中国科技大学5-环境监测新技术导论t

第五章：遥感监测技术

遥感技术是随着空间科学和电子计算机技术的迅速发展而兴起的一门边缘科学。它综合了空间科学、光学、电子学和计算机技术的最新成就，是收集大面积、远距离目标信息的一种现代化探测手段。具有快速、准确、省时等优点，是帮助人们更广泛、细致、迅速地认识自然界地有力工具。

§1概述

一.遥感鉴测概念与方法:

1.遥感与遥感监测

遥感：遥远感知事物的意思

遥感监测：用仪器对一段距离以外的目标或现象进行观测，是一种不直接接触目标物或现象而能收集信息，对其进行识别、分析、判断的更高自动化程度的监测手段。

这种手段最重要的特点是不需要采样而直接可以进行区域性的跟踪测量，快速进行污染源的定点、定位，污染范围的核定，污染物在大气中的分布、扩散等，从而获得全面的综合信息。

2.电磁波遥感：

以电磁波为媒介，在高空或外层空间，通过飞机或卫星等运载工具携带的各种传感器（如摄影仪、扫描仪、

雷达等）来获取地表信息，通过对所获数据的传输处理及判断分析，来了解和研究地面物体的形状、大小、位置、性质及其与环境相互关系的一门

应用科学技术。

电磁波遥感的依据是：地球上任何地物都有对电磁波的发射、吸收、反射、透射等特性，称为地物光谱特性。地物的光谱特性与物质结构有密切关系，尤其是与原子能级、分子能级和固体能带直接有关。太阳辐射先通过大气层，再到达地面，一部分被地物吸收，另一部分又一次反射经过大气层到达传感器。遥感技术就是靠传感器接收和记录这部分能量的反射光谱或发射光谱，从而获得各种地物的特征信息。电磁波遥感监测系统中的一般传感器

遥感传感器从高空探测地面物体时，所接收到的电磁波能量如下图所示：

传感器

由于不同地物在不同的波段反射率是不同的，因而在不同波段的相片上会呈现不同色调。

如：灰棕色的表层土壤、绿色的植物和无色的水对不同波长电磁波的反射率土壤（灰棕色）

204060百分反射率植物（绿色）水（无色）

对不同的研究对象，可根据它们各自的光谱特性，选择最佳波段、最佳摄影季节的相片进行判读可见，任何物体都具有光谱特性，具体地说，它们都具有不同的吸收、反射、辐射光谱的性能。在同一光谱区各种物体反映的情况不同，同一物体对不同光谱的反映也有明显差别。即使是同一物体，在不同的时间和地点，由于太阳光照射角度不同，它们反射和吸收的光谱也各不相同。遥感技术就是根据这些原理，对物体作出判断。

3.环境遥感：

利用遥感技术探测和研究环境污染的空间分布、时间尺度、性质、发展

动态、影响和危害程度，以便采取环境保护措施或制定生态环境规划的遥感活动。

4.遥感技术分类：

（1）按搭载传感器的遥感平台分类

地面遥感：即把传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等；

车载天然气管道泄漏激光遥感航空遥感：即把传感器设置在航空器上，如气球、航模、飞机及其它航空器等；

航天遥感即把传感器设置在航天器上，如人造星、宇宙飞船、空间实验室等。航天遥感示意图（2）按遥感探测的工作波段分类

紫外遥感：探测波段在0.3～0.38μm之间可见光：探测波段在0.38～0.76μm之间红外遥感：

探测波段在0.76～14μm之间微波遥感：探测波段在1mm～1m之间

多光谱遥感：

探测波段在可见光与红外波段范围之内，但又将这一波段范围划分成若干个窄波段来进行探测。高光谱遥感：是在紫外到中红外波段范围内，并且也将这一波段范围划分成许多非常窄且光谱连续的波段来进行探测。

（3）按遥感探测的工作方式分类主动式遥感被动式遥感

5、遥感探测方式

（1）主动式遥感探测：

主动式探测需要人工光源，即由传感器主动地向被探测的目标物发射一定波长的电磁波，然后接收并记录从目标物反射回来的电磁波。

主动式遥感既要发射波束，又要接收回波，通常将这种方式称为雷达工作方式。

（2）被动式遥感监测：被动式遥感：

无人工光源，即传感器不向被探测的目标物发射电磁波，而是直接接收并记录目标物反射太阳辐射或目标物自身发射的电磁波。被动式遥感监测采用的方法通常是：

红外扫描技术、摄影遥感技术及相关

光谱技术

a）红外扫描技术红外扫描过程图红外扫描系统被测目标光电转换器电信号电光转换器光信号照像底片监测对像影像

b）摄影遥感技术

根据不同物质对电磁波的反射特性不同，在感光胶片上得到不同的颜色色调的照片进行探测。

c）相关光谱技术相关关谱技术是一种基于光的吸收原理并辅以相关技术的遥测方法。根据工作光源发射的光透过气体并经吸收后，检测光强衰减的程度来推算被监测物质的浓度。

相关光谱法原理图

光谱图透过率图5-6相关光谱法原理图

吸收率相关器组件1相关器组件2

二.

环境遥感的特点

1.

无需采样，也不需要样品处理，方法简便，分析速度快。

2.

可实时监测污染物质大面积三维空间分布，对预报污染物质的传播有巨大意义。

3.

多用途性，可用于水环境遥感、大气环境遥感、生态环境遥感、灾害环境遥感等。

4.

不足：测得的污染物浓度是相对浓度，即距离与浓度的乘积，必须借用其他方式才能换算成绝对浓度。另外，遥测技术要求高，设备研制周期长，价格昂贵，难以推广普及。

§2大气环境遥感监测(主动遥测)

大气遥感监测是指：大气探测仪器与被探测大气在相隔一定距离的情况下，通过某种辐射波在大气中传播所获得的信息来反演大气参数的一种探测方法。

按照遥感探测仪器是否主动的发射

探测波束，大气遥感可分为：

主动式遥感和被动式遥感。

主动式遥感既要发射波束，又要接收回波，通常将这种方式称为雷达工作方式。

被动式遥感主要依靠接收大气自身所发射的红外光波或微波等辐射实现对大气成分的探测。

按照所用波束性质的不同，大气遥感可分为：

大气光学遥感

大气微波遥感

大气声学遥感等。一、大气激光雷达探测的基本原理（主动式探测）

abc

b脉冲激光器信号检测器接收望远镜

二.激光与大气相互作用的各种机制：

三.大气探测激光雷达的组成与种类

1.激光雷达的基本组成

激光发射系统信号检测系统光学接收系统5632178脉冲激光器光束准直器光束发射器放大器采样平均器光电探测器窄带滤光器微机2.激光雷达的种类

四.激光雷达在大气探测中的应用

1.Mie(米氏)激光雷达与气溶胶探测气溶胶：悬浮在大气中的固态、液态粒子数量巨大、成分复杂、性质多样的一种污染物。

大气的光学厚度：是指沿辐射传输路径、单位截面上所有吸收和散射物质所产生的总削弱（是无量纲量）

2.大气污染的拉曼激光雷达探测

检测器发射望远镜接收望远镜激光发生器光谱分析器数据处理机显示

储存拉曼激光雷达系统

工厂烟囱和汽车尾气的拉曼光谱图

3.差分吸收激光雷达探测

差分吸收激光雷达的测试过程图

激光器烟囱差分吸收激光雷达的测试过程图

对烟气SO2的测试结果

abbcbdb

差分吸收激光雷达对不同物质的探测灵敏度

O3:8.0×10-8CO:2.5×10-6SO2:4.0×10-8NO:1.0×10-7NO2:4.0×10-7C6H6:3.0×10-8CH4:7.0×10-8

4.共振荧光激光雷达探测

§3.水环境遥感监测

一、水环境遥感原理

水与其他地物的反射率比较

电磁波与水体的相互作用过程图

723456111LLL遥感器

二、水质遥感监测：

水环境遥感包括定性、定量两种方法：

定性遥感方法：是通过分析遥感图象上的色调（颜色）特征或异常对水环境进行评价的。这往往需要了解水环境化学现象与遥感图象色调之间的

关系，建立图象解译标志。

定量方法：建立在定性方法之上，通常需要获得与遥感图像同步（或准同步）的实验数据，以标定定量模型。

水污染