浅述遥感技术在环境监测中的运用

2016-05-30杨凯宋梦洁陈晓婷

安徽农学通报 2016年13期

杨凯宋梦洁陈晓婷

摘要：随着中国经济的快速发展，环境问题变得愈发突出。传统的环境手工监测方法周期较长、监测范围局限、监测成本高等缺点越来越不适应目前的监测要求。遥感具有快速、连续、大范围、低成本监测的优势，在环境监测中的运用越来越广泛。该文从大气、水和生态环境3个方面对遥感环境监测进行阐述，并对其不足和发展前景进行了讨论。

关键词：遥感；环境监测；运用

中图分类号 TP79 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）13-0130-03

1 引言

随着我国经济和社会的快速发展，环境污染问题日益变得严重，突发性环境污染事故时有发生，环境监测为环境污染的管理决策提供重要数据依据，在环境治理发挥着不可替代的作用。传统的环境监测技术受制于自然条件和时空等因素的影响，具有一定的局限性[1]，仅依靠现有的监测台和传统监测技术无法满足宏观、动态、连续、及时的污染监测和预测要求。遥感的高时间、空间和光谱分辨率恰好能够适应当下的监测要求，伴随遥感技术的不断进步，其在环境监测领域的运用也运来越广泛。目前，遥感技术在环境领域主要运用在水环境遥感、大气环境遥感和生态环境遥感3个方面[2]。

2 遥感技术在大气环境监测中的运用

近年来，大气环境污染已成为公众关注的焦点，大气环境监测也显得越发重要。传统的大气监测主要以湿法电化学技术和抽气取样后的实验室分析为基础[3]，无法满足大范围的实时监测，遥感监测技术逐渐成为大气环境监测的理想工具。遥感技术在大气监测中的运用范围广泛，例如对大气中的O3、CO2、SO2等痕量气体成分分析，对大气气溶胶监测，大气PM2.5的监测以及部分有害气体的监测等[4]。本文简单介绍大气臭氧和气溶胶监测。

2.1 大气臭氧监测平流层臭氧分子在200～290nm以及600nm附近对太阳紫外辐射具有极强的吸收作用[5]，阻挡了强太阳紫外线到达地面，对地球生物圈起到保护作用；同时由于臭氧吸收太阳紫外辐射能量使平流层大气增温，对平流层的温度场合大气起决定性作用，对全球气候和环境变化具有重要影响[6-9]。近几十年来，卫星遥感技术的快速发展，国内外对臭氧的研究取得了丰硕的成果。徐晓斌[10]、张莹[11]利用TOR、TOMS、OMI等多源遥感数据，分析中国大陆上空臭氧多年变化特征，发现多年来臭氧浓度呈下降趋势，且具有明显的季节性特征；杜君平[12]等基于遥感OMI数据对中国臭氧总量的时空分布特征进行研究，得到中国臭氧总量呈现北高南低、东高西低，冬春高、夏秋低的特征。大气臭氧监测成为大气环境监测的一项重要内容，也是评价大气空气质量的一个重要参数。

2.2 大气气溶胶监测大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物（粒子直径0.001～100μm）的总称[13]。大气中的气溶胶主要来于自然过程和人为活动过程[14]，其对大气环境质量、人体健康以及全球气候的辐射平衡都有着重要的影响。大气气溶胶研究已成为国际学术界的研究热点。齐海等[15]利用CALIPSO星载激光雷达研究气溶胶光学厚度与青岛空气污染指数的相关性，发现通过激光卫星遥感气溶胶分层数据较柱状气溶胶光学厚度具有更高的相关性；施建中等[16]利用拉曼-瑞利-米氏激光雷达系统反演不同天气条件下的典型气溶胶消光轮廓线，发现多云或者污染天气气溶胶光学厚度明显偏大，同时气溶胶光学厚度还受到风向和风速的影响；陈辉等[17]利用MODIS资料研究京津地区不同季节气溶胶厚度，并由此获取近地面的PM2.5反演算法；盛莉等[18]利用环境卫星CCD结合红外数据，成功实现了大气气溶胶光学厚度的反演。卫星遥感技术在大气环境保护、监测和预测中具有不可替代的作用。

3 遥感技术在水环境监测中的运用

常规的水质监测是在被测水域设置大量监测点，通过人工取样实验室分析进行水质监测，其过程周期性较长且只能够获取监测断面的水质情况，无法实现快速、大范围、周期性的水质信息获取。遥感水质监测恰好能够弥补常规水质监测的不足。本文基于多光谱和高光谱2种光谱数据源对遥感水质监测进行简述。

3.1 基于多光谱技术的水质监测童晓华等[19]利用TM数据提取水质采样点光谱数据，并与实际监测数据建立数学模型，反演了太湖的水质分布情况，对太湖叶绿素的分布规律进行了探讨；张飞等[20]采用TM数据分析了阿克苏河-塔里木河断面水质污染状况，通过波段DN值和常规监测数据建立了能够反应水质状况的污染物监测模型。限于多光谱数据的局限性，通常在水质监测中利用实测数据与遥感数据之间建立相关数学模型，其缺点是通用性较差。

3.2 基于高光谱数据的水质监测与多光谱数据相比，高光谱数据具有波段多，光谱分辨率高的特点，能够有效的捕捉到水体光谱特征的细微变化[21]，高光谱遥感技术在水质监测中的运用越来越广泛。莫登奎等[22]、闻建光等[23]分别基于Hyperion高光谱数据对提取叶绿素a、悬浮物浓度的光谱特征进行分析，并建立了相应的反演估算模型；王婷等[24]基于对光谱反射率与水质参数的相关分析，提取水质参数的特征波长并建立估测模型，对鄱阳湖水体富营养化进行了研究。

水质污染是目前重要的环境问题之一，遥感技术在水质监测方面具有巨大的应用潜力。尤其是高光谱遥感技术的快速发展，使得更高精度的水质反演算法的实现成为可能。

4 遥感技术在生态环境监测中的应用

生态环境监测，就是利用遥感在时间和空间上对特定区域范围内生态系统组合体的类型、结构和功能及其组合要素等进行系统的测定和观测的长期动态监测[25]。生态监测必须进行长期的动态监测，才能够从大量的数据中揭示或预测其变化规律和趋势，其变化监测的周期较长[26]。长期以来，环境监测部门注重环境污染的监测，对生态宏观监测的重视不够[26]。我国生态环境起步晚，近年来随着遥感技术的快速发展和普及，生态监测发展迅速。邢诒等[27]基于遥感技术对深圳20a的城市景观生态变化进行研究，提出了一套完整的城市景观生态遥感监测技术方法。徐涵秋[28]基于遥感技术，提出了遥感生态指数，以达到对城市生态状况进行快速监测与评价。曹宇等[29]利用多项遥感植被指数对额济纳天然景观生态类型进行解译和分类，为增强植被指数在景观生态类型专题图方面的运用能力做出了有益的尝试。丁照东等[30]基于遥感像元二分模型理论，提出了海岛植被生态遥感评价指数，为海岛植被生态环境的动态监测以及趋势预测提供了一种新的思路。欧阳志云等[31]提出了一套基于中分辨率遥感数据的生态系统分类体系，探讨了以遥感数据为基础的区域生态系统构成分析方法与应用效果，可以支持更加深入的生态系统评估。

5 结语

基于遥感技术开展环境监测，是一种快速、高效、经济的办法，有助于突破传统手工监测的局限性，有效地提高环境监测的能力。随着我国卫星遥感技术的发展，其在环境监测领域的优势将进一步得到体现，运用前景将更加广阔。但是，遥感监测并不是全能的，依然有很多的污染因子基于各种原因无法通过遥感技术直接进行监测，环境遥感监测还不能够完全取代常规监测手段，在实际运用中，只有将手工监测与遥感监测相结合，整合其各自的优势，才能够更好地为环境监测、环境监管、环境保护服务。

参考文献

[1]陈文召，李光明，徐竟成，等.水环境遥感监测技术的应用[J].中国环境监测，2008，24（3）：6-10.

[2]王桥.卫星遥感技术在环境保护领域中应用的进展与挑战[J].中国环境监测，2009，25（4）：53-56.

[3]谢品华，刘文清，魏庆农.大气环境污染气体的光谱遥感监测技术[J].量子电子学报，2000，17（5）：385-393.

[4]程立刚，王艳姣，王耀庭.遥感技术在大气环境监测中的应用综述[J].中国环境监测，2005，21（5）：17-23.

[5]张兴赢，张鹏，方宗义，等.应用卫星遥感技术监测大气痕量气体的研究进展[J].气象，2007，33（7）：3-14.

[6] 石广玉.大气辐射学[M].北京：科学出版社，2007：27-43.

[7]盛裴轩，毛节泰，李建国，等.大气物理学[M].北京：北京大学出版社，2008：11-15.

[8]Staehelin J，Harris N R P，Appenzeller C，et al.Ozone trends：A review[J].Review of Geophysics，2001，39（2）：231-290.

[9]张艳，王维和，张兴赢.卫星遥感监测大气臭氧总量分布和变化[J].科技导报，2015，33（17）：23-29.

[10]徐晓斌，林伟立.卫星观测的中国地区1979-2005年对流层臭氧变化趋势[J].2010，6（2）：100-105.

[11]张莹，高玚，祝善友，等.近30a中国上空臭氧总量时空变化遥感监测分析[J].地球信息科学，2014，16（6）：971-978.