遥感技术在现代环境监测与环境保护中的应用

薛井科

（菏泽市生态环境局成武县分局，山东 菏泽 274200）

当前，社会经济不断进步为科学技术的发展提供了良好的条件，各种现代信息技术手段日新月异。然而，随着生产力的提高，生态环境的监测与保护也面临着更加严峻的问题。环境保护是世界各国全面发展的基本前提之一，在实现经济增长和发展的同时，必须保护生物多样性与生态平衡。环境遥感技术能通过遥感技术提取的环境信息用于测绘和监测自然资源、环境和土地利用等，进一步提升对现代环境的监测与环境保护。

1 现代环境监测与环境保护概况

自然环境与社会经济的可持续发展和人类生存密切相关，自工业革命以来，人类对自然资源的使用强度不断增加，特别是过度开发资源导致环境恶化的情况越来越严重。例如，化石燃料的消费和森林资源的砍伐加速了全球气候变暖，并进一步导致生物物种以前所未有的速度灭绝。当环境所承受压力超过生态系统自身上限时，生态系统将逐渐衰弱和枯竭。中国仍处于快速发展阶段，自然环境正经历着重大的变化，遥感在环境监测和保护中发挥着重要作用。尽管近几十年来，很少有研究系统、全面地总结我国遥感环境监测的进展，许多机构还是开展了大量环境遥感工作，以监测生态状况和变化。例如，生态环境部卫星环境应用中心利用陆地卫星、MODIS等国际卫星数据和HJ-1A、高分1号、高分2号等卫星数据开展了大量相关工作[1]。

2 遥感技术原理及运用简介

2.1 遥感技术基本原理

遥感技术是一种利用卫星或飞行器从太空观测地球表面或大气层的技术。遥感使用电磁频谱的一部分或几个部分记录地球表面反射或发射的电磁能量，这意味着遥感技术可以在不与物体或区域直接接触的情况下获取有关地球表面物体或区域的信息。遥感图像的主要特征之一是其在电磁波谱中表示的波长区域，其中一些图像表示电磁光谱可见光和近红外区域的反射太阳辐射，另一些图像是对地球表面本身即热红外波长区域发射的能量的测量。

2.2 遥感技术运用领域与发展

遥感图像在土地利用、林业、城市规划、考古调查、军事观察和地貌测量、水质动态变化等方面有着广泛的应用。例如，遥感技术用于监测特定地区的天气模式。通过遥感技术采集的信息被用来预测一个地区的降雨模式，有助于跟踪区域降水变化。遥感技术已经发展到航空摄影和多光谱卫星成像，全球区域环境监测在很大程度上依赖遥感卫星和传感器，这些卫星和传感器能够迅速收集地球表面大量实体的空间和光谱信息。在电磁波谱的不同区域，地球和大气的辐射相互作用特征对于识别和表征地球和大气特征具有重要价值[2]。

3 遥感技术在现代环境监测与环境保护中的具体应用

3.1 大气环境监测

3.1.1 臭氧层监测

近年来，平流层臭氧层的破坏是地球大气中观测到的最明显的变化之一，这种现象在极地地区最为明显，尤其是在南极洲。减缓全球变暖作为《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》的部分内容，世界气象组织和气候变化专家委员会需对平流层臭氧和未来的气候变化进行评估报告。遥感技术可用于测量太阳光在紫外、可见和近红外波长范围内被地球大气层或表面反射和散射的情况。由于臭氧对0.3 μm以下的紫外区的电磁波吸收作用明显，因此可以用紫外波段测量臭氧含量变化。另外，由于臭氧层吸收太阳发出的紫外线而变暖，因此可以用红外线带进行检测。例如用10 μm左右的热红外探测器分别获取卫星上臭氧层的温度改变情况，并根据臭氧浓度与温度的相关性计算臭氧浓度的分布[3]。

3.1.2 大气气溶胶监测

气溶胶是空气中的悬浮颗粒，是烟雾的关键成分。这种烟雾会降低空气质量，对人类健康和环境有害。当吸入高浓度的气溶胶时，会导致上呼吸道疾病。同时气溶胶会降低环境能见度，导致交通事故发生。除了城市工业气溶胶来源外，火山灰喷发、沙尘暴、森林火灾和农田燃烧也会产生气溶胶。通过探测植物的受害程度来间接分析污染源的位置，或在降雪后探测雪层光谱变化。通过比较红外通道之间的信号差异（如亮度温度）以及其他光谱和空间变异性测试，尤其是灰尘和烟雾气溶胶，可以检测到气溶胶的存在。

3.1.3 城市热岛效应监测

热岛效应的产生是由于植被和郊区土壤被比热容更小的路面和建筑材料所取代，使得城市升温较快，造成了城市和周围非城市地区之间的温差。利用多种多样的遥感数据来评估所在地区不同生态气候区的城市热岛现象及其与城市空间结构和规模的关系。遥感地表温度提供了对城市热岛效应的大小和空间范围的充分表征，并允许比较大陆尺度上不同规模的城市地区热岛效应差异。根据指数研究热岛，学者们可以使用相关反演算法从遥感图像中获取城市地表温度，然后构建城市热岛比率指数和热场变化指数等指标来评估热岛强度。除此之外，还可以从多周期数据集中研究热环境的模式，从空间维度上分析城市岛屿的空间分布特征。利用遥感技术可以研究探索热岛的驱动机制。一方面，从热波段和大气参数中获取地表温度信息；另一方面，由光学波段得出土地利用和覆盖（工业用地、农田、林地）模式，对此进行相关分析，以此确定与热岛相关的重要因素。

3.2 水环境监测

3.2.1 海洋石油污染监测

对海洋环境造成的主要石油污染是工业废物、油轮事故、勘探和运输过程中船舶产生的石油。石油意外地泄漏到海洋中时会危害海洋生物，破坏海洋生态环境。遥感数据和技术在通过卫星和航空观测打击和探测石油污染方面发挥着重要作用。在石油污染灾难的紧急情况下，可以利用遥感数据探测石油污染的空间分布和大小，根据卫星图像生成的信息，快速执行应急计划。根据电磁光谱中，石油对不同波长的辐射有不同的响应和特征，可以通过不同的遥感应用来检测石油泄漏情况。紫外线技术可用于检测漏油，即使在薄层上也能显示出高反射率的紫外线辐射。此外，红外传感器在评估油膜厚度时很有价值，因为随着厚度的增加，厚油膜在红外图像中颜色更深，可以与薄的油膜区分开来。由于微波穿透大气层时损失很少，微波传感器受天气条件、云层、薄雾和昼夜的影响也很小，非常适用于石油污染监测。

3.2.2 水体热污染监测

热污染通常是由于工厂未将工业热水通过冷却池和冷却塔进行处理，直接将热水排放所造成的。这不仅危害动植物的生长，也对人们的生活造成影响。遥感技术是监测和评估沿海水域热污染的有效工具，它可以在沿海水域的环境管理中发挥重要作用，包括发电厂排放位置的选择。遥感技术为定量监测沿海水域热污染强度和反演提供了有效手段，水体热污染遥感结果可用于沿海水域的环境管理。红外扫描仪的应用可以显示热污染的排放、流动方向和温度分布。通过少量同步测得的水温，通过热图形成像色调的差异可以准确地绘制出水体的等温线，测量出水中的温度分布。

3.2.3 黑臭水体污染监测

河流和湖泊作为水资源和排水系统服务于城市人口，作为家庭、工业和农业水资源发挥着重要作用。然而，污水处理系统的建设往往跟不上过快的城市人口的增长迅速，导致城市河流受到可见和可闻的污染。近年来，许多发展中国家也遇到了城市河流污染的问题，河流污染最明显的表现是颜色变化，通常为黑色，通常伴有强烈的难闻气味。在监测分析中，利用遥感技术获取黑臭水体的总长度、总污染面积及相关水体污染程度，通过对遥感图像数据得到分析结果，对监测河段建立重点观测区域。从实践效果来看，通过分析黑臭河段水量、截流坝状况和水体破坏的原因，深入研究影响环境容量和加速污染物扩散过程的因素，表明了遥感技术在环境监测各个领域的可靠应用。在水体环境监测中，将遥感技术应用于叶绿素含量、水温等相关污染指标的监测，在很大范围内具有应用意义和价值。

3.3 其他环 境监测

3.3.1 矿区生态环境的遥感监测

矿产资源的大规模开发过程中会产生一系列的地质灾害和环境破坏，传统的监测方法需要现场采集大量的样本，获取实时信息时间较长。遥感技术在矿区生态环境监测与土壤生态环境领域中的监测和应用价值密切相关，如植被破坏、水土流失、地层破坏、矿化度变化等方面。随着矿产资源的有效利用和科学开发，在分析环境问题时，利用遥感技术的监测特点，从矿区宏观角度把握，通过动态监测快速，为矿区的生态准备与保护、生产决策和可持续发展提供信息化和技术开发的优势。通过测定植被中叶绿素和重金属含量，分析重金属对植物的生物学效应；对野外采集的植被光谱进行处理和分析；采用多元统计方法分析光谱特征，从而达到监测矿区生态环境破坏情况的目的。

3.3.2 土壤监测

土壤污染、退化和栖息地破坏等现状促使人们监测环境质量并制定更好的政策来保护环境。遥感技术可以获取土壤含水量、盐度、温度和其他参数的准确和瞬时信息，是一项重要工具。遥感技术具有高效、研究广泛的特点，使得其在土壤监测方面得到广泛应用，如：提高作物产量、固土保水、保护当地水资源不受径流影响、节约能源成本等。监测土壤存在状态为保护和了解当地和区域土地资源提供了重要信息。土壤是有机质、矿物质、气体、液体和有机物的多相态物质，可以作为植物生长的媒介，作为水的储存、供应和净化的介质，作为生物体的栖息地。在污染过程中，土壤成分的物理化学性质往往会改变，稳定性降低，其遥感光谱特征是组分物理化学性质的整体反应，因此可以利用类似现象通过遥感技术对土壤层进行针对性识别。土壤性质不仅可以由具体的参数（如地层渗透率、有机质丰度等）反映外，还能通过参考森林面积和土地利用类型等方法间接推测。尽管遥感技术已广泛应用于动态监测土地沙漠化、水土流失和盐渍化等情况，仍然需要进一步持续监控和验证。

4 环境污染的遥感监测技术应用

4.1 城市污染植物反射光谱特征分析

在过去几十年中，遥感工作的重点主要是自然环境。随着高分辨率图像和功能更强的技术的出现，在技术进步和社会需求的推动下，城市地区遥感日益成为地理空间技术的一个新领域，并在相关社会经济部门得到应用。近红外波长超出人类视觉的极限，然而，植物对近红外辐射的反应方式与对可见光辐射的反应方式大不相同。因此，遥感技术可较好地监测有毒气体对污染源周围树木和农作物危害的情况。通常，在环境良好的区域，不易检测到植被的污染，但其光谱反射率会发生显著变化，在遥感图像中的差异性体现为灰度。正常植物叶片红外反射强，树木影像较大，在彩色红外照片上颜色更加明亮；受污染叶片的叶绿素受破坏，对红外射线的反射能力降低，树木影像小，彩色红外照片的颜色变暗。

4.2 遥感图像水系特征分析

遥感图像上的水系特征表明了一定的地质构造特征，能反映水系的发育与地质地貌之间的关联。水系特征分析包括密度分析、对称性分析和水系图形分析。在新算法的帮助下，从遥感数据中提取有用的水文信息并用于水文和环境建模。这些水文参数有助于评价环境中水资源的性质，从而增加对不同水文过程的理解。例如，水系和线性构造与地震相关分析是近年来随着遥感和数学应用的发展而颇为引人注意的问题。从空间分布来看，强震区大多位于大型断裂带上（对应于一定的水系发育）。因此，分析水系和线性构造与地震的相关关系，对地震的预测有一定价值。在聚类的基础上，分析每一类型水系和断裂与已有地震的相关性，得到地震危险区预测图。

4.3 土壤水分遥感研究

土壤水分是连接地表和大气过程的关键水文状态参量，对土壤水分状态及其时空动态的详细了解对于作物生产避免水分胁迫、缓解过度灌溉造成的不利环境影响以及保护水资源至关重要。土壤水分遥感方法包括可见光-红外遥感监测、热红外遥感监测等。卫星和各种飞行器遥感使相关工作人员能够估算大规模土壤湿度，模拟陆地和大气之间的相互作用，以更高的精度模拟天气和气候。高分辨率土壤水分地图清晰地捕捉传感器位置的空间可变性，这些发现可与无人机系统观测结合应用，以协助农场规模的精确灌溉管理，提高种植系统的用水效率，并在世界缺水地区节约利用水资源。尽管在大规模土壤水分估算方面取得了重大进展，但基于微波观测的方法在较小规模（如农田）的适用性有限，因此不适合较为精确的灌溉管理。这要求开发和实施适用于现场规模土壤水分监测和测绘的高分辨率遥感技术。

4.4 遥感环境监测信息处理与地理信息系统

遥感技术提供了一个关于环境监测的持续不断的信息源，而地理信息系统（GIS）是处理所有这些地理数据的一种方法。作为一门远距离获取信息的科学，遥感利用从飞机或卫星获取的图像提取关于地球陆地和水面等环境的空间明确属性。然后，这些属性可以与表示景观特征（例如，地形、土壤、道路等）的辅助地理信息数据一起存储、管理、分析和显示在地理信息系统中。从本质上讲，遥感为地理信息系统提供了宝贵的环境空间数据（通常为栅格格式），以便进一步进行地理处理。反之，对获取的环境参数的许多关键分析，如几何配准、辐射校正、图像分类和变化检测，可受益于辅助地理信息数据和地理处理程序（如掩蔽、叠加和邻近分析）的使用。遥感与地理信息技术集成已成功应用于自然资源和环境科学的许多领域，包括农业、林业、土地利用、生物保护、生态恢复和自然灾害管理。随着计算创新、人工智能和大数据科学的最新进展，遥感和地理信息系统的集成正在进入一个新阶段，将进一步加强对各种来源的空间数据的分析。地理信息系统应用分析功能包括应用分析模型与应用分析程序两部分构成。可以在系统本身提供的空间分析和其他分析运算功能的支持下实现，也可建立专业性的应用分析模型与软件来实现。

5 遥感技术在现代环境监测与环境保护中的重要价值

与地面测量相比，从空间获取的信息具有许多明显的优势，因为这些信息是远程获取的，能在不同的时间和不同的区域之间利用电磁频谱的不同，提供监测服务。借助于遥感技术的技术优势，可以提高对环境监测的精确度。通过利用多源遥感数据和提高遥感参数反演精度可以弥补单一类型数据在不同类型分辨率上的不足，提高模型评价的准确性，为环境监测提供准确信息。随着环境遥感技术的不断突破，将积极推动我国环境保护，实现生态环境和谐发展。

6 结语

遥感技术诞生以来，世界各国相关工作人员对其进行了广泛深入的研究与试验，相关科技的发展使得获取的光谱信息更加丰富，极大地促进了遥感技术的发展。虽然遥感技术在我国生态环境监测与保护中起步较晚，但由于国家的高度重视和相关工作人员的积极努力，遥感技术在我国的大气环境监测、水环境监测、城市环境监测等方面得到了良好的应用。为了保持生态的发展，遥感技术将更广泛地应用于现代环境监测和环境保护，保障社会经济快速、可持续发展。