探究遙感FTIR在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的發(fā)展

吳娟 徐可欣 遲穎

摘要：遙感FTIR技術(shù)在當(dāng)前的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中是主要的監(jiān)測(cè)方法，主要是這種技術(shù)具有靈敏性強(qiáng)和分辨率高的特點(diǎn)，在不確定被監(jiān)測(cè)對(duì)象的情況下滿足多組分測(cè)定，特別是在易揮發(fā)與有毒的氣體中監(jiān)測(cè)作用明顯。基于此，本文從大氣遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)入手，討論遙感FTIR的主要特點(diǎn)，分析主要的遙感FTIR監(jiān)測(cè)技術(shù)，提出了遙感FTIR技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用，希望對(duì)相關(guān)研究帶來(lái)幫助。

關(guān)鍵詞：遙感FTIR;大氣;環(huán)境監(jiān)測(cè);發(fā)展

在當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展中，國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)保工作的開(kāi)展高度重視，其中在水環(huán)境、土壤環(huán)境與大氣環(huán)境的污染物監(jiān)測(cè)中對(duì)諸多技術(shù)加以利用，成為后續(xù)的環(huán)境治理工作有力保障。新時(shí)期，在測(cè)繪行業(yè)、林業(yè)和牧業(yè)資源調(diào)查、軍事偵察中都對(duì)遙感技術(shù)進(jìn)行了利用，而環(huán)境遙感是在遙感技術(shù)應(yīng)用的前期下分析環(huán)境變化、環(huán)境污染性質(zhì)、污染物擴(kuò)散規(guī)律學(xué)科，在我國(guó)環(huán)境工程學(xué)中起到了重要作用。

一、大氣遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要原子和分子間的相互作用，還需要電磁輻射作用，對(duì)監(jiān)測(cè)的光譜波段中，借助大氣中痕量研究氣體吸收性質(zhì)以及光的衰減可以解釋反演其濃度。在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中遙感FTIR促進(jìn)了大氣探測(cè)的發(fā)展，還影響著資源衛(wèi)星空間探測(cè)和衛(wèi)星的行星大氣探測(cè)。整體看來(lái)，這一技術(shù)集合了空間、光學(xué)、電子、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)、地學(xué)等科學(xué)最新成果，也是當(dāng)前高新技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。光學(xué)遙感方法可以在數(shù)百米到幾千米的距離應(yīng)用，在一定程度上代替了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中的取樣池，整體處理過(guò)程是發(fā)射一束光通過(guò)待測(cè)氣體，然后在另一端接收和分析，其中光源發(fā)射器和儀器信號(hào)接收器距離對(duì)光程長(zhǎng)度起到了決定性作用[1]。

二、遙感FTIR的主要特點(diǎn)

環(huán)保部門(mén)主要是借助取樣定點(diǎn)法對(duì)大氣環(huán)境的污染情況進(jìn)行檢測(cè)，一般只能對(duì)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境被污染程度體現(xiàn)，無(wú)法體現(xiàn)觀測(cè)區(qū)域之外的污染情況，遙感FTIR技術(shù)（傅立葉變換紅外光譜分析）可以解決以上問(wèn)題，并且成為了地區(qū)發(fā)展速度快和運(yùn)用范圍廣的監(jiān)測(cè)技術(shù)，并且在取樣方式上有所不同，也不會(huì)受到范圍的限制，該技術(shù)的主要特征如下：其一，可以滿足于超遠(yuǎn)距離的無(wú)線監(jiān)測(cè)，并且該技術(shù)可以24小時(shí)對(duì)遠(yuǎn)距離的大氣污染物進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè);其二，遙感FTIR技術(shù)可以對(duì)多組的空氣污染物分析，并且進(jìn)行精確的判斷;其三，遙感FTIR技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可以簡(jiǎn)化分析環(huán)節(jié)，并且能量消耗更少;其四，遙感FTIR技術(shù)可以對(duì)地面、海面與高空進(jìn)行立體化的環(huán)境監(jiān)控，當(dāng)前我國(guó)對(duì)遙感FTIR技術(shù)的應(yīng)用不斷加大投入力度，其中被動(dòng)式遙感技術(shù)、化學(xué)計(jì)量都取得可喜成績(jī)[2]。

三、主要的遙感FTIR監(jiān)測(cè)技術(shù)

（一）被動(dòng)式遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

當(dāng)前遙感FTIR技術(shù)在我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中取得長(zhǎng)足進(jìn)步，并且諸多專(zhuān)家也在復(fù)雜的大氣環(huán)境中分析被動(dòng)式遙感FTIR監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用效果。整體來(lái)看，被動(dòng)式遙感FTIR監(jiān)測(cè)技術(shù)可以對(duì)熱氣體放射源發(fā)散的多種輻射化學(xué)成分與物理特性檢測(cè)，成為了大氣污染物監(jiān)測(cè)發(fā)展重要方向。被動(dòng)式遙感FTIR監(jiān)測(cè)技術(shù)在應(yīng)用中主要是根據(jù)空氣中污染物溫度，并且在缺乏背景信息的情況下對(duì)多方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，由此省去了樣品的處理環(huán)節(jié)，并且該技術(shù)可以對(duì)多樣品的大氣污染監(jiān)測(cè)，也不會(huì)受到時(shí)間或者空間的限制。在實(shí)際的利用中需要工作人員明確該技術(shù)的工作特點(diǎn)與原理，還要分析儀器響應(yīng)函數(shù)的應(yīng)用規(guī)律。儀器的響應(yīng)函數(shù)又叫做檢測(cè)儀器的頻率函數(shù)，在差異性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，由于黑體校正、溫度高低差值與儀器信號(hào)接收情況，響應(yīng)了函數(shù)存在差異，所以該技術(shù)盡管在應(yīng)用上便捷，但是以上三個(gè)方面的因素也導(dǎo)致了該及時(shí)依舊處于實(shí)驗(yàn)階段，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

其一，自然環(huán)境的變化會(huì)改變背景輻射，進(jìn)而造成譜圖樣品的嚴(yán)重偏移;其二，由于風(fēng)向、風(fēng)速以及樣本釋放不穩(wěn)定，隨著實(shí)際條件變化出現(xiàn)了儀器所測(cè)區(qū)域濃度也會(huì)變化，降低了成圖譜測(cè)量重復(fù)性，還存在著監(jiān)測(cè)不穩(wěn)定、噪音大問(wèn)題;其三，濕度與溫度的變化導(dǎo)致了儀器響隨函數(shù)變化，這也是導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差的一個(gè)因素;其四，這種儀器較為精密，所以不適合在復(fù)雜的野外環(huán)境操作，雖然相關(guān)的情況得到了緩解，但是依舊導(dǎo)致被動(dòng)式遙感FTIR技術(shù)獲得數(shù)據(jù)難于處理。

（二）化學(xué)計(jì)量學(xué)在遙感FTIR技術(shù)的應(yīng)用

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，計(jì)量科目的技術(shù)方法對(duì)化學(xué)各個(gè)方面產(chǎn)生了影響，也讓我國(guó)的化學(xué)計(jì)量科學(xué)發(fā)展，其中對(duì)遙感FTIR技術(shù)光譜圖分析應(yīng)用逐漸深入，化學(xué)計(jì)量學(xué)模型主要是指神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最小二乘法、遺傳算法和KALMANFILTER。有研究人員對(duì)以上化學(xué)計(jì)量學(xué)中模型進(jìn)行定量、定性分析，具體說(shuō)來(lái)：

其一，定量、定性分析多組數(shù)據(jù)信息。監(jiān)測(cè)人員在實(shí)際的監(jiān)測(cè)中對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘法和KALMANFILTER加以利用，并且對(duì)光譜圖中存在的空氣污染物定量分析，從得到的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，以上方法都可以定量監(jiān)測(cè)復(fù)雜大氣環(huán)境。同時(shí)，定性監(jiān)測(cè)復(fù)雜的空氣污染物過(guò)程中，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)未名干擾物監(jiān)測(cè)，之后通過(guò)遺傳算法分析多樣組的空氣環(huán)境情況，減少了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、監(jiān)控時(shí)間，并且縮小監(jiān)控誤差，進(jìn)而對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型得到的信號(hào)變量提取，發(fā)現(xiàn)分析遙感FTIR監(jiān)控的光譜圖更加準(zhǔn)確、高效。此外，遺傳算法的計(jì)量模型在保證求解能力與數(shù)代非線性特征明顯的同時(shí)，還作為了光圖庫(kù)中理想的數(shù)據(jù)檢索工具[3]。

其二，提取遙感FTIR光譜圖的特征信號(hào)與噪聲。有研究人員發(fā)現(xiàn)，噪聲的科學(xué)處理也影響了遙感FTIR光譜圖，一般來(lái)說(shuō)監(jiān)控人員能利用WA程序提取遙感FTIR光譜圖信號(hào)數(shù)據(jù)，還可以借助WA程序來(lái)分解信號(hào)數(shù)據(jù)，可以在過(guò)濾、祛除光譜圖的噪音環(huán)境下體現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的位置。有研究發(fā)現(xiàn)，開(kāi)路遙感FTIR監(jiān)測(cè)存在噪音的光譜圖可以通過(guò)采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理，由此實(shí)現(xiàn)噪音徹底清除，這種處理思路也叫作稱(chēng)為信號(hào)正交校正，并且結(jié)果可以對(duì)比二階求導(dǎo)處理結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，信號(hào)正交校正法光譜圖數(shù)據(jù)處理之后，模型誤差數(shù)值為16.58%，這個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)二階求導(dǎo)法處理后數(shù)據(jù)（49.93%），并且誤差接近40%，結(jié)果也說(shuō)明的信號(hào)正交校正法對(duì)光譜圖中噪音處理優(yōu)勢(shì)更加明顯。

四、遙感FTIR技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

（一）監(jiān)測(cè)大氣中氣溶膠含量

氣溶膠就是霧、煙、塵等人們生活中熟悉的物質(zhì)，一般難以對(duì)地面上的氣溶膠監(jiān)測(cè)，不過(guò)遙感FTIR技術(shù)可以解決這一問(wèn)題。遙感FTIR技術(shù)在監(jiān)測(cè)大氣中的氣溶膠上具有精確性高的優(yōu)勢(shì)，不管是高空還是地面，環(huán)境監(jiān)控的范圍更大，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法不足。在上世紀(jì)80年代，我國(guó)就監(jiān)測(cè)了北京某地區(qū)的氣溶膠的厚度，并且發(fā)現(xiàn)了氣溶膠的含量與空氣污染關(guān)系密切[4]。

（二）監(jiān)測(cè)臭氧層

遙感FTIR技術(shù)在監(jiān)測(cè)臭氧時(shí)同步于臭氧圖的形成時(shí)間，進(jìn)而在遙感FTIR技術(shù)支持下得到了臭氧層的分布范圍圖。臭氧層是大氣中臭氧濃度偏高的區(qū)域和空間層，集中分布于平流層，作用在于吸收紫外線。在工業(yè)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，也對(duì)臭氧層造成了破壞，遙感FTIR技術(shù)的出現(xiàn)可以通過(guò)衛(wèi)星監(jiān)控，監(jiān)測(cè)臭氧分布，便于進(jìn)行臭氧空洞地帶的污染治理[5]。

五、遙感FTIR在大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用新成果

在大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)中遙感FTIR是重要的監(jiān)測(cè)技術(shù)，該技術(shù)分辨率高，也因此在大氣環(huán)境中的監(jiān)測(cè)過(guò)程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，這種技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)可以感測(cè)出熱氣體放射源發(fā)出的紅外輻射，并且這種及時(shí)可以簡(jiǎn)化大氣監(jiān)測(cè)樣品預(yù)處理環(huán)節(jié)，并且在背景信息不完善的情況下分析大氣污染物的溫度差異，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的搜集。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感FTIR技術(shù)的熟練掌握，需要技術(shù)人員在大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)過(guò)程中掌握該技術(shù)的解其工作原理、工作特點(diǎn)，并且對(duì)監(jiān)測(cè)期間儀器響應(yīng)函數(shù)的規(guī)律加以了解。儀器的響應(yīng)函數(shù)在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下也不同，主要的影響因素包括了校正時(shí)的黑體溫度、儀器接收信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)紅外源可以達(dá)到遠(yuǎn)距離的非接觸型遙測(cè)，還可以對(duì)燃燒火焰里的激發(fā)態(tài)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)信息掌握，在不需要對(duì)樣品預(yù)處理的情況下就可以同時(shí)檢測(cè)多種燃燒產(chǎn)物，并且監(jiān)測(cè)速度快、精度高，加之使用反射望遠(yuǎn)鏡后可以遠(yuǎn)距離遙感監(jiān)測(cè)發(fā)電廠與化工廠等大型污染性企業(yè)排放的污染氣體。這些技術(shù)的發(fā)展都對(duì)我國(guó)大氣環(huán)境的科學(xué)發(fā)展起到了支持作用，有利于對(duì)大氣環(huán)境加以保護(hù)。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，遙感FTIR技術(shù)在我國(guó)環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中扮演了重要角色，這種技術(shù)可以遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)的分析易揮發(fā)與有毒的氣體，還可以用于大氣中氣溶膠含量、臭氧層的監(jiān)測(cè)。該技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用時(shí)間較短，還需要繼續(xù)加強(qiáng)研究，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)的環(huán)境保護(hù)工作開(kāi)展和人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

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