賀 斌

（棗莊市市中生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 棗莊 277101）

引言

遙感技術屬于一種探測性、判定性技術，最早提出以及正式啟用都是在美國，直到1978年該技術才被正式應用于環(huán)境監(jiān)測領域。它能夠提供大范圍、高分辨率和多時相的地理數(shù)據(jù)，幫助人們更好地了解和管理地球上的各種變化和現(xiàn)象，為決策制定和可持續(xù)發(fā)展提供重要支持。在社會經濟飛速發(fā)展過程中，隨之即來的環(huán)境問題從長遠視角而言給經濟持續(xù)發(fā)展造成了一定的限制，而關于環(huán)境治理的常規(guī)調查顯示，環(huán)境污染情況得不到及時反映成為順利開展工作的最大困境，遙感技術能很好地解決這一問題，大幅提升環(huán)境監(jiān)測工作的及時性。本文以大氣環(huán)境為例，遙感技術在監(jiān)測中的應用進行分析。

1 遙感技術的概念、分類及應用原理

1.1 概念

遙感技術是指利用衛(wèi)星、飛機或無人機等遙感平臺攜帶的傳感器獲取地球表面信息的科學與技術領域。它通過接收和記錄地球表面反射、輻射和散射的電磁波，將其轉化為數(shù)字數(shù)據(jù)，并通過圖像處理、分析和解釋，提取有關地球表面特征、物質組成和環(huán)境變化等信息。遙感監(jiān)測技術能夠實現(xiàn)大范圍同步觀測，并在短時間內進行動態(tài)觀測、重復觀測，具有良好的實用價值。在環(huán)境監(jiān)測活動中，遙感技術不需要進行前期采樣，能夠直接實施區(qū)域性的跟蹤觀測，快速識別環(huán)境中的污染源，確定污染范圍以及擴散路徑。

1.2 環(huán)境遙感技術的分類

環(huán)境遙感技術可以根據(jù)不同的分類標準進行分類。以下是幾種常見的分類方式：

1.2.1 感知范圍

根據(jù)遙感技術對環(huán)境的感知范圍，可以分為全球遙感、區(qū)域遙感和局部遙感，全球遙感利用衛(wèi)星等遙感平臺獲取地球整體信息，區(qū)域遙感關注特定地理區(qū)域的信息，局部遙感集中在具體目標或現(xiàn)象的細節(jié)方面。

1.2.2 數(shù)據(jù)類型

按照所使用的遙感數(shù)據(jù)類型，可分為光學遙感、熱紅外遙感、雷達遙感等，光學遙感利用可見光和近紅外波段的電磁輻射進行圖像獲取和解譯，熱紅外遙感利用地物輻射的熱紅外波段信息，雷達遙感則利用微波信號的反射與散射特性[1]。

1.2.3 分辨率

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率，可以分為高空間分辨率遙感和低空間分辨率遙感，高空間分辨率遙感能夠提供更精細的地表信息，適用于對小尺度目標進行分析，而低空間分辨率遙感則適用于大范圍環(huán)境變化的監(jiān)測。

1.2.4 時間尺度

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的時間分辨率，可以分為單時相遙感和多時相遙感，單時相遙感通過獲取一次地表圖像進行分析，而多時相遙感利用多個時間點的數(shù)據(jù)進行比較和監(jiān)測，能夠反映環(huán)境隨時間變化的動態(tài)特征。

1.3 遙感技術的應用原理

1.3.1 輻射傳輸

大氣中的氣體、云和顆粒物等對太陽輻射和地球表面輻射的吸收、散射和發(fā)射會導致輻射傳輸過程的變化，遙感技術通過測量地球表面和大氣層頂部的輻射能量，可以推斷出大氣組成、濃度和光學特性等信息。

1.3.2 光譜特征

不同氣體和顆粒物具有特定的光譜吸收和散射特征，遙感技術利用不同波長范圍的電磁輻射進行觀測，通過比較被測量輻射與參考輻射的差異，可以推斷出大氣中的氣體濃度、污染物濃度和氣溶膠的類型等信息。

1.3.3 時間序列分析

通過連續(xù)觀測并分析不同時間點的遙感數(shù)據(jù)，可以監(jiān)測大氣污染物的時空變化。例如，通過比較不同日期的遙感圖像，可以識別出植被狀況、火災活動或工業(yè)排放等引起的污染事件[2]。

綜合利用以上原理，遙感技術可以提供大范圍、高時空分辨率的大氣環(huán)境信息，包括大氣成分、污染物濃度、氣溶膠特性、云量以及地表輻射等參數(shù)，為大氣環(huán)境監(jiān)測和污染防控提供重要數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

2 遙感技術在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應用

2.1 監(jiān)測臭氧層

臭氧（O3）是一種由三個氧原子組成的分子，是地球大氣層中重要的氣體之一。它在大氣中以臭氧層的形式存在，主要集中在距離地表約10至50公里的平流層中。臭氧層對地球生命非常重要，因為它能夠吸收并屏蔽來自太陽的紫外線輻射，保護地球上的生物免受有害的紫外線照射。遙感技術對臭氧層的監(jiān)測主要體現(xiàn)在：

2.1.1 臭氧總量監(jiān)測

遙感技術可通過測量太陽輻射經過大氣時的吸收特性來估算大氣中的總臭氧含量，利用可見光和紫外線波段的遙感數(shù)據(jù)，可以獲取不同高度區(qū)域的臭氧垂直分布，從而對臭氧總量進行空間和時間的監(jiān)測。

2.1.2 臭氧垂直分布

遙感技術結合多光譜或超光譜觀測，可以推斷出大氣垂直分布中的臭氧濃度變化，這些觀測可以通過分析大氣散射和吸收的特征來獲得，例如，在紫外-可見光和紅外波段中測量大氣輻射能量的垂直分布[3]。

2.1.3 紫外輻射監(jiān)測

臭氧在紫外波段對太陽輻射具有強烈的吸收作用，通過監(jiān)測大氣中紫外輻射的強度和分布情況，可以推斷出臭氧層的厚度和濃度，遙感技術可以提供全球范圍的紫外輻射數(shù)據(jù)，揭示臭氧層的空間和時間變化。

2.2 監(jiān)測大氣氣溶膠

遙感技術在大氣氣溶膠監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，通過遙感觀測，可以獲得氣溶膠的濃度、類型、光學特性以及其與氣候、空氣質量等因素的相互作用，為大氣環(huán)境研究、氣候變化和空氣污染控制等提供關鍵信息和科學支持。以下是一些主要的應用方式：

2.2.1 氣溶膠濃度和類型分析

通過遙感技術獲取的光學遙感數(shù)據(jù)可以反演大氣中氣溶膠的光學厚度、質量濃度和大小等信息，這些數(shù)據(jù)可用于估算不同類型氣溶膠的含量，并研究其來源和分布。

2.2.2 氣溶膠的空間分布和傳輸

遙感技術提供了大范圍、高時空分辨率的氣溶膠觀測能力，通過連續(xù)監(jiān)測和比較不同時刻的遙感圖像，可以揭示氣溶膠的時空分布模式和傳輸路徑，幫助理解氣溶膠的遷移和擴散過程。

2.2.3 氣溶膠光學特性研究

遙感技術可以獲取氣溶膠的光學特性，如散射和吸收特性，通過測量不同波長下的光散射和光吸收強度，可以推斷出氣溶膠的復雜折射率、粒徑分布和化學成分等信息。

2.3 監(jiān)測有害氣體

2.3.1 二氧化碳（CO2）監(jiān)測

遙感技術可以通過測量地球表面和大氣層頂部的紅外輻射來估算大氣中的二氧化碳濃度，這些觀測數(shù)據(jù)可以用于監(jiān)測全球和區(qū)域尺度上的二氧化碳排放、吸收和分布，為碳循環(huán)研究和氣候變化評估提供重要數(shù)據(jù)。

2.3.2 一氧化碳（CO）監(jiān)測

遙感技術可以利用紅外光譜觀測大氣中的一氧化碳含量，一氧化碳是燃燒過程和交通排放的重要產物，也與大氣污染和空氣質量有關，通過遙感監(jiān)測一氧化碳濃度，可以評估城市和區(qū)域的大氣污染水平，并為相關政策制定提供支持[4]。

2.3.3 二氧化硫（SO2）監(jiān)測

遙感技術可使用紫外光譜或紅外光譜測量大氣中二氧化硫的濃度，二氧化硫是主要的工業(yè)污染物之一，也與火山噴發(fā)和燃煤等自然和人為源有關，通過遙感監(jiān)測二氧化硫含量，可以評估空氣質量、大氣污染來源和區(qū)域性污染事件。

2.3.4 氮氧化物（NOx）監(jiān)測

遙感技術可以利用紫外光譜或紅外光譜觀測大氣中氮氧化物的濃度，氮氧化物是燃燒過程和交通排放的重要產物，也與大氣污染和酸雨形成有關，通過遙感監(jiān)測氮氧化物含量，可以評估城市和區(qū)域的大氣污染水平，并為相關環(huán)境管理提供數(shù)據(jù)支持。

2.4 監(jiān)測沙塵暴

2.4.1 沙塵暴探測與跟蹤

遙感技術可以通過衛(wèi)星和雷達觀測手段監(jiān)測沙塵暴的發(fā)生、演變和傳播路徑，衛(wèi)星遙感能夠提供廣域范圍的沙塵暴識別和監(jiān)測，而雷達遙感則可提供高時空分辨率的沙塵云和沙塵暴內部結構信息。

2.4.2 沙塵顆粒物的濃度估算

遙感技術可以通過光學遙感數(shù)據(jù)估算沙塵暴期間大氣中沙塵顆粒物的濃度。通過對紅外或可見光譜的反射和散射特征進行分析，可以推斷出沙塵顆粒物的光學厚度和質量濃度[5]。

2.4.3 沙塵源地的識別和定位

遙感技術可以幫助確定沙塵暴的起源地和沙塵源區(qū)。通過分析遙感圖像中的地表特征和植被覆蓋情況，可以識別出可能的沙塵源地，并提供有關沙塵暴源地的地理位置信息。

2.4.4 沙塵暴的時空分布分析

遙感技術可以提供大范圍的沙塵暴監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對不同時間和空間的遙感圖像進行比較和分析，可以揭示沙塵暴的季節(jié)性變化、空間分布和傳輸路徑等特征，為沙塵暴風險評估和預警提供參考。

2.5 監(jiān)測熱島效應

熱島效應是指城市或城市化地區(qū)相對于周圍鄉(xiāng)村或自然環(huán)境而言，具有更高的溫度和熱能積累現(xiàn)象，它是由城市建筑、人類活動和城市化進程所引起的一種氣候現(xiàn)象。城市熱島效應不但會使城市氣溫升高，還會對當?shù)氐奶鞖馇闆r造成影響，包括降水量、云量、霧、空氣濕度等。此外，熱島效應會使污染物向熱島中心聚集，污染濃度也會隨著熱島效應加劇而逐漸上升。遙感技術在熱島效應監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，通過遙感觀測和分析地表溫度、土地利用、土地覆蓋和空氣質量等數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對熱島效應的定量評估、空間特征分析和長期變化監(jiān)測，為城市規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護和氣候適應提供科學支持。

2.5.1 地表溫度測量

遙感技術可以通過紅外輻射數(shù)據(jù)獲取地表溫度信息。通過遙感儀器測量不同波段下的輻射亮溫，并結合大氣校正和地表反射率模型，可以反演出地表溫度分布圖。這樣可以定量評估城市中不同區(qū)域的熱島效應強度。

2.5.2 熱島效應空間特征分析

利用高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，可以獲取城市不同區(qū)域的地表溫度圖像，通過對比城市內部各個區(qū)域的地表溫度差異，可以揭示熱島效應的空間分布特征。這有助于識別熱島形成的原因和機制，以及指導城市規(guī)劃和建設。

2.5.3 熱島效應長期變化監(jiān)測

遙感技術能夠提供大范圍、長時間序列的遙感數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對熱島效應的長期監(jiān)測和變化分析。通過比較不同時期的遙感圖像和地表溫度數(shù)據(jù)，可以研究熱島效應的時空演變趨勢，評估城市發(fā)展對熱島效應的影響，并為城市可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

2.5.4 熱島效應與空氣質量關系研究

遙感技術可以用于監(jiān)測和分析城市熱島效應與空氣質量之間的關系。通過獲取熱島區(qū)域和非熱島區(qū)域的地表溫度和空氣質量數(shù)據(jù)，可以探索熱島效應對污染物擴散和空氣質量形成的影響機制，從而提供減緩熱島效應對空氣質量的不利影響的方法和措施。

3 遙感監(jiān)測技術在大氣環(huán)境領域的發(fā)展前景

隨著遙感技術和傳感器的不斷進步，未來的發(fā)展將實現(xiàn)更高的時空分辨率，這將使得我們能夠獲取更詳細、更精確的大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便更準確地分析和評估大氣污染物、氣候變化和天氣現(xiàn)象等。結合衛(wèi)星、無人機、飛艇等多種遙感平臺的數(shù)據(jù)，可以提供更全面的大氣環(huán)境信息，并彌補單一遙感數(shù)據(jù)的局限性，同時與地面觀測數(shù)據(jù)和模型結果的互聯(lián)互通，可以實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的綜合分析和驗證。將遙感技術與計算機和數(shù)據(jù)庫等新型技術相結合應用于大氣環(huán)境監(jiān)測可以提升數(shù)據(jù)處理和分析能力，計算機和數(shù)據(jù)庫技術的應用可以實現(xiàn)大規(guī)模遙感數(shù)據(jù)的高效處理、存儲和管理，通過并行計算和分布式處理，可以加快數(shù)據(jù)處理速度，提高數(shù)據(jù)分析的效率和準確性[6]。結合遙感技術和計算機技術，可以實現(xiàn)實時的大氣環(huán)境監(jiān)測和預警系統(tǒng)，傳感器采集的數(shù)據(jù)可以即時傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)庫進行處理和分析，從而及時識別和響應大氣污染事件、氣候變化和天氣災害等。還可以應用智能算法和機器學習方法來優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程、開發(fā)高效的特征提取算法，并建立準確的預測和模擬模型，有助于更深入、精細地理解大氣環(huán)境變化的機制和趨勢。

4 結語

總而言之，遙感技術在大氣環(huán)境監(jiān)測中具有顯著的應用成效，它能夠提供廣域、高時空分辨率的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對大氣污染物濃度、氣候變化、天氣災害等關鍵參數(shù)的精確監(jiān)測和評估。通過遙感技術，我們能夠及時獲取大范圍的環(huán)境信息，并為政策制定者和決策者提供科學依據(jù)，以推動環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展。