遥感信息技术在环境保护领域应用与展望

 

         20世纪80年代以来，遥感信息技术在环境保护领域的应用得到了长足发展。遥感信息技术导致环境保护领域的研究范围、内容和方法的重要变化，标志着环境信息获取和处理方法的一场革命。 

 

         遥感信息提供了全球或大区域精确定位的高频度宏观环境影像。它扩大了人们的视野，从可见光发展到红外、微波等波谱范围，加深了人们对生态环境的了解。在遥感与地理信息系统基础上建立的数学模型，实现了空间和时间转移，在空间上由野外转入室内，在时间上从过去、现在的研究发展到三维空间上定量地预测未来。

 

         遥感信息技术对环境科学的发展起了重要推动作用。遥感信息科学从理论、技术和方法上进一步将地球大气圈、水圈、生物圈作为一个完整的、开放的、非线性的系统，以现代高新技术为手段，全面地、综合地、系统地研究地球生态环境系统的各个要素及其相互关系，建立全球尺度上的关系和变化规律。针对全球环境问题，世界各国提出了一系列大型国际环境遥感信息合作计划(有的已付诸实施)。这些计划充分显示了遥感信息科学在环境保护领域中的作用和地位。

 

         利用遥感信息对环境进行监测，获取了生态环境变化的基本数据的图面资料，提供了沙漠化进程、土地盐渍化和水土流失、生态环境恶化(如酸雨对植被的污染)、工业废水和生活污水对水体的污染、石油对海洋的污染等基本状况和发展程度的数据和资料，为环境的管理与治理等科学决策提供了依据。

 

         遥感信息技术为环境科学提供了全新的研究手段。它标志着信息获取和分析处理方法等前沿、交*学科的兴起，具有重要的意义。遥感信息技术的理论和方法在环境监测、评估和环境灾害的调查以及在地理信息系统支持下的分析预测诸方面有着广泛的应用前景。

 

         遥感信息技术在环境保护领域的应用尚处在起步阶段，有些关键技术尚须突破，有些应用还没有达到实用化、产业化的目标。但现有的成果已充分显示了遥感应用的光明前景。

 

         (1)城市大气污染监测

         依据航空遥感监测资料所编绘的各类大气污染源的分布图，显示了建成区工厂的烟囱和高能耗分布，而老建成区中的商业区、人口密集区和交通拥堵分布采用航空多光谱摄影手段，根据同一地物的不同光谱特性，进行计算机处理，可监测大气污染的主要污染物、颗粒大小及空间区域的分布。

 

         (2)大气污染物扩散规律的研究

         遥感可观测到大气中气溶胶类型及其含量分布、大气微量气体的铅垂分布。根据对热红外扫描图像的分析研究，可提出城市地面辐射温度和城市“热岛”现象形成的关系。

 

         应用遥感手段，可以快速监测出水体污染源的类型、位置分布以及水体污染的分布范围等。排放区水温一般高于自然水温，用热红外遥感技术可以方便地探测。其温度分辨率可达到0.2°C。各种工厂排入污水因所含物质成分不同，导致污水的颜色也不同，可通过测定遥感图像的密度来鉴别污染水体。确定这些污染水体往往采用色密度法，即通过常规方法对污染水体QU样，建立不同水体污染类型和浓度以及与遥感图像密度的相关关系。

 

         (1)利用红外扫描仪监视石油污染

         利用红外扫描仪(使用波段为7.5～14μm)在白昼和夜间拍摄地面和海面的热图像，可有效地监视海面的石油污染。应用红外扫描仪可以测出辐射温度的差值，可从热图像上显示出海面的油污染及其分布情况。在热图像上计算出的厚油膜辐射温度与水的辐射温度差，要高于薄层油膜与水的辐射温度差，以此可区分海面油膜的厚度。

 

         (2)海洋污染监测

         水体中不同物质在海洋水色的各波段影像中得到了不同程度的显示。通过目视、光电方法解译判读，或以各种不同模式应用计算机进行处理，可以获得海面悬浮泥沙、浮游生物、可溶性有机物、海面油膜和其它污染物等海洋水色不同的信息。使用可见光遥感器(海岸带水色扫描仪、荧光水色成像仪、多波段可见光扫描仪)、红外遥感器(红外辐射计、红外扫描仪、热像仪)、微波遥感器(微波辐射计、雷达)以及激光扫描仪等，可得到上述各种所需信息。

 

         (1)城市生态与环境污染

         应用卫星或机载热红外图像，通过图像处理技术，可定期把热污染的分布范围和强度显示出来。如武汉市1988年利用热红外遥感技术进行了调查，发现城区热源点多达185处，城市热岛中心则主要分布在汉口老城区。城市热CHANG对生态环境的影响是造成老城区大气污染程度加剧，大气扩散受到抑制，生态环境恶化。环绕老城区的高温热异常带，造成老城区内大气浑浊度增高与氧的平衡失调，在无风的盛夏季节尤为明显，对人体的危害较大。

 

         (2)生态环境监测

         根据植被光谱反射率及其影像特征，利用诺阿卫星扫描辐射计第1，2通道、陆地卫星多光谱扫描仪(MSS)和主题绘图仪(TM)的有关通道的图像数据资料，可以获QU许多植被信息资料，如植被覆盖率、叶面积指数、植被类型等。植被指数在全球环境变化中具有很大的应用价值，对气候脆弱带中局部地区气候变化的监测也有很大作用。采用多光谱有关数据及其生成的植被指数，经图像处理和定量分析，可以对全球各地区的植被和土地状况进行分类，监测土地沙漠化、森林砍伐、城市化等环境变化进程。

         (1)赤潮分析

         在我国，从渤海湾到南海，近几年来，每年都有多次赤潮发生。1989年9月下旬，美国陆地卫星TM图像反映的渤海湾赤潮非常清晰。赤潮区的光谱特性是藻类生物体、泥沙和海水的复合光谱。含悬浮泥沙的海水，在光谱的黄红波段范围，具有很高的反射率，但到红外波段后急剧下降。含赤潮生物海水，TM3波段数值比含泥沙海水稍低。在TM4波段下降平缓，到TM5波段才急剧下降，这是因赤潮物所含叶绿素A在红光区的吸收作用和到0.69μm后的陡坡效应所形成的。卫星遥感可监测某些赤潮发生的时间、地点和范围，并根据水文气象资料进行赤潮的实时速报。

 

         (2)地质环境灾害调查

         用遥感技术调查与滑坡、泥石流有关的环境因素(如构造部位、地层岩性、断裂、含水带、植被覆盖、土地利用等)，推测滑坡、泥石流发育环境因素及产生条件，进行区域危险性分区及预测，可为防治地质灾害提供依据。

         全球环境变化监测的一个重要问题是需要了解大气层具有辐射和化学重要性的微量气体在全球范围的时空分布和变化趋势，特别是CO2，CO，CH4，O3， N2O，NO2， NH3，(CH3)2S，H2S和SO2。用雨云系列卫星搭载的被动式传感器第一次获得了温度和H2O，CH4，HNO3的全球信息。1 978年发射的雨云7号上携带了TOMS(总臭氧量制图光谱仪)，观测了全球臭氧分布，在发现臭氧洞方面做出了贡献，取得了与平流层中臭氧层的破坏有关的重要信息。当前，数值模式在全球变化研究中起着重要作用，测量结果的水平分辨率应大致相当于所使用的数值模式的水平分辨率。

 

         根据遥感技术(RS)与地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)相结合的“3S”技术的发展趋势，应推动其系统技术整合，并进入电子信息网络。应在国家有关部门支持下开展“3S”技术应用研究，使“3S”技术在我国环境保护领域发挥巨大作用。研究和应用的重点应该是开发集GPS， RS，GIS于一体、适合环境保护领域应用的综合多功能型的遥感信息技术。

         区域可持续发展研究是一个巨大的系统工程。它涉及的信息具有类型繁多、数据量大等特点。 GIS具有输入、存贮、查询、检索、处理、分析、更新、输出各种空间信息的能力，是综合分析、评价和提供可持续发展规划决策的有效工具。因此，应建立集GPS，RS，GIS于一体的可持续发展信息系统及网络，并做好信息的科学管理和分析工作，以确保信息传输顺畅，达到信息共享的目的。

 

         可持续发展信息系统与一般信息系统的主要区别在于，它特别关注全球和区域资源枯竭和环境恶化状况。以“3S”为基础的可持续发展信息系统网络除了能及时获得动态的信息外，还能充分利用存贮在各个部门的各种信息对区域环境、社会、经济进行综合分析、系统仿真研究，为可持续发展与决策提供科学依据。

 

         展望今后10年，新一代卫星影像的分辨率将有大幅度提高。在专家系统支持下，计算机识别精度也将有明显的改善，遥感与地理信息系统一体化已是可以看到的前景。“3S”系统集成技术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，形成快速、高精度的信息处理流程。这对遥感技术在环境保护领域应用发展具有深远的意义。

 

         国家环境信息系统的建立是遥感与地理信息系统技术实用化的必然结果。国家环境信息是国家的重要战略资源，环境数据库是国家环境信息建设的核心。20多年来，环境调查及其图件、数据从不间断。但是条块分割、自成体系，且多为部门所有，很难在数据共享和在地理信息系统支持下进行环境定量化空间分析和综合评价。因此，在统一规划和统一规范标准的前提下，以部门和区域数据库为基础，建立分布式全国环境数据库，是一项十分紧迫的任务。

 

         国家环境信息系统是可持续发展的重要技术支撑。我国正在推进加速通信网络的建设，迫切需要在遥感技术支持下，对国家环境数据库进行定期的准同步更新，并在地理信息系统支持下，建立基于大协调的全息反馈和综合协调机制。“中国21世纪议程”的优先项目中，需要建立40多个信息系统，以提高对资源与环境宏观调控的能力，为我国经济和社会可持续发展战略、布局和趋势作出预测，为环境管理、环境保护以及实现环境、经济、社会的宏观调控提供科学数据和决策支持。

 

         “3S”技术集成，已列为我国“九五”科技发展的15个重中之重的攻关项目。在这种集成中， GPS主要用于实时、快速地提供目标的空间位置；RS用于实时、快速地提供大面积地表物体及其环境的几何与物理信息及各种变化；GIS则是对多种来源时空数据进行综合处理分析和应用的平台。

 

         这种高技术的集成有多种方式：GPS与GIS的集成可用于环境动态监测、自动驾驶、环境管理等方面；GPS与RS的集成可用于自动定时数据采集环境监测、环境灾害预测等方面；RS与GIS的集成可用于全球环境变化监测、空间数据自动更新等。

 

         对地观测的“3S”集成系统的发展趋势是引入专家系统和现代通信技术，从而形成地理信息科学与工程。专家系统的引入将力求使数据采集、更新、分析和应用更加自动化和智能化。现代通信技术，尤其是正在兴建的信息高速公路将为地理信息在环境保护各部门的传播和应用提供保证。