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1

1（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

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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 assessment

Abstract: 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。

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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 assessment

1.2 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

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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 assessment

2.2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。

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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。通过作物的

长势，间接判断受污染程度

2.3 地理信息系统技术

地理信息系统(Geographic Information System ，缩写GIS)是一项以计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科，是管理和研究空间数据的技术系统。概括来说，GIS在环境质量评价中能发挥如下作用：①利用GIS强大的数据库功能（包括本地和远程），建立和管理有关的环境信息数据库，有效地对评价区域或项目所需的环境评价数据进行属性数据和空间数据查询、更新、提取；②利用GIS强大的空间分析功能[11]（如缓冲区分析、空间叠置分析、网络分析、网格分析、邻近分析、数字高程模型等）。例如，可对环境监测网络进行科学设计，从而有效地表征建设项目所在地的环境信息的收集、适时储存和显示，并对所选评价对象进行详细的场地监测和分析。针对分析建设项目各种数据而建立的环境影响评价模型，具有很强的综合分析模拟和预测能力，是环境质量现状分析和辅助决策的重要工具；③直观的图形界面可根据用户的要求而输出各种分析和评价结果报表图形，并与自动化办公系统、internet、intranet进行数据通讯；④GIS还能够提供快速反应决策能力，可以模拟和预测环境风险用于地震[12]、[13]和洪水灾难[14]的模拟、有毒气体扩散建模[15] 、飓风和恶劣气候的建模、石油事故模拟等，对减灾防灾工作具有重要的意义；⑤具有很强的数据管理更新和跟踪能力，可以对环境监测信息进行分析，来检查和督促环境影响评价单位和工程建设单位履行职责，并对环境影响报告书进行事后验证。

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GIS在环境规划、环境管理、环境污染控制系统工程分析方面也有特殊优势[16]。主要表现在：①GIS能支持环境规划与管理的各种工作，尤其是其空间分析和叠加功能，能够帮助政府部门完成环境功能区划，并能与土地利用分区、城市功能分区等工作相互协调；②GIS 可以将各种来源的数据汇集起来，并通过统计分析功能按多种边界和属性条件，提供区域多条件组合形式的资源统计与原始数据的快速再现，并提供一系列的资源分析与评价模型资源、预测预报及资源合理开发配置模型；③GIS软件采用开放式的体系结构，对统计分区建筑申请评估和其他信息不加修改或稍加修改就可以综合到系统中，无论相关数据是在大型机的BD2数据库、PC机的DBASE、UNIX上的ORACLE 或其他关系数据库管理系统中，GIS都能为规划管理部门提供对这些数据的连接和查询；④利用GIS的空间搜索方法，多种信息的叠加处理和分析软件回归分析投入产出计算模糊、加权评价0-1、规划模型、系统动力学模型等可以有效管理一个大区域复杂的污染源信息、环境质量信息及有关方面的信息，并能统计分析区域环境影响因素，如水、大气、河流等的变化情况及主要污染源和主要污染物的地理属性和特征等；⑤GIS 的叠置地理对象属性功能，对同一区域不同时段的多个环境影响因素及特征，如环境质量人口、经济水平、产业结构、自然景观、地貌山川、河流等可进行叠加分析区域环境质量沿边与其它因素之间的相关关系，从而对区域的环境质量进行预测；⑥可利用GIS 将区域的污染源数据库和环境特征数据库，如地形、气象等与各种环境预测模型相关联，采用模型预测法对区域的环境质量进行预测；⑦利用GIS 不仅可显示地图的原有数据，还可建立分析结果的地图，如在地图上显示重点污染源的位置及对环境的影响。GIS在战略环境影响评价和累积环境影响评价中也有很大的实用性，GIS系统具有强大的层运算功能，可将不同的环境影响进行计算并叠加分析，这对战略环境影响评价和累积环境影响评价的分析模拟具有非常重要的意义。另外，GIS 还具有编辑加工和评估长时段、大地理区域数据的能力，以及作大约建模和影响预测的能力，能够识别并分析环境影响在时间和空间上的累积特征，为战略环境影响评价和累积环境影响评价提供实际可行的操作方法。

2.4应用的局限性

利用“3S”技术进行环境质量评价，一般说来，环境因子类型越多、分类越细，解译的准确度也就越难以保证。制约详细程度和精确性的主要影响因子，一是客观因素，主要包括信息源的质量，如遥感数据的时相、分辨率、准确程度以及软件的选择、各种参照信息源的详细程度等。多时相、多类型、多波段遥感数据的综合利用是一种有效的解决途径。但是，目前人们所能利用的电磁波还十分有限，仅在其中的几个波段。尚有许多谱段的环境资源信息有待进一步开发。已经被利用的波段也还不能准确反映区域或项目的某些环境特征，因此，缺少不了地面调查和验证。二是主观因素，主要有操作者的技术、经验，如专业知识、解译水平、工作认真程度等。如何进一步提高精确度，加强环境评价因子类型特别是亚类之间的分辨力，是今后仍需努力的方向。

3. 应用和研究展望

基于“3S”技术的环境质量评价水平取决于两个方面：一是“3S”技术自身的不断发展，以及与其他技术（如数据技术）集成化程度的提高；二是评价体系的严密性、准确性、全面性。数据挖掘和数据融合技术专家系统、神经网络、高光谱遥感技术及数据技术等相关技术的不断发展，为提高“3S”技术实现环境质量评价水平成为可能。

3.1 数据挖掘和数据融合技术的发展和应用

3.1.1 数据挖掘技术

近年来，随着数据库技术和机器学习技术的飞速发展，逐渐兴起一种新的数据分析技术——数据挖掘（Data Mining）和知识发现（Knowledge Discovery in Database，简称KDD）[17] 、[18] 、 [19] ，两者从本质上看是一样的，即从数据库中提取隐含的、高水平、有潜在应用价值的知识模式。数据挖掘系统的体系结构大致分为三层，第一层是数据源，包括数据库、数据仓库。数据挖掘不一定要建立在数据仓库的基础上，但数据挖掘与数据仓库的协同工作，将大

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大提高数据挖掘的效率。第二层是数据挖掘器，利用数据挖掘方法分析数据库中的数据，包括关联分析、序列模式分析、分类分析、聚类分析等。第三层是用户界面，将获取的信息以便于用户理解和观察的方式反映给用户，可以使用可视化工具。

通过数据挖掘系统的体系结构与环境质量评价体系框架的比较，从环境数据处理角度来看，不难发现，环境质量评价过程实质上就是针对环境数据库或数据仓库，应用环境质量评价的专业知识结合数据挖掘器进行数据挖掘和评价成果表达的过程。这种密切相关性预示了数据挖掘技术应用于环境质量评价的广阔前景。

3.1.2 数据融合技术

遥感数据融合[20]是将同一地区的多源遥感影像数据加以智能化合成，产生比单一信源更精确、更完全、更可靠的估计和判断。它的优点是运行的鲁棒性，提高影像的空间分解力和清晰度，提高平面图精度、分类的精度与可靠性，增强解译和动态监测能力，减少模糊度，有效提高遥感影像数据的利用率等。

遥感数据融合技术的发展，给环境数据和环境质量评价质量的提高带来可能。这是因为多源遥感影像数据经过融合以后，所提供的信息具有冗余性、互补性和合作性。对冗余信息的融合，可以减小对目标解译、识别的误差和不确定性，提高精确性；对互补信息的融合，可以提高输出成果的规律性、可信度；对合作信息的融合，可以增强融合系统的协调性。随着计算机技术、通讯技术的发展，新的理论和方法的不断出现，多源遥感影像数据融合将日趋成熟，从理论研究转入到实际更广泛的应用，最终必将向智能化、实用化方向发展，并同GIS结合，实时动态融合技术必将应用于更新和监测环境质量评价的整个过程之中。

3.2 高光谱遥感技术的应用

高光谱遥感能在可见光、近红外、中红外和热红外波段等波谱范围内，分离成数百个很窄的波段来接收信息，每个波段宽度均小于10nm，并形成一条连续的完整的光谱曲线，它与TM、SPOT的波段等相比，可以探测出许多陆地卫星不能探测的更多地物，探测某些具有特殊光谱特征的地物也成为可能。特别是在大气(水蒸汽含量与变化趋势、云分量和云阴影性质以及卷云的探测、气溶胶特征)、地质土壤、沿海及内陆水域(叶绿素、浮游生物、不可溶有机物、悬浮沉淀物、基底物质组成、半淹没水生植物的测定)、生态与植被(如叶面积指数测定、树种判别)等方面。高光谱技术在环境与灾害方面，可以探测危险环境因素，如用来编制酸性矿质分布图，特殊蚀变矿物分布图，评价野火危险等级[21]。这一切表明，高光谱遥感技术给环境质量评价提供了提高评价的“质”与“量”的可能性。

3.3 3S技术的深化

“3S”技术的深化主要表现为“3S”系统的集成化、一体化、智能化、网络化。“3S”技术系统科学的集成是一种充分利用各自的技术特点快速准确而又经济地为人们提供所需信息的技术。遥感系统对遥感图像采集、图像处理和识别分类的功能很强，而GIS对图形的处理、管理和定向分析功能很强，两者集成或一体化后，就能取两者的优点而填补两者的缺陷，再加上全球定位系统，既能对地表或空间的物体执行定时的精确定位，使“3S”有更强的判断和决策能力。“3S”集成技术在环境质量评价领域已有一些研究。近年来，出现一些应用神经网络进行河流生态系统建模评价[22]、沿海水质预测和评价 [23]的研究。另外“3S”技术有与专家系统、神经网络的融合构成“4S”、“5S”体系发展趋势[9]，“3S”与专家系统的结合称为专家GIS或基于知识的“3S”或智能“3S”技术等，它实际上是基于知识的专家系统（Knowledge-Based Expert System简称KBES），是在“3S”技术中的一种应用。我们知道，仅仅是“3S”技术集成缺乏知识处理和进行启发式推理的能力，而整个环境质量评价过程是解决空间众多复杂问题的过程，需要足够的决策支持。因此，许多环境质量评价问题的解决需要大量的专家知识与经验。目前，这方面的研究已得到重视，如Kalogirou,S.[24]开发出了一种原型网络专家GIS，用于土地适宜性评价。Lam.David等将专家系统、神经网络与GIS相结合，建立了用于环境管理的决策支持系统。可以预见，随着“3S”技术的深化，环境质量评价体系将能更加准确地筛选评价因子，更加自动、智能、有效地得出评价结果，并能应用不同的专家体系得出不同的评价方案，进而进行方案优选。

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总之，“3S”技术的集成化、一体化、智能化、网络化趋势以及数据技术的发展，不但为环境质量评价研究带来广阔的应用和研究前景，而且将使环境质量评价研究更具有科学性、针对性和公正性。

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