1、遥感技术在环境污染监测中的应用到污染物运移的情况,而且凭借水中泥沙悬浮物和浮游植物作为判读指示物,可追踪出污染源8。(4)水体热污染调查使用红外传感器,能根据热效应的差异有效地探测出热污染排放源。热红外扫描图像主要反映目标的热辐射信息,无论白天、黑夜,在热红外像片上排热水口的位置、排放热水的分布范围和扩散状态都十分明显,水温的差异在像片上也能识别出来。利用光学技术或计算机对热图像作密度分割,根据少量同步实测水温,可正确地绘出水体的等温线。因此热红外图像能基本上反映热污染区温度的特征,达到定量解译的目的2。(5)水体富营养化水体里浮游植物大量繁生是水质富营养化的显著标志。由于浮游植物体内含的叶绿
2、素对可见和近红外光具有特殊的“陡坡效应”,使那些浮游植物含量大的水体兼有水体和植物的反射光谱特征。随浮游植物含量的增高,其光谱曲线与绿色植物的反射光谱越近似。因此,为了调查水体中悬浮物质的数量及叶绿素含量,最好采用0. 450. 65m附近的光谱线段。在可见光波段,反射率较低;在近红外波段,反射率明显升高,因此,在彩色红外图像上,富营养化水体呈红褐色或紫红色9。3.2大气污染遥感监测大气遥感是利用遥感器监测大气结构、状态及变化。大气遥感器除了测量气温、水蒸汽、大气中的微量成分气体、气溶胶等的三维分布以外,还用来进行风的测量及地球辐射收支的测量等。影响大气环境质量的主要因素是气溶胶含量和各种有害
3、气体。这些物理量通常不可能用遥感手段直接识别。水汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等微量气体成分具有各自分子所固有的辐射和吸收光谱,所以,实际上是通过测量大气的散射、吸收及辐射的光谱而从其结果中推算出来的。通过对穿过大气层的太阳(月亮、星星)的直射光,来自大气和云的散射光,来自地表的反射光,以及来自大气和地表的热辐射进行吸收光谱分析或发射光谱分析,从而测量它们的光谱特性来求出大气气体分子的密度1。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
4、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220m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。利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
5、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
6、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: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。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
7、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
8、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. 27 164. 38 237. 15 276. 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CO C lOx O3NOx3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
9、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
10、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. 50m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. 650. 8m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
11、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
12、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: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
13、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。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814m。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。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
14、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.
15、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
16、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34 m /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
17、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
18、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:遥感技术在环境污染监测中的应用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G IS应用。遥感技术在环境污染监测中的应用谭衢霖,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)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
19、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:TP 79文献标识码:A文章编号: 1004-0323(2000)04-0246-061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
20、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
21、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
22、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,
23、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。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。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
24、;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
25、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
26、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
27、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。参考文献:1日遥感研究会编.刘勇卫,贺雪鸿译.遥感精解M.北京:测绘出版社, 1993.2胡著智,王慧麟,陈钦峦编著.遥感技术与地学应用M.南京:南京大学出版社, 1999.3徐冠华,田国良,王超等.遥感信息科学的进展和展望J.地理学报, 1
28、996, 51 (5): 385397.4Shao Yun, Guo Huadong, Liu Hao,et al. Effect ofPolarization of G lobeSAR Data on Vegetation Discrim inationJ.GEOCARTO International, 1995, 10(3): 7176.5U laby F T, M oore R K,FungA K.侯世昌,马锡冠等译.微波遥感(卷1-2)M.北京:科学出版社, 1988.6Shao Yun, Liu Hao, Lu Xinqiao,et al. Effect of Frequencyand Polarization on Target DetectionR. IEAS 97 &IWG IS 97, 1997, Beijing.7郭华东主编.中国雷达遥感图像分析M.北京:科学出版社,1999.8郑威,陈述彭主编.资源遥感纲要M.北京:中国科学技术出版社, 1995.9王西川,钱新强编著.环境遥感原理与图像分析M.开封:河南大学出版社, 1991.250遥感技术与应用第15卷
