遥感在环境科学中的应用——遥感技术在大气环境监测中的应用

1、遥感在环境科学中的应用 遥感技术在大气环境监测中的应用摘要：简要说明了遥感技术应用于大气环境监测的原理，从不同大气污染物的角度介绍了近年来遥感技术在国内外大气污染监测中的应用进展。最后，对我国大气环境遥感研究中存在问题和发展前景进行了讨论。关键词：遥感技术；大气环境监测；应用Application of Remote Sensing in Environmental ScienceApplication of Remote Sensing Technology in Atmospheric environmental MonitoringAbstract： The physical princ

2、iples of remote sensing technology application was briefly described， and the progress of application of remote sensing technology in atmosphere monitoring in recent years from the perspective of different ambient pollutants was introduced. At last，the future developing direction of the atmospheric

3、remote sensing in China and the existing defect of atmospheric remote sensing monitoring technology were discussed，Key words： remote sensing technology; atmospheric environmental monitoring; application随着我国经济快速发展的同时，大气环境问题已日益严重，严重威胁人们的健康，抑制经济的发展。对区域性的大气环境质量状况采用常规的地面监测方法进行检测，很难得到准确的结果，且还需要投入大量的人员、设备和

4、资金。而遥感技术具有速度快、成本低、监测范围广等特点，能进行长期的动态监测。遥感技术不仅能对大范陶的大气环境变化和大气环境污染进行快速、动态、实时、省时省力地监测，还可以对突发性大气环境污染事件的发生、发展进行实时、快速跟踪和监测，从而能及时采取相应的处理措施，使大气污染造成的损失大大减少，因此，遥感监测技术在大气环境管理和大气污染控制中发挥着重要的作用1。1遥感技术在大气环境监测中应用的原理物理学研究证实，凡是高于绝对温度0 K（-273 ）的物体自身都会发射电磁波，照射到地面的太阳辐射能与地物相互作用也可产生反射、吸收和投射3 种效应。地物反射率会受到传感器位置、气候、地面湿度、大气状况等

5、诸多因素的影响。不同地物因结构和成分不同，其反射光谱特性也不同。遥感技术就是运用对物体反射或辐射的电磁波敏感的器件，捕捉远方电磁波信号并成像，以感知、识别、测量并分析目标物的各种性质特点。大气传感器可以监测大气中的O3 、CO2 、SO2 、CH4 及气溶胶、有害气体的三维分布。这些物理量通常不可能用遥感手段直接识别。但是，由于水汽、CO2 、O3 、CH4 等微量气体成分具有各自分子所固有的辐射和吸收光谱，可以通过测量大气的散射、吸收及辐射的光谱而从中识别出来2，3 。应用于大气环境监测的电磁波谱主要是近紫外线到红外线范围( 0. 4 25m) ， 以及微波范围( 10 200 GHZ) 。

6、按照所利用电磁波辐射源的不同，可将大气遥感技术分为被动式遥感技术和主动式遥感技术4 。根据遥感平台的不同，大气环境遥感监测又可分为空基遥感和地基遥感 。2监测大气环境的遥感技术地球观测卫星是利用遥感技术进行大气环境观测的。用于大气监测的遥感技术种类较多，一般有相关光谱技术5、激光雷达技术及热红外扫描技术等。2. 1 相关光谱技术相关光谱技术基于光的吸收原理， 受监测气体选择吸收特定波长的光后， 按光强衰减程度来推算对象气体物的浓度。在测定过程中配合相关技术可以排除非对象组分的干扰。相关光谱系统采用的吸收光限于紫外光和可见光。在遥测中， 需在自然光充分的条件下， 利用地表之上漫射光所汇聚的光源。

7、在相关技术中使用二二成对的吸收光， 每对吸收光是邻近波长的， 且所选定的波长要使它们通过监测对象时分别发生强吸收和弱吸收， 这样有利于提高监测的灵敏度。相关光谱系统装备在汽车或直升机上， 即可大范围遥测大气污染物及其分布的情况。相关光谱技术的实用对象目前还只限于NO、NO2 SO2。监测这3 种污染物组分的实际工作波长范围分别是： NO 为195 230nm， NO2 为420450nm， SO2 为250 310nm。2. 2 激光雷达技术激光雷达是一种主动遥感技术。因激光具有单色性好、高度方向性和能量集中等优点， 使得根据激光原理制作的传感器具有很高的灵敏度和良好的分辨率。故近期运用激光对

8、大气污染进行遥感的技术发展很快。激光脉冲射入环境监测对象介质后， 首先因发生散射作用而衰减。射向大气的激光束遭遇气态分子时， 可能发生雷利散射和拉曼散射。散射作用在大气遥感中占有相当重要地位， 主动探测系统多是基于这种作用机制而建造的。红外激光- 荧光遥感器可用于监测大气中NOX、CO、CO2、SO2、O3 等污染物及其浓度， 其监测频率在可见光至紫外光区域， 根据荧光波长和强度可分别作定性和定量监测。应用紫外激光- 荧光遥感仪可监测大气中HO 自由基浓度。3遥感技术在大气环境监测中的应用3. 1 大气气溶胶监测气溶胶是指悬浮在大气中的各种液态或固态微粒。气溶胶粒子的来源很复杂，地球表面的岩石

9、和土壤风化，海洋表面由于风浪的作用使海水泡沫飞溅而形成的海盐粒子，植物花粉、孢子，人类燃烧活动和自然火灾(包括火山爆发，森林及农田火灾) 以及工厂排放的气体或发生化学反应而产生的液态或固态粒子等，构成了来源广泛而又复杂的大气气溶胶体系。气溶胶本身是污染物，同时又是许多有毒、有害物质的携带者，它的分布在一定程度上反映了大气污染的状况。在对气溶胶的遥感监测方面，高分辨率的卫星遥感不但提供了监测大气气溶胶的可能性，而且可以利用遥感图像分析大气气溶胶的分布和含量，甚至可在遥感图像上直接确定污染物的位置和范围，并根据他们的运动，发展规律进行预测预报。一般来说，气溶胶质量浓度在垂直方向呈指数分布，垂直方向

10、总积分质量与地面浓度成近似的线性关系，而气溶胶光学厚度（AOD）与垂直方向总积分质量一般也成近似线性关系5。在上海，采用高分辨率（1 km×1 km）MODIS 数据反演出的AOD 与城市空气污染指数（API）的相关系数达到了0.86。这表明AOD 在相当程度上可以被定量用于空气质量的评估，遥感数据可以定量用于大气环境监测，补充地面监测站点的不足。3.2大气污染物监测全球臭氧监测仪(GOME)主要用于监测O3 以及在对流层和平流层臭氧化学中具有重要影响的痕量气体（如NO2、SO2 和一些卤化物）的全球分布。利用Aura卫星搭载的OMI 仪器观测反演得到2008 年奥运会期间华北地区的

11、对流层NO2 柱浓度7，发现在实施奥运空气质量保障方案后，北京市NO2 柱浓度（10×1 015 分子/cm2）明显低于周边城市天津和唐山分子数为(1520)×1 015 个/cm2，而20052007 年同期三城市浓度则大致相同，且在奥运期间（2008 年78 月）下降了约40%，证明了实施相关大气质量保障方案有效。在农村，秸秆焚烧会在短时间内产生大量SO2。南京市某研究综合利用了地面大气污染监测、卫星遥感火点监测和气象监测等资料，分析了南京及周边地区与2008 年10 月底一次严重的空气污染事件，发现SO2浓度在数小时之内由低于0.05 mg/m3迅速上升至0.57 m

12、g/m3，之后缓慢下降，且其他污染物（NO2、CO、PM10）也有相同趋势。通过进一步的气流轨迹分析得出，较低的边界层高度、500 hPa 以下弱垂直速度、涡度和散度及逆温层的存在等不利于污染物扩散的天气形势和边界层条件是此次污染的气象学原因8。3. 3 灾害性大气污染监测灾害性大气污染包括沙尘暴、有毒气体泄露等。沙尘暴是大风扬起的地面沙尘，使空气变浑浊、大气水平能见度低于1 km、近地面大气层中悬浮颗粒物急剧增加的一种自然现象。目前国外对沙尘暴的遥感监测主要利用静止气象卫星(GMS/VISSR)和极轨气象卫星(NOAA/AVHRR )两大卫星遥感系列数据。近年来，不同研究分别利用NOAA/A

13、VHRR 和MODIS数据分析内蒙古沙尘暴的波谱特点，有效地区分了沙尘区与其他地物，监测沙尘暴的影响范围及浓度分布，绘制分布图像，得到了很好的效果9-11。3.4城市热岛监测城市热岛是指城市气温高于郊区的现象，是一种大气热污染现象。城市热岛的遥感研究主要是通过对城市下垫面的热红外遥感来进行。目前对城市热岛的监测主要有基于温度的热岛监测方法和基于植被指数的热岛监测方法。基于温度的热岛监测方法是最常用，也是最直接的方法。以TM 和ETM + 遥感数据来分析上海城市热岛扩展的时空演变格局，通过相关分析和回归分析能够揭示出地表温度与植被覆盖具有强烈的负相关关系，植被分布面积的增加对城市热岛强度的降低具

14、有非常积极的作用12。4结语作为全世界范围内经济发展最快的国家之一，我国的大气污染问题已引起越来越多的关注。构建并完善以常规监测、自动监测为基础，遥感监测为辅助的天地一体式环境监测体系，提高监测和预报水平，是一个值得探索的课题。目前，遥感技术在大气环境监测中的应用仍存在监测时间过短、获取数据不具表性等缺陷，影响了研究结论的说服力。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(包括非遥感数据资料数据)的信息复合与综合分析过渡。从对各种事物的表面性的描述，向内在规律分析、定量化分析过渡，就大气环境遥感而言，有待于在以下几方面加强研究：(1)大气环境遥感的定量化、集成化、系统化和全球化；

15、(2)大气环境的主动和被动式卫星遥感的一体化；(3)高光谱、高时间、高空间及多角度、多时相、多偏振等多种数据源的综合应用；(4)高性能传感器的研制；（5）“4S”一体化，4S即环境污染遥感监测技术(RS) 与地理信息系统( GIS) 、全球定位系统( Geograp hic Information System ，GPS) 、专家系统( Expert System ， ES) 。随着遥感监测项目的增多、卫星分辨率的提高、数据共享程度的提高和数据处理与解释的完善，遥感技术将逐渐成为大气监测乃至各种环境污染物监测的主要手段，发展和应用环境遥感技术将会直接促进环境保护工作的开展，并带来巨大的经济效益

16、和社会效益。参考文献： 1 吴忠勇、程承旗. 3S 技术在环境监测信息管理系统建设中的应用初探 J . 中国环境监测，1997，13( 1) ：2- 6.2 韩燕，崔玉民. 浅谈遥感技术在环境监测中的应用J . 阜阳师范学院学报： 自然科学版，2007，24 (1) ：42-59.3 程立刚，王艳姣，王耀庭. 遥感技术在大气环境中的应用综述J . 中国环境监测，2005 ，21 (5) ：18-23.4 王丽娟，景耀全. 浅谈遥感技术在大气监测中的应用J . 环境技术，2005 (1) ：15-17.5 王振亚， 李海洋， 周士康. 光谱技术在大气环境监测中的应用 J . 物理学和高新技术， 2001.6施成艳，江洪，江子山，等.上海地区大气气溶胶光学厚度的遥感监测J.环境科学研究，2010，23(6)：680-684.7余环，王普才，宗雪梅.奥运期间北京地区卫星监测NO2 柱浓度的变化J.中国科学，2009，54(3)：299-304.8朱彬，苏继峰，韩志伟，等.秸秆焚烧导致南京及