曹飛,穆寶慧,徐丹,高乾,孫建欣,孫浩,孫中平

(1.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094；2.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875)

近年來,經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí),給環(huán)境帶來了巨大的壓力,導(dǎo)致了一系列環(huán)境問題的出現(xiàn),例如大氣污染[1]、水資源污染、土壤污染以及氣象災(zāi)害[2]等。環(huán)境變化嚴(yán)重影響著人們的生活質(zhì)量,準(zhǔn)確、及時(shí)、全面地監(jiān)測環(huán)境變化能夠起到改善人們生存環(huán)境的作用,還能夠促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。

由于受到自然條件和時(shí)空因素的限制,傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測方法,如點(diǎn)式采樣監(jiān)測法[3]等,適應(yīng)性差、效率低。環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)具有多空間尺度性[5]、多時(shí)間尺度性[6]、多學(xué)科綜合性[7]和多用途性等特點(diǎn),能夠及時(shí)有效地對出現(xiàn)的環(huán)境問題提供數(shù)據(jù)分析[8],并為重大決策提供數(shù)據(jù)支撐,便于進(jìn)行長期的動態(tài)監(jiān)測,實(shí)時(shí)監(jiān)測大面積的環(huán)境質(zhì)量變化,快速、準(zhǔn)確地反映環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀并對未來發(fā)展趨勢做出判斷,彌補(bǔ)地面點(diǎn)位監(jiān)測的不足[9]。

1 大氣環(huán)境遙感監(jiān)測

大氣監(jiān)測根據(jù)所利用的波段,主要分為紫外、可見光、反射紅外遙感技術(shù)[10]。大氣中不同的氣體由于物理性質(zhì)的差異,對于不同波段光線的反射、吸收和透射具有明顯的差異,表現(xiàn)為遙感圖像上不同的色調(diào),大氣環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)利用影像信息的差別,從而識別出污染物及污染源。目前大氣環(huán)境遙感監(jiān)測主要應(yīng)用于對有害氣體的監(jiān)測,包括二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)等,以及對大氣氣溶膠和臭氧層的監(jiān)測、對沙塵暴和城市熱島效應(yīng)現(xiàn)象的監(jiān)測等方面。

大氣中小顆粒有害氣體的含量直接影響到人體健康。目前常用的大氣有害氣體的監(jiān)測方法主要是利用植被長勢與有害氣體含量的關(guān)系反演大氣成分[11]以及利用衛(wèi)星搭載的高分辨率大氣探測器來實(shí)現(xiàn)對大氣中有害氣體成分的監(jiān)測[12],利用空氣中的有害氣體對光譜的吸收特征波段進(jìn)行信息提取,例如利用CO2在1.6μm處的光譜吸收特點(diǎn),對二氧化碳進(jìn)行濃度反演[13]。對于SO2可利用植物光譜特征及光合特性研究[14],對SO2污染下植物中葉綠素含量、葉片含硫量、葉液pH值和冠層光譜反射率的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)關(guān)系研究[15],也可以利用SO2在紫外線波長范圍內(nèi)的特征吸收波段進(jìn)行測量。

對于大氣氣溶膠以及臭氧等大顆粒有害氣體的監(jiān)測,多數(shù)仍采用特征波段進(jìn)行測算。在臭氧監(jiān)測方面,目前常用的方法有紫外光度計(jì)法[16],利用臭氧強(qiáng)烈地吸收太陽紫外輻射。臭氧在紅外波段有許多旋轉(zhuǎn)振動吸收帶,也可用于大氣中臭氧含量的推算[17]。除此之外,利用大氣光學(xué)厚度的變化也能夠推算大氣中的臭氧含量,同時(shí)利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)還可以獲得臭氧總量和分布范圍。葛邦宇等利用暗目標(biāo)法和相關(guān)性分析的方法反映出京津冀地區(qū)氣溶膠的時(shí)間變化信息。

對于由大氣中大顆粒物質(zhì)引起的天氣現(xiàn)象,如沙塵暴和城市熱島效應(yīng),也可以用遙感的手段進(jìn)行監(jiān)測。近年來城市熱島效應(yīng)受到越來越多的重視。盛輝等利用TM遙感影像對東營市的熱島效應(yīng)進(jìn)行了監(jiān)測,分析出熱島效應(yīng)的時(shí)空演化規(guī)律及發(fā)展趨勢,并闡述了植被和水體兩種影響因素對城市熱島效應(yīng)的減弱作用[19]。

2 水環(huán)境遙感監(jiān)測

水環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)主要是利用水體中不同種類和不同濃度的污染物所具有的光譜特征,同時(shí)結(jié)合監(jiān)測得到的水環(huán)境數(shù)據(jù),利用其在遙感影像上因灰度、紋理等的差異判別水污染的種類以及污染量。水環(huán)境遙感監(jiān)測包括水域變化監(jiān)測、水溫監(jiān)測,水體富營養(yǎng)化監(jiān)測、葉綠素濃度計(jì)算、懸浮固體遙感監(jiān)測以及石油污染遙感監(jiān)測。

在水域變化監(jiān)測方面,遙感衛(wèi)星提供了大面積的影像,可支持對水域面積進(jìn)行變化監(jiān)測,并對其水域變化面積進(jìn)行檢測,主要通過多時(shí)相遙感序列數(shù)據(jù)對面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與變化監(jiān)測,目前用到的遙感影像包括雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)[20]、Landsat-5 TM數(shù)據(jù)[21-22]、MODIS數(shù)據(jù)、Landsat ETM數(shù)據(jù)。水溫監(jiān)測主要利用熱紅外波段對溫度的感應(yīng)機(jī)制,為了提高準(zhǔn)確度,可結(jié)合氣象數(shù)據(jù)修正,動態(tài)監(jiān)測水體溫度變化[25]。

水中物質(zhì)監(jiān)測方面,主要利用Terra衛(wèi)星上的MODIS數(shù)據(jù)[26-27]、 Landsat TM數(shù)據(jù)[28],通過水體指數(shù)模型[29]和反演算法對富營養(yǎng)化進(jìn)行監(jiān)測[30]。祝令亞等利用MODIS數(shù)據(jù)的波段反射率與葉綠素濃度的實(shí)測值進(jìn)行分析,以此建立葉綠素濃度的監(jiān)測模型[31-32]。除此之外,還可以利用高光譜遙感數(shù)據(jù)建立水體葉綠素提取指數(shù),且該方法受水體懸浮物影響小[33]。盛琳等基于GOCI多光譜數(shù)據(jù)利用QAA算法對東平湖葉綠素濃度進(jìn)行估算,結(jié)果表明QAA算法得到的結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)的葉綠素估算模型,同時(shí)具有良好的可移植性[34]。為了提高葉綠素反演模型的精度,吳儀等基于環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)利用遙感數(shù)據(jù)與水中物質(zhì)濃度的定量關(guān)系反演新豐江水庫的葉綠素濃度,反演精度較高[35]。水中固體懸浮物的監(jiān)測方面,多使用陸地衛(wèi)星、NOAA、風(fēng)云氣象衛(wèi)星及海洋衛(wèi)星0.58～0.68μm波段的數(shù)據(jù)信息[4],根據(jù)反射率與懸浮物的濃度關(guān)系進(jìn)行水體懸浮物的遙感分析。QIU等基于Landsat 8資料對黃河口的懸浮物濃度進(jìn)行了估計(jì),并建立了Landsat 8衛(wèi)星資料懸浮物濃度反演算法,與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果表明Landsat 8能較好地反映黃河口懸浮物的分布情況[36]。

傳統(tǒng)石油污染監(jiān)測主要依靠目視觀察以及機(jī)動游艇巡視的方式進(jìn)行,受到時(shí)空條件的局限,而遙感監(jiān)測則能夠及時(shí)監(jiān)測到石油的污染范圍和污染油種類。韓仲志等利用改進(jìn)后的獨(dú)立分量分析算法,對溢油覆蓋率進(jìn)行了估計(jì),提高了溢油探測和大小估計(jì)的準(zhǔn)確性[37]。

3 生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測

生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測具有視野廣、效率高等特點(diǎn),適用于大面積尺度的生態(tài)環(huán)境問題的監(jiān)測,主要利用各種生態(tài)問題在遙感圖像上反映的信息不同。遙感在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面主要有森林監(jiān)測、水土流失及荒漠化監(jiān)測、農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測等多個(gè)方面。

森林的情況復(fù)雜,資源眾多,并且時(shí)常會因?yàn)樘鞖獾纫蛩匕l(fā)生火災(zāi)。王雪軍等利用多源遙感數(shù)據(jù)結(jié)合其他調(diào)查資料,實(shí)現(xiàn)了森林面積的有效監(jiān)測[38],鄭冬梅等利用群團(tuán)樣地和圖斑區(qū)劃判讀兩種方法對森林資源進(jìn)行監(jiān)測,且兩種方法都取得了預(yù)期效果[39],實(shí)現(xiàn)了大區(qū)域森林資源監(jiān)測。王枚梅等基于無人機(jī)可見光影像對亞高山針葉林進(jìn)行面向?qū)ο蠓治?提取單位面積樹木數(shù)和郁閉度等參數(shù)[40]。近年來,森林火災(zāi)問題尤為突出,為了保護(hù)森林資源的安全,森林火災(zāi)監(jiān)測越來越重要。

在水土流失方面,嚴(yán)重的水土流失區(qū)域伴生著荒漠化,劉艷等基于TM影像分析瑪納斯河流域的荒漠化土地特征,結(jié)合基于MODIS陸地產(chǎn)品利用多源信息復(fù)合法獲得了荒漠化程度指數(shù)構(gòu)建荒漠化監(jiān)測評價(jià)模型。結(jié)果表明,該模型得出的研究區(qū)荒漠化評價(jià)結(jié)果具有較好的精度[41]。

我國是農(nóng)業(yè)大國,一直以來病蟲害監(jiān)測都是我國重點(diǎn)關(guān)注的問題,遙感技術(shù)的注入為病蟲害監(jiān)測提供了新的方法。目前,在森林病蟲害的遙感監(jiān)測方面所利用的遙感數(shù)據(jù)主要有Landsat TM,MSS和SPOT HRV等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和多種航空遙感數(shù)據(jù)。此外,各種地面輔助地理數(shù)據(jù)和野外調(diào)查數(shù)據(jù)可以提高對森林病蟲害的監(jiān)測精度。已有相關(guān)學(xué)者對冬小麥病蟲害進(jìn)行研究[44],也有學(xué)者對農(nóng)作物病蟲害地區(qū)的空間進(jìn)行監(jiān)測[45]。

4 災(zāi)害遙感監(jiān)測

災(zāi)害監(jiān)測主要利用災(zāi)害的表現(xiàn)形式進(jìn)行監(jiān)測,對于常能造成死亡事件和很大經(jīng)濟(jì)損失的突發(fā)性災(zāi)害,主要利用多源數(shù)據(jù)融合進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)測和評估；而對于影響面積比較大,持續(xù)時(shí)間比較長的緩發(fā)性災(zāi)害,主要利用長時(shí)間序列的數(shù)據(jù)進(jìn)行變化監(jiān)測分析,從時(shí)間尺度上對災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測和分析。根據(jù)災(zāi)害的變化形式劃分,遙感在災(zāi)害監(jiān)測方面主要有洪災(zāi)監(jiān)測、氣象災(zāi)害監(jiān)測、地質(zhì)監(jiān)測等多個(gè)方面。

洪災(zāi)監(jiān)測根據(jù)其應(yīng)用時(shí)間大致分為洪災(zāi)前、中、后三個(gè)部分。對洪災(zāi)的監(jiān)測一直是水利方面的關(guān)鍵問題,目前多個(gè)國家發(fā)射用于災(zāi)害監(jiān)測與評估的多種衛(wèi)星搭載光譜傳感器對洪澇易發(fā)區(qū)域進(jìn)行長期監(jiān)測,確保在洪災(zāi)發(fā)生時(shí)有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源[46],同時(shí)可結(jié)合降水量[47]、水位[48]等氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行洪水的預(yù)警和預(yù)測。遙感技術(shù)在災(zāi)后的損失評估中主要利用水體的特征及多期影像對比進(jìn)行變化監(jiān)測,以獲取洪水區(qū)域、位置及持續(xù)時(shí)間等信息,通過提取水體區(qū)域得到淹沒范圍和面積[49],掌握洪水發(fā)展的過程,對災(zāi)情進(jìn)行快速的評估[50]。

遙感技術(shù)在氣象監(jiān)測方面主要應(yīng)用于干旱、冰雪、臺風(fēng)和強(qiáng)對流天氣監(jiān)測。干旱遙感主要基于土壤水分[51]和植被狀況[52],主要方法有依靠植被指數(shù)降低特征判定的植被指數(shù)法[53]以及利用受災(zāi)植被指數(shù)與多年植被指數(shù)平均值做差的距平植被指數(shù)法[54]。冰雪監(jiān)測主要利用冰雪的光譜特征[55],常用的方法有依據(jù)光譜特征的監(jiān)督分類方法估計(jì)局部冰雪覆蓋[56]。為了彌補(bǔ)中低分辨率中混合像元的缺陷,在光譜特征基礎(chǔ)上加入反射率信息可提高冰雪提取的準(zhǔn)確度[57]。對于不同的需求,有學(xué)者建立了相應(yīng)的模型及指數(shù)方法[58]。臺風(fēng)監(jiān)測分為氣象衛(wèi)星遙感監(jiān)測和微波遙感監(jiān)測,前者可實(shí)現(xiàn)臺風(fēng)中心定位、臺風(fēng)成因及臺風(fēng)登陸過程中的結(jié)構(gòu)變化,如強(qiáng)度、風(fēng)雨分布及路徑等。遙感以氣象衛(wèi)星為主,結(jié)合雷達(dá)及常規(guī)天氣觀測資料可實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測[59],同時(shí)可通過閃電等重要指示因子對強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測和預(yù)警提供支持。

在地質(zhì)災(zāi)害方面,遙感可以進(jìn)行滑坡識別、滑坡空間分析及基本信息提取等,如利用前后時(shí)相圖像提取滑坡、泥石流區(qū)域[61],并根據(jù)滑坡引起的環(huán)境變化評估滑坡的穩(wěn)定性[62]。遙感在地震監(jiān)測方面也發(fā)揮著巨大作用,在地震前通過對云監(jiān)測和地表溫度反演實(shí)現(xiàn)對地震的預(yù)測分析,在地震發(fā)生前后利用遙感數(shù)據(jù)對地震區(qū)進(jìn)行連續(xù)、動態(tài)監(jiān)測,并對災(zāi)情影響進(jìn)行綜合評估[62]。除此以外,遙感還可以通過監(jiān)測火山體的溫度實(shí)現(xiàn)對火山的監(jiān)測。

5 總結(jié)與展望

遙感技術(shù)已在全世界得到廣泛的應(yīng)用,其應(yīng)用范圍涉及大氣、水體、生態(tài)等各個(gè)領(lǐng)域,在眾多領(lǐng)域開展了多方面的研究探索工作,并取得了豐碩的成果。然而,人類正面臨著人口迅速增長、資源嚴(yán)重破壞、生態(tài)環(huán)境惡化等帶來的壓力,對遙感技術(shù)也有了更高的要求。遙感技術(shù)在環(huán)境變化監(jiān)測中呈現(xiàn)出時(shí)空多尺度、多源數(shù)據(jù)綜合及多學(xué)科綜合應(yīng)用等特點(diǎn)。

環(huán)境變化的時(shí)間和空間不同形成了遙感技術(shù)時(shí)空多尺度的特點(diǎn)。環(huán)境變化的區(qū)域尺寸和周期是選擇遙感影像的重要因素,不同空間分辨率表明了不同地物細(xì)節(jié)的可見程度,而不同的時(shí)間分辨率的遙感影像提供了地物不同的動態(tài)變化信息?？紤]到環(huán)境遙感監(jiān)測對象的特征,需要能夠提供更高空間分辨率、時(shí)間分辨率的探測。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,熱紅外、微波等不同傳感器被應(yīng)用到對地觀測中,研究人員能夠獲取同一地區(qū)多時(shí)相、多光譜、多傳感器的遙感影像數(shù)據(jù),體現(xiàn)了遙感技術(shù)多源數(shù)據(jù)綜合的特點(diǎn)。與單源遙感影像數(shù)據(jù)相比,多源遙感影像數(shù)據(jù)所提供的信息具有冗余性和互補(bǔ)性,因此多源數(shù)據(jù)融合也被應(yīng)用至多個(gè)領(lǐng)域。而面對一些如洪澇、臺風(fēng)等突發(fā)性災(zāi)害,要求遙感技術(shù)不受白晝、云雨等的限制,目前有學(xué)者已經(jīng)開始了雷達(dá)和可見光融合的研究,但其理論仍需要進(jìn)一步完善。

遙感技術(shù)是多種學(xué)科知識相互滲透和融合的結(jié)果,因此又具有多學(xué)科綜合應(yīng)用的特點(diǎn)。遙感技術(shù)受到測繪科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理科學(xué)等多種學(xué)科的影響,在長時(shí)間的探索中形成了一套完整的體系。這些學(xué)科拓寬了遙感的應(yīng)用范圍,增強(qiáng)了遙感數(shù)據(jù)處理的能力,使遙感技術(shù)成為獲取地球資源與環(huán)境信息的重要手段。遙感作為重要的觀測手段,應(yīng)著重提高其在環(huán)境災(zāi)害中的應(yīng)用,例如與地震等理論相結(jié)合,提供災(zāi)害預(yù)測、預(yù)報(bào)和預(yù)警的技術(shù)方法。