遥感技术在大气环境监测中的应用研究

贺 斌

（枣庄市市中生态环境监控中心，山东 枣庄 277101）

引言

遥感技术属于一种探测性、判定性技术，最早提出以及正式启用都是在美国，直到1978年该技术才被正式应用于环境监测领域。它能够提供大范围、高分辨率和多时相的地理数据，帮助人们更好地了解和管理地球上的各种变化和现象，为决策制定和可持续发展提供重要支持。在社会经济飞速发展过程中，随之即来的环境问题从长远视角而言给经济持续发展造成了一定的限制，而关于环境治理的常规调查显示，环境污染情况得不到及时反映成为顺利开展工作的最大困境，遥感技术能很好地解决这一问题，大幅提升环境监测工作的及时性。本文以大气环境为例，遥感技术在监测中的应用进行分析。

1 遥感技术的概念、分类及应用原理

1.1 概念

遥感技术是指利用卫星、飞机或无人机等遥感平台携带的传感器获取地球表面信息的科学与技术领域。它通过接收和记录地球表面反射、辐射和散射的电磁波，将其转化为数字数据，并通过图像处理、分析和解释，提取有关地球表面特征、物质组成和环境变化等信息。遥感监测技术能够实现大范围同步观测，并在短时间内进行动态观测、重复观测，具有良好的实用价值。在环境监测活动中，遥感技术不需要进行前期采样，能够直接实施区域性的跟踪观测，快速识别环境中的污染源，确定污染范围以及扩散路径。

1.2 环境遥感技术的分类

环境遥感技术可以根据不同的分类标准进行分类。以下是几种常见的分类方式：

1.2.1 感知范围

根据遥感技术对环境的感知范围，可以分为全球遥感、区域遥感和局部遥感，全球遥感利用卫星等遥感平台获取地球整体信息，区域遥感关注特定地理区域的信息，局部遥感集中在具体目标或现象的细节方面。

1.2.2 数据类型

按照所使用的遥感数据类型，可分为光学遥感、热红外遥感、雷达遥感等，光学遥感利用可见光和近红外波段的电磁辐射进行图像获取和解译，热红外遥感利用地物辐射的热红外波段信息，雷达遥感则利用微波信号的反射与散射特性[1]。

1.2.3 分辨率

根据遥感数据的空间分辨率，可以分为高空间分辨率遥感和低空间分辨率遥感，高空间分辨率遥感能够提供更精细的地表信息，适用于对小尺度目标进行分析，而低空间分辨率遥感则适用于大范围环境变化的监测。

1.2.4 时间尺度

根据遥感数据的时间分辨率，可以分为单时相遥感和多时相遥感，单时相遥感通过获取一次地表图像进行分析，而多时相遥感利用多个时间点的数据进行比较和监测，能够反映环境随时间变化的动态特征。

1.3 遥感技术的应用原理

1.3.1 辐射传输

大气中的气体、云和颗粒物等对太阳辐射和地球表面辐射的吸收、散射和发射会导致辐射传输过程的变化，遥感技术通过测量地球表面和大气层顶部的辐射能量，可以推断出大气组成、浓度和光学特性等信息。

1.3.2 光谱特征

不同气体和颗粒物具有特定的光谱吸收和散射特征，遥感技术利用不同波长范围的电磁辐射进行观测，通过比较被测量辐射与参考辐射的差异，可以推断出大气中的气体浓度、污染物浓度和气溶胶的类型等信息。

1.3.3 时间序列分析

通过连续观测并分析不同时间点的遥感数据，可以监测大气污染物的时空变化。例如，通过比较不同日期的遥感图像，可以识别出植被状况、火灾活动或工业排放等引起的污染事件[2]。

综合利用以上原理，遥感技术可以提供大范围、高时空分辨率的大气环境信息，包括大气成分、污染物浓度、气溶胶特性、云量以及地表辐射等参数，为大气环境监测和污染防控提供重要数据和科学依据。

2 遥感技术在大气环境监测中的应用

2.1 监测臭氧层

臭氧（O3）是一种由三个氧原子组成的分子，是地球大气层中重要的气体之一。它在大气中以臭氧层的形式存在，主要集中在距离地表约10至50公里的平流层中。臭氧层对地球生命非常重要，因为它能够吸收并屏蔽来自太阳的紫外线辐射，保护地球上的生物免受有害的紫外线照射。遥感技术对臭氧层的监测主要体现在：

2.1.1 臭氧总量监测

遥感技术可通过测量太阳辐射经过大气时的吸收特性来估算大气中的总臭氧含量，利用可见光和紫外线波段的遥感数据，可以获取不同高度区域的臭氧垂直分布，从而对臭氧总量进行空间和时间的监测。

2.1.2 臭氧垂直分布

遥感技术结合多光谱或超光谱观测，可以推断出大气垂直分布中的臭氧浓度变化，这些观测可以通过分析大气散射和吸收的特征来获得，例如，在紫外-可见光和红外波段中测量大气辐射能量的垂直分布[3]。

2.1.3 紫外辐射监测

臭氧在紫外波段对太阳辐射具有强烈的吸收作用，通过监测大气中紫外辐射的强度和分布情况，可以推断出臭氧层的厚度和浓度，遥感技术可以提供全球范围的紫外辐射数据，揭示臭氧层的空间和时间变化。

2.2 监测大气气溶胶

遥感技术在大气气溶胶监测中发挥着重要作用，通过遥感观测，可以获得气溶胶的浓度、类型、光学特性以及其与气候、空气质量等因素的相互作用，为大气环境研究、气候变化和空气污染控制等提供关键信息和科学支持。以下是一些主要的应用方式：

2.2.1 气溶胶浓度和类型分析

通过遥感技术获取的光学遥感数据可以反演大气中气溶胶的光学厚度、质量浓度和大小等信息，这些数据可用于估算不同类型气溶胶的含量，并研究其来源和分布。

2.2.2 气溶胶的空间分布和传输

遥感技术提供了大范围、高时空分辨率的气溶胶观测能力，通过连续监测和比较不同时刻的遥感图像，可以揭示气溶胶的时空分布模式和传输路径，帮助理解气溶胶的迁移和扩散过程。

2.2.3 气溶胶光学特性研究

遥感技术可以获取气溶胶的光学特性，如散射和吸收特性，通过测量不同波长下的光散射和光吸收强度，可以推断出气溶胶的复杂折射率、粒径分布和化学成分等信息。

2.3 监测有害气体

2.3.1 二氧化碳（CO2）监测

遥感技术可以通过测量地球表面和大气层顶部的红外辐射来估算大气中的二氧化碳浓度，这些观测数据可以用于监测全球和区域尺度上的二氧化碳排放、吸收和分布，为碳循环研究和气候变化评估提供重要数据。

2.3.2 一氧化碳（CO）监测

遥感技术可以利用红外光谱观测大气中的一氧化碳含量，一氧化碳是燃烧过程和交通排放的重要产物，也与大气污染和空气质量有关，通过遥感监测一氧化碳浓度，可以评估城市和区域的大气污染水平，并为相关政策制定提供支持[4]。

2.3.3 二氧化硫（SO2）监测

遥感技术可使用紫外光谱或红外光谱测量大气中二氧化硫的浓度，二氧化硫是主要的工业污染物之一，也与火山喷发和燃煤等自然和人为源有关，通过遥感监测二氧化硫含量，可以评估空气质量、大气污染来源和区域性污染事件。

2.3.4 氮氧化物（NOx）监测

遥感技术可以利用紫外光谱或红外光谱观测大气中氮氧化物的浓度，氮氧化物是燃烧过程和交通排放的重要产物，也与大气污染和酸雨形成有关，通过遥感监测氮氧化物含量，可以评估城市和区域的大气污染水平，并为相关环境管理提供数据支持。

2.4 监测沙尘暴

2.4.1 沙尘暴探测与跟踪

遥感技术可以通过卫星和雷达观测手段监测沙尘暴的发生、演变和传播路径，卫星遥感能够提供广域范围的沙尘暴识别和监测，而雷达遥感则可提供高时空分辨率的沙尘云和沙尘暴内部结构信息。

2.4.2 沙尘颗粒物的浓度估算

遥感技术可以通过光学遥感数据估算沙尘暴期间大气中沙尘颗粒物的浓度。通过对红外或可见光谱的反射和散射特征进行分析，可以推断出沙尘颗粒物的光学厚度和质量浓度[5]。

2.4.3 沙尘源地的识别和定位

遥感技术可以帮助确定沙尘暴的起源地和沙尘源区。通过分析遥感图像中的地表特征和植被覆盖情况，可以识别出可能的沙尘源地，并提供有关沙尘暴源地的地理位置信息。

2.4.4 沙尘暴的时空分布分析

遥感技术可以提供大范围的沙尘暴监测数据，通过对不同时间和空间的遥感图像进行比较和分析，可以揭示沙尘暴的季节性变化、空间分布和传输路径等特征，为沙尘暴风险评估和预警提供参考。

2.5 监测热岛效应

热岛效应是指城市或城市化地区相对于周围乡村或自然环境而言，具有更高的温度和热能积累现象，它是由城市建筑、人类活动和城市化进程所引起的一种气候现象。城市热岛效应不但会使城市气温升高，还会对当地的天气情况造成影响，包括降水量、云量、雾、空气湿度等。此外，热岛效应会使污染物向热岛中心聚集，污染浓度也会随着热岛效应加剧而逐渐上升。遥感技术在热岛效应监测中发挥着重要作用，通过遥感观测和分析地表温度、土地利用、土地覆盖和空气质量等数据，可以实现对热岛效应的定量评估、空间特征分析和长期变化监测，为城市规划、生态环境保护和气候适应提供科学支持。

2.5.1 地表温度测量

遥感技术可以通过红外辐射数据获取地表温度信息。通过遥感仪器测量不同波段下的辐射亮温，并结合大气校正和地表反射率模型，可以反演出地表温度分布图。这样可以定量评估城市中不同区域的热岛效应强度。

2.5.2 热岛效应空间特征分析

利用高分辨率的遥感影像数据，可以获取城市不同区域的地表温度图像，通过对比城市内部各个区域的地表温度差异，可以揭示热岛效应的空间分布特征。这有助于识别热岛形成的原因和机制，以及指导城市规划和建设。

2.5.3 热岛效应长期变化监测

遥感技术能够提供大范围、长时间序列的遥感数据，可以实现对热岛效应的长期监测和变化分析。通过比较不同时期的遥感图像和地表温度数据，可以研究热岛效应的时空演变趋势，评估城市发展对热岛效应的影响，并为城市可持续发展提供科学依据。

2.5.4 热岛效应与空气质量关系研究

遥感技术可以用于监测和分析城市热岛效应与空气质量之间的关系。通过获取热岛区域和非热岛区域的地表温度和空气质量数据，可以探索热岛效应对污染物扩散和空气质量形成的影响机制，从而提供减缓热岛效应对空气质量的不利影响的方法和措施。

3 遥感监测技术在大气环境领域的发展前景

随着遥感技术和传感器的不断进步，未来的发展将实现更高的时空分辨率，这将使得我们能够获取更详细、更精确的大气环境监测数据，以便更准确地分析和评估大气污染物、气候变化和天气现象等。结合卫星、无人机、飞艇等多种遥感平台的数据，可以提供更全面的大气环境信息，并弥补单一遥感数据的局限性，同时与地面观测数据和模型结果的互联互通，可以实现多源数据的综合分析和验证。将遥感技术与计算机和数据库等新型技术相结合应用于大气环境监测可以提升数据处理和分析能力，计算机和数据库技术的应用可以实现大规模遥感数据的高效处理、存储和管理，通过并行计算和分布式处理，可以加快数据处理速度，提高数据分析的效率和准确性[6]。结合遥感技术和计算机技术，可以实现实时的大气环境监测和预警系统，传感器采集的数据可以即时传输到中央数据库进行处理和分析，从而及时识别和响应大气污染事件、气候变化和天气灾害等。还可以应用智能算法和机器学习方法来优化数据处理流程、开发高效的特征提取算法，并建立准确的预测和模拟模型，有助于更深入、精细地理解大气环境变化的机制和趋势。

4 结语

总而言之，遥感技术在大气环境监测中具有显著的应用成效，它能够提供广域、高时空分辨率的数据，实现对大气污染物浓度、气候变化、天气灾害等关键参数的精确监测和评估。通过遥感技术，我们能够及时获取大范围的环境信息，并为政策制定者和决策者提供科学依据，以推动环境保护和可持续发展。