大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中遙感技術(shù)的應(yīng)用研究

李明明

摘? 要：近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)經(jīng)濟(jì)都得到了迅速的發(fā)展，人民生活水平得到了大幅度的提升，但與此同時(shí)，我國(guó)的大氣環(huán)境也受到了極大的影響，在影響經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，也給人們的身心健康造成了極大的威脅，因此，必須加大對(duì)大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)力度，及時(shí)有效地制定出環(huán)境治理解決方案。遙感技術(shù)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、監(jiān)測(cè)效率高以及監(jiān)測(cè)成本低的特點(diǎn)，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中具有不可替代的重要作用?；诖?，該文對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的遙感技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了細(xì)致的研究，并總結(jié)了遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：大氣環(huán)境;遙感監(jiān)測(cè);主動(dòng)遙感;被動(dòng)遙感;應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：X83? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)幅度和增長(zhǎng)效率予以了高度的關(guān)注，卻忽視了社會(huì)環(huán)境的改變和惡化，其中，大氣環(huán)境污染已發(fā)展成為影響人民生活質(zhì)量和生活健康的最主要因素之一，因此，為了對(duì)現(xiàn)有大氣環(huán)境進(jìn)行改善和治理，就必須提高大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)質(zhì)量。大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、效率高和成本低的特點(diǎn)，已成為大氣環(huán)境管理和大氣環(huán)境治理的一個(gè)重要手段和方法。

1 遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的基本原理

遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)是指運(yùn)用一定的儀器、采用必要的技術(shù)方法對(duì)一定距離以外的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程，運(yùn)用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠在不接觸監(jiān)測(cè)目標(biāo)的前提下收集相關(guān)信息，并對(duì)采集信息進(jìn)行識(shí)別、分類和跟蹤測(cè)量，從而確定被監(jiān)測(cè)目標(biāo)的污染程度、污染范圍以及污染帶來(lái)危害的程度等[1]。大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)是遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要應(yīng)用之一，與傳統(tǒng)大氣監(jiān)測(cè)方法手段不同的是，它不再對(duì)大氣的垂直剖面溫度、濕度，大氣降水量和降水頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而是對(duì)大氣中的臭氧、二氧化硫、二氧化碳、甲烷以及氣溶膠和其他有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而分析出大氣環(huán)境質(zhì)量。

2 遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的遙感技術(shù)主要可以分為主動(dòng)遙感技術(shù)和被動(dòng)遙感技術(shù)，其中主動(dòng)遙感技術(shù)是指在監(jiān)測(cè)過(guò)程中遙感探測(cè)儀主動(dòng)發(fā)出波束，發(fā)出的波束在空氣中與大氣中的物質(zhì)相互作用同時(shí)產(chǎn)生回波，監(jiān)測(cè)人員通過(guò)監(jiān)測(cè)收到的回波對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。而被動(dòng)遙感技術(shù)是指監(jiān)測(cè)人員對(duì)大氣中的紅外波和微波輻射進(jìn)行接收和監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)紅外波和微波輻射進(jìn)行分析判斷出大氣的整體質(zhì)量。另外，根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的不同，遙感技術(shù)又可以分為空基遙感技術(shù)和地基遙感技術(shù)，其中空基遙感技術(shù)是以衛(wèi)星、飛機(jī)等為監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè);地基遙感技術(shù)則是以地面為主要監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法[2]。下面將對(duì)這4種遙感技術(shù)進(jìn)行逐一介紹。

2.1 大氣環(huán)境被動(dòng)空基遙感監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

現(xiàn)階段，利用被動(dòng)空基遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)應(yīng)用的大氣污染物主要包括區(qū)域性大氣污染物（二氧化硫、氮氧化合物、可吸入顆粒物）、災(zāi)害性大氣污染物（沙塵暴式污染物、有毒氣體泄漏物）和其他影響全球空氣質(zhì)量的污染物（臭氧、二氧化碳、臭氧和甲烷等）。

2.1.1 區(qū)域性大氣污染物

區(qū)域性大氣污染物是指在地面上形成的多變的疊加的大氣污染物，這種污染物具有極復(fù)雜的特點(diǎn)，通常無(wú)法直接使用遙感技術(shù)進(jìn)行測(cè)量分析?，F(xiàn)階段這對(duì)區(qū)域性大氣污染物進(jìn)行提取的方法主要有2類。1）對(duì)污染地區(qū)地面物體的折射率進(jìn)行分析，通過(guò)物體邊界的模糊情況對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分析。2）對(duì)地面植物綠色中的有害物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，通過(guò)對(duì)樹葉中污染物含量進(jìn)行分析，估測(cè)出大氣的污染狀況。

2.1.2 災(zāi)害性大氣污染物

利用被動(dòng)式空基遙感技術(shù)對(duì)大氣污染質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)的另一方面是對(duì)災(zāi)害性大氣污染物，例如沙塵暴式污染物、有毒氣體泄漏物的分析監(jiān)測(cè)。眾所周知，沙塵暴問(wèn)題已經(jīng)是影響人們生活環(huán)境質(zhì)量的一項(xiàng)重要生態(tài)問(wèn)題，它具有發(fā)生頻率頻繁、突發(fā)可能性大、產(chǎn)生危害嚴(yán)重的特點(diǎn)，一旦某一區(qū)域出現(xiàn)沙塵暴現(xiàn)象，空氣中就會(huì)充斥大量沙塵，沙塵在空中隨風(fēng)移動(dòng)，會(huì)對(duì)人類和動(dòng)植物產(chǎn)生極大的傷害。另外，在沙塵暴環(huán)境中，空氣的可見(jiàn)度很低，人們的可視性較差，會(huì)大幅度地提升交通事故的概率，因此應(yīng)該采取積極的分析監(jiān)測(cè)方法，降低沙塵暴發(fā)生的概率，提高對(duì)沙塵暴天氣的治理效率?，F(xiàn)階段GMS監(jiān)測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于沙塵暴監(jiān)測(cè)防治工作中，GMS的紅外通道數(shù)據(jù)能夠快速的分析出沙塵暴的確切位置，精細(xì)化地分析出沙塵暴的運(yùn)行軌跡。

2.1.3 其他影響全球空氣質(zhì)量污染物

在空氣質(zhì)量研究方面，世界上的監(jiān)測(cè)研究人員不僅關(guān)注研究區(qū)域性大氣環(huán)境質(zhì)量，更關(guān)注的是全球大氣環(huán)境質(zhì)量，例如，當(dāng)前全球空氣質(zhì)量科學(xué)家都對(duì)全球溫室效應(yīng)問(wèn)題、全球臭氧空洞問(wèn)題以及全球氣溶膠問(wèn)題予以了廣泛的關(guān)注。該文以氣溶膠問(wèn)題為例對(duì)被動(dòng)空基遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析。氣溶膠是指在空氣中懸浮的大量液態(tài)和固態(tài)微粒，例如煙、霧、塵等，這些微粒能夠直接或間接引起許多理化反應(yīng)，從氣溶膠來(lái)源上分析，氣溶膠主要可以分為海源氣溶膠和陸源氣溶膠。在初級(jí)階段，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中使用最多的衛(wèi)星傳感器主要是搭載在NOAA衛(wèi)星上的AVHRR，通過(guò)這一傳感器能夠?qū)Ｑ笊系目諝馊苣z進(jìn)行厚度監(jiān)測(cè)，但是這一傳感器存在很多缺點(diǎn)和不足，例如無(wú)法對(duì)可見(jiàn)光波段進(jìn)行校正。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)氣溶膠監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行了升級(jí)和更新，新型TOMS傳感器對(duì)氣溶膠具有較強(qiáng)的敏感性。1995年ATSR傳感器被予以應(yīng)用，相對(duì)于TOMS傳感器，這種傳感器在對(duì)氣溶膠的監(jiān)測(cè)精度有了大幅度的提升?，F(xiàn)階段，我國(guó)利用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)氣溶膠監(jiān)測(cè)也進(jìn)行了大量的工作研究并且已經(jīng)取得了一定的研究成果，例如應(yīng)用NOAA/AVHRR資料、GMS-5可見(jiàn)光通道以及MODIS資料等對(duì)國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)的氣溶膠特性都做出了分析和研究，并取得了一定的研究結(jié)果。

2.2 大氣環(huán)境主動(dòng)空基遙感監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

星載或者機(jī)載微波雷達(dá)是目前大氣環(huán)境主動(dòng)空基遙感監(jiān)測(cè)的主要手段，雷達(dá)發(fā)射機(jī)利用天線在很短的時(shí)間內(nèi)將一束很窄的大功率電磁波脈沖發(fā)射出去，電磁波脈沖在接觸到目標(biāo)物后反射回來(lái)被同一天線接收顯示，這種傳感器就是主動(dòng)式雷達(dá)。由于電磁波脈沖在不同物體上反射回波的振幅和位相都有所不同，因此監(jiān)測(cè)人員能夠根據(jù)接收的反射回波判斷出監(jiān)測(cè)物體的方向和位置。美國(guó)NASA率先利用機(jī)載微波雷達(dá)對(duì)大氣中氣溶膠的組成和分布進(jìn)行了判斷和監(jiān)測(cè)，希臘科學(xué)家利用機(jī)載差分吸收雷達(dá)對(duì)雅典上空的光化學(xué)煙霧進(jìn)行了分析和監(jiān)測(cè)，獲取了雅典上空大氣污染物（二氧化硫、二氧化氮、臭氧以及氣溶膠）的空間分布情況。我國(guó)科學(xué)研究者胡順星、劉金濤等利用激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)我國(guó)空氣中氣溶膠的分布以及光學(xué)特性等進(jìn)行了測(cè)量和分析，并取得了階段性的成果[3]。

2.3 大氣環(huán)境被動(dòng)地基遙感監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

除了空基遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)外，地基遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)也是當(dāng)前大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)中的重要組成部分。現(xiàn)階段主要的被動(dòng)地基遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括微波輻射計(jì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)、多波段光度計(jì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)、全波段太陽(yáng)直接輻射遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)以及華蓋計(jì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)等。目前多波段光度計(jì)是測(cè)量空氣中氣溶膠厚度最精確有效的方法之一，因此通常應(yīng)用在校驗(yàn)衛(wèi)星遙感結(jié)果準(zhǔn)確性工作中。我國(guó)科學(xué)家毛節(jié)泰等利用多波段光度計(jì)對(duì)北京地區(qū)空氣中氣溶膠厚度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與衛(wèi)星資料測(cè)量結(jié)果相一致，這說(shuō)明地基遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)大氣中氣溶膠具有良好的可實(shí)施性[3]。

2.4 大氣環(huán)境主動(dòng)地基遙感監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

當(dāng)前大氣環(huán)境主動(dòng)地基遙測(cè)監(jiān)測(cè)探測(cè)儀主要包括20世紀(jì)中期發(fā)明的微波氣象雷達(dá)探測(cè)儀以及20世紀(jì)60年代發(fā)明的大氣探測(cè)激光雷達(dá)探測(cè)儀。由于大氣中任何物質(zhì)，包括大氣中的原子以及大氣中的分子都能夠與激光波束產(chǎn)生共振，因此用激光雷達(dá)進(jìn)行大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)，能夠大幅度降低監(jiān)測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的盲區(qū)問(wèn)題[4]。更細(xì)一步分析，人們根據(jù)監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境中物質(zhì)的種類和數(shù)量，將激光雷達(dá)細(xì)分為瑞利激光雷達(dá)、熒光雷達(dá)、差分光激光雷達(dá)以及多普勒雷達(dá)等。以上雷達(dá)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中適宜測(cè)量的物理量以及相互作用的大小見(jiàn)表1。

3 大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)未來(lái)展望

隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，大氣監(jiān)測(cè)遙感技術(shù)正由過(guò)去單一遙感資料分析方式逐漸向多數(shù)據(jù)源的綜合遙感分析方式轉(zhuǎn)變，在未來(lái)，遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)將在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮更重要的作用。為了更好地適應(yīng)未來(lái)發(fā)展方向，遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在未來(lái)應(yīng)該進(jìn)一步向集約化、全球化、系統(tǒng)化方向發(fā)展;其次，在應(yīng)用被動(dòng)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的同時(shí)也應(yīng)該應(yīng)用主動(dòng)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，只有實(shí)現(xiàn)遙感監(jiān)測(cè)的主動(dòng)被動(dòng)一體化模式，才能從根本上提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度，因此主被動(dòng)一體化發(fā)展是未來(lái)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

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