遙感技術(shù)在城市環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

王美香，孫代華，劉曉霞

（臨淄區(qū)生態(tài)環(huán)境技術(shù)服務(wù)中心，山東淄博 255400）

0 引言

城市是對自然環(huán)境進行有計劃改造與利用而創(chuàng)造出的生存環(huán)境，是人類聚居的場所，也是人們活動的中心。隨著社會的快速發(fā)展，城市經(jīng)濟也得到了蓬勃發(fā)展，在這一過程中，城市自然環(huán)境發(fā)生了顯著改變，很多問題也隨之產(chǎn)生，目前城市環(huán)境問題已成為社會發(fā)展中面臨的重要問題之一。環(huán)境質(zhì)量的相關(guān)數(shù)據(jù)具有很強的時效性，如果采用常規(guī)方式對城市環(huán)境實施監(jiān)測，即使耗費巨大的人力、物力、財力，也可能無法完全獲得立體性的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。但是，通過利用遙感技術(shù)就可以及時獲取準確的環(huán)境質(zhì)量信息，充分體現(xiàn)了該技術(shù)的優(yōu)越性，有效克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方式的缺陷，為環(huán)境管理、數(shù)據(jù)分析提供了支持。由此可以看出，合理運用遙感技術(shù)對于城市發(fā)展具有非常重要的意義。

1 我國城市發(fā)展及環(huán)境問題

目前我國正處于城市化快速發(fā)展的關(guān)鍵時期，隨著城市的快速發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活獲得了極大的便利，但城市原有的自然環(huán)境也發(fā)生了巨大改變，城市環(huán)境大氣污染嚴重、人地矛盾日益突出、水資源匱乏、生物多樣性明顯減少等問題對人們造成了很大困擾，同時也不利于城市的進一步發(fā)展。因此，探索監(jiān)測與治理城市環(huán)境的有效方法，推動城市的可持續(xù)發(fā)展，已成為目前人類急需解決的重要問題。

2 遙感技術(shù)概述

遙感技術(shù)是一項重要的監(jiān)測技術(shù)，其利用傳感儀器對電磁波、遠距離信息等數(shù)據(jù)進行收集，通過處理、成像等一系列操作后，可以用于對地面景物的探測與識別（圖1為遙感的工作過程）。遙感技術(shù)具有監(jiān)測范圍廣、速度快、宏觀性強、實時動態(tài)、成本低及精度高等優(yōu)點，因此得到了廣泛應(yīng)用。從環(huán)境監(jiān)測角度來看，應(yīng)用遙感技術(shù)可以監(jiān)測出傳統(tǒng)監(jiān)測手段無法發(fā)現(xiàn)的污染源，還能對指定區(qū)域進行跟蹤監(jiān)測，并且在短時間內(nèi)獲取準確、全面的數(shù)據(jù)，如污染源的位置、范圍及分布情況等，以便及時采取有效措施，其應(yīng)用范圍越來越廣，體現(xiàn)出了實時便捷性的特點。

圖1 遙感的工作過程

3 遙感技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)階段遙感技術(shù)在城市環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在城市綠地遙感、城市熱島遙感、大氣環(huán)境遙感等方面。

3.1 城市綠地遙感的應(yīng)用

綠地是整個城市生態(tài)系統(tǒng)中的一項重要內(nèi)容，因此明確城市區(qū)域內(nèi)的綠地情況可為城市綠地生態(tài)效益評估工作的開展提供參考依據(jù)。

同時，綠地在景觀功能與結(jié)構(gòu)中也起到了重要作用，其布局與城市景觀結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，對城市環(huán)境與經(jīng)濟文化發(fā)展有較大影響。分析城市綠地結(jié)構(gòu)的合理性，可以為城市綠地景觀系統(tǒng)的建立提供重要依據(jù)，從而為高效協(xié)調(diào)城市景觀的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。例如，以“快鳥”衛(wèi)星圖像為信息源，根據(jù)景觀多樣性、廊道密度以及綠地景觀構(gòu)成等指數(shù)，利用遙感與地理信息系統(tǒng)（geographic information system,GIS）技術(shù)對城市的空間格局進行分析，建立城市綠地信息專題數(shù)據(jù)庫，以景觀生態(tài)學(xué)理論為指導(dǎo)，對城市的綠地景觀格局進行分析，為城市綠地景觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與創(chuàng)新提供依據(jù)[1]。圖2為MapGIS技術(shù)下的地下空間開發(fā)。

圖2 MapGIS技術(shù)下的地下空間開發(fā)

3.2 城市熱島遙感的應(yīng)用

在區(qū)域溫度分布圖上，城市的溫度相比郊區(qū)明顯高一些，呈凸出的島狀，因此被稱為“城市熱島”。在對城市熱島進行研究時，一般會用到熱紅外遙感，縱觀其應(yīng)用的整個過程，起初主要利用空間分辨率為1.1 km的熱紅外波段，之后，為了提升陸地亮度溫度反演精度，會剔除一些反演算法。由于以前所用衛(wèi)星NOAA/AVHRR的地面空間分辨率比較低，其所獲數(shù)據(jù)只能用于宏觀熱島現(xiàn)象分析，且這些數(shù)據(jù)在微觀熱環(huán)境觀測中是無法使用的。Land sat TM熱紅外波段的空間分辨率較高，在城市熱島研究中可以充分展現(xiàn)其價值[2]。

3.2.1 基于溫度的熱島監(jiān)測

基于溫度的熱島監(jiān)測是城市熱島研究領(lǐng)域中最常用的方法和手段，按照溫度處理方法的不同還可以將其劃分為基于地表溫度、亮度溫度的監(jiān)測方法。其中基于亮度溫度開展城市熱島研究，一般都會假設(shè)這樣一種情境，即城市區(qū)域的范圍是有限的，如果研究區(qū)域中的水汽情況基本一致，那么基本上可以忽略大氣對亮度溫度的影響[3]。但在傳導(dǎo)過程中地表輻射會受到大氣等多方面影響，衛(wèi)星遙感觀測獲得的熱輻射強度已不是最原始的地表熱輻射強度，只能從一定程度上通過亮度溫度反映出熱場的相對分布情況，而采用亮度溫度直接開展城市熱島研究存在的局限性比較大。在反演溫度時，基于地表溫度的監(jiān)測需要同時考慮到輻射、大氣等多方面的影響，但是城市下墊面的整體情況非常復(fù)雜，加上衛(wèi)星過境時獲取數(shù)據(jù)存在很大困難，因此地表溫度精確反演困難重重?，F(xiàn)階段，一般可采用一些簡化方式來獲取地表溫度，例如，利用大氣參數(shù)和輻射率等指標來求出地表溫度[4]。

3.2.2 基于植被指數(shù)的熱島監(jiān)測

在應(yīng)用遙感技術(shù)時，植被指數(shù)可以作為信息反映的一項重要信息源，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于對植被活力的定量、定性評價上。例如，采用TM、ETM+遙感數(shù)據(jù)對上海市的地表溫度進行反演，這樣既可以分析該市熱島擴展下的時空演變結(jié)構(gòu)，同時通過分析結(jié)果還可以揭示出城市地表溫度、植被覆蓋之間的關(guān)系。又如，采用ETM+遙感影像對杭州市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)行處理，從而提取其地表亮度溫度、NDVI數(shù)據(jù)，并通過監(jiān)督分類等方式，得到該市熱島強度、NDVI的定量關(guān)系模型，從而反映出其熱島效應(yīng)、植被覆蓋指數(shù)之間的關(guān)系[5]。

3.3 城市大氣遙感的應(yīng)用

大氣遙感主要采用遙感手段對大氣污染源的位置、分布狀況及空間濃度等進行監(jiān)測，可以采用間接解譯標志進行研究，也就是說通過使用植物指示大氣環(huán)境的污染狀況，判斷城市的大氣環(huán)境質(zhì)量。生長情況正常的植物葉片在紅外線下反射較強，彩色紅外相片上的色澤比較顯眼，如果受到污染，彩色紅外相片上的顏色就會比較暗，所以利用遙感監(jiān)測結(jié)果即可對城市污染源與污染物的種類、排放強度、擴散分布等情況進行分析，同時借助環(huán)境監(jiān)測站點資料數(shù)據(jù)，就可以獲得定量指標。借助彩色紅外遙感圖像、地物波譜測試數(shù)據(jù)以及少量常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得到最基本的城市大氣環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，并且可以在其基礎(chǔ)上構(gòu)建大氣污染評價模型[6]。

大氣遙感包括兩個方面的內(nèi)容：①城市大氣污染監(jiān)測。利用航空遙感監(jiān)測獲得的資料，繪制出不同類型的大氣污染源分布圖，通過該分布圖，污染源可以得到有效展示，尤其是高能耗污染源的分布情況，并且人口密集區(qū)、商業(yè)區(qū)、交通擁堵分布狀況等都可以得到展現(xiàn)。采用航空多光譜技術(shù)，可對大氣污染中的主要污染物分布情況進行監(jiān)測，從而對不同類別的城市大氣污染采取不同的處理措施[7]。②擴散規(guī)律研究。通過遙感技術(shù)可以為人們提供氣溶膠類物質(zhì)的含量、分布等情況，按照熱紅外掃描圖像的分析情況，可進一步明確地面輻射溫度、熱島現(xiàn)象形成之間存在的關(guān)聯(lián)。

3.4 城市水體遙感的應(yīng)用

無論是工業(yè)廢水還是生活污水，都會污染城區(qū)水體，被污染的水體顏色會有所變化，因此光譜反射特性也會隨之改變，在遙感圖像上，灰度值是污染最直觀的體現(xiàn)。例如，利用遙感技術(shù)對廣州珠江水環(huán)境進行質(zhì)量檢測，結(jié)果顯示，TM數(shù)據(jù)圖像獲得的灰度值與該區(qū)域水質(zhì)污染情況存在密切關(guān)聯(lián)，特別是TM可見光波段可以將水質(zhì)污染情況正確反映出來。又如，利用NOAA/AVHRR氣象衛(wèi)星對城市綠度、透明度與溫度等方面進行監(jiān)測，可以識別出不同水體下水質(zhì)的變化情況。采用遙感技術(shù)對城市水環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測（具體流程如圖3所示），可以體現(xiàn)出該技術(shù)直觀、全面等特征，通過與一些常規(guī)水質(zhì)自動監(jiān)測站相結(jié)合，即可全面反映城市水環(huán)境的質(zhì)量情況，有效彌補了常規(guī)監(jiān)測的不足與弊端[8]。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測流程

3.5 垃圾堆放與固體廢棄物遙感的應(yīng)用

利用遙感技術(shù)還可以對固體廢物實施監(jiān)測，即定期通過遙感圖像對固體廢物堆積情況進行監(jiān)測，利用全球定位系統(tǒng)明確相應(yīng)的空間位置，通過GIS圖像比較，明確固體廢物污染信息，根據(jù)城市產(chǎn)業(yè)布局、垃圾處理系統(tǒng)制定相應(yīng)的管理方案，從而達到對固體廢物實施動態(tài)監(jiān)測與管理的目的。根據(jù)光譜特性可以區(qū)分城市固體廢物的參量，分析參量、光譜之間的關(guān)系，合理選擇閾值，即可有效去除城市固體廢物不相關(guān)的像元，突出城市需要監(jiān)管的固體廢物[9]。在統(tǒng)計分析過程中，監(jiān)督與非監(jiān)督分類法同樣適用于固體廢物分類處理之中，圖像的非監(jiān)督分類可將假彩色合成圖像作為參考，去除城市固體廢物的無關(guān)類別，選取剩余圖像樣區(qū)實施統(tǒng)計，再開展監(jiān)督分類，將空間地理信息加入圖像中，最終可獲得分類結(jié)果[10]。

4 結(jié)語

遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了其經(jīng)濟性、高效性、快速性等優(yōu)勢，充分彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測的局限性，進一步提升了城市環(huán)境監(jiān)測能力。但遙感監(jiān)測也并非萬能，目前仍然有很多污染因子無法通過這項技術(shù)直接監(jiān)測，因此遙感監(jiān)測技術(shù)不能完全取代傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，只有將遙感監(jiān)測技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測方法結(jié)合起來，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，達到提高環(huán)境監(jiān)測工作效率的目的。