给予3s技术的环境质量评价及其研究展望

基于3S技术的环境质量评价及其研究展望*王伟武1，王人潮2，朱利中11（浙江大学区域与城市科学系,浙江杭州 310027）2（浙江大学农业遥感与信息技术应用研究所,浙江杭州 310029）摘要：本文论述了环境质量评价基本内容和基本类型、“3S”技术在环境质量评价中的应用及其局限性，明确了今后基于“3S”技术的环境质量评价应用发展方向和研究领域，特别关注了近年来数据挖掘技术、数据融合技术、高光谱遥感技术给环境质量评价带来的应用前景。

关键字：环境质量评价；“3S”技术；高光谱遥感；数据挖掘；知识发现；数据融合————————————————————————WANG Wei-wu，WANG Ren-chao，ZHU Li-zhong（Dept.of Environment science ，Hangzhou 310028,China ,Zhejiang University, Inst. of Agric. Romote Sensing &Inform. appli., Zhejiang University, Hangzhou 310029,China）Review of the app1ication of 3S technique in environment quality assessmentAbstract: In this paper, the basic contents and types of environment quality assessment , the application of “3S” technology in environment quality assessment and disadvantage of the application were remarked in detail. Finally, the paper disscussed the way and studied fields of the further application of “3S”technique in environment quality assessment，and focus on espeacially the foreground of hyperspectral remote sensing and data technique such as data mining(DM) and data fusion in environment quality assessment .key words : environment quality assessment;“3S”technique; hyperspectral remote sensing; data mining(DM) ; knowledge discovery in database(KDD);data fusion环境质量评价是60年代初开始提出研究的新科技领域[1] 。

它是对环境品质的优劣给予定量或定性的描述，是人们认识环境质量的一种重要手段。

通过环境质量评价：①可以找出评价地区的主要污染源和主要污染物，解决首先防治什么污染物和在那里防治的问题；②定量评价环境质量的水平；③通过技术经济比较，提出技术上合理经济上可行的防治污染途径和方法；④为新的开发计划、保护环境作出可行性研究；⑤为环境工程、环境管理、环境标准、环境污染综合防治、环境规划提供基础数据；⑥为国家制定环境保护政策提供信息等等。

因此，环境质量评价本身的意义非常重大。

“3S”技术是近20年快速发展起来的一组高新技术,即地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球定位系统(GPS)的统称, “3S”技术分别可以利用RS技术从环境遥感影像数据中提取环境信息；利用GIS强大的空间分析功能对环境数据进行分析和处理；利用GPS技术可以提供精确导航和定位空间数据。

但是，“3S”技术在一定程度上受技术人才、物力、财力等条件限制，其普及性还不高。

国内外虽已出现一些“3S”技术应用于环境质量评价的研究，但还没有形成系统的技术体系。

本文在评述环境质量评价基本内容和基本类型、“3S”技术在环境质量评价中的研究现状以及“3S”技术应用于环境质量评价局限性的基础*基金项目：中德部间合作项目（国科外字（1999）0238号，AE39472）、国家自然科学基金资助项目（40001008）作者简介：王伟武，男，1972年8月出生，讲师，在职博士生，研究方向为环境遥感、环境规划等。

1上，明确了今后基于“3S”技术的环境质量评价应用的发展方向和研究领域，特别关注了近年来高光谱遥感技术和数据技术给环境质量评价带来的应用前景。

1环境质量评价1.1环境质量评价的基本内容环境质量评价经历40余年的不断的实践和完善，其内容不断得到深化，慢慢成为环境科学领域的一门相对独立学科。

从含义上讲，环境质量评价是按照一定的评价标准和方法确定一个区域范围内环境质量状况，预测环境质量变化趋势和评价人们生产、生活对环境影响的过程 [2]。

由于评价的目的和要求不同，以及所评价的区域环境条件和主要环境问题的差异，环境质量评价工作内容和工作程序也有所不同。

概括而言，环境质量评价的基本内容包括污染源的调查与评价、环境（质量或污染）现状评价、环境自净能力的评价、环境质量预测（影响评[2] [3] [4]（见图1）。

价）、环境污染综合防治研究等五个方面、、图1 环境质量评价的基本内容Fig. 1 The basic contents of environment quality assessment1.2 环境质量评价的基本类型按不同的分类标准，环境质量评价可以分为不同类型。

从时间尺度，可分为回顾评价、现状评价和未来评价（影响评价或战略评价等）。

从环境要素角度，可分为单要素评价和综合评价。

从区域类型角度，可分为城市环境质量评价、流域环境质量评价、海域环境质量评价及风景游览区环境质量评价。

从项目尺度角度，环境影响评价可分为建设项目环境影响评价、开发区环境影响评价、城镇环境影响评价、区域环境影响评价等（见图2）。

2 “3S”技术及其在环境质量评价中的应用2.1全球定位系统技术全球定位系统(Global Positioning System，缩写GPS)是美国国防部在本世纪80年代推出的以卫星为基础的无线电导航系统，可为航天、陆地、海洋等用户提供三维的导航、定位和定时。

美国已在2000年5月1日对GPS卫星系统终止执行SA政策，这意味着用户GPS单点定位精度将从l00 m提高到30 m。

目前我国的差分GPS(DGPS)定位精度已可以达到米级。

另外，GPS与现代通信相结合，使测定地球表面三维坐标的方法从静态发展到动态，从数据后处理定位发展到了实时定位与导航，在精度、效率、速度、成本等方面都显示出了巨大的优越性。

随着GPS的改进和完善，特别是新一代GPS卫星的发射，GPS将具有更多的功能和更广泛的应用领域。

在环境质量评价领域，特别是污染源调查与评价阶段，可以发挥以下功能：①环境监测站点（如大气、水、噪声等）的地面或地面上空的空间定位；②动态、实时处理和采集环境数据，数据的2连续性和准确性较好；③与摄影测量组合，确定环境质量评价区域，动态测量各类污染源（点状、面状、线状）的位置、范围和空间关系。

例如在确定区域评价范围时，采用装有GPS接收机的飞行平台绕评价区域边界进行摄影测量，GPS接收机将接收到的信号转化到电子地图上，从而确定区域评价范围。

因此，GPS技术在野外环境数据采集和信息化中起到导航定位的作用。

图2 环境质量评价的基本类型Fig. 2 The basic types of environment quality assessment2.2遥感技术遥感(Remote System，缩写RS)即在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离感知的一种探测技术。

RS技术通常是指在高空和外层空间的各种平台上，运用各种传感器(如摄影仪、扫描仪和雷达等)获取地表信息，通过数据的传输和处理，来研究地面物体形状、大小、位置、性质及其与环境相互关系的一门现代化技术。

遥感通常按照其承载传感器的平台不同分为航天遥感、航空遥感、地面遥感。

目前，遥感技术正经历着从定性向定量、从静态向动态的发展变化。

遥感技术作为环境数据获取和动态监测（特别是面状信息）的重要手段，具有许多优点：①通过地球观测卫星或飞机从高空观测地球，可进行大面积同步监测，获取环境信息数据快速准确，并具有综合性和可比性，如能及时发现陆地淡水和海水的污染，大面积空气污染，洪水淹没区域等；②利用遥感技术获取环境信息，具有可获取大范围资料、获取信息手段多、信息量大、获取信息速度快、周期短和获取信息受条件限制少等特点。

遥感获取的环境动态观测数据，通过GIS快速处理和分析，能及时发现环境的变化；③遥感与传统的环境信息获取方法相比，可以大大节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。

3国内外遥感技术用于环境质量评价可以归纳为以下两方面：2.2.1 遥感技术直接进行大气、水、地面等污染源或污染物的环境监测。

这方面国内外已有一些研究[6]、[7]。

例如表1。

2.2.2 遥感数据应用于整个环境质量评价过程[8] 、[9] 、[10]。

例如区域性环境质量评价，特别是大中尺度环境质量评价，可以利用TM、MSS、NOAA、SPOT、SAR等遥感数据，通过比值合成、图像校正、图像增强和多源信息复合遥感图像处理等以提取信息，通过目视解译与制图或遥感数字图像计算机解译（图像的监督分类和非监督分类、图像形状和空间关系特征的描述和提取、遥感图像解译专家系统等），可以容易地获得区域或项目各环境评价因子在评价区域内的空间分布和差异规律，以便确定评价范围和主要环境评价因子，还可以根据一定环境模型对遥感数据处理结果进行定量分析，从宏观上得出评价结论。

表1 遥感技术监测污染源或污染物概况[4]、 [5]Table 1 The survey of monitoring pollution source or pollutions using romote sensing污染源遥感平台可以测定的污染源或污染物陆地卫星、航测工业区上空的烟雾、石油产区的烟柱等微波辐射测定空气中CO、N2O等有害气体大气污染激光雷达利用有害气体大都有喇曼反射的性质,如CH4、C2H6、H2S、CO、NO、CO2、N2O、SO2等热水污染监测：用8-14µm波段的热红外扫仪进行航空遥感。

陆地卫星、航测水体污染:虽不是很有效,高度富营养化,受到严重有机污染,可用近红外测定；污染物浓度较大，水色普遍变色，可用可见光测定陆地卫星、航测油类污染监测：用紫外、可见光与近红外遥感测定油膜厚度，进而判定油污染种类，用热红外测定油温和水温差异，进而判定污染区域水污染微波遥感测定油膜厚度，估算油溢总量植被污染监测：测定城市化带来的地表覆盖变化和自然净化能力减少程度，测定植物的质量、存在的种类及受害程度、长势地面污染陆地卫星、航测土壤污染监测：测定土壤盐渍化、贫瘠化程度。