遥感在面源污染监控中的应用

遥感技术在面源污染研究中的应用

一、面源污染

1、定义与分类

面源污染又称非点源污染，主要由地表的土壤泥沙颗粒、氮磷等营养物质、农药等有害物质、秸秆农膜等固体废弃物、畜禽养殖粪便污水、水产养殖饵料药物、农村生活污水垃圾、各种大气颗粒物沉降等通过地表径流、土壤侵蚀、农田排水等方式进入水、土壤或大气环境而造成的污染。

面源污染按照空间分布可以分为矿业面源污染、农业面源污染、城市面源污染，其中农业面源污染最为严重。矿区面源污染主要是由于露天开采造成水土流失形成；农村面源污染分为种植业面源污染、养殖业面源污染和生活污水、垃圾污染。它是在农业生产和生活过程中，农田中的颗粒物质、氮、磷等、农药及其他有机或无机污染物质不及时或者不适当处理，在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、农田排水或地下淋溶，大量污染物质进入水体，造成地表水和地下水的污染。城市面源污染主要来自于不合理的土地利用，非集中排放的污水垃圾，和大气沉降物，近年来，由于国家新出台的环保法加大了执法力度，城市工业污染得到了有效缓解。

2、面源污染对环境带来的主要影响

面源污染的发生使得地球土壤、水体、大气都受到了影响。特别是对水体环境污染最为严重，由于大量的氮磷等物质通过面源污染排入水体，增加了水体富营养化程度，恶化水质。全世界施入土壤中的肥料大约30%~50%经土壤淋溶进入地下水，而土壤中氮元素大量的淋失和下渗，使地下水中硝态氮含量严重超标，严重威胁地下水环境的质量；一些有毒有害物质（如重金属或农药的残留物等）进入水体后不容易被降解掉，于是形成了水体底泥（沉积物），这些水体底泥污染的存在直接影响水体的生态功能。这已经成为了世界范围内的一个重要环境问题，水体水质恶化势必破坏水生生物的生存环境。目前全球30%~50% 的地球表面已受到面源污染的影响，农业面源污染已引起1.44亿hm2耕地不同程度地退化。农业生产过程中土壤污染带来最大的影响就是直接导致农业生产活动受到威胁，粮食是国之根本，一些污染物质如重金属等进入土壤被粮食吸收，而人类使用农产品就很容易引起粮食安全问题。

3、特点

面源污染主要有分布范围广范、影响因子多样、形成过程随机、监测困难等特点。由于

人类活动的分散性和降雨的普遍性，就导致了一些污染活动比如水土流失，秸秆焚烧，农药化肥施用都分布在不同的空间，决定了面源污染在空间分布上具有广泛性。从面源污染的定义就可以得知降水、土地利用、土壤结构、农作物种植、气候气象、地质地貌、人类活动等都是影响面源污染的因素。也正是因为如此，面污染形成的过程没有一个统一的途径，往往都是多因素、不同因子共同作用形成的，造成了污染形成过程随机的特点。面源污染影响因子的多样性和形成过程的随机性使得面源污染变得复杂化，这就大大增加了监测的难度。可以看出面源污染的特点是相互制约，相互影响的，所以面源污染的研究现在也没有形成一个完整的具体的体系。

4、研究现状

世界范围内对于面源污染的研究起源于20世纪70年代中期，但是在此后的十多年几乎处于理论研究阶段，没有真正实质上实验研究。直到上世纪九十年代研究者们开始关注氮磷与水体富营养化之间的联系，面源污染研究主要针对地表水或者地下水体富营养化中氮磷来源与过程分析，主要的研究方法为传统的实地采样与监测。进入到21世纪，面源污染研究的广度和深度明显提高，在污染物方面，除了总氮之外，进一步对水体中硝态氮、重金属进行分析，同时开始对影响面源污染的土壤迁移，径流过程、沉积物等进行研究。对河流、迁移、模拟和沉积物的关注度也稳步提高，这个阶段，面源污染研究方法和工具也迅速发展，尤其是随着GIS的出现，基于空间分析进行水文模型模拟使得流域综合管理、不同土地

利用效应等方面的研究得以开展。至此，面源污染研究完成从点位尺度的观测到流域尺度水质变化、氮磷污染输出规律、模型应用的过渡。基于GIS空间分析的水文模型在流域尺度的模拟、优化和运用，是面源污染控制与评估的基础。而随着研究的深入，流域尺度的精细管理、面源污染模型开发与耦合、气候变化效应在未来将受到更多关注。

二、遥感技术在面源污染研究中的应用

1、遥感技术在面源污染研究中应用的优势

面源污染研究与遥感技术结合有其必然性，其中大量数据源的获取和结果精度评价是问题的关键。遥感可实时、快速地记录大面积流域的空间信息及各种变化参数，提供精确的定性和定量数据，能对各种信息进行定量分析、动态监测和自动成图。卫星遥感数据具有效率高、经济性好、可重复性强、尺度大等特点，可解决目前农业面源污染数据获取中，数据获取过程耗时长、人力物力花费大、数据实效性差、所需数据跨越较广等瓶颈问题，可与传统的野外采集的数据和统计资料互为补充和验证，因此在面源污染研究中发挥越来越大的作用。

2、遥感技术在面源污染中的具体应用

2.1数据获取

影响面源污染的因素有很多，因此在研究面源污染时需要大量的影响因子的数据来作为研究依据，而由于面源污染分布的广泛性和形成过程的随机性，使得在获取相关的水文数据、大气数据、土壤数据、地形数据、土地利用数据等时会耗费大量的人力物力。利用遥感技术对面源污染进行数据获取具有范围广、周期短、速度快等优点，费用也较少。下表介绍了利用遥感技术获取农业面源污染研究数据的方法、优势和要求。

数据类型应用方法与领域优势要求

水文数据（基础数据）测雨雷达TRMM、GPM计划遥感技术的前沿和热点

应用领域

相关反演算法发展还不太

成熟，精度还有待改进

土地数据（重要数据）资源卫星，提取土地覆盖与土

壤类型；土壤湿度反演模型

土地利用分类是遥感技

术对地观测最成熟和最

具优势的应用领域之一

遥感技术在土壤状况获取

中也可以发挥重要的作

用，但对分辨率要求较高，

切要求更新性强

地形数据多角度遥感观测、微博雷达应用于反演算法较成

熟，且有相关的全球共

享数据库

对重访周期要求不高

气象数据（辅助数据）温度反演、湿度与降水、风向

风速（雷达散射计）

温度反演精度在1K以内其他传感器的种类和反演

算法还处于试验性研究阶

段

表遥感技术获取农业面源污染研究数据的方法、优势和要求

2.2污染监测

面源污染对水体环境的污染是最为严重的，所以对于水体进行污染监测是面源污染研究中最重要的一环，然而传统的水体污染监测方法已经不能达到现在水体污染监测要求，无法反映整个监测区域内的水质变化与差异。而遥感技术恰恰弥补了传统定点式监测的缺陷，利用多时相的遥感数据清楚地反映出区域流域污染现状和空间分布特征，并可对同一流域水体污染历史和污染趋势做出研究和预测。

在土壤污染监测方面遥感技术仍然能够扮演重要的角色，遥感与地理信息系统集成，与