遥感技术在水环境和大气环境监测中的应用研究进展

遥感技术在大气环境监测中的最新研究进展。提出了环境监测对遥感技术的新需求和应深入研究的方向。
［关 键 词 ］遥 感 技 术 ；水 环 境 ；大 气 环 境 ；监 测
［中 图 分 类 号 ］Ｓ１２７
［文 献 标 识 码 ］Ａ
Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ Ｗａｔｅｒ ａｎｄ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
（１．贵州大学 生命科学学院，贵州 贵阳 ５５００２５；２．贵州省理化测试分析研究中心，贵 州 贵 阳 ５５０００１； ３．贵州大学 农学院，贵州 贵阳 ５５００２５；４．贵州科学院，贵州 贵阳 ５５０００１）
［摘 要］遥感技术是环境 监 测 的 重 要 技 术 手 段，能 够 对 大 面 积 的 水 污 染 和 大 气 污 染 事 故 进 行 实 时 监
自２０ 世 纪 ６０ 年 代 末 人 类 首 次 登 上 月 球 开 始， 美国、加拿大和欧洲 一 些 国 家 相 继 建 立 了 各 自 的 遥 感 系 统。 目 前 该 技 术 已 广 泛 应 用 于 军 事、测 绘、地 矿、环 境 监 测、农、林 和 考 古 等 领 域。 遥 感 技 术 具 有 空 间 性 、实 时 性 、多 波 段 性 、探 测 周 期 短 、获 取 信 息 手 段多，信息量大、费 用 低 等 优 点，被 广 泛 应 用 于 环 境 监测中，能够全面、准 确、快 速 地 监 测 到 污 染 的 范 围 和程度，为环境 监 测 提 供 了 全 新 的 科 学 手 段。 随 着 环 境 问 题 日 趋 严 重 ，遥 感 技 术 的 运 用 也 越 来 越 广 泛 。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ａｉｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
遥感一词最先由美国海军研究局 Ｅｖｅｌｙｎ Ｐｒｕｉｔｔ 提出，１９６２年在 美 国 密 执 安 大 学 等 单 位 发 起 的 《环 境科学遥感 讨 论 会》上 被 正 式 引 用 。 ［１］ 遥 感 技 术 是 应用各种传感仪器对远距离目标反射或辐射的电磁 波信息进行收集、处 理，并 最 后 成 像，从 而 对 目 标 进 行探测和判定的一种综合技术。
贵 州 农 业 科 学 ２０１３，４１（１）：１８７～１９０ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
［文 章 编 号 ］１００１－３６０１（２０１３）０１－００５５－０１８７－０４
遥感技术在水环境和大气环境监测中的应用研究进展
刘 红１，张清海２，林绍霞２，赵璐玥３Fra Baidu bibliotek林昌虎４＊
ＬＩＵ Ｈｏｎｇ１，ＺＨＡＮＧ Ｑｉｎｇｈａｉ ２，ＬＩＮ Ｓｈａｏｘｉａ２，ＺＨＡＯ Ｌｕｙｕｅ３，ＬＩＮ Ｃｈａｎｇｈｕ４＊
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ ５５００２５；２．Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｔｅｓｔ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ， Ｇｕｉｙａｎｇ， Ｇｕｉｚｈｏｕ ５５０００２；３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ５５００２５；４．Ｇｕｉｚｈｏｕ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕｉｙａｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ５５０００１，Ｃｈｉｎａ）
贵 州 农 业 科 学 ·１８８· Ｇｕｉｚｈｏｕ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
不同以及出现在遥感影像上的颜色差异来监测水污 染。影响水质的主 要 因 子 有 水 中 悬 浮 物 （浑 浊 度）、 溶解有机物质、病 原 体、油 类 物 质、化 学 物 质 和 藻 类 （叶绿素、类胡萝 卜 素）等。 根 据 水 体 的 光 学 和 温 度 特性，可利用可见光 和 热 红 外 遥 感 技 术 对 水 体 的 污 染状况进行监测。 清 澈 的 水 体 反 射 率 比 较 低，往 往 小于１０％，水体对光有较强 的 吸 收 性。 在 进 行 水 质 监测时，可以采用以 水 体 光 谱 特 性 和 水 色 为 指 标 的 遥感技术。目前，遥 感 技 术 在 水 环 境 污 染 监 测 中 的 应 用 ，主 要 集 中 在 对 水 体 浑 浊 度 、热 污 染 、富 营 养 化 、 石油污染等方面。 １．１ 水体浑浊度的监测
省中药现代化重大专项项目“贵州地产石斛、半夏等７种中药材产地适 宜 性 评 价 技 术 体 系 构 建 与 应 用 示 范 ”［黔 科 合 重 大 专 项 字（２０１２）６０１０］ ［作 者 简 介 ］ 刘 红 （１９９０－ ），女 ，在 读 硕 士 ，研 究 方 向 ：环 境 污 染 与 防 治 。Ｅ－ｍａｉｌ：６２４１８８０８３＠ｑｑ．ｃｏｍ ＊ 通 讯 作 者 ： 林 昌 虎 （１９６３－ ），男 ，研 究 员 ，硕 士 生 导 师 ，从 事 环 境 科 学 研 究 工 作 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｎｃｈａｎｇｈｕ７９＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ （ＲＳ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ａ ｌａｒｇｅ ａｒｅａ ｏｆ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，ｒａｐｉｄ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｇｅｎｃｙ ｐｌａｎｓ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｕｓｅ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＲＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＲＳ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｔｕｒｂｉｄｉｔｙ，ｃｉｔｙ ｓｅｗａｇｅ，ｗａｔｅｒ ｈｅａｔ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｉｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ａｎｄ ａｌｓｏ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ＲＳ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌｓ，ｈａｒｍｆｕｌ ｇａｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｒｂａｎ ｈｅａｔ ｉｓｌａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｔｈｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ＲＳ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．
测，为制定科学、快速、准确、合理的应急方案提供技术支撑。为了促进遥感 技 术 在 环 境 监 测 中 的 科 学 运 用，
从遥感技术的发展及特点、水体的浑浊度、城市污水、水体热污染、水体富营养 化、石 油 污 染 监 测 等 方 面 综 述
了 遥 感 技 术 在 水 环 境 监 测 中 的 应 用 ，并 从 气 溶 胶 、有 害 气 体 以 及 城 市 热 岛 效 应 监 测 ３ 个 典 型 应 用 方 面 综 述 了
城市大量排放的工业废水和生活污水中带有大 量有机物，使水 质 恶 化。 卫 星 遥 感 技 术 通 过 水 体 在 光谱影像上的差异 来 判 定 水 体 污 染 的 变 化，不 仅 能 够实时观察污染物 的 运 动 特 点，还 可 以 根 据 水 中 的 悬浮物作为判定指示物来追踪污染源。
韩阳等 针 ［６］ 对不 同 浓 度 的 ３ 个 生 活 污 水 样 本， 采用二向反射光度计的方法，测定了不同样本 在 ２π 空间的多角度偏振 反 射 光 谱 数 据，建 立 了 探 测 方 位 角 、光 线 入 射 角 、探 测 天 顶 角 、偏 振 角 、波 段 等 因 素 与 所测 水 体 的 偏 振 数 据 的 关 系。 黄 妙 芬 等［７］利 用 ２００６年４ 月 ６～７ 日 在 甘 肃 省 庆 阳 市 境 内 环 江、柔 远和马莲河实测的 水 体 波 谱 数 据，以 及 化 学 需 氧 量 ＣＯＤ 测定 数 据，采 用 Ｆｉｓｈｅｒ判 别 方 法，建 立 了 基 于 地面实 测 光 谱 数 据 和 适 用 于 该 研 究 区 的 水 环 境 ＣＯＤ 遥感识别模式。水环境 ＣＯＤ 污染遥感模式的 建立为从 遥 感 影 像 上 快 速、大 面 积 获 取 ＣＯＤ 信 息 提供了一种技术手段。Ｃｈｕｑｕｎ Ｃｈｅｎ等 利 ［８］ 用卫星 数据来评估珠江 水 质，结 合 综 合 污 染（ＣＰＩ）法，测 得 水体 ＣＯＤ 和 养 分 的 含 量，定 量 分 析 了 珠 江 口 水 污 染的状况。巩彩 兰 等 提 ［９］ 出 了 利 用 多 光 谱、高 光 谱 遥 感 技 术 对 水 环 境 情 况 进 行 大 面 积 、多 时 相 、低 成 本
１ 遥感技术在水环境污染监测中的应用
水体的遥感监测是以污染水与清洁水的反射率
［收 稿 日 期 ］ ２０１２－０８－２８；２０１２－１２－１９ 修 回 ［基金项目］ 贵州省优秀科技教育人才省长资金项目“草海流 域 农 业 环 境 污 染 研 究 与 农 产 品 质 量 安 全 评 价”［黔 省 专 合 字（２０１１）１６］；贵 州
由于水中悬浮物微粒或者浮游生物粒子的影 响，射到水体中的太 阳 光 会 被 一 定 程 度 地 吸 收 和 散 射。任何地物包括 水 体 都 具 有 光 谱 反 射 特 征，遥 感 就是通过水体在光谱影像上的差异来判定水体污染 的变化。胡举波 等 研 ［４］ 究 发 现，随 着 悬 浮 物 质 数 量 的 增 加 ，光 谱 衰 减 系 数 不 断 增 大 ，最 容 易 透 过 的 波 段 从０．５０μｍ 附 近 向 红 色 区 移 动。 随 着 浑 浊 水 泥 沙 浓度的增大和悬浮 沙 粒 径 的 增 大，入 射 光 被 散 射 的 深 度 变 浅 ，水 的 反 射 率 逐 渐 增 高 ，其 峰 值 逐 渐 从 蓝 光 移向绿 光 甚 至 向 黄 色 变 化。Ｇｉｔｅｌｓｏｎ 等［５］研 究 证 明，５００～６００ｎｍ 波段适合用来监测水体的悬浮物， ７００～９００ｎｍ 波段的反射率对悬浮物质的浓度变化 最敏感，也是遥感用 来 估 算 水 体 悬 浮 物 质 浓 度 的 最 佳波段。通过遥感 拍 摄 水 体 的 图 像，观 察 图 像 上 波 峰出现的位置区域，就 能 够 清 楚 地 了 解 水 体 浑 浊 度 的变化。 １．２ 城市污水的监测
我国的 环 境 遥 感 技 术 始 于 ２０ 世 纪 ７０ 年 代 末， 尤其是１９７８年，我国 《环 境 遥 感》期 刊 的 问 世，标 志 着遥感作为一门崭新的技术应用于环境监测中。目 前，遥感技术已经广 泛 运 用 于 水 环 境 和 大 气 环 境 的 监测。陈琳等 从 ［２］ 大 气 污 染、水 环 境、海 洋、固 体 废 气物、生态环境等方 面 阐 述 了 应 用 遥 感 技 术 进 行 环 境监 测 的 现 状，黄 有 泉 等 阐 ［３］ 明 了 卫 星 遥 感 在 环 境 监测与管理中所起的作用。为了发挥遥感技术在环 境监测方面的技术 优 势，促 进 遥 感 技 术 的 发 展 和 科 学运用，笔者对遥感 技 术 应 用 于 水 环 境 和 大 气 环 境 变化监测进行了综 述，并 提 出 了 环 境 监 测 对 遥 感 技 术的新需求及其未来研究的方向。