遙感技術(shù)在城市環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王美香，孫代華，劉曉霞

（臨淄區(qū)生態(tài)環(huán)境技術(shù)服務(wù)中心，山東淄博 255400）

0 引言

城市是對(duì)自然環(huán)境進(jìn)行有計(jì)劃改造與利用而創(chuàng)造出的生存環(huán)境，是人類(lèi)聚居的場(chǎng)所，也是人們活動(dòng)的中心。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，城市經(jīng)濟(jì)也得到了蓬勃發(fā)展，在這一過(guò)程中，城市自然環(huán)境發(fā)生了顯著改變，很多問(wèn)題也隨之產(chǎn)生，目前城市環(huán)境問(wèn)題已成為社會(huì)發(fā)展中面臨的重要問(wèn)題之一。環(huán)境質(zhì)量的相關(guān)數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的時(shí)效性，如果采用常規(guī)方式對(duì)城市環(huán)境實(shí)施監(jiān)測(cè)，即使耗費(fèi)巨大的人力、物力、財(cái)力，也可能無(wú)法完全獲得立體性的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。但是，通過(guò)利用遙感技術(shù)就可以及時(shí)獲取準(zhǔn)確的環(huán)境質(zhì)量信息，充分體現(xiàn)了該技術(shù)的優(yōu)越性，有效克服了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式的缺陷，為環(huán)境管理、數(shù)據(jù)分析提供了支持。由此可以看出，合理運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)于城市發(fā)展具有非常重要的意義。

1 我國(guó)城市發(fā)展及環(huán)境問(wèn)題

目前我國(guó)正處于城市化快速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，隨著城市的快速發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活獲得了極大的便利，但城市原有的自然環(huán)境也發(fā)生了巨大改變，城市環(huán)境大氣污染嚴(yán)重、人地矛盾日益突出、水資源匱乏、生物多樣性明顯減少等問(wèn)題對(duì)人們?cè)斐闪撕艽罄_，同時(shí)也不利于城市的進(jìn)一步發(fā)展。因此，探索監(jiān)測(cè)與治理城市環(huán)境的有效方法，推動(dòng)城市的可持續(xù)發(fā)展，已成為目前人類(lèi)急需解決的重要問(wèn)題。

2 遙感技術(shù)概述

遙感技術(shù)是一項(xiàng)重要的監(jiān)測(cè)技術(shù)，其利用傳感儀器對(duì)電磁波、遠(yuǎn)距離信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過(guò)處理、成像等一系列操作后，可以用于對(duì)地面景物的探測(cè)與識(shí)別（圖1為遙感的工作過(guò)程）。遙感技術(shù)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、速度快、宏觀性強(qiáng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、成本低及精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。從環(huán)境監(jiān)測(cè)角度來(lái)看，應(yīng)用遙感技術(shù)可以監(jiān)測(cè)出傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段無(wú)法發(fā)現(xiàn)的污染源，還能對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，并且在短時(shí)間內(nèi)獲取準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)，如污染源的位置、范圍及分布情況等，以便及時(shí)采取有效措施，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，體現(xiàn)出了實(shí)時(shí)便捷性的特點(diǎn)。

圖1 遙感的工作過(guò)程

3 遙感技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)階段遙感技術(shù)在城市環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在城市綠地遙感、城市熱島遙感、大氣環(huán)境遙感等方面。

3.1 城市綠地遙感的應(yīng)用

綠地是整個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，因此明確城市區(qū)域內(nèi)的綠地情況可為城市綠地生態(tài)效益評(píng)估工作的開(kāi)展提供參考依據(jù)。

同時(shí)，綠地在景觀功能與結(jié)構(gòu)中也起到了重要作用，其布局與城市景觀結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，對(duì)城市環(huán)境與經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展有較大影響。分析城市綠地結(jié)構(gòu)的合理性，可以為城市綠地景觀系統(tǒng)的建立提供重要依據(jù)，從而為高效協(xié)調(diào)城市景觀的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。例如，以“快鳥(niǎo)”衛(wèi)星圖像為信息源，根據(jù)景觀多樣性、廊道密度以及綠地景觀構(gòu)成等指數(shù)，利用遙感與地理信息系統(tǒng)（geographic information system,GIS）技術(shù)對(duì)城市的空間格局進(jìn)行分析，建立城市綠地信息專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)，以景觀生態(tài)學(xué)理論為指導(dǎo)，對(duì)城市的綠地景觀格局進(jìn)行分析，為城市綠地景觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與創(chuàng)新提供依據(jù)[1]。圖2為MapGIS技術(shù)下的地下空間開(kāi)發(fā)。

圖2 MapGIS技術(shù)下的地下空間開(kāi)發(fā)

3.2 城市熱島遙感的應(yīng)用

在區(qū)域溫度分布圖上，城市的溫度相比郊區(qū)明顯高一些，呈凸出的島狀，因此被稱(chēng)為“城市熱島”。在對(duì)城市熱島進(jìn)行研究時(shí)，一般會(huì)用到熱紅外遙感，縱觀其應(yīng)用的整個(gè)過(guò)程，起初主要利用空間分辨率為1.1 km的熱紅外波段，之后，為了提升陸地亮度溫度反演精度，會(huì)剔除一些反演算法。由于以前所用衛(wèi)星NOAA/AVHRR的地面空間分辨率比較低，其所獲數(shù)據(jù)只能用于宏觀熱島現(xiàn)象分析，且這些數(shù)據(jù)在微觀熱環(huán)境觀測(cè)中是無(wú)法使用的。Land sat TM熱紅外波段的空間分辨率較高，在城市熱島研究中可以充分展現(xiàn)其價(jià)值[2]。

3.2.1 基于溫度的熱島監(jiān)測(cè)

基于溫度的熱島監(jiān)測(cè)是城市熱島研究領(lǐng)域中最常用的方法和手段，按照溫度處理方法的不同還可以將其劃分為基于地表溫度、亮度溫度的監(jiān)測(cè)方法。其中基于亮度溫度開(kāi)展城市熱島研究，一般都會(huì)假設(shè)這樣一種情境，即城市區(qū)域的范圍是有限的，如果研究區(qū)域中的水汽情況基本一致，那么基本上可以忽略大氣對(duì)亮度溫度的影響[3]。但在傳導(dǎo)過(guò)程中地表輻射會(huì)受到大氣等多方面影響，衛(wèi)星遙感觀測(cè)獲得的熱輻射強(qiáng)度已不是最原始的地表熱輻射強(qiáng)度，只能從一定程度上通過(guò)亮度溫度反映出熱場(chǎng)的相對(duì)分布情況，而采用亮度溫度直接開(kāi)展城市熱島研究存在的局限性比較大。在反演溫度時(shí)，基于地表溫度的監(jiān)測(cè)需要同時(shí)考慮到輻射、大氣等多方面的影響，但是城市下墊面的整體情況非常復(fù)雜，加上衛(wèi)星過(guò)境時(shí)獲取數(shù)據(jù)存在很大困難，因此地表溫度精確反演困難重重?，F(xiàn)階段，一般可采用一些簡(jiǎn)化方式來(lái)獲取地表溫度，例如，利用大氣參數(shù)和輻射率等指標(biāo)來(lái)求出地表溫度[4]。

3.2.2 基于植被指數(shù)的熱島監(jiān)測(cè)

在應(yīng)用遙感技術(shù)時(shí)，植被指數(shù)可以作為信息反映的一項(xiàng)重要信息源，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于對(duì)植被活力的定量、定性評(píng)價(jià)上。例如，采用TM、ETM+遙感數(shù)據(jù)對(duì)上海市的地表溫度進(jìn)行反演，這樣既可以分析該市熱島擴(kuò)展下的時(shí)空演變結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過(guò)分析結(jié)果還可以揭示出城市地表溫度、植被覆蓋之間的關(guān)系。又如，采用ETM+遙感影像對(duì)杭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)行處理，從而提取其地表亮度溫度、NDVI數(shù)據(jù)，并通過(guò)監(jiān)督分類(lèi)等方式，得到該市熱島強(qiáng)度、NDVI的定量關(guān)系模型，從而反映出其熱島效應(yīng)、植被覆蓋指數(shù)之間的關(guān)系[5]。

3.3 城市大氣遙感的應(yīng)用

大氣遙感主要采用遙感手段對(duì)大氣污染源的位置、分布狀況及空間濃度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以采用間接解譯標(biāo)志進(jìn)行研究，也就是說(shuō)通過(guò)使用植物指示大氣環(huán)境的污染狀況，判斷城市的大氣環(huán)境質(zhì)量。生長(zhǎng)情況正常的植物葉片在紅外線下反射較強(qiáng)，彩色紅外相片上的色澤比較顯眼，如果受到污染，彩色紅外相片上的顏色就會(huì)比較暗，所以利用遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果即可對(duì)城市污染源與污染物的種類(lèi)、排放強(qiáng)度、擴(kuò)散分布等情況進(jìn)行分析，同時(shí)借助環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)資料數(shù)據(jù)，就可以獲得定量指標(biāo)。借助彩色紅外遙感圖像、地物波譜測(cè)試數(shù)據(jù)以及少量常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得到最基本的城市大氣環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，并且可以在其基礎(chǔ)上構(gòu)建大氣污染評(píng)價(jià)模型[6]。

大氣遙感包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：①城市大氣污染監(jiān)測(cè)。利用航空遙感監(jiān)測(cè)獲得的資料，繪制出不同類(lèi)型的大氣污染源分布圖，通過(guò)該分布圖，污染源可以得到有效展示，尤其是高能耗污染源的分布情況，并且人口密集區(qū)、商業(yè)區(qū)、交通擁堵分布狀況等都可以得到展現(xiàn)。采用航空多光譜技術(shù)，可對(duì)大氣污染中的主要污染物分布情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而對(duì)不同類(lèi)別的城市大氣污染采取不同的處理措施[7]。②擴(kuò)散規(guī)律研究。通過(guò)遙感技術(shù)可以為人們提供氣溶膠類(lèi)物質(zhì)的含量、分布等情況，按照熱紅外掃描圖像的分析情況，可進(jìn)一步明確地面輻射溫度、熱島現(xiàn)象形成之間存在的關(guān)聯(lián)。

3.4 城市水體遙感的應(yīng)用

無(wú)論是工業(yè)廢水還是生活污水，都會(huì)污染城區(qū)水體，被污染的水體顏色會(huì)有所變化，因此光譜反射特性也會(huì)隨之改變，在遙感圖像上，灰度值是污染最直觀的體現(xiàn)。例如，利用遙感技術(shù)對(duì)廣州珠江水環(huán)境進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果顯示，TM數(shù)據(jù)圖像獲得的灰度值與該區(qū)域水質(zhì)污染情況存在密切關(guān)聯(lián)，特別是TM可見(jiàn)光波段可以將水質(zhì)污染情況正確反映出來(lái)。又如，利用NOAA/AVHRR氣象衛(wèi)星對(duì)城市綠度、透明度與溫度等方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以識(shí)別出不同水體下水質(zhì)的變化情況。采用遙感技術(shù)對(duì)城市水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)（具體流程如圖3所示），可以體現(xiàn)出該技術(shù)直觀、全面等特征，通過(guò)與一些常規(guī)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站相結(jié)合，即可全面反映城市水環(huán)境的質(zhì)量情況，有效彌補(bǔ)了常規(guī)監(jiān)測(cè)的不足與弊端[8]。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)流程

3.5 垃圾堆放與固體廢棄物遙感的應(yīng)用

利用遙感技術(shù)還可以對(duì)固體廢物實(shí)施監(jiān)測(cè)，即定期通過(guò)遙感圖像對(duì)固體廢物堆積情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用全球定位系統(tǒng)明確相應(yīng)的空間位置，通過(guò)GIS圖像比較，明確固體廢物污染信息，根據(jù)城市產(chǎn)業(yè)布局、垃圾處理系統(tǒng)制定相應(yīng)的管理方案，從而達(dá)到對(duì)固體廢物實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理的目的。根據(jù)光譜特性可以區(qū)分城市固體廢物的參量，分析參量、光譜之間的關(guān)系，合理選擇閾值，即可有效去除城市固體廢物不相關(guān)的像元，突出城市需要監(jiān)管的固體廢物[9]。在統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程中，監(jiān)督與非監(jiān)督分類(lèi)法同樣適用于固體廢物分類(lèi)處理之中，圖像的非監(jiān)督分類(lèi)可將假彩色合成圖像作為參考，去除城市固體廢物的無(wú)關(guān)類(lèi)別，選取剩余圖像樣區(qū)實(shí)施統(tǒng)計(jì)，再開(kāi)展監(jiān)督分類(lèi)，將空間地理信息加入圖像中，最終可獲得分類(lèi)結(jié)果[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了其經(jīng)濟(jì)性、高效性、快速性等優(yōu)勢(shì)，充分彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的局限性，進(jìn)一步提升了城市環(huán)境監(jiān)測(cè)能力。但遙感監(jiān)測(cè)也并非萬(wàn)能，目前仍然有很多污染因子無(wú)法通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)直接監(jiān)測(cè)，因此遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)不能完全取代傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，只有將遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法結(jié)合起來(lái)，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，達(dá)到提高環(huán)境監(jiān)測(cè)工作效率的目的。