利用遙感技術測量大氣污染

1、摘 要：本文就激光遙感技術以及光學遙感技術兩個遙感方式闡述對大氣污 染測量的儀器、原理以及研究。并且針對大氣污染的幾個主要污染方式進行逐一 的分析。通過對主動遙感的激光遙感以及被動遙感的光學遙感說明遙感技術在主 要污染方式的測量中的原理進行詳細介紹。關鍵詞：遙感技術 大氣污染 光學遙感 激光遙感 大氣氣溶膠引言現(xiàn)代遙感技術是在 20 世紀 60 年代的地球觀測技術中發(fā)展起來的，綜合遙感 技術具有廣泛的探測范圍和快速獲取數(shù)據(jù)的能力，周期短，受地面環(huán)境因素的限 制較少，方法多，能獲得大量信息的優(yōu)勢。遙感技術能在大氣污染的有害氣體和 一些大氣霾溶膠和臭氧層的研究中進行測量，環(huán)境和大氣污染問題才是最關

2、鍵的 生態(tài)問題,通過技術來消除一些不必要的損失和破壞的生態(tài)環(huán)境,人類環(huán)境受損人 力資源必將受到威脅,可見日常大氣測量可以運用遙感技術的重要性,及時反饋信 息準確地制定出解決方案，同時測量大氣遙感和我們的生活也息息相關。1遙感技術測量大氣污染的發(fā)展前景整個多普勒測量目前在國外美國 31 個風廓線儀觀測網(wǎng) 1992 年完成實驗，多 普勒雷達在美國布站網(wǎng)階段；90 年代用多普勒雷達和風廓線儀取代天氣雷達，在 國內(nèi)引進了幾部多普勒雷達用于研究，國產(chǎn)多普勒雷達收發(fā)機通過鑒定，國產(chǎn)風 廓儀通過鑒定，在本世紀初期已經(jīng)投入業(yè)務使用。聲學遙感的遙感設備有聲雷達 多普勒聲雷達和電聲探測系統(tǒng)，具有精確測量邊界層溫度

3、結(jié)構(gòu)，風速、風向、風 切度、湍流擴散參數(shù)的能力，在國外已經(jīng)用于大氣污染監(jiān)測業(yè)務上，已成為環(huán)境 保護和局地天氣預報的一種重要觀測手段，在國內(nèi)單點聲雷達已較廣泛的應用于 環(huán)境保護和氣象業(yè)務，正在研制聲雷達和多普勒電雷達。多普勒激光雷達可提供 20 公里高度的流場信息,在國外測煙雷達廣泛用于煙流研究。目前美國已建成太 陽分光觀測網(wǎng)，其它光學遙感在研究和業(yè)務中均有應用，微波遙感的儀器微波輻射計用于探測大氣及云雨特性，溫濕廓線，在國外的研究工作中應用很廣將為臨 近預報和大氣污染監(jiān)測提供新的探測手段。而在國內(nèi)被動遙感在研究工作中應用 尚未投入業(yè)務使用，微波遙感接近國際水平。2 遙感技術測量大氣污染的研究背

4、景1.1遙感技術測量大氣污染的意義遙感技術可用于評估一個國家和一個城市的全球空氣污染狀況，以及大氣污 染程度及其對生態(tài)的影響。通過遙感，可以在距離低層大氣數(shù)百公里的地方探測 到空氣污染。對空氣污染的遙感監(jiān)測來決定硫氧化物，氮氧化合物和光化學氧化 劑，粒子，一氧化碳和碳氫化合物，等等，有一定的準確性，但不確定是否有衛(wèi) 星低粒子含量的大氣成分。1.2遙感技術測量大氣污染的原理大氣遙感監(jiān)測主要利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測大氣溫度和水蒸汽垂直分布。影響大氣 環(huán)境質(zhì)量的主要因素是氣溶膠含量和各種有害氣體，這些氣體不能通過遙感方法 直接識別。因此，水蒸氣、二氧化碳、臭氧、甲烷和其它痕量氣體來自于自然輻 射的分子和吸收

5、光譜，因此，實際上是通過測量大氣散射、吸收和輻射光譜，并 從反轉(zhuǎn)的結(jié)果進行計算。通過太陽的大氣（月亮的直射光，恒星），大氣和散射的 光，反射在地球表面，以及大氣和表面的熱輻射吸收光譜分析或發(fā)射光譜分析， 來測量它們的大氣密度的氣體分子的光譜特性。通過對遙感圖像的分析，可以直 接獲得大氣氣溶膠的分布和內(nèi)容，而有害氣體一般不會直接在遙感圖像中顯示， 只能使用間接的解釋符號、有害氣體敏感植物來推斷大氣污染的程度和性質(zhì)。3遙感技術對大氣污染測量的應用3.1對大氣溶膠的監(jiān)測氣溶膠解釋為一種由大氣中的液體顆粒和懸浮固體組成的系統(tǒng)。當大氣是一 個載體時，它被稱為大氣氣溶膠，其尺度范圍大約在0.00110m之

6、間6-7。氣 溶膠大氣中的含量雖然很小，但在大氣中的不論物理還是化學的過程中都有著重 要影響，發(fā)揮最重要作用的是大氣系統(tǒng)。氣溶膠粒子可以通過散射和吸收太陽短 波和地球的長波輻射來改變到達地表的太陽輻射8。氣溶膠粒子也可促進云霧的 形成用的就是云粒子，改變大氣中不同化學成分的濃度，從而間接影響大氣。同 時，弱或非吸收性氣體的輻射冷卻效應在一定程度上緩解了溫室氣體對全球變暖 的影響。氣溶膠的信息是衛(wèi)星遙感圖像大氣修正的重要參數(shù)之一，只有一種類似 于元尺度大氣氣體索爾的屬性參數(shù)，來進行大氣修正，從而了解定量分析和遙感 反演的全部意義。3.2對臭氧層的監(jiān)測臭氧層是一種保護地球上動植物和人類正常生活 的

7、重要物質(zhì)，但隨著近年 來國內(nèi)外環(huán)境污染問題的加 重，大氣臭氧層遭受到嚴重的破壞，這嚴重影響了 人們的正常工作和生活。通過遙感技術可以實現(xiàn)對大氣臭 氧層的變化情況進行 實時監(jiān)測，進而可以及時掌握大 氣臭氧空洞的形成位置，方便相關部門掌握臭 氧層信息并制定相關臭氧層保護策略。3.3對有害氣體的監(jiān)測工業(yè)發(fā)展會產(chǎn)生大量S02、NO2等有害氣體，這些氣體會嚴重影響到動植 物和人類的生長發(fā)育，因此需 要加強對這些有害氣體的監(jiān)測水平。當這些有害 氣體被植物吸收之后，會導致植物反射紅光的能力減弱，這 就導致有害氣體濃 度較高區(qū)域內(nèi)生長的植物較正常植 物而言會呈現(xiàn)出不同的顏色，通過這種原理 就可以通過對植物遙感

8、監(jiān)測結(jié)果與標準植物監(jiān)測結(jié)果進行對 比，分析對照不同 的像元信息，從而反映出污染物氣體 的濃度信息。3.4未來遙感技術在大氣測量中的應用創(chuàng)新隨著遙感技術的不斷發(fā)展，在大氣監(jiān)測和氣溶膠光學特性反演等方面已取得 了眾多成果，但也面臨著一些挑戰(zhàn)和困難，如高反照率北京地區(qū)氣溶膠 的反演 氣溶膠類型（氣溶膠散射和吸收）的精確確定、建立具有普遍適用性的氣溶膠反演 模型以及地表反射率的處理等等。未來關于氣溶膠遙感反演的趨勢應該要在以下 3個方面有所突破。氣溶膠遙感反演與地面監(jiān)測、地基遙感監(jiān)測相結(jié)合。如多波光度計、華蓋計、 無線傳感器、激光雷達、無人機等，這將大大提高遙感監(jiān)測速度和 反演精度。建立起基于輻射傳輸

9、理論的氣溶膠反演模型。目前比較常見的氣溶膠 (如氣 溶膠濃度等)反演方法都是基于統(tǒng)計模型建立起的經(jīng)驗公式，物理 意義不夠明確 適用性不強。因此需要從大氣輻射傳輸理論出發(fā)，研究不同形狀不同大小粒子的 散射和吸收機理，從而建立起具有普遍適用性和具有明確物理意義的氣溶膠反演 體系。結(jié)論若想獲取可靠地的大氣污染資料，可以對遙感圖像進行分析，從分析中獲取。 由此可知，遙感信息已經(jīng)成熟，尤其是在測量大氣污染方面更加具有其它技術所 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)無法代替的優(yōu)勢。同時，遙感測量的應用也在各方面很廣泛。遙感測 量的類型增多、清晰度提高、描述的能力也在增強、正很快的占據(jù)大氣污染測量 體系的重要地位。遙感測量和監(jiān)測將成為廣域大范圍的全球性和區(qū)域性大氣環(huán)境 測量的主要手段。將遙感技術應用到大氣環(huán)境測量的工作中，可以更加精準實時 的鎖定大范圍中具體的污染源，不光能及時發(fā)現(xiàn)大氣中的污染源，同時還可以具 體定位以及防治環(huán)境污染事故的產(chǎn)生，從而可以及時地幫助和協(xié)調(diào)環(huán)保部門對不 同的環(huán)境情況不同分析制定出治理計劃和措施方案，降低大氣污染給人來帶來的 損失。遙感技術的不斷發(fā)展和不斷成熟，在未來的大氣環(huán)境