遥感技术在水环境勘测中的价值范文

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1水体浑浊度的监测

由于水中悬浮物微粒或者浮游生物粒子的影响，射到水体中的太阳光会被一定程度地吸收和散射。任何地物包括水体都具有光谱反射特征，遥感就是通过水体在光谱影像上的差异来判定水体污染的变化。胡举波等研究发现，随着悬浮物质数量的增加，光谱衰减系数不断增大，最容易透过的波段从0．50μm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，入射光被散射的深度变浅，水的反射率逐渐增高，其峰值逐渐从蓝光移向绿光甚至向黄色变化。Gitelson等研究证明，500～600nm波段适合用来监测水体的悬浮物，700～900nm波段的反射率对悬浮物质的浓度变化最敏感，也是遥感用来估算水体悬浮物质浓度的最佳波段。通过遥感拍摄水体的图像，观察图像上波峰出现的位置区域，就能够清楚地了解水体浑浊度的变化。

1.1城市污水的监测

城市大量排放的工业废水和生活污水中带有大量有机物，使水质恶化。卫星遥感技术通过水体在光谱影像上的差异来判定水体污染的变化，不仅能够实时观察污染物的运动特点，还可以根据水中的悬浮物作为判定指示物来追踪污染源。韩阳等针对不同浓度的3个生活污水样本，采用二向反射光度计的方法，测定了不同样本在2π空间的多角度偏振反射光谱数据，建立了探测方位角、光线入射角、探测天顶角、偏振角、波段等因素与所测水体的偏振数据的关系。黄妙芬等利用2006年4月6～7日在甘肃省庆阳市境内环江、柔远和马莲河实测的水体波谱数据，以及化学需氧量COD测定数据，采用Fisher判别方法，建立了基于地面实测光谱数据和适用于该研究区的水环境COD遥感识别模式。水环境COD污染遥感模式的建立为从遥感影像上快速、大面积获取COD信息提供了一种技术手段。ChuqunChen等利用卫星数据来评估珠江水质，结合综合污染（CPI）法，测得水体COD和养分的含量，定量分析了珠江口水污染的状况。巩彩兰等提出了利用多光谱、高光谱遥感技术对水环境情况进行大面积、多时相、低成本监测和评价的新方法，并通过水样采集、光谱测量、模型建立、图像处理、水质反演和系统演示等实现了对黄浦江和淀山湖的水环境情况的宏观监测和评价，并验证了该方法的有效性。通过监测水体的反射光谱数据、光谱数据，再结合实测水体的波谱数据建立相关关系和模型，实现对水体全方位快速、准确地监测。

1.2水体热污染的监测

废水中悬浮物千差万别，导致特征曲线反射峰的位置和强度也不一样。一般采用多光谱合成图像来监测废水污染，也可以根据温度的差异选择热红外的方法进行调查、监测。由于热红外传感器对热源比较敏感，能够准确、有效地探测出热污染排放源。吴传庆等利用多时相的TM热红外数据对大亚湾核电站周围的水温场变化进行监测，通过对信息的提取分析，有效地对核电站周围的环境影响进行了评价。石登荣等利用多时相航空热红外扫描，获取水体热辐射场变化资料，结合数学模拟，研究上海地区感潮水体热污染的时间和空间的动态变化，建立了相应的动态方程，数学拟合的误差平均在±2．7％左右。说明，利用航空热红外扫描结合数学模式，可以较好地反映水体热污染的动态变化。采用热红外遥感技术对水温变化进行时空监测，根据影像上的热辐射信息，能够准确地识别热污染的分布，较好地完成对热污染的监测和评价。

1.3水体富营养化的监测

水体富营养化是水体接纳的N、P等营养元素超过了自身的最大负荷量，造成水体中浮游植物大量繁殖，这是水质富营养化的显著标志。遥感技术根据浮游植物中的叶绿素与可见和近红外光之间具有特殊的陡坡效应，即叶绿素含量高的地方反射率的峰值也大的现象来监测富营养化的分布范围，然后，从彩色红外图像上的颜色变化来监测富营养化的污染程度。宋瑜等结合高光谱的实验数据，建立了基于MODIS数据对太湖水体富营养化识别的模型，实现了水富营养化遥感信息的有效提取。XiaoqinXue等采用水体富营养化状态指数（TSI）对西安渭河水体富营养化的研究证明，使用TM遥感数据对水体富营养化的远程监测和评估是可行的。吴传庆等研究证明，从叶绿素a和悬浮物浓度反馈角度的遥感评价方法，可行性强，能够充分运用遥感数据源很好地完成湖泊富营养化状态的评价工作。遥感技术能够多角度对水体富营养化进行监测和评价，为动态监测水体富营养化提供了有效的监测技术手段。

1.4石油污染的监测

海上或港口的石油污染是一种常见的水体污染，也是污染数量多、范围广、危害深的一种污染。遥感技术利用油和水对太阳辐射的反射不同，在遥感影像上表现为同物异谱和同谱异物现象来监测水体是否有油层覆盖。张永宁等在可见光波段对不同厚度煤油、轻柴油、润滑油和重柴油的监测中发现，油膜反射率的大小与油膜的厚度有关。赵冬至等总结了油膜在可见光近红外波段的地物光谱特征，为识别油膜的厚度提供了参考。Palmer等利用小型的机载成像光谱仪分析了发生在英国设得兰（Shetlands）的溢油事故，证明440～900nm是油膜提取的最有效波段。ShiL等搜集了中国东海西部2002—2005年石油泄漏的（SAR）图像，分析了不同类型的石油泄漏量昼夜性变化和季节性变化的规律，为控制和治理大面积的石油污染提供了科学的指导。不同厚度的油膜对太阳光的反射不同，通过对水面影像上反射率的变化监测水体的油污染以及油层的覆盖厚度，从遥感影像上观察石油泄漏的时空分布特点和扩散规律实现对石油污染的快速准确的监测。

2遥感技术在大气污染监测中的应用

大气遥感是利用遥感传感器来监测大气结构、状态及变化，不需要直接接触目标而进行区域性的跟踪测量，能够快速地进行污染源的定点定位，从而获得全面的综合信息。由于水汽、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，通过选择合适的波段来测量大气的散射、吸收及辐射的光谱，然后，从其结果中推算出污染气体的成分。白亮通过对几种主要大气污染物定量反演方法的分析，论述了定量遥感技术在福建省大气环境监测中的应用。杨岚简述了大气环境遥感监测技术的基本原理，着重阐述被动式空基遥感和主动式空基遥感在大气环境中的应用。

2.1大气气溶胶的监测

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。在遥感图像中工厂排放的烟雾、大规模的沙尘暴、火山喷发产生的烟柱、森林失火导致的浓烟都有清晰的影像。气溶胶光学厚度则是气溶胶粒子各个特性参量的综合反映，气溶胶光学厚度能够反映大气污染浑浊的程度，利用气溶胶光学厚度反应气溶胶的变化，方法种类多，内容也各不相同。程立刚等介绍了应用于大气环境遥感监测的多种方法，并着重阐述了被动式空基遥感和主动式地基遥感在大气环境遥感中的应用以及探测气溶胶的卫星传感器的发展历程和特点。王耀庭等针对大气气溶胶性质及其卫星遥感反演的研究发现，气溶胶光学厚度对低地表反射率比较敏感，而与太阳光的相互作用主要表现为吸收。孙娟等证明，MODIS的气溶胶光学厚度（AOD）资料与能见度之间具有较好的相关性，利用MODIS产品来反演能见度是可行的。此外，毛节泰等对MODIS卫星遥感气溶胶的方法与地面多波段太阳光度计的观测法进行对比，发现二者有较好的相关性。MODIS卫星遥感能够精确地识别每一地区气溶胶细微的变化，利用MODIS产品来监测气溶胶的变化，为大气污染监测提供了非常有效的手段。

2.2有害气体的监测

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、乙烯、烟雾等对生物有机体有害的气体。遥感监测有害气体主要有2种方法，一类是根据有害气体污染区地物反射率的发生变化、边界模糊的情况来对有害气体的污染情况进行估计，另一类是利用间接解译标志－实际反演来推断某地区大气污染的程度和性质。魏合理等利用地面可见光（430～450m）波段的太阳光谱和大气上界的参考太阳光谱，反演出大气中NO2的柱总含量，得到了该地区上空NO2含量及其变化，其变化与当地环境监测站用常规法测量的NO2浓度的变化基本一致。赵春雷等选取2010年的资料制作了河北省SO2的遥感图像，与地面监测情况基本符合，还通过光学厚度资料和地面观测资料进行遥感效果检验，平均遥感监测精度达86％，基本可以满足大范围大气环境动态监测的需要。白文广开发了基于优化拟合的CH4物理反演算法，用于实际反演，与官方反演结果比较一致性较好；并首次在中国区域开展地基FTIR大气成分遥感监测研究，用于卫星反演产品的地基验证。对中国区域CH4时空分布特征进行监测，并给出分析结果，为政府决策提供科学依据。无论是直接观测污染物的反射光谱还是通过间接解译的方法，最终都是通过观测反射率的变化来监测有害气体的存在，为监测大气中其他污染物提供了科学的借鉴。

2.3城市热岛效应的监测

城市热岛效应是城市中的空气温度高于城市周围郊区的温度，从而形成了从城市流向郊区的一种环流。城市热岛效应是环境遥感中经久不衰的研究课题，对城市环境而言，城市热岛也是一种大气热污染现象。目前，针对城市热岛的环境遥感监测是通过研究城市下垫面的热红外遥感进行的，通过对不同时相的遥感资料的收集，总结出城市热岛的日变化和年变化规律。XuhanQiu等提出了城市热岛比例指数（URI），可以用来定量分析近一个时期的城市热岛效应随时间的变化。根据植被、水分和表面温度之间的相互关系，对照目标城市，根据城郊植被的差异，选出2幅不同时期的TM（4．5．6波段）彩色合成图像，大致定出城市热岛的范围。Zak－sek等采用欧洲高空间分辨率SEVIRI来估算地表的温度，再根据陆地表面温度（LST）来分析城市热岛的日变化，结果证明，该方法可以用来分析城市热岛的日变化分析，为监测和治理城市热岛的变化提供了一种科学的方法。Gallo等用NOAA／AVHRR数据获得归一化植被指数（NDVI）估算城市热岛对城郊气温差异的影响，结果表明，植被指数和城郊气温差异之间存在显著的相关性。

LinLiu等观察香港一天的热岛效应与植被指数（NDVI）的相关性时发现，热岛效应和NDVI存在着负相关，同时表明了绿色土地可以削弱城市的热岛效应；热岛效应和归一化差异指数（NDBI）存在着正相关，可以用于城市热岛效应案例的分析研究。遥感技术能够从时空中分析城市热岛的变化趋势，为监测城市热岛效应提供了科学手段。

3结论与展望

3.1结论

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。利用多时相监测方法对环境污染的种类进行追踪，能够及时、客观、准确地反应污染物的信息，如污染源的位置、污染物的种类、扩散方向等，并能够对大面积的环境污染通览全貌，在环境污染监测中有巨大的技术优势。

3.2展望

随着各领域对遥感技术需求的提高，遥感技术仍有待于从以下几方面加强研究。

1）实现环境遥感信息的定量化，对全球环境监测的数据进行定量分析、预测和管理。随着RS与GIS、GPS结合越来越多地运用到环境中，而GIS的发展更需要遥感信息的定量化，实现遥感信息的定量化，才能使RS与GIS结合拥有更广阔的应用前景。

2）发展环境遥感监测的网络化，借助互联网的资源共享性，将全国范围监测数据实现网络化及资源共享，充分利用一个最新的研究成果并促进其运用，可以节省监测时间和成本。

3）提高卫星遥感的分辨率。由于大气中云和雾的干扰，在进行大气校正时会产生误差，造成误判。高分辨率和高频率的传感器的建立，可以对突发性环境污染事故进行实时监测和预警，且高空间和高光谱分辨率已是卫星遥感技术的发展趋势。

4）提高信息提取的精度和可靠性。应发展神经网络、认知模型和影像处理系统的集成技术，目前遥感技术正朝着多时相、多光谱、多平台、多角度、多传感器以及多空间分辨率之间的融合技术的方向发展。

5）研制高性能的传感器。环境遥感监测的范围广，但针对不同的污染难进行确切的敏感性指标监测，重点发展优先污染物监测的传感器，才能对污染物的监测做到准确无误。

作者：刘红张清海林绍霞赵璐玥林昌虎单位：贵州大学生命科学学院贵州省理化测试分析研究中心贵州大学农学院贵州科学院