利用遥感技术测量大气污染

利用遥感技术测量大气污染

张玉龙

内蒙古航天宏图信息技术有限公司

 摘  要：现代遥感技术是在20世纪60年代的地球观测技术中发展起来的，综合遥感技术具有广泛的探测范围和快速获取数据的能力，周期短，受地面环境因素的限制较少，方法多，能获得大量信息的优势。遥感技术能在大气污染的有害气体和一些大气霾溶胶和臭氧层的研究中进行测量，环境和大气污染问题才是最关键的生态问题,通过技术来消除一些不必要的损失和破坏的生态环境,人类环境受损人力资源必将受到威胁,可见日常大气测量可以运用遥感技术的重要性,及时反馈信息准确地制定出解决方案，同时测量大气遥感和我们的生活也息息相关。本文就激光遥感技术以及光学遥感技术两个遥感方式阐述对大气污染测量的仪器、原理以及研究。并且针对大气污染的几个主要污染方式进行逐一的分析。通过对主动遥感的激光遥感以及被动遥感的光学遥感说明遥感技术在主要污染方式的测量中的原理进行详细介绍。

关键词：遥感技术；大气污染；特点；发展前景；研究背景

1、遥感技术的特点

        现如今，随着科技社会的不断发展与进步，遥感技术已经逐渐应用到我国的各个领域当中，并且在每个领域中都发挥了至关重要的作用。根据遥感器的所接收的信号源可以对遥感进行分类，其主要分为主动式遥感以及被动式遥感两种。对于主动式遥感来说，其主要是根据人工辐射源从平台上向目标发射相应的电磁辐射，从而对目标所发射出的电磁波遥感进行接收以及记录[1]。对于被动式遥感来说，其开展的过程不需要人工进行辐射源的发射，从而根据太阳辐射以及目标本身的微波辐射以及热辐射进行相应的接收与记录。随着遥感技术的应用越来越广泛，对于遥感技术的特点来说主要分为以下几个方面：

        1.1遥感技术的探测范围广，并且接收信息的范围也相对较大。这与遥感航摄飞机的飞行高度有着很大的关系，一般遥感所用的航摄飞机高度大约在十千米左右。同时陆地卫星的卫星轨道大约在九百一十千米左右，因此这便在极大程度上提高了信息获取范围。

       1.2通过遥感技术所获取的信息内容较为丰富，因此可以更好的促进测量大气污染

。这也与遥感技术的数据库庞大有着很大的关系，进而使遥感技术所获取的数据量较大。例如一个包括7个波段的TM影像的数据量可以达到270M，若将签过的TM数据量进行覆盖，那么便可以达到135kM的数据，这个数据量大的也十分惊人，传统的信息获取量根本达不到这个状态，同时通过卫星的定期观察，进而可以实现相应的动态化监测，从而便不断获取新的观测资料，为测量大气污染奠定基础[2]。

       1.3遥感技术对于信息的获取不会受到自然环境的限制，例如地形的限制等。无论针对什么样的地形都能够获取相应的资料，但是采用一般的方法便不能做到这一点。同时，卫星的观测也不会受到政治以及地球条件的影响，从而能够更加全面的获取地球城市的信息。最后一点便是遥感技术的综合性较强。目前，遥感技术与地理信息系统以及全球定位系统的相结合，可以不断加强对城市信息的获取力度，从而还可以对地理信息进行更好的观测，使我们能够对所观测到的信息进行更加深入、全面的分析。

2、遥感技术测量大气污染的发展前景

        整个多普勒测量目前在国外美国31个风廓线仪观测网1992年完成实验，多普勒雷达在美国布站网阶段；90年代用多普勒雷达和风廓线仪取代天气雷达，在国内引进了几部多普勒雷达用于研究，国产多普勒雷达收发机通过鉴定，国产风廓仪通过鉴定，在本世纪初期已经投入业务使用。声学遥感的遥感设备有声雷达、多普勒声雷达和电声探测系统，具有精确测量边界层温度结构，风速、风向、风切度、湍流扩散参数的能力，在国外已经用于大气污染监测业务上，已成为环境保护和局地天气预报的一种重要观测手段，在国内单点声雷达已较广泛的应用于环境保护和气象业务，正在研制声雷达和多普勒电雷达。多普勒激光雷达可提供20公里高度的流场信息,在国外测烟雷达广泛用于烟流研究。目前美国已建成太阳分光观测网，其它光学遥感在研究和业务中均有应用，微波遥感的仪器微波辐射计用于探测大气及云雨特性，温湿廓线，在国外的研究工作中应用很广将为临近预报和大气污染监测提供新的探测手段。而在国内被动遥感在研究工作中应用，尚未投入业务使用，微波遥感接近国际水平[3]。

3、遥感技术测量大气污染的研究背景

        3.1遥感技术测量大气污染的意义

        遥感技术可用于评估一个国家和一个城市的全球空气污染状况，以及大气污染程度及其对生态的影响。通过遥感，可以在距离低层大气数百公里的地方探测到空气污染。对空气污染的遥感监测来决定硫氧化物，氮氧化合物和光化学氧化剂，粒子，一氧化碳和碳氢化合物，等等，有一定的准确性，但不确定是否有卫星低粒子含量的大气成分。

        3.2遥感技术测量大气污染的原理

大气遥感监测主要利用气象卫星监测大气温度和水蒸汽垂直分布。影响大气环境质量的主要因素是气溶胶含量和各种有害气体，这些气体不能通过遥感方法直接识别。因此，水蒸气、二氧化碳、臭氧、甲烷和其它痕量气体来自于自然辐射的分子和吸收光谱，因此，实际上是通过测量大气散射、吸收和辐射光谱，并从反转的结果进行计算。通过太阳的大气(月亮的直射光，恒星)，大气和散射的光，反射在地球表面，以及大气和表面的热辐射吸收光谱分析或发射光谱分析，来测量它们的大气密度的气体分子的光谱特性。通过对遥感图像的分析，可以直接获得大气气溶胶的分布和内容，而有害气体一般不会直接在遥感图像中显示，只能使用间接的解释符号、有害气体敏感植物来推断大气污染的程度和性质。

4、遥感技术对大气污染测量的应用

        4.1对大气溶胶的监测

气溶胶解释为一种由大气中的液体颗粒和悬浮固体组成的系统。当大气是一个载体时，它被称为大气气溶胶，其尺度范围大约在0.001~10μm 之间[6-7].。气溶胶大气中的含量虽然很小，但在大气中的不论物理还是化学的过程中都有着重要影响，发挥最重要作用的是大气系统。气溶胶粒子可以通过散射和吸收太阳短波和地球的长波辐射来改变到达地表的太阳辐射[8]。气溶胶粒子也可促进云雾的形成用的就是云粒子，改变大气中不同化学成分的浓度，从而间接影响大气。同时，弱或非吸收性气体的辐射冷却效应在一定程度上缓解了温室气体对全球变暖的影响。气溶胶的信息是卫星遥感图像大气修正的重要参数之一，只有一种类似于元尺度大气气体索尔的属性参数，来进行大气修正，从而了解定量分析和遥感反演的全部意义。

        4.2对臭氧层的监测

        臭氧层是一种保护地球上动植物和人类正常生活 的重要物质，但随着近年来国内外环境污染问题的加 重，大气臭氧层遭受到严重的破坏，这严重影响了人们 的正常工作和生活。通过遥感技术可以实现对大气臭 氧层的变化情况进行实时监测，进而可以及时掌握大 气臭氧空洞的形成位置，方便相关部门掌握臭氧层信 息并制定相关臭氧层保护策略]。

        4.3对有害气体的监测

        工业发展会产生大量 SO2、NO2 等有害气体，这些 气体会严重影响到动植物和人类的生长发育，因此需 要加强对这些有害气体的监测水平。当这些有害气体 被植物吸收之后，会导致植物反射红光的能力减弱，这 就导致有害气体浓度较高区域内生长的植物较正常植 物而言会呈现出不同的颜色，通过这种原理就可以通 过对植物遥感监测结果与标准植物监测结果进行对 比，分析对照不同的像元信息，从而反映出污染物气体 的浓度信息。

4.4未来遥感技术在大气测量中的应用创新

        随着遥感技术的不断发展，在大气监测和气溶胶光学特性反演等方面已取得了众多成果，但也面临着一些挑战和困难，如高反照率北京地区气溶胶 的反演、气溶胶类型(气溶胶散射和吸收)的精确确定、建立具有普遍适用性的气溶胶反演模型以及地表反射率的处理等等。未来关于气溶胶遥感反演的趋势应该要在以下３个方面有所突破。        

        气溶胶遥感反演与地面监测、地基遥感监测相结合。如多波光度计、华盖计、无线传感器、激光 雷达、无人机等，这将大大提高遥感监测速度和 反演精度。

        建立起基于辐射传输理论的气溶胶反演模型。目前比较常见的气溶胶 (如气溶胶浓度等)反演方法都是基于统计模型建立起的经验公式，物理 意义不够明确，适用性不强。因此需要从大气辐射传输理论出发，研究不同形状不同大小粒子的散射和吸收机理，从而建立起具有普遍适用性和具有明确物理意义的气溶胶反演体系。

5、结论

    若想获取可靠地的大气污染资料，可以对遥感图像进行分析，从分析中获取。由此可知，遥感信息已经成熟，尤其是在测量大气污染方面更加具有其它技术所产生的数据无法代替的优势。同时，遥感测量的应用也在各方面很广泛。遥感测量的类型增多、清晰度提高、描述的能力也在增强、正很快的占据大气污染测量体系的重要地位。遥感测量和监测将成为广域大范围的全球性和区域性大气环境测量的主要手段。将遥感技术应用到大气环境测量的工作中，可以更加精准实时的锁定大范围中具体的污染源，不光能及时发现大气中的污染源，同时还可以具体定位以及防治环境污染事故的产生，从而可以及时地帮助和协调环保部门对不同的环境情况不同分析制定出治理计划和措施方案，降低大气污染给人来带来的损失。遥感技术的不断发展和不断成熟，在未来的大气环境监测过程中遥感技术将会继续承担重要的角色，同时还将会有效延伸到水环境、生态环境等众多领域，为人类社会的发展提供更加有效的帮助。

参 考 文 献

[1]邓新民.大气遥感技术在大气污染检测中的应用[J].重庆环境.2017(8)：44

[2]曲艺.大气光学遥感监测技术现状与发展趋势[J].中国光学.2018.6(6)：835-836

[3]袁宏超.基于遥感的规划动态监测[D].重庆交通大学，2019.