遙感技術在水環境勘測中的價值范文

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1水體渾濁度的監測

由于水中懸浮物微粒或者浮游生物粒子的影響，射到水體中的太陽光會被一定程度地吸收和散射。任何地物包括水體都具有光譜反射特征，遙感就是通過水體在光譜影像上的差異來判定水體污染的變化。胡舉波等研究發現，隨著懸浮物質數量的增加，光譜衰減系數不斷增大，最容易透過的波段從0．50μm附近向紅色區移動。隨著渾濁水泥沙濃度的增大和懸浮沙粒徑的增大，入射光被散射的深度變淺，水的反射率逐漸增高，其峰值逐漸從藍光移向綠光甚至向黃色變化。Gitelson等研究證明，500～600nm波段適合用來監測水體的懸浮物，700～900nm波段的反射率對懸浮物質的濃度變化最敏感，也是遙感用來估算水體懸浮物質濃度的最佳波段。通過遙感拍攝水體的圖像，觀察圖像上波峰出現的位置區域，就能夠清楚地了解水體渾濁度的變化。

1.1城市污水的監測

城市大量排放的工業廢水和生活污水中帶有大量有機物，使水質惡化。衛星遙感技術通過水體在光譜影像上的差異來判定水體污染的變化，不僅能夠實時觀察污染物的運動特點，還可以根據水中的懸浮物作為判定指示物來追蹤污染源。韓陽等針對不同濃度的3個生活污水樣本，采用二向反射光度計的方法，測定了不同樣本在2π空間的多角度偏振反射光譜數據，建立了探測方位角、光線入射角、探測天頂角、偏振角、波段等因素與所測水體的偏振數據的關系。黃妙芬等利用2006年4月6～7日在甘肅省慶陽市境內環江、柔遠和馬蓮河實測的水體波譜數據，以及化學需氧量COD測定數據，采用Fisher判別方法，建立了基于地面實測光譜數據和適用于該研究區的水環境COD遙感識別模式。水環境COD污染遙感模式的建立為從遙感影像上快速、大面積獲取COD信息提供了一種技術手段。ChuqunChen等利用衛星數據來評估珠江水質，結合綜合污染（CPI）法，測得水體COD和養分的含量，定量分析了珠江口水污染的狀況。鞏彩蘭等提出了利用多光譜、高光譜遙感技術對水環境情況進行大面積、多時相、低成本監測和評價的新方法，并通過水樣采集、光譜測量、模型建立、圖像處理、水質反演和系統演示等實現了對黃浦江和淀山湖的水環境情況的宏觀監測和評價，并驗證了該方法的有效性。通過監測水體的反射光譜數據、光譜數據，再結合實測水體的波譜數據建立相關關系和模型，實現對水體全方位快速、準確地監測。

1.2水體熱污染的監測

廢水中懸浮物千差萬別，導致特征曲線反射峰的位置和強度也不一樣。一般采用多光譜合成圖像來監測廢水污染，也可以根據溫度的差異選擇熱紅外的方法進行調查、監測。由于熱紅外傳感器對熱源比較敏感，能夠準確、有效地探測出熱污染排放源。吳傳慶等利用多時相的TM熱紅外數據對大亞灣核電站周圍的水溫場變化進行監測，通過對信息的提取分析，有效地對核電站周圍的環境影響進行了評價。石登榮等利用多時相航空熱紅外掃描，獲取水體熱輻射場變化資料，結合數學模擬，研究上海地區感潮水體熱污染的時間和空間的動態變化，建立了相應的動態方程，數學擬合的誤差平均在±2．7％左右。說明，利用航空熱紅外掃描結合數學模式，可以較好地反映水體熱污染的動態變化。采用熱紅外遙感技術對水溫變化進行時空監測，根據影像上的熱輻射信息，能夠準確地識別熱污染的分布，較好地完成對熱污染的監測和評價。

1.3水體富營養化的監測

水體富營養化是水體接納的N、P等營養元素超過了自身的最大負荷量，造成水體中浮游植物大量繁殖，這是水質富營養化的顯著標志。遙感技術根據浮游植物中的葉綠素與可見和近紅外光之間具有特殊的陡坡效應，即葉綠素含量高的地方反射率的峰值也大的現象來監測富營養化的分布范圍，然后，從彩色紅外圖像上的顏色變化來監測富營養化的污染程度。宋瑜等結合高光譜的實驗數據，建立了基于MODIS數據對太湖水體富營養化識別的模型，實現了水富營養化遙感信息的有效提取。XiaoqinXue等采用水體富營養化狀態指數（TSI）對西安渭河水體富營養化的研究證明，使用TM遙感數據對水體富營養化的遠程監測和評估是可行的。吳傳慶等研究證明，從葉綠素a和懸浮物濃度反饋角度的遙感評價方法，可行性強，能夠充分運用遙感數據源很好地完成湖泊富營養化狀態的評價工作。遙感技術能夠多角度對水體富營養化進行監測和評價，為動態監測水體富營養化提供了有效的監測技術手段。

1.4石油污染的監測

海上或港口的石油污染是一種常見的水體污染，也是污染數量多、范圍廣、危害深的一種污染。遙感技術利用油和水對太陽輻射的反射不同，在遙感影像上表現為同物異譜和同譜異物現象來監測水體是否有油層覆蓋。張永寧等在可見光波段對不同厚度煤油、輕柴油、潤滑油和重柴油的監測中發現，油膜反射率的大小與油膜的厚度有關。趙冬至等總結了油膜在可見光近紅外波段的地物光譜特征，為識別油膜的厚度提供了參考。Palmer等利用小型的機載成像光譜儀分析了發生在英國設得蘭（Shetlands）的溢油事故，證明440～900nm是油膜提取的最有效波段。ShiL等搜集了中國東海西部2002—2005年石油泄漏的（SAR）圖像，分析了不同類型的石油泄漏量晝夜性變化和季節性變化的規律，為控制和治理大面積的石油污染提供了科學的指導。不同厚度的油膜對太陽光的反射不同，通過對水面影像上反射率的變化監測水體的油污染以及油層的覆蓋厚度，從遙感影像上觀察石油泄漏的時空分布特點和擴散規律實現對石油污染的快速準確的監測。

2遙感技術在大氣污染監測中的應用

大氣遙感是利用遙感傳感器來監測大氣結構、狀態及變化，不需要直接接觸目標而進行區域性的跟蹤測量，能夠快速地進行污染源的定點定位，從而獲得全面的綜合信息。由于水汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等微量氣體成分具有各自分子所固有的輻射和吸收光譜，通過選擇合適的波段來測量大氣的散射、吸收及輻射的光譜，然后，從其結果中推算出污染氣體的成分。白亮通過對幾種主要大氣污染物定量反演方法的分析，論述了定量遙感技術在福建省大氣環境監測中的應用。楊嵐簡述了大氣環境遙感監測技術的基本原理，著重闡述被動式空基遙感和主動式空基遙感在大氣環境中的應用。

2.1大氣氣溶膠的監測

氣溶膠是指懸浮在大氣中的各種液態或固態微粒，通常所指的煙、霧、塵等都是氣溶膠。在遙感圖像中工廠排放的煙霧、大規模的沙塵暴、火山噴發產生的煙柱、森林失火導致的濃煙都有清晰的影像。氣溶膠光學厚度則是氣溶膠粒子各個特性參量的綜合反映，氣溶膠光學厚度能夠反映大氣污染渾濁的程度，利用氣溶膠光學厚度反應氣溶膠的變化，方法種類多，內容也各不相同。程立剛等介紹了應用于大氣環境遙感監測的多種方法，并著重闡述了被動式空基遙感和主動式地基遙感在大氣環境遙感中的應用以及探測氣溶膠的衛星傳感器的發展歷程和特點。王耀庭等針對大氣氣溶膠性質及其衛星遙感反演的研究發現，氣溶膠光學厚度對低地表反射率比較敏感，而與太陽光的相互作用主要表現為吸收。孫娟等證明，MODIS的氣溶膠光學厚度（AOD）資料與能見度之間具有較好的相關性，利用MODIS產品來反演能見度是可行的。此外，毛節泰等對MODIS衛星遙感氣溶膠的方法與地面多波段太陽光度計的觀測法進行對比，發現二者有較好的相關性。MODIS衛星遙感能夠精確地識別每一地區氣溶膠細微的變化，利用MODIS產品來監測氣溶膠的變化，為大氣污染監測提供了非常有效的手段。

2.2有害氣體的監測

有害氣體通常指人為或自然條件下產生的二氧化硫、氟化物、乙烯、煙霧等對生物有機體有害的氣體。遙感監測有害氣體主要有2種方法，一類是根據有害氣體污染區地物反射率的發生變化、邊界模糊的情況來對有害氣體的污染情況進行估計，另一類是利用間接解譯標志－實際反演來推斷某地區大氣污染的程度和性質。魏合理等利用地面可見光（430～450m）波段的太陽光譜和大氣上界的參考太陽光譜，反演出大氣中NO2的柱總含量，得到了該地區上空NO2含量及其變化，其變化與當地環境監測站用常規法測量的NO2濃度的變化基本一致。趙春雷等選取2010年的資料制作了河北省SO2的遙感圖像，與地面監測情況基本符合，還通過光學厚度資料和地面觀測資料進行遙感效果檢驗，平均遙感監測精度達86％，基本可以滿足大范圍大氣環境動態監測的需要。白文廣開發了基于優化擬合的CH4物理反演算法，用于實際反演，與官方反演結果比較一致性較好；并首次在中國區域開展地基FTIR大氣成分遙感監測研究，用于衛星反演產品的地基驗證。對中國區域CH4時空分布特征進行監測，并給出分析結果，為政府決策提供科學依據。無論是直接觀測污染物的反射光譜還是通過間接解譯的方法，最終都是通過觀測反射率的變化來監測有害氣體的存在，為監測大氣中其他污染物提供了科學的借鑒。

2.3城市熱島效應的監測

城市熱島效應是城市中的空氣溫度高于城市周圍郊區的溫度，從而形成了從城市流向郊區的一種環流。城市熱島效應是環境遙感中經久不衰的研究課題，對城市環境而言，城市熱島也是一種大氣熱污染現象。目前，針對城市熱島的環境遙感監測是通過研究城市下墊面的熱紅外遙感進行的，通過對不同時相的遙感資料的收集，總結出城市熱島的日變化和年變化規律。XuhanQiu等提出了城市熱島比例指數（URI），可以用來定量分析近一個時期的城市熱島效應隨時間的變化。根據植被、水分和表面溫度之間的相互關系，對照目標城市，根據城郊植被的差異，選出2幅不同時期的TM（4．5．6波段）彩色合成圖像，大致定出城市熱島的范圍。Zak－sek等采用歐洲高空間分辨率SEVIRI來估算地表的溫度，再根據陸地表面溫度（LST）來分析城市熱島的日變化，結果證明，該方法可以用來分析城市熱島的日變化分析，為監測和治理城市熱島的變化提供了一種科學的方法。Gallo等用NOAA／AVHRR數據獲得歸一化植被指數（NDVI）估算城市熱島對城郊氣溫差異的影響，結果表明，植被指數和城郊氣溫差異之間存在顯著的相關性。

LinLiu等觀察香港一天的熱島效應與植被指數（NDVI）的相關性時發現，熱島效應和NDVI存在著負相關，同時表明了綠色土地可以削弱城市的熱島效應；熱島效應和歸一化差異指數（NDBI）存在著正相關，可以用于城市熱島效應案例的分析研究。遙感技術能夠從時空中分析城市熱島的變化趨勢，為監測城市熱島效應提供了科學手段。

3結論與展望

3.1結論

目前，遙感技術正從單一遙感資料的分析向多時相、多數據源（包括非遙感資料數據）的信息復合與綜合分析過渡。利用多時相監測方法對環境污染的種類進行追蹤，能夠及時、客觀、準確地反應污染物的信息，如污染源的位置、污染物的種類、擴散方向等，并能夠對大面積的環境污染通覽全貌，在環境污染監測中有巨大的技術優勢。

3.2展望

隨著各領域對遙感技術需求的提高，遙感技術仍有待于從以下幾方面加強研究。

1）實現環境遙感信息的定量化，對全球環境監測的數據進行定量分析、預測和管理。隨著RS與GIS、GPS結合越來越多地運用到環境中，而GIS的發展更需要遙感信息的定量化，實現遙感信息的定量化，才能使RS與GIS結合擁有更廣闊的應用前景。

2）發展環境遙感監測的網絡化，借助互聯網的資源共享性，將全國范圍監測數據實現網絡化及資源共享，充分利用一個最新的研究成果并促進其運用，可以節省監測時間和成本。

3）提高衛星遙感的分辨率。由于大氣中云和霧的干擾，在進行大氣校正時會產生誤差，造成誤判。高分辨率和高頻率的傳感器的建立，可以對突發性環境污染事故進行實時監測和預警，且高空間和高光譜分辨率已是衛星遙感技術的發展趨勢。

4）提高信息提取的精度和可靠性。應發展神經網絡、認知模型和影像處理系統的集成技術，目前遙感技術正朝著多時相、多光譜、多平臺、多角度、多傳感器以及多空間分辨率之間的融合技術的方向發展。

5）研制高性能的傳感器。環境遙感監測的范圍廣，但針對不同的污染難進行確切的敏感性指標監測，重點發展優先污染物監測的傳感器，才能對污染物的監測做到準確無誤。

作者：劉紅張清海林紹霞趙璐玥林昌虎單位：貴州大學生命科學學院貴州省理化測試分析研究中心貴州大學農學院貴州科學院