相互作用　　相互作用的大小

米氏光雷达气溶胶

瑞利光雷达空气分子

荧光光雷达气体密度

喇曼光雷达高密度气体密度

差分吸收光雷达气体密度

强度

米氏散射大

瑞利散射小

荧光散射中（有消光效果）

喇曼散射小

差分吸收中

表2　微波辐射计的主要使用频率和观测对象〔1〕

频率

（GHz）2.7附近18附近30附近55附近90附近115.27164.38237.15276.33

测量

对象

盐分浓度、土壤含

水量

雨、海面状态、海

冰、水蒸汽

海冰、水蒸汽、油

污染、云

大气温

度

云、油污染、

冰、雪COClOxO3NOx

3　遥感在环境监测中的应用

3.1　水环境污染遥感监测

对水体的遥感监测是以污染水与清洁水的反射

光谱特征研究为基础的〔8〕。

总的看来,清洁水体反射

率比较低,水体对光有较强的吸收性能,而较强的分

子散射性仅存在于光谱区较短的谱段上。

故在一般

遥感影像上,水体表现为暗色色调,在红外谱段上尤

其明显。

为了进行水质监测,可以采用以水体光谱特

性和水色为指标的遥感技术。

遥感监测视野开阔,对大面积范围里发生的水

体扩散过程容易通览全貌,观察出污染物的排放源、

扩散方向、影响范围及与清洁水混合稀释的特点。

从

而查明污染物的来龙去脉,为科学地布设地面水样

监测提供依据。

在江河湖海各种水体中,污染物种类

繁多。

为了便于遥感方法研究各种水污染,习惯上将

其分为泥沙污染、石油污染、废水污染、热污染和水

体富营养化等几种类型〔2〕。

（1）水体浑浊度分析

水中悬浮物微粒会对入射进水里的光发生散射

和反射,增大水体的反射率。

浑浊度不同的水体其光

谱衰减特性也不同,随着水的混浊度即悬浮物质数

量的增加,衰减系数增大,最容易透过的波段从

0.50μm附近向红色区移动。

随着浑浊水泥沙浓度的

增大和悬浮沙粒径的增大,水的反射率逐渐增高,其

峰值逐渐从蓝光移向绿光和黄绿光。

所以,定量监测

悬沙浓度的最佳波段为0.65～0.8μm之间,此外,

若采用蓝光波段反射率和绿光波段反射率的比值,

则可以判别两种水体浑浊度的大小〔9〕。

（2）石油污染监测

海上或港口的石油污染是一种常见的水体污

染。

遥感调查石油污染,不仅能发现已知污染区的范

围和估算污染石油的含量,而且可追踪污染源。

石油

与海水在光谱特性上存在许多差别,如油膜表面致

密、平滑,反射率较水体高,但发射率远低于水体等

等,因此,在若干光谱段都能将二者分开。

此外,根据

油膜与海水在微波波段的发射率差异,还可利用微

波辐射法测量二者亮度温度的差别,从而显示出海

面油污染分布的情况。

如前面所述,成像雷达技术也

是探测海洋石油污染的有力工具。

（3）城市污水监测

城市大量排放的工业废水和生活污水中带有大

量有机物,它们分解时耗去大量氧气,使污水发黑发

臭,当有机物严重污染时呈漆黑色,使水体的反射率

显著降低,在黑白像片上呈灰黑或黑色色调的条带。

使用红外传感器,能根据水中含有的染料、氢氧化合

物、酸类等物质的红外辐射光谱弄清楚水污染的状

况。

水体污染状况在彩红外像片上有很好的显示,不

248　　　　　　　　　　　　　　　遥　感　技　术　与　应　用　　　　　　　　　　　　　第15卷

境变化监测中一种主要的技术手

段。

国际上相继提出了一系列的全球环境遥感监测

计划,其中主要有美国宇航局（NASA）的对地观测

计划（EOS）、欧空局的对地观测计划和日本的对地

观测计划等〔3〕。

这些计划将极大地推动环境遥感技

术的实用化和遥感技术的发展。

2.1　光学遥感监测技术

包括如下几种:

①可见光、反射红外遥感技术:

用可见光和反射红外遥感器进行物体识别和分析的

原理是基于每一物体的光谱反射率不同来获得有关

目标物的信息。

该类技术可以监测大气污染、温室效

应、水质污染、固体废弃物污染、热污染等,是比较成

熟的遥感技术,目前国际上的商业和非商业卫星遥

感器多属此类。

该类遥感技术用于环境污染监测,目

前主要是要提高传感器多个谱段信息源的复合,发

展图像处理技术和信息提取方法,提高识别污染物

的能力。

重点发展其在大气污染、温室效应、水质污

染、固体废弃物污染、热污染等监测中的应用。

②热

红外遥感技术:

在热红外遥感中,所观测的电磁波的

辐射源是目标物,采用波长范围为8～14μm。

热红

外遥感主要探测目标物的辐射特性（发射率和温

度）。

利用热红外遥感技术可以在短时间内重复观测

大范围地表的温度分布状况,这种观测是以“一切物

体辐射与其本身温度和种类相对应的电磁波”为基

础的。

③高光谱遥感技术:

高光谱遥感技术的发展是

人类在对地观测方面所取得的重大技术突破之一,

是当前乃至下一世纪的遥感前沿技术。

高光谱遥感

数据的特点是波段多、高光谱分辨率、高空间分辨

率,它将传统的图像维与光谱维信息融合为一体,在

获取地表空间图像的同时,得到每个地物的连续光

谱信息,从而实现依据地物光谱特征的地物成份信

息反演及地物识别,因此可以在不同的环境污染物

监测中发挥主要作用。

进入20世纪90年代后期,伴

随着高光谱遥感应用的一系列基本问题,如高光谱

成像信息的定标和定量化、成像光谱图像信息可视

化及多维表达、图像—光谱变换、大数据量信息处理

等的解决,高光谱遥感已由实验研究阶段逐步转向

实用阶段。

在该项技术中,通过建立不同污染物的光

谱数据库,开展光谱数据处理和光谱匹配技术,建立

污染物光谱识别模型,从而发展成像光谱环境污染

监测技术系统。

2.2　微波遥感监测技术

微波遥感与光学遥感相比较,它除了具有光学

遥感不具备的全天候和全天时观测能力外,它的特

征信号丰富,含有幅度、相位和极化等多种信息,它

对地球覆盖层的穿透能力也较红外波段强〔4〕。

微波

在传播途径中,由于媒介质的不连续性、不均匀性、

各向异性以及耗损等因素,将在遥感目标区产生反

射、散射、透射、吸收和辐射等各种现象。

目标与散射

电磁波的相互作用,使电磁波产生空间、时间、幅度、

频率、相位和极化等参数的调制,从而使回波载有信

息,通过标定和信号处理技术,把这些信息变换成各

种特征信号,例如散射系数、极化系数、相对相位量、

发射率、表观温度、亮度温度、多普勒频谱、功率谱、

角谱,以及时域统计的各阶矩等〔5〕。

通过建立半经验

公式或数学模型,在特征信号与被测目标的物理量

之间建立起严格的对应关系,从而推知遥感目标的

物理特性和运动特性,达到辨认目标和识别目标的

目的。

（1）成像雷达技术

该技术是是一种主动微波遥感技术,具有不受

天气状况影响的全天时、全天候成像能力和对地物

表面粗糙度状况精细的探测能力,在海洋石油污染

监督中发挥着重要作用〔6〕。

在海洋污染中,油井溢

油、船舶海上事故等带来的海洋石油污染居各类海

洋污染事故的首位,在海洋表面风速不大（小于3～

4m/s）的情况下,分辨率很低（100m左右分辨率）

的雷达传感器就能有效地监测到油层厚度很薄的污

染物,因此成像雷达技术是探测海洋石油污染的有

力工具。

目前成像雷达技术已从单波段单极化向多

波段、多极化和极化干涉雷达技术发展,有望在环境

污染监测中进一步拓展领域和提高监测技术水平,

但尚需在信息提取和处理方面进一步开展研究〔7〕。

（2）激光雷达遥感技术

通过发射光波,从其散射光、反射光的返回时间

及强度、频率偏移、偏光状态的变化等测量目标的距

离及密度、速度、形状等物理性质的方法及装置叫光

波雷达。

由于实际上使用的几乎都是激光,所以又叫

激光雷达,简称光雷达。

激光雷达是主动型微波遥感器的一种,它主要

用于测量大气的状态及大气污染,平流层物质等大

气中物质的物理性质及其空间分布等（表1）。

根据

它测量的种类及目标的不同,可分为多种类型,如米

氏光雷达、瑞利光雷达、荧光雷达、喇曼光雷达、差分

光吸收雷达、多普勒光雷达等。

在环境污染监测中,

激光雷达技术不仅能探测大气污染中的各种成分,

而且能监测大气中臭氧的分布和水体中的石油污染

或植物的叶绿素含量等。

247第4期　　　　　　　　　　　谭衢霖等:

07-31

作者简介:

谭衢霖（1975-）男,博士生,主要研究方向为干涉雷达、环境遥感及GIS应用。

谭衢霖,邵　芸

（中国科学院遥感应用研究所,遥感信息科学开放研究实验室　北京　100101）

摘要:

环境污染遥感监测技术具有监测范围广、速度快、成本低,且便于进行长期的动态监测等优

点,是实现宏观、快速、连续、动态地监测环境污染的有效高新技术手段。

介绍了应用于环境污染监

测的可见光、反射红外遥感技术、热红外遥感技术、高光谱技术以及微波遥感监测技术,并着重阐述

了遥感监测技术在水环境污染、大气环境污染中的应用。

最后,指出了我国环境污染遥感监测技术

存在的问题和发展趋势,建议尽快发展我国的环境污染遥感监测技术,以满足我国环境污染监测的

需要。

关　键　词:

环境污染;

遥感监测;

水污染;

大气污染

中图分类号:

TP79　　文献标识码:

A　　文章编号:

1004-0323（2000）04-0246-06

1　概　述

随着我国经济的高速发展,环境污染和生态破

坏日益严重,突发性环境污染事故也时有发生。

环境

监测作为环境管理和污染控制的主要手段之一,正

在发挥不可替代的作用。

但是,由于我国面积辽阔,

地面环境监测网点分散,仅依靠现有的监测台站和

传统监测技术方法不能满足连续、动态、宏观、快速

监测环境污染的要求,也满足不了及时、准确地做出

环境质量报告和污染预报的要求。

因此,日益恶化的

环境迫切需要实时、快速、宏观、准确的监测技术,以

便更加全面准确地反映环境污染对生态系统和人体

健康的影响。

近年来国内外大量实践表明,遥感技术

是获取环境信息的强有力手段,是实现这一目的的

极其有效的技术。

运用遥感技术监测环境污染及生

态环境状况,正确评价环境质量,寻求改善生态环境

的途径和措施,具有重要的意义。

遥感技术具有监测范围广、速度快、成本低,且

便于进行长期的动态监测等优势,还能发现用常规

方法往往难以揭示的污染源及其扩散的状态,因此

遥感技术正广泛地应用于监测水污染、大气污染等

环境问题。

它不仅可以快速、实时、动态、省时省力地

监测大范围的环境变化和环境污染,具有其它常规

方法不可替代的优越性;

也可实时、快速跟踪和监测

突发环境污染事件的发生、发展,并及时制定处理措

施,减少污染造成的损失。

因此,发展我国的环境污

染遥感监测技术,建立重大环境事故的预报、预警和

应急响应系统,对保护我国环境及发展经济都具有

重要作用,能产生巨大的社会、经济和环境效益。

2　环境污染遥感监测技术

遥感技术是一种利用物体反射或辐射电磁波的

固有特性,远距离不直接接触物体而识别、测量并分

析目标物性质的技术〔1〕。

根据所利用的波段,遥感监

测技术主要分为可见光、反射红外遥感技术,热红外

遥感技术,微波遥感技术三种类型。

当前,遥感的应

用已深入到农业、林业、渔业、地理、地质、海洋、水

文、气象、环境监测、地球资源勘探、城乡规划、土地

管理、和军事侦察等诸多领域,从室内的工业测量到

大范围的陆地、海洋、大气信息的采集以至全球范围

的环境变化的监测。

遥感技术在环境污染监测中的应用发展很快,

现在已可测出水体的叶绿素含量、泥沙含量、水温、

水色;

可测定大气气温、湿度、CO、NOx、CO2、O3、

ClOx、CH4等主要污染物的浓度分布;

可测定固体

废弃物的堆放量、分布及其影响范围等,还可对环境

污染事故进行遥感跟踪调查,预报事故发生点、污染

面积、扩散程度及方向,估算污染造成的损失并提出

相应的对策〔2〕。

近几年来,随着全球环境问题日益突

出,具有全球覆盖、快速、多光谱、大信息量的遥感技

验室的摸索阶段,而在环境污染监测中的应用基本

空白。

③遥感信息源缺乏。

目前我国尚未发射自己的

环境污染监测遥感卫星,遥感信息源主要来自于国

外的相关卫星资料。

同时国际上用于环境监测的遥

感商业卫星寥寥无几,从而客观上制约了我国环境

遥感监测技术和应用水平的发展。

④新型遥感技术

在环境污染监测上应用的理论和方法有待探索和发

展,缺少环境污染遥感监测体系与系统。

5　结论与展望

目前,遥感技术正从单一遥感资料的分析,向多

时相、多数据源（包括非遥感资料数据）的信息复合

与综合分析过渡;

从资源环境静态分布研究,向动态

过程监测过渡;

从动态监测,向预测、预报过渡;

从定

性调查、系列制图,向计算机辅助的数字处理、定量

自动制图过渡;

从对各种事物的表面性的描述,向内

在规律分析、定量化分析过渡〔2〕。

就环境污染遥感监

测技术而言,有待于在以下几方面加强研究:

（1）利用环境污染遥感监测技术,建立突发性

环境污染事故的实时监测和预警系统。

通过集成多

种遥感传感器,并结合地面环境监测网站的监测数

据,进行多环境参数的自动监测,并实时监测各种指

标的时空变化趋势,以便在某些指标刚刚接近警戒

线时预报可能出现的危机,确定环境污染事故所在

的空间位置,并提供其空间影响范围的模拟和模型

方法,为突发性事故管理决策提供信息,实现连续、

自动监测和总量控制。

如利用环境污染遥感监测技

术,通过建立城市大气环境质量预测预报系统,可以

对城市大气环境质量状况进行预报,并对可能发生

的大气污染事件提出预警。

（2）高性能传感器的研制。

重点发展能够选择

监测某种或某类优先污染物（如氯苯和硝基苯等）浓

度的遥感器。

（3）研制环境污染物的定量遥感监测技术。

如

利用水面反射光谱测量与水质参数进行回归分析,

建立某一谱段上光谱反射率与某些水质参数的函数

关系式。

一般来说,水质参数中的透明度、固体悬浮

物浓度、叶绿素含量和水面混浊度与光谱反射率或

卫星影像的密度值之间往往存在比较明显的对应关

系。

（4）将环境污染遥感监测技术与GIS（地理信息

系统）、GPS（全球定位系统）、ES（专家系统）技术集

成。

利用环境污染遥感监测集成系统,可以大大提高

环境监测的科学性、合理性及智能化程度,从而大大

扩展环境监测的应用范围。

集成技术应用于环境污

染遥感监测中的优越性具体体现如下:

遥感监测技

术为集成系统提供正确、迅速、宏观的环境污染监测

数据,GIS可利用其强大的空间信息管理功能,建立

各类有毒、有害、易燃、易爆物质的理化特性数据库,

有关自然、经济、社会、生态环境数据库和图形库及

模型库,同时可结合地面监测数据,经由GPS提供

的精确位置信息,在ES技术支持下对监测数据进行

有效的管理、分析和计算并将综合数据以直观、形象

的图形化方式输出或显示出来,从而使环境管理者

迅速了解和掌握各类突发事故的多发地带、发生频

率、潜在事故发生源的时空分布、事故发生后污染物

的影响范围及时空变化,更好地实现事故的预防、应

急处置和灾后恢复。

当前,我国环境污染遥感监测技术应依托我国

的对地观测技术和对地观测系统的发展计划,同时

充分利用国际上资源环境卫星系统,开展广泛的国

际合作和交流,大力发展我国的环境污染遥感监测

技术,并充分利用现有的环境监测网点和常规监测

方法,采用遥感技术与地面监测相结合的方法,建立

我国的环境污染遥感监测系统。

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250　　　　　　　　　　　　　　　遥　感　技　术　与　应　用　　　　　　　　　　　　　第15卷