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標題: 遙感技術在環境科學中的應用和發展趨勢 [打印本頁]

作者: 獨處 時間: 2008-12-10 08:53
標題: 遙感技術在環境科學中的應用和發展趨勢
摘要：遙感技術集合了空間、電子、光學、計算機、生物學和地學等科學的最新成就，是現代高新技術領域的重要組成部分。自從1972年美國第一顆地球資源技術衛星發射成功并獲取了大量地球表面的衛星圖像后，遙感技術就開始在世界范圍內迅速發展和廣泛應用。遙感技術的出現揭開了人類從外層空間觀測地球的序幕，為人類認識國土、開發資源、監測環境、研究災害以及分析全球氣候變化等提供了新的途徑。

關鍵詞：遙感技術環境科學應用 3S一體化發展趨勢

遙感是從遠離地面的不同工作平臺上，如高塔、氣球、飛機、火箭、人造地球衛星、宇宙飛船和航天飛機等，通過傳感器對地球表面的電磁波輻射信息進行探測，然后經信息的傳輸、處理和判讀分析，對地球的資源與環境進行探測與監測的綜合性技術。遙感技術從遠距離采用高空鳥瞰的形式進行探測，包括多點位、多譜段、多時段和多高度的遙感影像以及多次增強的遙感信息，能提供綜合系統性、瞬時或同步性的連續區域性同步信息，在環境科學領域的應用具有很大優越性。
20世紀90年代以來，環境遙感技術應用越來越廣。從陸地的土地覆被變化，城市擴展動態監測評價，土壤侵蝕與地面水污染負荷產生量估算，生物棲息地評價和保護，工程選址以及防護林保護規劃和建設。到水域的海洋和海岸帶生態環境變遷分析，海面懸浮泥沙、葉綠素含量、黃色物質、海上溢油、赤潮以及熱污染等的發現和監測，珊瑚和紅樹林的現狀調查與變化監測，堤壩的規劃與水沙平衡分析，水下地形地遙調查以及水域初級生產率的估算。再到大氣環境遙感中的城市熱島效應分析，大氣污染范圍識別與定量評價，大氣氣溶膠污染特征參數化，全球水、氣和化學元素等的循環研究，全球環境變化以及重大自然災害的評估等，幾乎覆蓋了整個地球系統。

一、遙感技術在環境科學中的應用

1.遙感技術在水污染監測方面的應用
（1）利用紅外掃描儀監視石油污染
全球每年排入海洋的石油及其制品高達1000萬噸，利用多光譜航片可對海面石油污染進行半定量分析，將彩色航片同步拍照與近紅外片做的彩色密度分割圖相比較，更精密地判斷和解譯信息，參照圖片畫出不同油膜厚度的大致分級圖。通過彩色密度分割圖像，特別是數字密度分割圖，可以更準確地判斷油量的分布情況。通過彩色密度分割可把相差零點零幾厚度的海面油膜區分出層次來，這有利于用航空遙感對海面油的擴散分布和半定量研究。濃度大的地方是黃色，往外擴散的油膜變薄，呈黃紫混在一起的顏色，再往外擴散的油膜就更薄些呈紫色。通過對污染發生后各天的氣象衛星圖像的對比分析，確定油膜的漂移方向，計算出其擴散速度和擴散面積。
（2）利用遙感技術監測水體富營養化
浮游植物中的葉綠素對藍紫光和紅橙光有較強的吸收作用，當水體出現富營養化時，我們就可以利用遙感技術推算出水體中的葉綠素分布情況。赤潮區的海水光譜特征是藻類、泥沙和海水的復合光譜，另外有機或無機顆粒物也會吸收入射光，影響水體的透明度。
（3）通過遙感技術調查廢水污染和泥沙污染
廢水的顏色與懸浮物性狀千差萬別，特征曲線上的反射峰位置和強度也不大一樣，可以用多光譜合成圖像進行監測。水中懸浮泥沙的濃度和粒徑增大，水體反射量也會相應增加，反射峰隨之紅移，定量判讀懸浮泥沙濃度的最佳波段是0.65～0.85微米。
（4）應用紅外掃描儀監測水體熱污染
應用紅外掃描儀記錄水體的熱輻射能量，真實反映其溫度差異。在熱紅外圖像上，熱水溫度高，輻射能量多，呈淺色調。冷水和冰輻射能量少，呈深色調。熱排水口處通常呈白色羽流，利用光學技術和計算機對熱圖像作密度分割，根據少量的同步實測水溫，畫出水體等溫線。
（5）通過遙感技術分析水域的分布變化和水體沼澤化
水體總體反射率較低，選擇1.55～1.75微米波段的多時域影像可以分析水域的分布變化。沼澤化在時域圖像上反映為水體面積縮小，從水體向邊緣有規律變化，顯示出不同程度的植被特征。
2.遙感技術在大氣環境監測方面的應用
（1）臭氧層
臭氧層位于地球上空25～30千米的平流層中，對0.3米以下紫外區的電磁波有較大吸收，可用紫外波段來測定臭氧層的變化。臭氧層在2.74毫米處也有一個吸收帶，可用頻率為11O83兆赫茲的地面微波輻射計來測定臭氧在大氣中的垂直分布。另外臭氧層會吸收太陽紫外線而升溫，可使用紅外波段來探測，如用7.75～13.3微米熱紅外探測器測定臭氧層的溫度變化，參照濃度與溫度的相關關系，推算出臭氧濃度的水平分布。
（2）大氣氣溶膠
利用遙感圖像可分析大氣氣溶膠的分布和含量，工業煙霧、火災濃煙和大規模沙塵暴在遙感圖像上都有清晰的圖像，可以直接圈定其大致范圍。利用周期性氣象衛星圖可監測沙塵運動，估計其運動速度，及時預報沙塵暴。通過衛星資料可及早發現森林火災，把災害損失降到最低。大比例圖片可用來調查城市煙囪的數量和分布，還可以通過煙囪陰影的長度來計算其大致高度。應用計算機對影像進行微密度分割，建立煙霧濃度與影像灰度值的相關關系，可測出煙霧濃度的等值線圖。
（3）有害氣體
彩紅外相片可監測有毒氣體對污染源周圍樹木和農作物的危害情況，通過植物對有害氣體的敏感性來推斷某地區大氣污染的程度和性質。一般污染較輕的地區，植被受污染的情況不宜被人察覺，但其光譜反射率卻會明顯變化，在遙感影像上表現為灰度的差異。正常生長的植物葉片能強烈反射紅外線，在彩紅外相片上色澤鮮紅明亮。受到污染的葉子，其葉綠素遭到破壞，對紅外線的反射能力下降，其彩紅外相片顏色發暗，如白蠟樹受污染后呈紫紅色，柳樹呈品紅色略帶藍灰色。
（4）氣候變化
美國、歐盟、日本和俄羅斯的地球同步軌道氣象衛星組成的靜止氣象衛星監測系統晝夜不停地觀測地球的氣候變化，得到全球范圍內的大氣參數、海洋參數、地表狀況、輻射收支和臭氧分布等信息，對全球變暖、臭氧層空洞以及厄爾尼諾現象的研究非常重要。

3.遙感技術在城市環境監測與管理中的應用
彩紅外遙感影像可監測固體廢棄物引起的生態環境變化，熱紅外遙感影像可調查工業廢水和廢氣的排放情況。城市道路寬的呈帶狀和環狀，窄的呈線狀，城市廣場一般以塊狀藍灰色與街道緊密相連于中心地帶。居民區呈灰色，高層樓房帶有寬長影，平房呈密集排列的小長方塊狀。水系呈淺藍色，綠地呈紅色。從遙感圖像上獲取這些信息，對優化城市結構有很大幫助。另外城市里的高大建筑物對太陽輻射和其他熱輻射的吸收和釋放特性跟以土地和農作物為主要下墊面的郊區有很大不同，利用熱紅外遙感對城市下墊面進行分析就可以得出城市的熱島效應。
4.應用遙感技術監控生態環境
遙感影像真實記錄地貌形態特征并提供各環境參數的組合情況，根據其空間一致性和差異性進行區域環境范圍的生態區劃。利用遙感衛星相片還可以編制森林樹種、生長狀況和森林覆蓋圖，使用計算機集群分類，精度可高達8O％。一般野生動物環境與森林植被關系最為密切，通過研究植物的分布與長勢可大致確定動物的活動繁殖場所，從而編制森林野生動物保護規劃。
5.利用遙感技術監測自然災害
遙感技術對于暴雨、水土流失、地震和山體滑坡等地質災害的調查與監測也很有效。比如說地震與地球活動構造塊體分布及其活動方式密切相關，利用衛星預測地震技術主要集中在電磁波輻射和電離層異常監測、地表形變監測、紅外輻射監測以及衛星重力監測等方面。但由于目前技術條件的限制，地震還是不能準確預測，2008年5月的汶川大地震幾乎震碎了中國人的心，期待有一天，我們中國人能通過遙感技術準確預測地震災害，今天的悲劇永遠不要發生了。

作者: 獨處 時間: 2008-12-10 08:54
二、遙感技術的發展趨勢

隨著科學技術的進步，光譜信息成像化，雷達成像多極化，光學探測多向化，地學分析智能化，環境研究動態化以及資源研究定量化，大大提高了遙感技術的實時性和運行性，使其向多尺度、多頻率、全天候、高精度和高效快速的目標發展。
1.遙感影像獲取技術越來越先進
（1）隨著高性能新型傳感器研制開發水平以及環境資源遙感對高精度遙感數據要求的提高，高空間和高光譜分辨率已是衛星遙感影像獲取技術的總發展趨勢。遙感傳感器的改進和突破主要集中在成像雷達和光譜儀，高分辨率的遙感資料對地質勘測和海洋陸地生物資源調查十分有效。
（2）雷達遙感具有全天候全天時獲取影像以及穿透地物的能力，在對地觀測領域有很大優勢。干涉雷達技術、被動微波合成孔徑成像技術、三維成像技術以及植物穿透性寬波段雷達技術會變得越來越重要，成為實現全天候對地觀測的主要技術，大大提高環境資源的動態監測能力。
（3）開發和完善陸地表面溫度和發射率的分離技術，定量估算和監測陸地表面的能量交換和平衡過程，將在全球氣候變化的研究中發揮更大的作用。
（4）由航天、航空和地面觀測臺站網絡等組成以地球為研究對象的綜合對地觀測數據獲取系統，具有提供定位、定性和定量以及全天候、全時域和全空間的數據能力，為地學研究、資源開發、環境保護以及區域經濟持續協調發展提供科學數據和信息服務。
2.遙感信息處理方法和模型越來越科學
神經網絡、小波、分形、認知模型、地學專家知識以及影像處理系統的集成等信息模型和技術，會大大提高多源遙感技術的融合、分類識別以及提取的精度和可靠性。統計分類、模糊技術、專家知識和神經網絡分類有機結合構成一個復合的分類器，大大提高分類的精度和類數。多平臺、多層面、多傳感器、多時相、多光譜、多角度以及多空間分辨率的融合與復合應用，是目前遙感技術的重要發展方向。不確定性遙感信息模型和人工智能決策支持系統的開發應用也有待進一步研究。
3.3S一體化
計算機和空間技術的發展、信息共享的需要以及地球空間與生態環境數據的空間分布式和動態時序等特點，將推動3S一體化。全球定位系統為遙感對地觀測信息提供實時或準實時的定位信息和地面高程模型；遙感為地理信息系統提供自然環境信息，為地理現象的空間分析提供定位、定性和定量的空間動態數據；地理信息系統為遙感影像處理提供輔助，用于圖像處理時的幾何配準和輻射訂正、選擇訓練區以及輔助關心區域等。在環境模擬分析中，遙感與地理信息系統的結合可實現環境分析結果的可視化。3S一體化將最終建成新型的地面三維信息和地理編碼影像的實時或準實時獲取與處理系統。
4.建立高速、高精度和大容量的遙感數據處理系統
隨著3S一體化，資源與環境的遙感數據量和計算機處理量也將大幅度增加，遙感數據處理系統就必須要有更高的處理速度和精度。神經網絡具有全并行處理、自適應學習和聯想功能等特點，在解決計算機視覺和模式識別等特大復雜的數據信息方面有明顯優勢。認真總結專家知識，建立知識庫，尋求研究定量精確化算法，發展快速有效的遙感數據壓縮算法，建立高速、高精度和大容量的遙感數據處理系統。
5.建立國家環境資源信息系統
國家環境資源信息是重要的戰略資源，環境資源數據庫是國家環境資源信息系統的核心。我們要提高對環境資源的宏觀調控能力，為我國社會經濟和資源環境的協調可持續發展提供科學的數據和決策支持。
6.建立國家環境遙感應用系統
國家環境遙感應用系統將利用衛星遙感數據和地面環境監測數據，建立天地一體化的國家級生態環境遙感監測預報系統以及重大污染事故應急監測系統，可定期報告大氣環境、水環境和生態環境的狀況。環境遙感地理信息系統是其支撐系統，在各種應用軟件的輔助下實現環境遙感數據的存儲、處理和管理；環境遙感專業應用系統是其應用平臺，在環境專業模型的支持下實現環境遙感數據的環境應用；環境遙感決策支持系統是其最上層系統，在環境預測評價和決策模型的驅動下進行環境預測評價分析，制定環境保護的輔助決策方案；數據網絡環境是其數據輸入和輸出的開放網絡環境，實現環境海量數據的快速流通。
總之，遙感技術在環境科學領域有廣泛應用，隨著科學的進步，遙感技術會越來越先進，其所發揮的作用也會越來越大。

參考文獻：

1. 任源，楊曉晶. 遙感技術在現代環境監測與環境保護中的應用. 環境保護科學第33卷第3期，2007
2. 王旭，徐永花，李莉. 遙感技術在環境科學領域的應用及其發展趨勢. 地下水第29卷第3期，2007
3. 施益強，陳崇成，陳玲. 遙感技術在環境科學與工程應用中的進展. 科技導報，2002
4. 徐鐵兵. 3s技術集成及其在環境科學中的應用. 河北環境科學第3期，2002
5.王宏偉，程聲通. 多媒體3s綜合集成技術及在環境科學中的應用. 環境科學第19卷第2期，1998

作者: 87784831 時間: 2009-4-2 12:24
謝謝了!頂

作者: 87784831 時間: 2009-4-2 12:24
再頂一次

作者: macuiren 時間: 2011-9-21 15:47
很驚訝在這里看到這篇課程論文，翻回大學的作業，這篇文章就是我在大學三年級的時候寫的《地圖與遙感》課程作業，老師只給了80分，排名17/76

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