遙感與GIS技術在環境科學中的應用研究

楊曉東

（烏蘭察布市生態環境局興和縣分局，內蒙古 烏蘭察布 013650）

隨著經濟結構轉型、產業調整以及環境污染破壞所帶來的啟示，使人們越來越重視環境的科學管理。而遙感與GIS技術作為最重要的地理信息技術，能對某一個區域建立全方位的環境觀測和管理網絡，借助計算機網絡技術全面覆蓋在相應的區域上，實現對環境的科學監測和管理。與傳統的測繪方式相比，遙感與GIS技術的效率和精確度更高，能夠用更快的速度和更便捷的技術收集特定區域的環境信息，并利用綜合研判和分析系統對相關環境信息進行分析，總結出相應的環境問題并及時做出科學的規劃，有效避免了環境生態的進一步惡化。由此可見，本文展開對遙感與GIS技術在環境科學中具體應用的探討是十分有必要的。

1 遙感與GIS技術的區別與聯系

1.1 遙感技術（RS）

遙感技術實際上分為航空遙感、地面遙感和航天遙感，而當前應用最普遍并且價值作用最顯著的是航天遙感，通過發射相應的人造地球衛星，使人造地球衛星在相應的軌道上與地球的自轉同頻率同速度運轉，以保證人造地球衛星能夠有效地觀測到目標區域和目標對象。而通過人造衛星實現對地面環境的觀測主要是通過人造地球衛星上的遙測儀器實現的，遙測儀器能夠實現遠距離無接觸的測繪，形成具體的測繪圖像和相應的數據，以電磁波的形式傳回到地面的控制系統當中，再對相應的電磁波信息進行處理識別，獲得相應的觀測數據和測繪圖形，實現對地表環境全面、科學、精準的觀測[1]。通過遙感技術，利用人造地球衛星上的遙測儀器對地表環境進行觀測，主要的觀測對象包括各種具體的地表環境資源，比如土地、河流、礦山、森林甚至包括野生動物和魚類等。各種在地球表面的具體環境資源都在遙感觀測對象之列。

1.2 地理信息系統（GIS）

地理信息系統是一種特定環境下的空間信息系統，其覆蓋面廣泛，像一張密織的網覆蓋在整個地球表面，具有分析研判和規劃管理功能。與單純的信息采集和反饋系統不同，該系統能夠在充分分析地面環境信息數據基礎上做出相應指導，并為相應區域內存在的各種問題做出科學的規劃，為決策提供支持。地理信息系統的運行基礎是各種計算機信息技術，而地理信息系統的信息數據來源是遙感，空間定位技術是全球定位系統，具有較強的綜合性特征。地理信息系統覆蓋面更廣，能采集整個地球表面，包括巖石層和大氣層在內所產生的各項信息數據進行、運算處理、分類儲存、分析描述和管理應用，并且通過相應的技術支持將相關的數據應用到實際場景中，將這些地理空間信息數據以及各類數據之間的關系進行整理，使其能夠為解決一定空間范圍內發生的各種地理環境問題和生產生活問題提供決策數據支持。

1.3 RS和GIS技術的聯系

遙感技術和GIS技術實際上存在著既互相獨立又相互扶持輔助的關系。互相獨立是指當前遙感技術和GIS技術仍然是獨立自主運行的兩套地理信息技術系統，獨立地開展相應的地理環境信息數據收集和管理工作，在信息數據的收集中雖然存在著交叉，但是沒有互相干擾。而相互扶持和影響是指雖然地理信息系統能夠獨立地收集一些地理空間信息，但是仍然有部分信息數據直接來源于遙感在人造地球衛星上應用遙測儀器收集獲得的相應信息數據[2]。因此，遙感實際上是GIS信息數據的源泉，而GIS則是遙感所觀測和收集數據的表達者和分析者。

2 遙感與GIS技術的作用和優勢

遙感和GIS技術在環境科學分析中能夠發揮出獨一無二的優勢，主要是和傳統的測繪方式和模式相比，遙感和GIS技術作為信息化的地理環境測繪分析模式，享受到了計算機信息技術和衛星遙感技術的便利。

2.1 遙感的作用和優勢

2.1.1 及時獲取環境信息

遙感通過人造地球衛星上的遙測儀器收集相應的環境信息數據，而人造地球衛星和地球的自轉和速度相同，在信息數據采集和獲取時間上和地球對應區域的時間是同步的，因而所收集的相關信息數據也具有較強的時效性。人造地球衛星上的遙測儀器在充分收集地球環境信息數據后直接通過電磁波傳回地球的接收站，再通過計算機識別和處理信息，全程所需要的時間比較短[3]。因此，應用遙感技術能夠在較短的時間內迅速獲得實時信息數據，并利用計算機及時形成相應的測繪圖像，時間優勢明顯。

2.1.2 大范圍開展觀測

遙感通過人造地球衛星對地表地理環境資源和狀況進行觀測，在一個較高的位置能夠輻射地表較廣的范圍。人造地球衛星所在的軌道位置高度相較于地球表面的高度越高，則說明遙測儀器觀測點位置越高。將遙測儀器看作是眼睛，在一個較高的觀測位置，遙測儀器所能夠觀測的視角遠比地面環境觀測要廣闊。因此，遙感技術能夠實現大面積、大范圍和大規模的地表環境觀測，能夠一次性收集足夠多的地表環境數據和相應的資料。一份遙感測繪數據和圖形能夠應用于多個領域，因此，遙感大范圍的地表環境觀測還具有一定的經濟效益。

2.1.3 基本不受惡劣環境影響

遙感技術是通過人造地球衛星上安裝的測繪儀器對相應的區域實行觀測，而人造地球衛星都在各自的軌道和位置上相應的運轉，互不干擾，在工作時也不會受到如同地球表面各種自然災害和惡劣環境的影響，可以通過紫外線、紅外線和微波波段等對地表環境進行觀測，不同到達自然環境惡劣的地方開展信息采集和測繪工作，并且精準度也不會受到環境的影響。

2.2 地理信息系統的作用和優勢

2.2.1 規劃功能較為完備

地理信息系統即GIS具有較為完備和齊全的分析管理功能，和功能集中在地表環境信息數據收集的遙感技術相比，GIS集齊了信息數據收集、地表環境信息整合處理、描述分析以及決策指導等功能[4]。另外還能夠對特定的空間區域進行測繪測算和布局規劃，使其能夠滿足環境保護和生態保護的目標對空間利用和布局進行更加科學的規劃。

2.2.2 信息數據研判更具綜合性

GIS技術依靠強大的互聯網、物聯網技術和計算機信息技術實現相關地表環境信息數據的運算、分析和使用。與人工運算和分析相比，通過GIS技術，各類地表環境信息數據研判能夠分析各種影響因素，對相關信息數據的處理也會更加精確，基本不會出現地表環境信息數據運算錯誤的情況。在精確的信息數據支撐下，能夠針對具體的環境問題做出更加科學的決策。

2.2.3 應用領域廣闊

GIS技術具有較為廣闊的應用前景，既是應用于地理測繪領域的核心技術，也是廣泛應用于社會其他各行各業的現代化地理信息技術，在社會生產生活領域能夠發揮出巨大的作用，包括在地理環境資源的調查分析、環境等級評定、空間規劃管理、城市布局規劃、水利設施建設、農林牧漁的規劃管理等領域。

3 遙感與GIS技術在環境科學中的具體應用

3.1 重大環境問題的應急響應管理

遙感與GIS技術能夠應用到重大環境問題的應急響應管理中，主要是指各類環境災害，包括水文災害、氣象災害和地質災害等。應用遙感技術，通過航天遙感的衛星、地面遙感的塔臺觀測架以及航空遙感的遙感飛機和漂浮、系留氣球等實現對地面環境和云層等的觀測，精確捕捉到一些氣象和地質變化信息。在重大環境問題應急響應管理中，先應用遙感技術確定災情區域的地面信息，包括受災區域，災情的蔓延方向等，再應用GIS地球信息系統進行地理信息研判和周圍環境的分析，選擇和制定最合適、最安全的撤離和逃生路線等，并且根據GIS的實時觀測及時調配救助資源和運輸設施設備等。另外，為了避免災害帶來后續的環境污染和生態破壞問題，還可以應用遙感與GIS技術快速恢復災害區域，通過遠程觀測和綜合全面的指導制定更加科學的環境恢復和再造計劃，有效促進重大環境問題和災害后的環境恢復效率。因此，在當前環境災害頻發時期，遙感與GIS技術無疑成為保障人民生命安全的重要技術，在環境災害處理方面能夠發揮重要作用。

3.2 環境資源的優化配置和管理

通過將遙感與GIS技術相互融合，能夠建立完善流暢的環境資源配置和管理流程，對各類環境資源進行科學合理的統計規劃和管理，結合國土空間布局以及相應的土地保護制度，科學調配環境資源，構建更加合理的生態環境系統和生態層次。遙感與GIS技術能夠觀測和分析管理的環境資源種類多樣，主要包括林業資源、草場資源等[5]。不同的環境資源最合適的布局位置也不同，在適合培育森林的區域培育草場反而會導致當地環境惡化。因此，利用遙感技術和GIS技術可以綜合研判分析各地的地理區位條件，科學調配和布局相應的環境資源，因地制宜推動林業和草場的科學布局，有效提高環境資源配置的精確度和有效性。另外，遙感與GIS技術還能夠對城市環境的改造發揮積極作用，通過遙感可以觀測城市綠化面積的大小和布局，應用GIS技術可以分析城市綠化景觀布局的不合理，并且通過精密的分析進行城市綠化規劃，提高各類綠化資源的優化配置和合理布局，有效地實現環境保護的管理目標。

3.3 在具體環境場景中的環境規劃和指導

3.3.1 加強水土規劃管理

遙感技術和GIS技術相互融合能夠在水土規劃管理工作中發揮有效的作用。首先，通過遙感技術采集的特定區域內的水土布局和應用數據，為建立土壤侵蝕程度的三維模型提供可靠的數據，提高土壤侵蝕監測管理三維模型的準確性。在此基礎上，相關人員再應用GIS技術對特定區域內的土壤侵蝕程度和侵蝕的歷程等狀況進行科學正確的運算和分析。而后，再利用遙感技術和GIS技術，輸入相應的數據來繪制相應的測繪圖，包括土壤侵蝕程度的透視圖以及該區域內土地分布的分布圖，通過精細化計算制定解決土壤侵蝕的措施，做好水土資源規劃和管理。

3.3.2 增強城市環境管理

當前城市環境污染問題比較顯著，熱島效應等就是城市建設特別是城市硬質地表和各種建筑物建設使綠化面積不斷縮小帶來的環境問題。基于此，應用遙感技術和GIS技術能夠更加科學地對城市的整體布局進行分析處理，給城市整體規劃和布局提供有價值的參考，進一步優化城市中各類綠的資源規劃布局結構。因此，應用遙感和GIS技術還能夠有效地增強城市環境管理，降低城市的環境污染，促進城市環境資源的科學流動和優化配置。

3.3.3 開展海洋環保規劃工作

海洋已成為環保的重點項目，也成了環保和生態恢復建設難度相對較大的環境，不僅包括海洋污染的控制，還包括海洋生物多樣性的保護等。利用遙感技術能廣泛收集海洋污染數據和海洋生物的生活狀況即集群數量[6]。另外，利用遙感技術所對應的人造地球衛星，可以通過遙測儀器廣泛收集海洋的懸浮物呈現圖像、水面高度以及不同深度狀況下的海水溫差，更加精準、科學、有效地掌握海洋的監測機制。在利用遙感技術和GIS技術發現瀕危、新鮮海洋生物，需要及時地利用相應的技術對瀕危新鮮海洋生物進行記錄，并對其進行有效的管理，保障其活躍海域的整體質量。

3.4 建立完善的環境維護管理機制

3.4.1 對環境展開全方位實時監測

首先，在遙感技術廣泛收集和獲取環境信息數據后，應用GIS技術能夠對環境展開全方位的實時監測。環境科學研究人員和相關從業者可以根據遙感技術所獲得特定空間范圍內的環境資源信息數據，建立起GIS運行的環境監測模型，借助GIS技術的計算機信息技術和物聯網技術等，對環境資源進行動態實時監測。先根據不同環境管理問題確定環境觀測和動態監測管理對象，再根據不同環境問題建立不同的環境監測系統。如在進行水質監測時，可以通過遙感技術對流域中水的含沙量等進行觀測和數據收集，確定相應流域內河水的成分，確定其中相應的元素是否超標。并且遙感技術還需要將特定水域內水質的動態變化數值和資料及時傳送到地理信息系統中，由GIS技術對相應的監測數據資料進行運算和分析，經過計算機運算分析發現特定流域中存在著污染物時則需要通過GIS技術推進下一步污水防治工作。

3.4.2 對環境進行科學評價和預測

GIS技術具有較強的環境資源信息數據分析功能，能夠對同一空間環境下的多種信息數據類型進行分析和評價。應用GIS技術對環境資源進行分析和評價，能夠對環境開展科學有效的評價和預測，建立起相應的評價和預測模型來控制環境資源應用過程中可能出現的過度問題。應用GIS技術的空間分析功能，應當建立起特定區域下的污染流向和蔓延路徑圖以及污染的層次差異分析模型等，幫助相關人員更加清晰地把握環境污染的方向和嚴重程度。同樣以水污染作為對象，相關人員應當先應用GIS技術的空間分析功能對特定流域的綜合污染情況進行分析和評價，確定該流域污染的程度，并且建立起河流流域污染路徑圖和污染源擴散以及反推模型等，精確有效地預測和定位流域污染源和持續污染可能蔓延的方向和帶來的危害性。實際上，水資源是可循環的，在一定的污染程度下，水資源在一定的時期內能夠自主凈化，相關人員需要根據GIS技術的數據分析明確哪些流域的河流污染程度能夠自愈，以科學地調配水資源治理的資源。

3.4.3 及時對環境問題作出預警

遙感技術收集環境資源數據集中到GIS后，GIS通過相應的計算機技術對環境資源數據進行處理和分析，將環境資源數據作為反映環境問題的量化指標，一旦環境資源數據超出正常的標準，則應當利用GIS技術的應急預警功能及時預警。相關人員應當應用GIS技術建立預警標準線，當數值超過標準線時需在第一時間做出預警。在環境污染檢測時，特別是在工業園區，一旦發現空氣或是土壤、河流中存在的相關污染物超標，則需要快速就特定區域內的環境污染事故做出應急預警，并且制定出污染事故處理的應對舉措，有效降低環境污染事故帶來的損失。

4 結語

綜上所述，在環境科學中廣泛而深入地應用遙感與GIS技術，推動遙感與GIS技術的融合應用，能夠簡化環境科學在環境檢測、環境災害防控、生態環境規劃等方面的前期工作。另外，應用先進的遙感與GIS技術實現對環境的信息化和數據化管理，將計算機和互聯網作為環境科學的載體，還能夠取代很大一部分的實地測繪，有效地提高測繪的精準度和效率，為開展環境資源的優化配置以及科學規劃提供準確度和精確度更高的測繪圖紙和環境信息數據。在遙感與GIS技術的互相融合過程中建立起地理信息系統和應用軟件，能夠在各個移動終端實現對環境的智能監控，實時對環境實時準確觀測，制定完善科學的環境規劃和管理制度體系，大力推動環境科學的發展。