遙感技術(shù)在環(huán)境科學中的應用和發(fā)展趨勢

摘要：遙感技術(shù)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(xiàn)代高新技術(shù)領域的重要組成部分。自從1972年美國第一顆地球資源技術(shù)衛(wèi)星發(fā)射成功并獲取了大量地球表面的衛(wèi)星圖像后，遙感技術(shù)就開始在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展和廣泛應用。遙感技術(shù)的出現(xiàn)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(fā)資源、監(jiān)測環(huán)境、研究災害以及分析全球氣候變化等提供了新的途徑。

關(guān)鍵詞：遙感技術(shù) 環(huán)境科學 應用 3S一體化 發(fā)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(wèi)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(jīng)信息的傳輸、處理和判讀分析，對地球的資源與環(huán)境進行探測與監(jiān)測的綜合性技術(shù)。遙感技術(shù)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(tǒng)性、瞬時或同步性的連續(xù)區(qū)域性同步信息，在環(huán)境科學領域的應用具有很大優(yōu)越性。
20世紀90年代以來，環(huán)境遙感技術(shù)應用越來越廣。從陸地的土地覆被變化，城市擴展動態(tài)監(jiān)測評價，土壤侵蝕與地面水污染負荷產(chǎn)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(guī)劃和建設。到水域的海洋和海岸帶生態(tài)環(huán)境變遷分析，海面懸浮泥沙、葉綠素含量、黃色物質(zhì)、海上溢油、赤潮以及熱污染等的發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測，珊瑚和紅樹林的現(xiàn)狀調(diào)查與變化監(jiān)測，堤壩的規(guī)劃與水沙平衡分析，水下地形地遙調(diào)查以及水域初級生產(chǎn)率的估算。再到大氣環(huán)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(shù)化，全球水、氣和化學元素等的循環(huán)研究，全球環(huán)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(tǒng)。


  一、遙感技術(shù)在環(huán)境科學中的應用

1.遙感技術(shù)在水污染監(jiān)測方面的應用
（1）利用紅外掃描儀監(jiān)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(shù)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(qū)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(fā)生后各天的氣象衛(wèi)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(shù)監(jiān)測水體富營養(yǎng)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(xiàn)富營養(yǎng)化時，我們就可以利用遙感技術(shù)推算出水體中的葉綠素分布情況。赤潮區(qū)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(shù)調(diào)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(jiān)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(jiān)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(diào)。冷水和冰輻射能量少，呈深色調(diào)。熱排水口處通常呈白色羽流，利用光學技術(shù)和計算機對熱圖像作密度分割，根據(jù)少量的同步實測水溫，畫出水體等溫線。
（5）通過遙感技術(shù)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(guī)律變化，顯示出不同程度的植被特征。
2.遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)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(qū)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(guān)關(guān)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(yè)煙霧、火災濃煙和大規(guī)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(wèi)星圖可監(jiān)測沙塵運動，估計其運動速度，及時預報沙塵暴。通過衛(wèi)星資料可及早發(fā)現(xiàn)森林火災，把災害損失降到最低。大比例圖片可用來調(diào)查城市煙囪的數(shù)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(guān)關(guān)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(jiān)測有毒氣體對污染源周圍樹木和農(nóng)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(qū)大氣污染的程度和性質(zhì)。一般污染較輕的地區(qū)，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(xiàn)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(fā)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(wèi)星組成的靜止氣象衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)晝夜不停地觀測地球的氣候變化，得到全球范圍內(nèi)的大氣參數(shù)、海洋參數(shù)、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(xiàn)象的研究非常重要。

3.遙感技術(shù)在城市環(huán)境監(jiān)測與管理中的應用
彩紅外遙感影像可監(jiān)測固體廢棄物引起的生態(tài)環(huán)境變化，熱紅外遙感影像可調(diào)查工業(yè)廢水和廢氣的排放情況。城市道路寬的呈帶狀和環(huán)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(qū)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(yōu)化城市結(jié)構(gòu)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(nóng)作物為主要下墊面的郊區(qū)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(shù)監(jiān)控生態(tài)環(huán)境
遙感影像真實記錄地貌形態(tài)特征并提供各環(huán)境參數(shù)的組合情況，根據(jù)其空間一致性和差異性進行區(qū)域環(huán)境范圍的生態(tài)區(qū)劃。利用遙感衛(wèi)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(huán)境與森林植被關(guān)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(guī)劃。
5.利用遙感技術(shù)監(jiān)測自然災害
遙感技術(shù)對于暴雨、水土流失、地震和山體滑坡等地質(zhì)災害的調(diào)查與監(jiān)測也很有效。比如說地震與地球活動構(gòu)造塊體分布及其活動方式密切相關(guān)，利用衛(wèi)星預測地震技術(shù)主要集中在電磁波輻射和電離層異常監(jiān)測、地表形變監(jiān)測、紅外輻射監(jiān)測以及衛(wèi)星重力監(jiān)測等方面。但由于目前技術(shù)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(shù)準確預測地震災害，今天的悲劇永遠不要發(fā)生了。

二、遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著科學技術(shù)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(huán)境研究動態(tài)化以及資源研究定量化，大大提高了遙感技術(shù)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(fā)展。
1.遙感影像獲取技術(shù)越來越先進
（1）隨著高性能新型傳感器研制開發(fā)水平以及環(huán)境資源遙感對高精度遙感數(shù)據(jù)要求的提高，高空間和高光譜分辨率已是衛(wèi)星遙感影像獲取技術(shù)的總發(fā)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(zhì)勘測和海洋陸地生物資源調(diào)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(yōu)勢。干涉雷達技術(shù)、被動微波合成孔徑成像技術(shù)、三維成像技術(shù)以及植物穿透性寬波段雷達技術(shù)會變得越來越重要，成為實現(xiàn)全天候?qū)Φ赜^測的主要技術(shù)，大大提高環(huán)境資源的動態(tài)監(jiān)測能力。
（3）開發(fā)和完善陸地表面溫度和發(fā)射率的分離技術(shù)，定量估算和監(jiān)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(fā)揮更大的作用。
（4）由航天、航空和地面觀測臺站網(wǎng)絡等組成以地球為研究對象的綜合對地觀測數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，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(shù)據(jù)能力，為地學研究、資源開發(fā)、環(huán)境保護以及區(qū)域經(jīng)濟持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學數(shù)據(jù)和信息服務。
2.遙感信息處理方法和模型越來越科學
神經(jīng)網(wǎng)絡、小波、分形、認知模型、地學專家知識以及影像處理系統(tǒng)的集成等信息模型和技術(shù)，會大大提高多源遙感技術(shù)的融合、分類識別以及提取的精度和可靠性。統(tǒng)計分類、模糊技術(shù)、專家知識和神經(jīng)網(wǎng)絡分類有機結(jié)合構(gòu)成一個復合的分類器，大大提高分類的精度和類數(shù)。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(shù)的重要發(fā)展方向。不確定性遙感信息模型和人工智能決策支持系統(tǒng)的開發(fā)應用也有待進一步研究。
3.3S一體化
計算機和空間技術(shù)的發(fā)展、信息共享的需要以及地球空間與生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的空間分布式和動態(tài)時序等特點，將推動3S一體化。全球定位系統(tǒng)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(tǒng)提供自然環(huán)境信息，為地理現(xiàn)象的空間分析提供定位、定性和定量的空間動態(tài)數(shù)據(jù)；地理信息系統(tǒng)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(qū)以及輔助關(guān)心區(qū)域等。在環(huán)境模擬分析中，遙感與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合可實現(xiàn)環(huán)境分析結(jié)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(tǒng)。
4.建立高速、高精度和大容量的遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
隨著3S一體化，資源與環(huán)境的遙感數(shù)據(jù)量和計算機處理量也將大幅度增加，遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)就必須要有更高的處理速度和精度。神經(jīng)網(wǎng)絡具有全并行處理、自適應學習和聯(lián)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(shù)據(jù)信息方面有明顯優(yōu)勢。認真總結(jié)專家知識，建立知識庫，尋求研究定量精確化算法，發(fā)展快速有效的遙感數(shù)據(jù)壓縮算法，建立高速、高精度和大容量的遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
5.建立國家環(huán)境資源信息系統(tǒng)
國家環(huán)境資源信息是重要的戰(zhàn)略資源，環(huán)境資源數(shù)據(jù)庫是國家環(huán)境資源信息系統(tǒng)的核心。我們要提高對環(huán)境資源的宏觀調(diào)控能力，為我國社會經(jīng)濟和資源環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供科學的數(shù)據(jù)和決策支持。
6.建立國家環(huán)境遙感應用系統(tǒng)
國家環(huán)境遙感應用系統(tǒng)將利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和地面環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立天地一體化的國家級生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測預報系統(tǒng)以及重大污染事故應急監(jiān)測系統(tǒng)，可定期報告大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的狀況。環(huán)境遙感地理信息系統(tǒng)是其支撐系統(tǒng)，在各種應用軟件的輔助下實現(xiàn)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)的存儲、處理和管理；環(huán)境遙感專業(yè)應用系統(tǒng)是其應用平臺，在環(huán)境專業(yè)模型的支持下實現(xiàn)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)的環(huán)境應用；環(huán)境遙感決策支持系統(tǒng)是其最上層系統(tǒng)，在環(huán)境預測評價和決策模型的驅(qū)動下進行環(huán)境預測評價分析，制定環(huán)境保護的輔助決策方案；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境是其數(shù)據(jù)輸入和輸出的開放網(wǎng)絡環(huán)境，實現(xiàn)環(huán)境海量數(shù)據(jù)的快速流通。
總之，遙感技術(shù)在環(huán)境科學領域有廣泛應用，隨著科學的進步，遙感技術(shù)會越來越先進，其所發(fā)揮的作用也會越來越大。


參考文獻：

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再頂一次

很驚訝在這里看到這篇課程論文，翻回大學的作業(yè)，這篇文章就是我在大學三年級的時候?qū)懙摹兜貓D與遙感》課程作業(yè)，老師只給了80分，排名17/76