遥感在环境中的信息提取



利用遥感技术对环境进行监测，遥感技术具有其他技术手段无法媲美的优势，可以获取生态环境变化的基本地面面资料，能够提供诸如沙漠化进程、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。如下图是遥感在环境中的应用分类。

图：遥感在环境中的应用分类

1.     大气环境

大气环境的遥感调查主要指通过遥感手段调查大气污染源的分布、污染源周围的扩散条件、污染物的扩散影响范围等，并辅以少量地面同步监测数据，可以定量分析污染物浓度的梯度变化值。

• 污染源监测

影像越来越清晰，可用于监测固定源污染源信息，如在卫星影像上能清楚地看到炭黑厂的黑烟尘；利用具有热红外波段、覆盖范围广的气象卫星数据可以监测全国的秸秆焚烧点。

• 污染物定量监测

卫星传感器不断发展，科学家已经开始追踪由森林大火、工业排放和城市排放产生的大气污染情况。

• 痕量气体成分监测

痕量气体包括臭氧(O3 )、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、甲烷(CH4 )等，对全球大气环境及生态引起重大的影响，例如光化学烟雾、酸雨、温室效应、臭氧层破坏等无不与痕量气体有关。遥感可以快速获取大范围内痕量气体的定量信息。

• 气溶胶监测

气溶胶是指悬浮在大气中的各种液态或固态微粒,通常所指的烟、雾、尘等都属于气溶胶。气溶胶不仅影响全球变化,而且也是影响区域大气环境质量的主要因素。已经证明，遥感是一种监测从局地到全球气溶胶分布的强有力的手段。

• 灾害性大气监测

灾害性大气污染主要是沙尘暴，卫星图像拥有红外通道，可以确定沙尘暴的位置,同时它所具有的高时间分辨率(如1小时重返) ,更有利于大尺度监测沙尘暴的运动轨迹。目前沙尘暴研究和监测的主要是利用遥感手段。此外，还可以监测大雾、霾等大气。

 

   这张图片显示的是1997年印尼和印度洋沿岸的污染情况。白色代表的是大火产生的浮尘；绿色、黄色和红色代表的是对流层的臭氧在不断增加。

2.     水环境

水环境遥感监测的任务是通过对遥感影像的分析，获得水体的分布、泥沙、有机质、化学污染等状况和水深、水温等要素的信息，从而对一个地区的水资源和水环境等做出评价，为环境、水利、交通、航运等部门提供决策支持。应用遥感技术，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。水体及其污染物的光谱特性是利用遥感信息进行水环境监测和评价的依据。

• 水体富营养化监测

水体富营养化是指氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象，这种现象在江河湖泊中称为水华，在海中则叫做赤潮。水体富营养化遥感监测是通过分析水体反射、吸收和散射太阳辐射能形成的光谱特征与富营养化水质参数浓度之间的关系,建立富营养化水质参数的定量遥感反演模型,并分析各水质参数之间的相关性,建立适当的富营养化评价模型。利用卫星遥感进行大范围湖泊、海洋富营养化空间分布及动态评价,具有监测范围广、速度快、成本低和便于长期动态监测的优势,还能发现一些常规方法难以揭示的污染物排放源、迁移扩散方向以及影响范围等特征。

• 悬浮固体

水中悬浮固体(ss)含量是水质指标的重要参数之一。SS不仅可以作为水体污染物的示踪剂，其含沙量的多少还直接影响水体的透明度、水色等光学性质。一般来说，对可见光遥感而言，0．58～0．68um对不同泥沙浓度出现辐射峰值，即对水中泥沙反应最敏感，是遥感监测水中悬浮物质的最佳波段。在实际监测当中，选择与悬浮物质浓度相关性好的波段，结合实测悬浮物质的数据进行分析，从而建立特定波段辐射值与悬浮固体浓度之间的关系模型，然后进行反演得出悬浮固体的浓度。

•   油污染

遥感监测油污染不仅能够发现污染源、确定污染的区域范围和估算油的含量，而且通过连续监测，能够得到溢油的扩散方向和速度，预测将会影响的区域。

• 热污染

由于人类活动向水体排放的“废热”引起环境水体的增温效应而产生的污染称之为水体热污染。水体热污染可直接影响到水生生物的多样性，导致局部生态系统的破坏，从而影响人类的生产生活。遥感监测水体热污染是一种有效的宏观监测手段，目前主要的探测方法有热红外遥感和微波遥感。

利用ERS雷达影像准确跟踪并监控地中海油污

3.     生态环境

• 土地覆盖监测

土地覆盖是人地相互作用过程的最终体现，也是地球表层系统最明显的景观标志，土地覆盖变化又会引发一系列环境的改变。遥感技术因其能提供动态、丰富和廉价的数据源已成为获取土地覆盖信息最为行之有效的手段。

• 森林覆盖监测

   森林是陆地生态系统的主体，是人类赖以生存的基础资源。传统五年一次的一类调查和十年一次的二类调查存在更新周期长、历经时间长、样地易被特殊对待、数据可比性差等缺陷，难以科学、准确评估森林资源和生态状况变化。

遥感具有宏观性、客观性、周期性、便捷性等特点，已经在森林资源清查（一类调查）和规划设计调查（二类调查）中大显身手。

• 草地覆盖监测

草地是仅次于森林资源的陆地植物资源。遥感技术在草地资源调查、分类和制图中得到应用，大大地提高了草地资源调查与制图的精度，促使草地分类由定性逐渐走向定量化，可以完成草地退化监测与评估，节省了人力、物力和财力。

• 湿地资源监测

湿地是地球上水陆相互作用形成的独特的生态系统，是自然界最富生态多样性的景观和人类最重要的生存环境之一。

实时监测湿地种类及其数量，为湿地的保护提供第一手材料显得尤为重要。遥感技术具有观测范围广，信息量大，获取信息快，更新周期短，节省人力物力和人为干扰因素少等诸多优势，已经成为湿地研究的有力手段。可以提取湿地边界、进行湿地分类、湿地动态变化监测等。

•  生态环境质量评价

国家环保总局发布了《生态环境状况评价技术规范》，其中规定生态环境质量指数计算公式，公式中包括：林地面积、草地面积、湿地面积、耕地面积、建筑用地面积、未利用土地面积、湖泊面积、河流长度等参数。这些参数都有赖于遥感手段获取。

 

黄河河口三角洲湿地遥感通过对多年的监测，可以得到湿地面积变化及空间格局的变化

4.     城市环境

城市的飞速发展带来了一系列环境问题。遥感以其快速、准确和实时地获取资源环境状况及其变化数据的优越性，成为城市环境监测的主要手段。

•   城市扩张监测

随着我国城市化进程日益加快，城镇用地规模迅速扩张。它不仅占用了大量的土地资源，而且也对城市周边的生态环境产生巨大的影响。大量的研究表明，利用卫星遥感影像可以获取城镇用地信息，从而揭示城市扩张的动态变化是监测城市扩张的有效方法，与统计数据分析方法相比更具实时性和可靠性。

• 城市热岛监测

快速城市化进程改变了地表下垫面的理化性质。原本是土壤、草地和水体等比热大的自然表面被水泥、沥青等比热小的表面代替，这不仅改变了反射和吸收面的性质，还改变了近地面层的热交换和地面的粗糙度，使大气的物理状况受到影响。热岛效应容易产生酸雨，破坏城市及周边地区的生态环境。

传统实地观测法的点位密度低，数据同步性和空间代表性差，要想细致地研究城市热岛的平面分布、内部结构特征尚有一定困难。遥感监测时相多、范围广、能长期连续观测，不受气候影响，可以进行大面积地表温度测定，且通过遥感手段获取的观测资料时间同步性好。随着当前高分辨率卫星热红外遥感技术的发展完善，它在城市热岛研究中发挥着越来越重要的作用。

• 城市绿地调查

城市绿地是城市中唯一有生命的基础设施,在改善城市生态环境和人居环境起着积极的作用,也是城市生态系统中的重要组成部分。城市绿地含量逐渐成为衡量城市生活质量的一个重要指标。

随着高分辨率遥感图像在国内广泛应用，给城市绿地信息提取提供了更为有效而便捷的手段。

•   固体废弃物监测

地面垃圾乱堆放造成的环境污染在我国各大城市乃至乡村随处可见，“垃圾围城”的现象已十分普遍。利用遥感技术对固体废弃物进行监测管理，即根据有关的遥感图像解译标志，定期利用高光谱和高分辨率遥感图像进行固体废弃物堆积的监测。

固体废弃物遥感监测的内容有：工业、生活垃圾的堆放状况，堆放点的分布，堆放点的面积、数量等。

• 城市环境质量评价

城市环境质量评价一般采用综合指数法,即计算环境质量值（或环境质量指数）。通过遥感手段可以获取计算公式中的一些参数，如城市地形地貌、地质、土壤、植被等。

 

利用10个时相的TM/SPOT遥感影像，获取东莞市1988年到2006年间的城市扩张、土地利用变化等信息，评价城市生态环境变化过程

5.     环境灾害

•   突发事件

   近年来，重大环境污染和生态破坏事故不断发生，如油船严重泄漏、大爆炸，大量有毒气体泄漏，重大的水质污染等等。而在这些事故突然发生时，现有常规手段根本无法实现迅速、准确、动态的监测与预报，以致环保和有关部门难于快速、恰当地作出决策。需要利用遥感技术及时发现环境事故，对事故的发生和发展进行监测与跟踪评估，制定紧急对策和措施。

• 自然灾害

沙尘暴、旱涝、地震、海啸、滑坡、泥石流等自然灾害除了会造成直接的财产损失外，还会对环境造成短期或者长期的影响。

基于高时间分辨率的遥感影像可以快速监测短期的环境变化，基于多时间段的遥感影像可以监测长期、缓慢的环境变化。

墨西哥湾溢油遥感监测，通过实时监测原油流向及扩散面积，评估影响生态环境的范围及程度。

6.     重大项目/工程遥感监测

许多重大开发项目、重大工程不仅工程时间长，而且波及面广，工程建设的后续影响难以预料，所以需对工程效果进行长期跟踪监测，如三峡工程、南水北调工程、青藏铁路工程、上海浦东开发区等引起的环境问题及工程建成后的环境状况令世人注目。

利用遥感技术进行动态、连续、准确的监视与评价辅助重大工程的规划、开展和决策，如2008年的北京奥运会完美落幕，遥感技术作出重要的贡献。

• 申奥之前，遥感技术测定北京的气象和环境数据，保障奥运会召开的时间；
• 筹办阶段，遥感技术帮助北京进行地形规划，监控场馆建设进度及质量，制定完整的安全保卫电子信息系统；
• 奥运会举行期间，遥感技术时刻为奥运场馆的安保、交通提供便利。在奥运召开前期，中科院面向北京奥运大气环境保障需求，由中科院主持的 “北京及周边地区奥运大气环境监测和预警联合行动计划”项目，为北京市政府的大气环境保障决策提供了有力的支撑。
• 此外在奥运会期间，中科院遥感所提供了青岛浒苔分布卫星遥感监测图、分析报告和奥帆赛区浒苔面积及周边海域浒苔分布、重量估算；确定浒苔灾害发源地点和时间；提供了奥帆赛区浒苔面积、密集度航空遥感高精度定量监测结果。为决策部门提供准确的数据支持和决策依据。