关于遥感技术未来的发展方向

 摘要：遥感技术集合了空间、电子、光学、计算机、生物学和地学等科学的最新成就，是现代高新技术领域的重要组成部分。自从1972年美国第一颗地球资源技术卫星发射成功并获取了大量地球表面的卫星图像后，遥感技术就开始在世界范围内迅速发展和广泛应用。遥感技术的出现揭开了人类从外层空间观测地球的序幕，为人类认识国土、开发资源、监测环境、研究灾害以及分析全球气候变化等提供了新的途径。

  关键词：遥感技术 环境科学 应用 3S一体化 发展趋势

遥感是从远离地面的不同工作平台上，如高塔、气球、飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙飞船和航天飞机等，通过传感器对地球表面的电磁波辐射信息进行探测，然后经信息的传输、处理和判读分析，对地球的资源与环境进行探测与监测的综合性技术。遥感技术从远距离采用高空鸟瞰的形式进行探测，包括多点位、多谱段、多时段和多高度的遥感影像以及多次增强的遥感信息，能提供综合系统性、瞬时或同步性的连续区域性同步信息，在环境科学领域的应用具有很大优越性。

20世纪90年代以来，环境遥感技术应用越来越广。从陆地的土地覆被变化，城市扩展动态监测评价，土壤侵蚀与地面水污染负荷产生量估算，生物栖息地评价和保护，工程选址以及防护林保护规划和建设。到水域的海洋和海岸带生态环境变迁分析，海面悬浮泥沙、叶绿素含量、黄色物质、海上溢油、赤潮以及热污染等的发现和监测，珊瑚和红树林的现状调查与变化监测，堤坝的规划与水沙平衡分析，水下地形地遥调查以及水域初级生产率的估算。再到大气环境遥感中的城市热岛效应分析，大气污染范围识别与定量评价，大气气溶胶污染特征参数化，全球水、气和化学元素等的循环研究，全球环境变化以及重大自然灾害的评估等，几乎覆盖了整个地球系统。

  一、遥感技术在环境科学中的应用

1.遥感技术在水污染监测方面的应用

（1）利用红外扫描仪监视石油污染

全球每年排入海洋的石油及其制品高达1000万吨，利用多光谱航片可对海面石油污染进行半定量分析，将彩色航片同步拍照与近红外片做的彩色密度分割图相比较，更精密地判断和解译信息，参照图片画出不同油膜厚度的大致分级图。通过彩色密度分割图像，特别是数字密度分割图，可以更准确地判断油量的分布情况。通过彩色密度分割可把相差零点零几厚度的海面油膜区分出层次来，这有利于用航空遥感对海面油的扩散分布和半定量研究。浓度大的地方是黄色，往外扩散的油膜变薄，呈黄紫混在一起的颜色，再往外扩散的油膜就更薄些呈紫色。通过对污染发生后各天的气象卫星图像的对比分析，确定油膜的漂移方向，计算出其扩散速度和扩散面积。

（2）利用遥感技术监测水体富营养化

浮游植物中的叶绿素对蓝紫光和红橙光有较强的吸收作用，当水体出现富营养化时，我们就可以利用遥感技术推算出水体中的叶绿素分布情况。赤潮区的海水光谱特征是藻类、泥沙和海水的复合光谱，另外有机或无机颗粒物也会吸收入射光，影响水体的透明度。

（3）通过遥感技术调查废水污染和泥沙污染

废水的颜色与悬浮物性状千差万别，特征曲线上的反射峰位置和强度也不大一样，可以用多光谱合成图像进行监测。水中悬浮泥沙的浓度和粒径增大，水体反射量也会相应增加，反射峰随之红移，定量判读悬浮泥沙浓度的最佳波段是0.65～0.85微米。

（4）应用红外扫描仪监测水体热污染

应用红外扫描仪记录水体的热辐射能量，真实反映其温度差异。在热红外图像上，热水温度高，辐射能量多，呈浅色调。冷水和冰辐射能量少，呈深色调。热排水口处通常呈白色羽流，利用光学技术和计算机对热图像作密度分割，根据少量的同步实测水温，画出水体等温线。

（5）通过遥感技术分析水域的分布变化和水体沼泽化

水体总体反射率较低，选择1.55～1.75微米波段的多时域影像可以分析水域的分布变化。沼泽化在时域图像上反映为水体面积缩小，从水体向边缘有规律变化，显示出不同程度的植被特征。

2.遥感技术在大气环境监测方面的应用

（1）臭氧层

臭氧层位于地球上空25～30千米的平流层中，对0.3米以下紫外区的电磁波有较大吸收，可用紫外波段来测定臭氧层的变化。臭氧层在2.74毫米处也有一个吸收带，可用频率为11O83兆赫兹的地面微波辐射计来测定臭氧在大气中的垂直分布。另外臭氧层会吸收太阳紫外线而升温，可使用红外波段来探测，如用7.75～13.3微米热红外探测器测定臭氧层的温度变化，参照浓度与温度的相关关系，推算出臭氧浓度的水平分布。

（2）大气气溶胶

利用遥感图像可分析大气气溶胶的分布和含量，工业烟雾、火灾浓烟和大规模沙尘暴在遥感图像上都有清晰的图像，可以直接圈定其大致范围。利用周期性气象卫星图可监测沙尘运动，估计其运动速度，及时预报沙尘暴。通过卫星资料可及早发现森林火灾，把灾害损失降到最低。大比例图片可用来调查城市烟囱的数量和分布，还可以通过烟囱阴影的长度来计算其大致高度。应用计算机对影像进行微密度分割，建立烟雾浓度与影像灰度值的相关关系，可测出烟雾浓度的等值线图。

（3）有害气体

彩红外相片可监测有毒气体对污染源周围树木和农作物的危害情况，通过植物对有害气体的敏感性来推断某地区大气污染的程度和性质。一般污染较轻的地区，植被受污染的情况不宜被人察觉，但其光谱反射率却会明显变化，在遥感影像上表现为灰度的差异。正常生长的植物叶片能强烈反射红外线，在彩红外相片上色泽鲜红明亮。受到污染的叶子，其叶绿素遭到破坏，对红外线的反射能力下降，其彩红外相片颜色发暗，如白蜡树受污染后呈紫红色，柳树呈品红色略带蓝灰色。  

（4）气候变化

美国、欧盟、日本和俄罗斯的地球同步轨道气象卫星组成的静止气象卫星监测系统昼夜不停地观测地球的气候变化，得到全球范围内的大气参数、海洋参数、地表状况、辐射收支和臭氧分布等信息，对全球变暖、臭氧层空洞以及厄尔尼诺现象的研究非常重要。

 

3.遥感技术在城市环境监测与管理中的应用

彩红外遥感影像可监测固体废弃物引起的生态环境变化，热红外遥感影像可调查工业废水和废气的排放情况。城市道路宽的呈带状和环状，窄的呈线状，城市广场一般以块状蓝灰色与街道紧密相连于中心地带。居民区呈灰色，高层楼房带有宽长影，平房呈密集排列的小长方块状。水系呈浅蓝色，绿地呈红色。从遥感图像上获取这些信息，对优化城市结构有很大帮助。另外城市里的高大建筑物对太阳辐射和其他热辐射的吸收和释放特性跟以土地和农作物为主要下垫面的郊区有很大不同，利用热红外遥感对城市下垫面进行分析就可以得出城市的热岛效应。

4.应用遥感技术监控生态环境

遥感影像真实记录地貌形态特征并提供各环境参数的组合情况，根据其空间一致性和差异性进行区域环境范围的生态区划。利用遥感卫星相片还可以编制森林树种、生长状况和森林覆盖图，使用计算机集群分类，精度可高达8O％ 。一般野生动物环境与森林植被关系最为密切，通过研究植物的分布与长势可大致确定动物的活动繁殖场所，从而编制森林野生动物保护规划。

5.利用遥感技术监测自然灾害

遥感技术对于暴雨、水土流失、地震和山体滑坡等地质灾害的调查与监测也很有效。比如说地震与地球活动构造块体分布及其活动方式密切相关，利用卫星预测地震技术主要集中在电磁波辐射和电离层异常监测、地表形变监测、红外辐射监测以及卫星重力监测等方面。但由于目前技术条件的限制，地震还是不能准确预测，2008年5月的汶川大地震几乎震碎了中国人的心，期待有一天，我们中国人能通过遥感技术准确预测地震灾害，今天的悲剧永远不要发生了。

  二、遥感技术的发展趋势

随着科学技术的进步，光谱信息成像化，雷达成像多极化，光学探测多向化，地学分析智能化，环境研究动态化以及资源研究定量化，大大提高了遥感技术的实时性和运行性，使其向多尺度、多频率、全天候、高精度和高效快速的目标发展。

1.遥感影像获取技术越来越先进

（1）随着高性能新型传感器研制开发水平以及环境资源遥感对高精度遥感数据要求的提高，高空间和高光谱分辨率已是卫星遥感影像获取技术的总发展趋势。遥感传感器的改进和突破主要集中在成像雷达和光谱仪，高分辨率的遥感资料对地质勘测和海洋陆地生物资源调查十分有效。

（2）雷达遥感具有全天候全天时获取影像以及穿透地物的能力，在对地观测领域有很大优势。干涉雷达技术、被动微波合成孔径成像技术、三维成像技术以及植物穿透性宽波段雷达技术会变得越来越重要，成为实现全天候对地观测的主要技术，大大提高环境资源的动态监测能力。

（3）开发和完善陆地表面温度和发射率的分离技术，定量估算和监测陆地表面的能量交换和平衡过程，将在全球气候变化的研究中发挥更大的作用。

（4）由航天、航空和地面观测台站网络等组成以地球为研究对象的综合对地观测数据获取系统，具有提供定位、定性和定量以及全天候、全时域和全空间的数据能力，为地学研究、资源开发、环境保护以及区域经济持续协调发展提供科学数据和信息服务。

2.遥感信息处理方法和模型越来越科学

神经网络、小波、分形、认知模型、地学专家知识以及影像处理系统的集成等信息模型和技术，会大大提高多源遥感技术的融合、分类识别以及提取的精度和可靠性。统计分类、模糊技术、专家知识和神经网络分类有机结合构成一个复合的分类器，大大提高分类的精度和类数。多平台、多层面、多传感器、多时相、多光谱、多角度以及多空间分辨率的融合与复合应用，是目前遥感技术的重要发展方向。不确定性遥感信息模型和人工智能决策支持系统的开发应用也有待进一步研究。

3.3S一体化

计算机和空间技术的发展、信息共享的需要以及地球空间与生态环境数据的空间分布式和动态时序等特点，将推动3S一体化。全球定位系统为遥感对地观测信息提供实时或准实时的定位信息和地面高程模型；遥感为地理信息系统提供自然环境信息，为地理现象的空间分析提供定位、定性和定量的空间动态数据；地理信息系统为遥感影像处理提供辅助，用于图像处理时的几何配准和辐射订正、选择训练区以及辅助关心区域等。在环境模拟分析中，遥感与地理信息系统的结合可实现环境分析结果的可视化。3S一体化将最终建成新型的地面三维信息和地理编码影像的实时或准实时获取与处理系统。

4.建立高速、高精度和大容量的遥感数据处理系统

随着3S一体化，资源与环境的遥感数据量和计算机处理量也将大幅度增加，遥感数据处理系统就必须要有更高的处理速度和精度。神经网络具有全并行处理、自适应学习和联想功能等特点，在解决计算机视觉和模式识别等特大复杂的数据信息方面有明显优势。认真总结专家知识，建立知识库，寻求研究定量精确化算法，发展快速有效的遥感数据压缩算法，建立高速、高精度和大容量的遥感数据处理系统。

5.建立国家环境资源信息系统

国家环境资源信息是重要的战略资源，环境资源数据库是国家环境资源信息系统的核心。我们要提高对环境资源的宏观调控能力，为我国社会经济和资源环境的协调可持续发展提供科学的数据和决策支持。

6.建立国家环境遥感应用系统

国家环境遥感应用系统将利用卫星遥感数据和地面环境监测数据，建立天地一体化的国家级生态环境遥感监测预报系统以及重大污染事故应急监测系统，可定期报告大气环境、水环境和生态环境的状况。环境遥感地理信息系统是其支撑系统，在各种应用软件的辅助下实现环境遥感数据的存储、处理和管理；环境遥感专业应用系统是其应用平台，在环境专业模型的支持下实现环境遥感数据的环境应用；环境遥感决策支持系统是其最上层系统，在环境预测评价和决策模型的驱动下进行环境预测评价分析，制定环境保护的辅助决策方案；数据网络环境是其数据输入和输出的开放网络环境，实现环境海量数据的快速流通。

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遥感技术在城市水污染监测中的应用

  随着航空航天技术的发展，遥感技术越来越多地应用于城市信息的分析研究，例如在土地利用、城镇布局规划、交通、绿化以及环境监测等方面。遥感技术在环境污染监测方面的应用更加体现了它的优越性，即具有可行、便捷、实效的特点。该文利用遥感信息的空间性、现势性、时相性特征，解译了3张不同时段苏州河的彩色红外遥感影像和热红外遥感影像的信息，分析了苏州河水体污染的状况和历史原因。研究表明：在20世纪70年代苏州河水体环境良好，到80年代由于沿河居住人口的急剧增加和工业的过度发展而影响了苏州河的水质。90年代，由于人们环保意识的提高以及沿河工厂码头的迁移，苏州河的治理已经取得了明显的成效。

1        引言

 

 随着科学技术的发展以及航空、航天技术的深入，遥感技术已经越来越多地应用于城市信息的分析研究。遥感技术在环境污染监测方面的应用,具有监测范围广、速度快、成本低、且便于进行长期动态监测等优点，是实现宏观、快速、连续、动态地监测环境污染的有效高新技术手段。介绍应用于环境污染监测中反映水体污染源的彩色红外影像及热红外影像的信息特征。并以上海市苏州河为例，通过对3个不同时相的航空遥感影像的解译分析，清楚地得到了苏州河水体污染的动态状况。同时通过有关资料查证得出，影响苏州河水体污染的主要原因是城市人口的生活污水排放和沿河工业带的急剧发展。

 

    当前，遥感技术与地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）的结合应用日趋成熟。通过GIS地图分析可以精确地判读出城市水体污染的动态信息，起到了时时监控的效果，并确保了监控的真实性，从而对苏州河治理工程决策的正确性、及时性起到了至关重要的作用。基于遥感技术和GIS分析系统的应用，就能帮助管理决策者更好地分析和确定宏观工程问题，并作出及时有效的决策去解决它们。

 

 

2        利用遥感技术进行水体污染监测的研究

 

2.1  污染水体的反射光谱特征

 

对水体的遥感监测是以污染水与洁净水的反射光谱性能对比研究为基础的。总的看来，清洁水体反射率比较低，水体对光有较强的吸收性能，而较强的分子散射性仅存在于光谱区较短的波段上。故在一般遥感影像上，水体表现为深色调，在红外波段上尤其明显。水中悬浮物微粒会对入射进水里的光发生散射和反射，增大了水体的反射率。悬浮物含量增加，水体反射率也变大。水体里浮游植物大量繁殖是水体富营养化的显著标志。由于浮游植物体内含的叶绿素对可见光和近红外光波段具有特殊的“陡坡效应”，使得那些浮游植物含量大的水体,兼有水体和植物的反射光谱特征。随着浮游植物含量的增高，其光谱曲线与绿色植物的反射光谱越近似。

 

    石油污染是一种常见的水体污染现象。水体里污油浓度越高，散射光就越强。城市大量排放的工业废水和生活污水中带有许多有机物，它们在分解时耗去大量溶解氧，造成水体发黑发臭。在遥感影像上，这些水体的反射率都很低，呈现为深黑色条带状[1～2]。

 

2.2  应用彩色红外影像监测水体污染信息

 

2.2.1 污染水的判读标志

 

一般而言，可见光黑白影像记录水体的反射光谱信息,是依靠灰度特征表示的。而彩色影像通过丰富的色彩、明亮度和饱和度记录水体表面的各种信息，能突出表现水面细微的变化。研究表明，应用彩色红外影像监测水体污染状况效果最为理想。

 

根据在城市地区试验研究的结果，认为1：10000比例尺的彩色红外航空像片是比较适用的。识别水体污染的特征标志，包括影像的色彩、污染水体的纹理及其相关的辅助标志[1]。

 

2.2.2 污染物扩散状态的影像特征

 

    遥感监测视野开阔，对大面积发生的水体扩散过程容易通览全貌，能观察出污染物的排放源、扩散方向、影响范围以及与清洁水混合稀释等信息，从而查明污染物的来龙去脉，为研究人员水样监测的布点提供依据。污染水体在彩色红外影像上平面展布的图形特征，会受到排放源作用力和水体动力合成的影响。它的扩散形态可以作为识别水动力特点的标志[1～3]。

 

    (1)  静态水中污染物的扩散

 

    在水流静止的环境里，污染物的排放都以排污口为中心成半圆形均匀地向外扩散，它在彩色影像上的几何形态非常明显。当排放口污水数量很大，污水流速很快时，则在平面上展布为扇状或喇叭状。

 

    (2)  流动水中污水的扩散

 

    由于受河水动力作用，从排污口排放的污水向下游顺水流方向扩散并在平面上展开，且很快与河水掺混发生稀释作用，故在彩色红外影像上还可以观察到水流的动力特点。

 

    (3)  河口海湾内污水的扩散

 

    在河口海湾地区，当污染水体注入时，由于受潮汐运动的影响，污染物随水流漂浮移动，运动方向与潮汐推移方向相同。海洋潮汐每天周期性地发生涨落，污染物运动方向也相应发生改变，在彩色红外影像上展布的形态也表现出不同图案。在发生涌潮时，排污口污水呈现连续的一片；一旦退潮，污水与排污口失去联系，形成了脱离污染源的离岸孤立的混浊水体。

 

2.2.3 水质监测的影像指示物

 

    利用彩色红外像片监测水质污染，除了上述影像色彩特征外，还可以凭借指示物发现隐蔽的污染物排放源，查明那些用肉眼不能直接观察到的污染物。实践证明，水中的悬浮泥沙和浮游植物可以作为判读指示物[2～4]。

 

    (1)  悬浮泥沙在水污染监测中的指示作用

 

    水中的泥沙微粒，是许多污染物强有力的吸附物。例如重金属离子、农药和杀虫剂，排放进入水体后大部分依附在悬浮泥沙上。所以在彩色红外图像上通过对悬浮泥沙的判读分析，可以追踪重金属等污染物的行迹。对于堆放在池塘边的垃圾对水环境的影响，可在彩色红外像片上看到因受到水浸泡而向水中扩散的黑色羽流。

 

    (2)  浮游植物在水污染监测中的指示作用

 

    浮游植物具有叶绿素反射光谱的“陡坡效应”，在彩色红外像片上能呈现红色色调而易于识别。利用水体中浮游植物可以追踪到污染物的排放源。在天津海河，曾从彩色红外像片上发现呈紫红色的条带状的浮游植物蜿蜒伸展，经研究是与纺纱厂的污水排放有关系，从而查明了这个从不被注意的排污口[6]。

 

2.3 应用红外遥感监测水污染

 

2.3.1 监测热污染

 

    热红外扫描图像主要反映目标的热辐射信息，对监测工厂的热水排放造成的污染很有效。无论白天、黑夜，在热红外像片上热水排放口的位置、排放热水的分布范围和扩散状态都十分明显，水温的差异在像片上也能识别出来。因而利用热红外遥感影像能有效地探测到水污染的排放源。

 

    例如，利用多时相的热红外图像，并结合地面观测，有关部门分析研究了海河全线79km的热污染状况。查明热污染源有23个，热水排放口达40多个，热水总排放量约8.5×108t/a，并划分出了无热污染、轻度热污染、中度热污染、重度热污染和严重热污染河段[4～5]。

 

2.3.2 监测油污染

 

    未污染的海水与水面上的油膜，由于两者的辐射发射率（即比辐射率）不同，即使它们在相同的温度下，辐射温度也不相同。应用红外扫描仪进行航空遥感监测，就能测出它们辐射温度的差值，从而显示出海面油污染分布的情况。在夜晚拍摄的热红外图像上，船舶翻起的浪花呈现出较浅的色调显示，像片上呈现出白色条带，而排油的地方则呈现出黑色条带。根据油膜的厚薄在像片上表现为灰阶的不同，可以计算出油膜覆盖的面积和数量。

 

  2.4 水质的遥感定量监测

 

2.4.1将水面反射光谱测量结果与水质参数进行回归分析，建立某一谱段上光谱反射率与某些水质参数的函数关系式。例如，在长春地区，曾求得在0.65～0.85µm谱段，水体积分反射率PΔλ与悬浮泥沙浓度C之间的数学表达式为：PΔλ＝0.628C0.53

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