遥感技术在水环境和大气环境监测中的应用探讨

徐国成 左少新 梁 茜

(1.宜春市袁州区环境监测站，江西 宜春 336000；2.宜春市袁州区工业园环保所，江西 宜春 336000；3.宜春市环境监测站，江西 宜春 336000)

前言：遥感技术是根据电磁波的理论，应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种景物进行探测和识别的一种综合技术。早在20世纪60年代，得益于信息技术的发展，遥感技术就在地质探测领域得到了初步应用，现代找矿、水环境监测和大气环境监测等工作进一步应用了遥感技术，使相关工作质量得到了明显提升。

1 遥感技术在水环境监测中的应用

1.1 水体浑浊度的监测

水体浑浊度监测工作早在20世纪中期就已经引起各国重视，此前多应用样本分析法进行测定，技术环节多而繁琐，遥感技术的出现改变了这一局面。任何物体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。此前学者的研究表明，悬浮物质数目对直接音响概念该光谱衰减系数，最容易透过的波段从0.50μm附近向红色区移动，浑浊度越高的水体，其入射光被散射的深度越浅，反射率也会越高，二者的变化如表1所示。

表1 水体浑浊度与散射率之间的变化关系

结合表1数据可以发现，在进行水体浑浊度的观测时，700-900nm波段的效果往往较好，由于0浑浊度和90%以上浑浊度的观测价值一般不大(0浑浊度几乎不存在)，在进行研究的过程中，调整固定波段即可通过数字设备获取水体图像，了解其波峰出现的位置，得出浑浊度数据结果。

1.2 城市污水的监测

城市污水一般指工业废水和生活废水，这些废水中的有机物以及一些金属元素可能导致水体质量恶化、富营养化或者金属元素超标，通过遥感技术可以实现水体环境的监测，长期积累的数据还可以用于分析水体污染的变化趋势。目前常用的是二向反射光度计法、波谱数据分析法等。应用二向反射光度计法进行监测时，首先了解多角度偏振反射光谱数据，包括探测方位角、光线入射角、探测天顶角、偏振角、波段等，将其与探测目标进行一对一降维关联，了解不同因素的影响系数，之后以扑拓学原理进行罗列，再分析遥感测量后的生成数据，进行模型叠加，了解对象的污染情况。波谱数据分析法强调化学需氧量COD测定，通过地面实测光谱数据做精细化分析。该方法下，遥感技术的适用范围得以提升，大面积监测和小范围监测都有可行空间，但在进行大面积监测时，需借助卫星作业。

1.3 水体热污染的监测

热污染是指现代工业生产和生活中排放的废热所造成的环境污染，可污染大气和水体。在进行水体热污染监测时，主要利用水体中污染物质类别、数目的差异做综合分析，将监测所获特征以曲线的形式表达，判断特异性，了解热污染强度和污染类型。也有学者提出温度分析法，该方法不能用于污染元素的辨别。一般而言，不同污染物造成的水体热污染存在差别，污染物的数目越多，遥感技术生成的曲线变化越复杂，而单一污染物数目极多的情况下，曲线将具有突出的特异性。热污染级别与曲线的变化关系如表2所示。

表2 热污染级别与曲线的变化关系

在热污染监测中，遥感技术所获数据可以反应污染级别，但需要结合曲线特异性、水体状况进行污染元素的分析。曲线特异性的误差往往在2%-3.5%之间，我国工作人员在针对珠江一带的水体热污染监测中，一度将误差控制在1.0%以下，获取了良好监测效果。

2 遥感技术在大气环境监测中的应用

2.1 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。遥感技术应用于气溶胶监测的原理较为简单，主要是借助气溶胶粒子特征参数和光学厚度进行综合成像，由于目前气溶胶的形成以及其主要物质类别是相对明确的，监测所获结果也往往比较科学可信。常用方法如被动式空基遥感和主动式地基遥感等，上述方法均强调遥感技术设备的精确性，将设备置于室外环境下，针对目标对象做持续性数据收集，之后将所成图像做分离处理，选取不同的特征态势与单一气溶胶成像情况进行匹配分析，图像相似度越高，表明分析对象中该气溶胶的成分越大。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。为保证监测效果，目前通常以主动式地基遥感进行核心对象的针对性分析，以被动式空基遥感进行目标对象的长期分析。

2.2 有害气体的监测

对有害气体进行监测，是目前遥感技术应用的典型方式，主要目标包括二氧化硫、氟化物、乙烯、烟雾等，常用方法包括反射率分析法、边界分析法两种。也有学者提出根据反演推断法，参考长期资料进行有害气体监测。我国学者针对不同有害气体进行了观测波段分析，如二氧化氮，其观测波段一般在432nm到448nm之间。2016年11月，河北某地雾霾严重，技术人员通过反射率分析法进行了有害气体的监测，选取波长为300nm-900nm，涵盖了几乎所有有害气体的观测波段，获取了大气环境信息，并与同一时期北京地区对二氧化硫、二氧化碳的监测结果进行了对照，两组差异平均为0.2%，检测结果精准可信。边界分析法属于一种较为典型的匹配分析法，也是开放性监测的一种体现。该方法强调收集大部分常见有害气体、混合气体的监测数据，生成监测结果模型，之后应用遥感技术对当前目标进行监测，匹配监测结果与模型之间的差异，了解有害气体类型和污染态势，一般可用于长期监测。

2.3 城市热岛效应监测

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。各国对该现象的研究由来已久，遥感技术的应用较为有效的推动了该研究课题的进展，目前主要通过研究城市下垫面的热红外遥感进行分析，将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。在红外成像原理下，城市下垫面的所有对象以及其热量信息都得到实时跟踪，2017年4月，德国学者曾在慕尼黑对低能耗建筑进行热岛效应检测，并与常规建筑进行对比，结果上看，低能耗建筑的的热能存储能力高于常规建筑41%，散热能力则优化34%，这是其能耗少、更宜居的主要原因。我国学者也曾进行过类似研究，所获结果与德国学者基本相同。

3 总结

综上，遥感技术在水环境和大气环境监测中的应用普遍，效果也比较理想。通常针对不同对象目标、不同指标的监测存在技术方面的差异，遥感技术借助专业设备和明确的原理进行探测作业，能够将不同对象的特异性通过多种方式展现出来，便于技术人员进行分析研究，也能够为后续工作持续提供参考。