基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

曹如星

（甘肅省嘉峪關(guān)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

引言

衛(wèi)星遙感技術(shù)是基于信息技術(shù)和遙感技術(shù)而興起的科學技術(shù),能夠在多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。這項技術(shù)廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測和保護中,通過衛(wèi)星系統(tǒng)可以進行日常環(huán)境監(jiān)測和監(jiān)管。因此，強化大氣監(jiān)測，提升衛(wèi)星遙感監(jiān)測水平，對環(huán)境監(jiān)測工作具有十分重要的意義。

1 在大氣環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)的必要性

在當前的大氣環(huán)境監(jiān)測工作中，主要是由國家、省、市、縣各個監(jiān)測站組成環(huán)境監(jiān)測體系及網(wǎng)絡(luò)，這也是大氣環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵方式，有助于實現(xiàn)全面的大氣環(huán)境監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)存在的污染問題。但在傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測體系中，仍存在一些技術(shù)性的問題，主要表現(xiàn)為監(jiān)測站的分布較為集中，并且大多數(shù)監(jiān)測站設(shè)置在市區(qū)，無法顧及更加廣闊的鄉(xiāng)村地帶，導致大氣監(jiān)測精準性不足。在大氣監(jiān)測中，監(jiān)測對象主要是二氧化碳、二氧化硫、臭氧、可吸入顆粒物、一氧化碳、甲烷以及氣溶膠光學厚度等，為了提高監(jiān)測精準度，遙感技術(shù)逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，并且達到了有效的監(jiān)測效果。遙感技術(shù)的出現(xiàn)及有效利用是科學技術(shù)的發(fā)展成果，隨著新時代的到來，各項科技成果逐漸體現(xiàn)出了應(yīng)有的價值，不僅推動了社會經(jīng)濟的發(fā)展，也顯著改善了生態(tài)環(huán)境，促進了人與自然的和諧共存?；谛l(wèi)星遙感的大氣監(jiān)測技術(shù)具有強大的技術(shù)優(yōu)勢，技術(shù)人員可以借助于此對大氣中各項成分的光譜特征進行反演，并根據(jù)反演結(jié)果推斷出各項成分的濃度以及分布范圍，從而實現(xiàn)對大氣環(huán)境的有效監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)存在的環(huán)境問題，制定合理化的解決策略。衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用具有多項優(yōu)勢，基于衛(wèi)星的監(jiān)測功能，可以實現(xiàn)對整個地球大氣環(huán)境的全面監(jiān)測，并且具有較為精準的監(jiān)測結(jié)果及監(jiān)測效率，有助于減輕工作人員的壓力，獲取實時性的監(jiān)測數(shù)據(jù)[1]。因此，基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用具有一定的必要性。目前，我國在大氣環(huán)境監(jiān)測方面已經(jīng)開始合理使用衛(wèi)星遙感技術(shù)，并建立了一系列遙感衛(wèi)星體系，不僅可以實現(xiàn)對大氣環(huán)境的監(jiān)測，也能夠?qū)崿F(xiàn)對水資源、陸地環(huán)境以及生物圈的監(jiān)測，為人類賴以生存的家園提供了高效率的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

2 衛(wèi)星遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

在當前的大氣環(huán)境監(jiān)測工作中，各個城市及周邊地區(qū)已經(jīng)將衛(wèi)星遙感技術(shù)融入了環(huán)境監(jiān)測體系中，實現(xiàn)了對大氣環(huán)境的實時性監(jiān)測，這有助于及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題，并采取合理化的解決措施，杜絕環(huán)境污染問題的發(fā)生。在大氣環(huán)境監(jiān)測中，環(huán)保部門對秸稈燃燒快速監(jiān)測技術(shù)、土地利用信息變化提取技術(shù)、城市熱島效應(yīng)監(jiān)測技術(shù)、水體污染監(jiān)測技術(shù)等給予了重點關(guān)注，實現(xiàn)了對大氣環(huán)境成分、土地資源和水資源的高效監(jiān)測。在實際的環(huán)境監(jiān)測中，技術(shù)人員根據(jù)環(huán)境的多樣性制定了合適的遙感監(jiān)測方法、監(jiān)測模型以及監(jiān)測算法等，充分發(fā)揮出了基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，并將多項科技成果進行融合，確保大氣環(huán)境成分的衛(wèi)星遙感反演數(shù)據(jù)具有較高的精準性。以某城市為例，在對大氣環(huán)境進行監(jiān)測的過程中開發(fā)出了一套適合城市發(fā)展特點的遙感監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)軟件，可以及時測定大氣中的污染物含量，并發(fā)出預(yù)警，實現(xiàn)高效率的治理。該城市從中心地帶出發(fā)，利用基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了對地面大氣環(huán)境的綜合監(jiān)測。在獲取每一時期的監(jiān)測數(shù)據(jù)時，工作人員還需要利用多源衛(wèi)星遙感產(chǎn)品，進一步分析出多種大氣污染因子的分布規(guī)律以及污染物的觸發(fā)條件，尤其是在干旱沙塵季節(jié)、霧霾的頻發(fā)時段等，可以及時測定大氣環(huán)境中相關(guān)污染物的顆粒濃度、物質(zhì)變化特征及影響因素，從而構(gòu)建科學化的遙感技術(shù)監(jiān)測模型，給技術(shù)人員呈現(xiàn)更加直觀的數(shù)據(jù)參考。技術(shù)人員在使用基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)后，可以通過監(jiān)測到的顆粒物光學特性及時空濃度分布特性，制定出季度、年度污染物分布圖，以此做出合理的預(yù)測，實現(xiàn)對大氣環(huán)境質(zhì)量的預(yù)估，并提出合理化的解決方案?？偟膩碚f，基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在當前具有良好的應(yīng)用效果及應(yīng)用前景，可以為大氣環(huán)境監(jiān)測工作提供技術(shù)保障，促進環(huán)境監(jiān)測事業(yè)的持續(xù)發(fā)展[2]。

2.2 應(yīng)用前景

從衛(wèi)星遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，其具有廣闊的發(fā)展空間及良好的應(yīng)用前景。相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)而言，基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)具有更高的監(jiān)測水平，也具有更加廣闊的監(jiān)測范圍，是現(xiàn)階段環(huán)境監(jiān)測人員的重要應(yīng)用工具。通過使用衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)，技術(shù)人員不僅可以及時了解到大氣中的氣體及污染物成分與濃度，還能夠通過分析，獲取其垂直輪廓，有助于深度掌握污染物的分布規(guī)律以及輸送特征，為大氣環(huán)境質(zhì)量的提高提供合理的解決對策。盡管環(huán)境監(jiān)測部門可以使用飛機、無人機、雷達以及氣球探空的方式進行大氣監(jiān)測，但總的來說無法與遙感技術(shù)相媲美，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式不僅會花費大量的技術(shù)費用，無法保證監(jiān)測結(jié)果的精準性，并且不能滿足大范圍環(huán)境監(jiān)測的要求。因此，相關(guān)部門應(yīng)當合理使用基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，并綜合利用多源衛(wèi)星遙感產(chǎn)品，建立有效可行的遙感衛(wèi)星大氣環(huán)境監(jiān)測體系，推動大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)水平的不斷提升。

3 基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 秸稈焚燒監(jiān)測

眾所周知，秸稈焚燒極易污染大氣環(huán)境，因此在秋收季節(jié)，環(huán)境保護部門應(yīng)當積極利用基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)對農(nóng)田進行監(jiān)測，防止秸稈焚燒產(chǎn)生過量的大氣污染物，造成生態(tài)環(huán)境的破壞。秸稈主要是指當農(nóng)作物被收獲后剩余在農(nóng)田中的部分，如玉米稈、稻草稈、麥秸稈以及花生藤蔓等等，農(nóng)民為了減輕負擔并且實現(xiàn)下一階段的順利耕種，通常會將這些秸稈進行燃燒處理。但大量的秸稈焚燒會產(chǎn)生較多的煙塵，其中摻雜著數(shù)不勝數(shù)的污染物，不僅會造成大氣環(huán)境質(zhì)量的下降，還會導致生態(tài)失衡，甚至會給道路交通及航空運輸造成阻礙。所以說，對秸稈焚燒的監(jiān)測是大氣環(huán)境監(jiān)測中的一項重點工作。技術(shù)人員應(yīng)當根據(jù)近幾年的秸稈焚燒監(jiān)測數(shù)據(jù)，掌握容易出現(xiàn)秸稈焚燒現(xiàn)象的地點，并應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)進行全面的監(jiān)測布控。相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測方式而言，基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在秸稈焚燒監(jiān)測中具有較大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在其監(jiān)測范圍廣，可以有效克服秸稈焚燒分散性及隨機性特點，提供即時性的有效信息，推動大氣環(huán)境監(jiān)測工作的順利開展。在具體的秸稈焚燒監(jiān)測中，技術(shù)人員主要采用遙感火點監(jiān)測技術(shù)，并利用衛(wèi)星遙感圖像，判斷農(nóng)田區(qū)域的溫度變化，根據(jù)中紅外和熱紅外波段輻射能量的變化值，精準識別地面的著火點，并統(tǒng)計形成報告，及時傳送至管理部門。經(jīng)過對秸稈焚燒火點統(tǒng)計報告的研究，相關(guān)技術(shù)人員能夠?qū)θ珖秶霓r(nóng)田火點進行統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果顯示，秸稈焚燒火點每年約有一萬多個，時間主要集中于三四月份以及秋收季節(jié)，占比分別為54%與33%。另外，從地域分布來看，監(jiān)測統(tǒng)計范圍涉及我國的27個省、直轄市及自治區(qū)，秸稈焚燒火點數(shù)量排在前幾名的省份主要是黑龍江省、吉林省、遼寧省、河北省等，明確反映出了北方農(nóng)作物的種植特征。通過利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，大氣環(huán)境監(jiān)管部門可以在廣闊的監(jiān)測區(qū)域中快速獲取秸稈焚燒的火點位置，并制定合理的解決方案，同時，對農(nóng)民進行批評教育，以此改善秸稈的處置方式，減少秸稈焚燒行為，降低大氣環(huán)境中污染物的含量。

3.2 揚塵源監(jiān)測

土地資源的不合理開采及利用，以及相關(guān)部門沒有對土地環(huán)境進行有效的保護，導致在不同的氣候條件下容易出現(xiàn)大面積揚塵現(xiàn)象，給城市及鄉(xiāng)村的大氣生態(tài)環(huán)境造成惡劣的影響。針對揚塵問題，環(huán)保部門應(yīng)當加大監(jiān)管力度，尤其需要對揚塵源進行監(jiān)測，降低揚塵的發(fā)生概率。從土地特征的角度進行分析，對減少以及抑制揚塵具有良好效果的土地類型依次為水域、林地、草地以及裸地，不同的裸地有不同的利用方式，包括建筑用地、道路交通用地、堆場以及采礦用地等，均是容易出現(xiàn)揚塵的區(qū)域，需要進行嚴格的大氣質(zhì)量監(jiān)控。隨著城市化進程的加快，林地、草地面積逐漸減少，裸地面積不斷增大，天然植被慢慢消失，失去了原有的生態(tài)恢復(fù)能力，導致城市中極易出現(xiàn)揚塵以及霧霾等氣候災(zāi)害，嚴重影響了人們的正常生產(chǎn)與生活。為了降低揚塵的負面影響，大氣環(huán)境監(jiān)管部門使用了基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，對城市中的裸地進行嚴格地監(jiān)管，全面掌握土地的利用形式，并通過實地考察的方式，驗證衛(wèi)星遙感技術(shù)與監(jiān)測效果的匹配性。尤其對于建筑用地，環(huán)保部門在獲取到相關(guān)區(qū)域的揚塵數(shù)據(jù)時，應(yīng)當及時對施工企業(yè)提出要求，責令其對揚塵問題進行整改，采用覆蓋揚塵網(wǎng)以及定期灑水的方式控制揚塵源，構(gòu)建良好的城市大氣環(huán)境。

3.3 大氣中二氧化硫的監(jiān)測

在對大氣環(huán)境中的二氧化硫成分進行監(jiān)測時，技術(shù)人員會采用基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，波段殘差法與線性擬合算法是使用遙感技術(shù)反演二氧化硫成分的主要算法。

波段殘差法是反演二氧化硫成分的主要技術(shù)手段，具體來說，大氣環(huán)境中的二氧化硫及臭氧是在310～330 nm波段光譜中最主要的兩種氣體成分，而二氧化硫的光譜吸收強度明顯高于臭氧，這有助于技術(shù)人員采用基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)對二氧化硫含量進行測定。但這兩種氣體并沒有在這一波段中完全吸收紫外輻射，技術(shù)人員借助遙感監(jiān)測技術(shù)可以探測到太陽紫外線輻射后的二氧化硫氣體特征，并對這一氣體進行跟蹤監(jiān)測。在使用衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)時，技術(shù)人員可以根據(jù)二氧化硫成分的特征，判斷其吸收輻射明顯波長處的輻射值，并兩兩作差，得到三個波長對，之后合理利用二氧化硫剖面微分數(shù)據(jù)，將殘差值轉(zhuǎn)換為二氧化硫成分的傾斜柱狀量數(shù)值，再經(jīng)過校正，可以得到垂直柱狀量數(shù)值，即完成某一區(qū)域中大氣環(huán)境二氧化硫成分的反演，測定出這一氣體的含量及分布規(guī)律，這是波段殘差法的主要計算方式，在這一過程中技術(shù)人員需要提高警惕，合理使用遙感監(jiān)測技術(shù)，保證數(shù)據(jù)的精準性。由于二氧化硫是一種有毒氣體，技術(shù)人員在得到相關(guān)數(shù)據(jù)時，需要測定二氧化硫的來源，并及時制定有效的管理對策，減少大氣環(huán)境中二氧化硫的含量，進而減少對人類生命健康的危害。

對大氣環(huán)境中二氧化硫成分的分析，除了可以使用波段殘差法外，還可以使用線性擬合算法。線性擬合算法的利用也離不開遙感監(jiān)測技術(shù)的支持。技術(shù)人員在使用基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)時，可以對多個離散波段的紫外線進行監(jiān)測，探究其中的二氧化硫以及臭氧的含量，并得到地面有效反射率。通過對二氧化硫成分總量以及地面有效反射率的分析，技術(shù)人員可以掌握二氧化硫的分布規(guī)律，這也是線性擬合算法的重要內(nèi)容。在得到的多個離散波段的紫外線中，主要包含4個集中在波長為310.8～314.4 nm且位于二氧化硫吸收橫截面最大值與最小值之間的波段，以及6個臭氧總量觀測儀波長為中心的波段，便于技術(shù)人員采用線性擬合算法對二氧化硫含量進行分析。對線性擬合算法所用的離散波段分布范圍圖進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，隨著波長的增大，二氧化硫的吸收系數(shù)呈現(xiàn)出縮小的趨勢。一般來說，反演運算具有系統(tǒng)性的思路，主要是構(gòu)建相關(guān)的數(shù)據(jù)模型，并通過基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)獲取到的輻射數(shù)據(jù)計算出離散波段的差異性，從而推導出大氣環(huán)境中二氧化硫總量以及地面有效反射率等參數(shù)，之后對離散波長進行計算，通過對光譜擬合多項式的利用得到離散波長，進而得到各個波段的二氧化硫狀量值以及平均柱狀量值。在這一過程中，數(shù)據(jù)模型的利用具有至關(guān)重要的作用，可以有效避免旋轉(zhuǎn)拉曼散射效應(yīng)、瑞利散射效應(yīng)、地表反射率以及二氧化硫吸收率帶來的影響，提高遙感技術(shù)對大氣環(huán)境監(jiān)測的精準度，促進線性擬合算法的有效性。

總的來說，以上兩種二氧化硫含量算法均基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，借助了二氧化硫以及臭氧氣體在大氣中的光譜吸收特征值，并用殘值差計算出了相應(yīng)的二氧化硫柱狀量數(shù)值。一些技術(shù)專家對這兩種算法進行了深層次的比較，并借助實驗探究出當二氧化硫濃度低于4.416 5×10-4mol／m2時，使用波段殘差法獲取到的監(jiān)測結(jié)果將會更加接近真實數(shù)據(jù)。在大氣邊界層以上的空間中，由于受到火山噴發(fā)的影響，這一區(qū)域的二氧化硫濃度較高，對于二氧化硫的反演而言，可以優(yōu)先采用線性擬合法進行計算，以保證數(shù)據(jù)的真實性與精準性。利用基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)對大氣中的二氧化硫成分進行監(jiān)測具有多樣化的技術(shù)優(yōu)勢，并且可以取得良好的監(jiān)測效果。首先，采用遙感技術(shù)，工作人員能夠快速獲取大范圍的大氣二氧化硫數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的監(jiān)測模式下，由于受到技術(shù)的限制，工作人員只能在地面位置進行監(jiān)測，并且受到二氧化硫濃度不斷變化的影響，導致監(jiān)測精準性難以滿足相關(guān)要求。另外，大氣監(jiān)測點位的布置也需要考慮到多種因素，如觀測時間、觀測頻率、地質(zhì)環(huán)境、污染源位置、人口密度、主導風向等。在衛(wèi)星遙感技術(shù)得到廣泛應(yīng)用后，技術(shù)人員在監(jiān)測二氧化硫濃度時，可以借助衛(wèi)星在高約700 km的衛(wèi)星軌道上對大氣環(huán)境進行掃描，并通過傳感器及時將數(shù)據(jù)返回到地面平臺，體現(xiàn)出了其監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測效率高的優(yōu)勢。另外，借助基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)對二氧化硫進行監(jiān)測，可以排除較多的干擾因素。在地面進行二氧化硫濃度的監(jiān)測工作時，技術(shù)人員可以將監(jiān)測點布置在具有較強針對性的位置，有助于得到真實的數(shù)據(jù)，但這也會受到較多客觀因素的影響，如在自然環(huán)境惡劣的區(qū)域，人力無法順利達到，人工地面監(jiān)測極為困難。采用遙感技術(shù)可以規(guī)避較多的地面限制條件，能夠獲取不同環(huán)境中的二氧化硫濃度，不僅提高了大氣監(jiān)測效率，也在一定程度上保證了工作人員的安全，降低了大氣監(jiān)測成本。利用遙感技術(shù)對大氣中的二氧化硫進行監(jiān)測是一種必要的技術(shù)手段，并且在今后的發(fā)展中也將會更加適用，尤其是對二氧化硫的動態(tài)監(jiān)測，能夠時刻提醒相關(guān)部門加大監(jiān)管力度，控制二氧化硫的排放量。

4 結(jié)語

綜上所述，基于衛(wèi)星遙感的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在目前的大氣監(jiān)測工作中得到了廣泛的應(yīng)用，并成為極為重要的環(huán)境監(jiān)測手段。環(huán)保部門在對大氣中的顆粒物、二氧化硫、臭氧等成分進行監(jiān)測時，應(yīng)當充分利用遙感技術(shù)，并結(jié)合監(jiān)測經(jīng)驗，在獲取監(jiān)測結(jié)果的同時，制定合理的管理措施，促進大氣環(huán)境質(zhì)量的提升。