遥感技术在城市环境监测中的应用

王美香，孙代华，刘晓霞

（临淄区生态环境技术服务中心，山东淄博 255400）

0 引言

城市是对自然环境进行有计划改造与利用而创造出的生存环境，是人类聚居的场所，也是人们活动的中心。随着社会的快速发展，城市经济也得到了蓬勃发展，在这一过程中，城市自然环境发生了显著改变，很多问题也随之产生，目前城市环境问题已成为社会发展中面临的重要问题之一。环境质量的相关数据具有很强的时效性，如果采用常规方式对城市环境实施监测，即使耗费巨大的人力、物力、财力，也可能无法完全获得立体性的监测数据信息。但是，通过利用遥感技术就可以及时获取准确的环境质量信息，充分体现了该技术的优越性，有效克服了传统监测方式的缺陷，为环境管理、数据分析提供了支持。由此可以看出，合理运用遥感技术对于城市发展具有非常重要的意义。

1 我国城市发展及环境问题

目前我国正处于城市化快速发展的关键时期，随着城市的快速发展，人们的生产生活获得了极大的便利，但城市原有的自然环境也发生了巨大改变，城市环境大气污染严重、人地矛盾日益突出、水资源匮乏、生物多样性明显减少等问题对人们造成了很大困扰，同时也不利于城市的进一步发展。因此，探索监测与治理城市环境的有效方法，推动城市的可持续发展，已成为目前人类急需解决的重要问题。

2 遥感技术概述

遥感技术是一项重要的监测技术，其利用传感仪器对电磁波、远距离信息等数据进行收集，通过处理、成像等一系列操作后，可以用于对地面景物的探测与识别（图1为遥感的工作过程）。遥感技术具有监测范围广、速度快、宏观性强、实时动态、成本低及精度高等优点，因此得到了广泛应用。从环境监测角度来看，应用遥感技术可以监测出传统监测手段无法发现的污染源，还能对指定区域进行跟踪监测，并且在短时间内获取准确、全面的数据，如污染源的位置、范围及分布情况等，以便及时采取有效措施，其应用范围越来越广，体现出了实时便捷性的特点。

图1 遥感的工作过程

3 遥感技术的应用

现阶段遥感技术在城市环境监测中的应用主要体现在城市绿地遥感、城市热岛遥感、大气环境遥感等方面。

3.1 城市绿地遥感的应用

绿地是整个城市生态系统中的一项重要内容，因此明确城市区域内的绿地情况可为城市绿地生态效益评估工作的开展提供参考依据。

同时，绿地在景观功能与结构中也起到了重要作用，其布局与城市景观结构直接相关，对城市环境与经济文化发展有较大影响。分析城市绿地结构的合理性，可以为城市绿地景观系统的建立提供重要依据，从而为高效协调城市景观的构建奠定基础。例如，以“快鸟”卫星图像为信息源，根据景观多样性、廊道密度以及绿地景观构成等指数，利用遥感与地理信息系统（geographic information system,GIS）技术对城市的空间格局进行分析，建立城市绿地信息专题数据库，以景观生态学理论为指导，对城市的绿地景观格局进行分析，为城市绿地景观结构的优化与创新提供依据[1]。图2为MapGIS技术下的地下空间开发。

图2 MapGIS技术下的地下空间开发

3.2 城市热岛遥感的应用

在区域温度分布图上，城市的温度相比郊区明显高一些，呈凸出的岛状，因此被称为“城市热岛”。在对城市热岛进行研究时，一般会用到热红外遥感，纵观其应用的整个过程，起初主要利用空间分辨率为1.1 km的热红外波段，之后，为了提升陆地亮度温度反演精度，会剔除一些反演算法。由于以前所用卫星NOAA/AVHRR的地面空间分辨率比较低，其所获数据只能用于宏观热岛现象分析，且这些数据在微观热环境观测中是无法使用的。Land sat TM热红外波段的空间分辨率较高，在城市热岛研究中可以充分展现其价值[2]。

3.2.1 基于温度的热岛监测

基于温度的热岛监测是城市热岛研究领域中最常用的方法和手段，按照温度处理方法的不同还可以将其划分为基于地表温度、亮度温度的监测方法。其中基于亮度温度开展城市热岛研究，一般都会假设这样一种情境，即城市区域的范围是有限的，如果研究区域中的水汽情况基本一致，那么基本上可以忽略大气对亮度温度的影响[3]。但在传导过程中地表辐射会受到大气等多方面影响，卫星遥感观测获得的热辐射强度已不是最原始的地表热辐射强度，只能从一定程度上通过亮度温度反映出热场的相对分布情况，而采用亮度温度直接开展城市热岛研究存在的局限性比较大。在反演温度时，基于地表温度的监测需要同时考虑到辐射、大气等多方面的影响，但是城市下垫面的整体情况非常复杂，加上卫星过境时获取数据存在很大困难，因此地表温度精确反演困难重重。现阶段，一般可采用一些简化方式来获取地表温度，例如，利用大气参数和辐射率等指标来求出地表温度[4]。

3.2.2 基于植被指数的热岛监测

在应用遥感技术时，植被指数可以作为信息反映的一项重要信息源，目前已经广泛应用于对植被活力的定量、定性评价上。例如，采用TM、ETM+遥感数据对上海市的地表温度进行反演，这样既可以分析该市热岛扩展下的时空演变结构，同时通过分析结果还可以揭示出城市地表温度、植被覆盖之间的关系。又如，采用ETM+遥感影像对杭州市环境监测数据行处理，从而提取其地表亮度温度、NDVI数据，并通过监督分类等方式，得到该市热岛强度、NDVI的定量关系模型，从而反映出其热岛效应、植被覆盖指数之间的关系[5]。

3.3 城市大气遥感的应用

大气遥感主要采用遥感手段对大气污染源的位置、分布状况及空间浓度等进行监测，可以采用间接解译标志进行研究，也就是说通过使用植物指示大气环境的污染状况，判断城市的大气环境质量。生长情况正常的植物叶片在红外线下反射较强，彩色红外相片上的色泽比较显眼，如果受到污染，彩色红外相片上的颜色就会比较暗，所以利用遥感监测结果即可对城市污染源与污染物的种类、排放强度、扩散分布等情况进行分析，同时借助环境监测站点资料数据，就可以获得定量指标。借助彩色红外遥感图像、地物波谱测试数据以及少量常规监测数据，可以得到最基本的城市大气环境质量数据，并且可以在其基础上构建大气污染评价模型[6]。

大气遥感包括两个方面的内容：①城市大气污染监测。利用航空遥感监测获得的资料，绘制出不同类型的大气污染源分布图，通过该分布图，污染源可以得到有效展示，尤其是高能耗污染源的分布情况，并且人口密集区、商业区、交通拥堵分布状况等都可以得到展现。采用航空多光谱技术，可对大气污染中的主要污染物分布情况进行监测，从而对不同类别的城市大气污染采取不同的处理措施[7]。②扩散规律研究。通过遥感技术可以为人们提供气溶胶类物质的含量、分布等情况，按照热红外扫描图像的分析情况，可进一步明确地面辐射温度、热岛现象形成之间存在的关联。

3.4 城市水体遥感的应用

无论是工业废水还是生活污水，都会污染城区水体，被污染的水体颜色会有所变化，因此光谱反射特性也会随之改变，在遥感图像上，灰度值是污染最直观的体现。例如，利用遥感技术对广州珠江水环境进行质量检测，结果显示，TM数据图像获得的灰度值与该区域水质污染情况存在密切关联，特别是TM可见光波段可以将水质污染情况正确反映出来。又如，利用NOAA/AVHRR气象卫星对城市绿度、透明度与温度等方面进行监测，可以识别出不同水体下水质的变化情况。采用遥感技术对城市水环境质量进行监测（具体流程如图3所示），可以体现出该技术直观、全面等特征，通过与一些常规水质自动监测站相结合，即可全面反映城市水环境的质量情况，有效弥补了常规监测的不足与弊端[8]。

图3 水质监测流程

3.5 垃圾堆放与固体废弃物遥感的应用

利用遥感技术还可以对固体废物实施监测，即定期通过遥感图像对固体废物堆积情况进行监测，利用全球定位系统明确相应的空间位置，通过GIS图像比较，明确固体废物污染信息，根据城市产业布局、垃圾处理系统制定相应的管理方案，从而达到对固体废物实施动态监测与管理的目的。根据光谱特性可以区分城市固体废物的参量，分析参量、光谱之间的关系，合理选择阈值，即可有效去除城市固体废物不相关的像元，突出城市需要监管的固体废物[9]。在统计分析过程中，监督与非监督分类法同样适用于固体废物分类处理之中，图像的非监督分类可将假彩色合成图像作为参考，去除城市固体废物的无关类别，选取剩余图像样区实施统计，再开展监督分类，将空间地理信息加入图像中，最终可获得分类结果[10]。

4 结语

遥感技术在环境监测中的应用，充分体现了其经济性、高效性、快速性等优势，充分弥补了传统监测的局限性，进一步提升了城市环境监测能力。但遥感监测也并非万能，目前仍然有很多污染因子无法通过这项技术直接监测，因此遥感监测技术不能完全取代传统的监测方法，只有将遥感监测技术与传统监测方法结合起来，才能充分发挥其优势，达到提高环境监测工作效率的目的。