基于卫星遥感的大气环境监测技术应用

2024-04-02曹如星

皮革制作与环保科技 2024年1期

曹如星

（甘肃省嘉峪关生态环境监测中心，甘肃嘉峪关 735100）

引言

卫星遥感技术是基于信息技术和遥感技术而兴起的科学技术,能够在多个领域发挥重要作用。这项技术广泛应用于生态环境的监测和保护中,通过卫星系统可以进行日常环境监测和监管。因此，强化大气监测，提升卫星遥感监测水平，对环境监测工作具有十分重要的意义。

1 在大气环境监测中应用卫星遥感技术的必要性

在当前的大气环境监测工作中，主要是由国家、省、市、县各个监测站组成环境监测体系及网络，这也是大气环境监测的关键方式，有助于实现全面的大气环境监测，及时发现存在的污染问题。但在传统的环境监测体系中，仍存在一些技术性的问题，主要表现为监测站的分布较为集中，并且大多数监测站设置在市区，无法顾及更加广阔的乡村地带，导致大气监测精准性不足。在大气监测中，监测对象主要是二氧化碳、二氧化硫、臭氧、可吸入颗粒物、一氧化碳、甲烷以及气溶胶光学厚度等，为了提高监测精准度，遥感技术逐渐得到了广泛的应用，并且达到了有效的监测效果。遥感技术的出现及有效利用是科学技术的发展成果，随着新时代的到来，各项科技成果逐渐体现出了应有的价值，不仅推动了社会经济的发展，也显著改善了生态环境，促进了人与自然的和谐共存。基于卫星遥感的大气监测技术具有强大的技术优势，技术人员可以借助于此对大气中各项成分的光谱特征进行反演，并根据反演结果推断出各项成分的浓度以及分布范围，从而实现对大气环境的有效监测，及时发现存在的环境问题，制定合理化的解决策略。卫星遥感监测技术的应用具有多项优势，基于卫星的监测功能，可以实现对整个地球大气环境的全面监测，并且具有较为精准的监测结果及监测效率，有助于减轻工作人员的压力，获取实时性的监测数据[1]。因此，基于卫星遥感的大气环境监测技术的应用具有一定的必要性。目前，我国在大气环境监测方面已经开始合理使用卫星遥感技术，并建立了一系列遥感卫星体系，不仅可以实现对大气环境的监测，也能够实现对水资源、陆地环境以及生物圈的监测，为人类赖以生存的家园提供了高效率的环境监测系统。

2 卫星遥感技术在大气环境监测中的应用现状及应用前景

2.1 应用现状

在当前的大气环境监测工作中，各个城市及周边地区已经将卫星遥感技术融入了环境监测体系中，实现了对大气环境的实时性监测，这有助于及时发现环境问题，并采取合理化的解决措施，杜绝环境污染问题的发生。在大气环境监测中，环保部门对秸秆燃烧快速监测技术、土地利用信息变化提取技术、城市热岛效应监测技术、水体污染监测技术等给予了重点关注，实现了对大气环境成分、土地资源和水资源的高效监测。在实际的环境监测中，技术人员根据环境的多样性制定了合适的遥感监测方法、监测模型以及监测算法等，充分发挥出了基于卫星遥感的大气环境监测技术的应用优势，并将多项科技成果进行融合，确保大气环境成分的卫星遥感反演数据具有较高的精准性。以某城市为例，在对大气环境进行监测的过程中开发出了一套适合城市发展特点的遥感监测与预警系统软件，可以及时测定大气中的污染物含量，并发出预警，实现高效率的治理。该城市从中心地带出发，利用基于卫星遥感的大气环境监测技术，实现了对地面大气环境的综合监测。在获取每一时期的监测数据时，工作人员还需要利用多源卫星遥感产品，进一步分析出多种大气污染因子的分布规律以及污染物的触发条件，尤其是在干旱沙尘季节、雾霾的频发时段等，可以及时测定大气环境中相关污染物的颗粒浓度、物质变化特征及影响因素，从而构建科学化的遥感技术监测模型，给技术人员呈现更加直观的数据参考。技术人员在使用基于卫星遥感的大气环境监测技术后，可以通过监测到的颗粒物光学特性及时空浓度分布特性，制定出季度、年度污染物分布图，以此做出合理的预测，实现对大气环境质量的预估，并提出合理化的解决方案。总的来说，基于卫星遥感的大气环境监测技术在当前具有良好的应用效果及应用前景，可以为大气环境监测工作提供技术保障，促进环境监测事业的持续发展[2]。

2.2 应用前景

从卫星遥感技术在大气环境监测中的应用现状来看，其具有广阔的发展空间及良好的应用前景。相较于传统的监测技术而言，基于卫星遥感的大气环境监测技术具有更高的监测水平，也具有更加广阔的监测范围，是现阶段环境监测人员的重要应用工具。通过使用卫星遥感监测技术，技术人员不仅可以及时了解到大气中的气体及污染物成分与浓度，还能够通过分析，获取其垂直轮廓，有助于深度掌握污染物的分布规律以及输送特征，为大气环境质量的提高提供合理的解决对策。尽管环境监测部门可以使用飞机、无人机、雷达以及气球探空的方式进行大气监测，但总的来说无法与遥感技术相媲美，传统的监测方式不仅会花费大量的技术费用，无法保证监测结果的精准性，并且不能满足大范围环境监测的要求。因此，相关部门应当合理使用基于卫星遥感的大气环境监测技术，并综合利用多源卫星遥感产品，建立有效可行的遥感卫星大气环境监测体系，推动大气环境监测技术水平的不断提升。

3 基于卫星遥感的大气环境监测技术应用分析

3.1 秸秆焚烧监测

众所周知，秸秆焚烧极易污染大气环境，因此在秋收季节，环境保护部门应当积极利用基于卫星遥感的大气环境监测技术对农田进行监测，防止秸秆焚烧产生过量的大气污染物，造成生态环境的破坏。秸秆主要是指当农作物被收获后剩余在农田中的部分，如玉米秆、稻草秆、麦秸秆以及花生藤蔓等等，农民为了减轻负担并且实现下一阶段的顺利耕种，通常会将这些秸秆进行燃烧处理。但大量的秸秆焚烧会产生较多的烟尘，其中掺杂着数不胜数的污染物，不仅会造成大气环境质量的下降，还会导致生态失衡，甚至会给道路交通及航空运输造成阻碍。所以说，对秸秆焚烧的监测是大气环境监测中的一项重点工作。技术人员应当根据近几年的秸秆焚烧监测数据，掌握容易出现秸秆焚烧现象的地点，并应用卫星遥感技术进行全面的监测布控。相较于传统的监测方式而言，基于卫星遥感的大气环境监测技术在秸秆焚烧监测中具有较大的优势，主要体现在其监测范围广，可以有效克服秸秆焚烧分散性及随机性特点，提供即时性的有效信息，推动大气环境监测工作的顺利开展。在具体的秸秆焚烧监测中，技术人员主要采用遥感火点监测技术，并利用卫星遥感图像，判断农田区域的温度变化，根据中红外和热红外波段辐射能量的变化值，精准识别地面的着火点，并统计形成报告，及时传送至管理部门。经过对秸秆焚烧火点统计报告的研究，相关技术人员能够对全国范围的农田火点进行统计。统计结果显示，秸秆焚烧火点每年约有一万多个，时间主要集中于三四月份以及秋收季节，占比分别为54%与33%。另外，从地域分布来看，监测统计范围涉及我国的27个省、直辖市及自治区，秸秆焚烧火点数量排在前几名的省份主要是黑龙江省、吉林省、辽宁省、河北省等，明确反映出了北方农作物的种植特征。通过利用卫星遥感技术，大气环境监管部门可以在广阔的监测区域中快速获取秸秆焚烧的火点位置，并制定合理的解决方案，同时，对农民进行批评教育，以此改善秸秆的处置方式，减少秸秆焚烧行为，降低大气环境中污染物的含量。

3.2 扬尘源监测

土地资源的不合理开采及利用，以及相关部门没有对土地环境进行有效的保护，导致在不同的气候条件下容易出现大面积扬尘现象，给城市及乡村的大气生态环境造成恶劣的影响。针对扬尘问题，环保部门应当加大监管力度，尤其需要对扬尘源进行监测，降低扬尘的发生概率。从土地特征的角度进行分析，对减少以及抑制扬尘具有良好效果的土地类型依次为水域、林地、草地以及裸地，不同的裸地有不同的利用方式，包括建筑用地、道路交通用地、堆场以及采矿用地等，均是容易出现扬尘的区域，需要进行严格的大气质量监控。随着城市化进程的加快，林地、草地面积逐渐减少，裸地面积不断增大，天然植被慢慢消失，失去了原有的生态恢复能力，导致城市中极易出现扬尘以及雾霾等气候灾害，严重影响了人们的正常生产与生活。为了降低扬尘的负面影响，大气环境监管部门使用了基于卫星遥感的大气环境监测技术，对城市中的裸地进行严格地监管，全面掌握土地的利用形式，并通过实地考察的方式，验证卫星遥感技术与监测效果的匹配性。尤其对于建筑用地，环保部门在获取到相关区域的扬尘数据时，应当及时对施工企业提出要求，责令其对扬尘问题进行整改，采用覆盖扬尘网以及定期洒水的方式控制扬尘源，构建良好的城市大气环境。

3.3 大气中二氧化硫的监测

在对大气环境中的二氧化硫成分进行监测时，技术人员会采用基于卫星遥感的大气环境监测技术，波段残差法与线性拟合算法是使用遥感技术反演二氧化硫成分的主要算法。

波段残差法是反演二氧化硫成分的主要技术手段，具体来说，大气环境中的二氧化硫及臭氧是在310～330 nm波段光谱中最主要的两种气体成分，而二氧化硫的光谱吸收强度明显高于臭氧，这有助于技术人员采用基于卫星遥感的大气环境监测技术对二氧化硫含量进行测定。但这两种气体并没有在这一波段中完全吸收紫外辐射，技术人员借助遥感监测技术可以探测到太阳紫外线辐射后的二氧化硫气体特征，并对这一气体进行跟踪监测。在使用卫星遥感监测技术时，技术人员可以根据二氧化硫成分的特征，判断其吸收辐射明显波长处的辐射值，并两两作差，得到三个波长对，之后合理利用二氧化硫剖面微分数据，将残差值转换为二氧化硫成分的倾斜柱状量数值，再经过校正，可以得到垂直柱状量数值，即完成某一区域中大气环境二氧化硫成分的反演，测定出这一气体的含量及分布规律，这是波段残差法的主要计算方式，在这一过程中技术人员需要提高警惕，合理使用遥感监测技术，保证数据的精准性。由于二氧化硫是一种有毒气体，技术人员在得到相关数据时，需要测定二氧化硫的来源，并及时制定有效的管理对策，减少大气环境中二氧化硫的含量，进而减少对人类生命健康的危害。

对大气环境中二氧化硫成分的分析，除了可以使用波段残差法外，还可以使用线性拟合算法。线性拟合算法的利用也离不开遥感监测技术的支持。技术人员在使用基于卫星遥感的大气环境监测技术时，可以对多个离散波段的紫外线进行监测，探究其中的二氧化硫以及臭氧的含量，并得到地面有效反射率。通过对二氧化硫成分总量以及地面有效反射率的分析，技术人员可以掌握二氧化硫的分布规律，这也是线性拟合算法的重要内容。在得到的多个离散波段的紫外线中，主要包含4个集中在波长为310.8～314.4 nm且位于二氧化硫吸收横截面最大值与最小值之间的波段，以及6个臭氧总量观测仪波长为中心的波段，便于技术人员采用线性拟合算法对二氧化硫含量进行分析。对线性拟合算法所用的离散波段分布范围图进行分析，可以发现，随着波长的增大，二氧化硫的吸收系数呈现出缩小的趋势。一般来说，反演运算具有系统性的思路，主要是构建相关的数据模型，并通过基于卫星遥感的大气环境监测技术获取到的辐射数据计算出离散波段的差异性，从而推导出大气环境中二氧化硫总量以及地面有效反射率等参数，之后对离散波长进行计算，通过对光谱拟合多项式的利用得到离散波长，进而得到各个波段的二氧化硫状量值以及平均柱状量值。在这一过程中，数据模型的利用具有至关重要的作用，可以有效避免旋转拉曼散射效应、瑞利散射效应、地表反射率以及二氧化硫吸收率带来的影响，提高遥感技术对大气环境监测的精准度，促进线性拟合算法的有效性。

总的来说，以上两种二氧化硫含量算法均基于卫星遥感的大气环境监测技术，借助了二氧化硫以及臭氧气体在大气中的光谱吸收特征值，并用残值差计算出了相应的二氧化硫柱状量数值。一些技术专家对这两种算法进行了深层次的比较，并借助实验探究出当二氧化硫浓度低于4.416 5×10-4mol／m2时，使用波段残差法获取到的监测结果将会更加接近真实数据。在大气边界层以上的空间中，由于受到火山喷发的影响，这一区域的二氧化硫浓度较高，对于二氧化硫的反演而言，可以优先采用线性拟合法进行计算，以保证数据的真实性与精准性。利用基于卫星遥感的大气环境监测技术对大气中的二氧化硫成分进行监测具有多样化的技术优势，并且可以取得良好的监测效果。首先，采用遥感技术，工作人员能够快速获取大范围的大气二氧化硫数据。在传统的监测模式下，由于受到技术的限制，工作人员只能在地面位置进行监测，并且受到二氧化硫浓度不断变化的影响，导致监测精准性难以满足相关要求。另外，大气监测点位的布置也需要考虑到多种因素，如观测时间、观测频率、地质环境、污染源位置、人口密度、主导风向等。在卫星遥感技术得到广泛应用后，技术人员在监测二氧化硫浓度时，可以借助卫星在高约700 km的卫星轨道上对大气环境进行扫描，并通过传感器及时将数据返回到地面平台，体现出了其监测范围广、监测效率高的优势。另外，借助基于卫星遥感的大气环境监测技术对二氧化硫进行监测，可以排除较多的干扰因素。在地面进行二氧化硫浓度的监测工作时，技术人员可以将监测点布置在具有较强针对性的位置，有助于得到真实的数据，但这也会受到较多客观因素的影响，如在自然环境恶劣的区域，人力无法顺利达到，人工地面监测极为困难。采用遥感技术可以规避较多的地面限制条件，能够获取不同环境中的二氧化硫浓度，不仅提高了大气监测效率，也在一定程度上保证了工作人员的安全，降低了大气监测成本。利用遥感技术对大气中的二氧化硫进行监测是一种必要的技术手段，并且在今后的发展中也将会更加适用，尤其是对二氧化硫的动态监测，能够时刻提醒相关部门加大监管力度，控制二氧化硫的排放量。