3S技术在环境监测中的应用.docx

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3S技术在环境监测中的应用

"3S"技术在环境监测中的应用

"3S"技术是指以遥感〔RS〕、地理信息系统〔GIS〕和全球定位系统〔GPS〕为主的,与地理空间信息有关的科学技术领域。

遥感技术〔RS〕可以实时快速的提供监测目标的既有信息和各种变化,并对地理信息系统〔GIS〕进行数据更新；全球定位系统〔GPS〕用于快速如实的提供目标的空间位置；地理信息系统〔GIS〕则是对多种数据急行综合处理、集成管理、动态存取。

随着信息技术的飞速发展,科技的不断创新,"3S"技术日益体现出自动化、实时化和自能化,逐渐给越来越多的领域带来深刻的影响。

其中,在环境领域,"3S"技术正作为一种不可多得的技术,将发挥着越来越重要的作用[1]。

1"3S"技术的特点与功能

1.1"3S"技术的特点

"3S"技术是三种技术的合成,其组成技术在空间信息管理中各有特点,都能独立完成自身的功能,但随着发展的需要,它们所处理问题之间又有很多的相关联之处,在解决这些问题的作用上,都存在着不同的优点与缺点。

GIS具有较强的空间查询、分析和综合处理能力,但获取数据困难；RS能实时高效地获取大面积的区域信息,但数据定位与分类精度差；GPS能快速地给出目标的位置,对空间数据的精确定位具有特殊意义,但它本身通常无法给出目标点的地理属性。

因此,通过有机整合成"3S"集成技术,充分利用它们各自的技术特点,形成一个多功能的综合系统,才能更好地发挥"3S"的环境监测作用[2]。

图1"3S"技术集成

1.2"3S"环境监测功能

"3S"集成技术的环境监测功能是首先利用GPS对环境要素、污染源或者是自然资源进行定位,动态、实时采集和处理环境数据；与摄影测量组合,确定环境质量评价区域,动态测量各类污染源〔点状、面状、线状〕的位置、X围和空间关系。

然后是遥感技术对大气、水、地面等的污染源或污染物的环境监测,实时、快速地提供研究对象的几何、物理信息与各种变化情况,并通过无线通信技术将其传送到监测中心的综合数据库。

再利用GIS技术建立各种数据库,有效的管理复杂的污染源信息、环境质量信息以与其他的有关方面的信息,统计分析区域环境影响诸因素的变化情况以与主要污染源和地理属性和特征[3],把各环境要素、污染源在电子地图上非常直观地显示出来,从而方便监测中心管理人员对环境污染的情况进行查询、统计与分析,动态地监测城市或区域的环境状况,实时对污染源进行管理控制,并处理污染事件。

运用"3S"技术进行城市环境监测,可以实现环境的实时监测,大大提高服务的时效性、准确性,提高环境监测的质量和效率。

2"3S"技术在环境污染检测方面的应用

"3S"技术在环境监测中的应用对于环境的保护,资源的合理利用以与人与自然和谐相处有着重要的作用,对于推动可持续发展战略有着重要的意义。

"3S"技术的监测内容主要包括大气污染监测、水体污染监测、固体废弃物堆场污染监测、热污染监测、植被覆盖研究,土壤沙漠化等方面,为环境评价、环境规划、环境预测与决策提供了强大的技术支持。

2.1城市环境污染监测

在城市生态环境监测中,"3S"技术主要应用在城市规划、城市的污染监测等方面[4]。

利用RS搜集的资料和GIS提供的技术平台,可编绘城市大气污染源的分布图,同时采用航空多光谱摄影手段可监测大气污染的主要污染物、颗粒大小与空间区域的分布。

GIS技术还用于城市生态环境调查、现状和污染源监测、生态功能和环境影响评价等。

在做总体规划时,对城市现状的调查和分析时利用遥感卫星所获取的基础资料〔有控制点等相关信息〕,利用GIS软件中所带有的预测功能对未来几十年的土地使用情况进行预测,对城市的土地未来发展有更好的把握。

利用"3S"技术,全国大部分省市都已建立了环境基础数据库,开发了城市环境地理信息系统、环境污染应急预警预报系统等,利用GIS制作污染源分布图、大气质量功能区划图等专题图,建立各种环境空间数据库。

2.1.1大气污染监测

大气污染主要是指工业和生活燃煤排放的废气、灰尘以与人工合成物质自然挥发有毒有害气体对大气的破坏。

不同的大气污染程度和种类会使遥感信息产生一定的失真,通过对这种失真现象的研究,可以建立大气污染的评价模型。

利用遥感图像作为基本资料,结合地面监测数据和资料,可获得直观、准确的信息。

根据遥感影像特征可对大气污染的X围、污染源的位置、污染物的扩散途径进行监测,结合实地观测数据还可对大气污染的程度进行测定,通过对穿过大气层的太阳直射光和来自大气和云的散射光以与来自地表的反射光的光谱分析,可以测量它们的光谱特征,求出大气气体分子的密度,从而确定大气中废气和有毒有害气体的含量,并可用此来对大气环境进行监测。

也可以植物对大气环境的指示作用来判别大气环境质量、污染程度与扩散影响,植物的颜色,生长状态等都能反映出大气的质量状况,通过GIS中应用相应的空间分析与评价模块进行数据处理和分析,可以对大气污染作出客观、可靠的判断[5]。

2.1.2固体废物堆场污染监测

固体废弃物主要有居民生活垃圾、建筑垃圾、工业垃圾以与混合垃圾等。

由于固体废物自身的物理化学分解作用,其温度一般高于周围地物,在热红外图像上显示明显的色调特征。

根据有关的遥感图像解译标志,定期利用遥感图像为信息源进行固体废弃物堆的监测,并通过GPS技术确定相应的空间位置,然后在GIS中对不同时相的固体废弃物污染信息进行比较,以确定其发展趋势,并结合城市产业布局与垃圾处理系统设置,实施相应的管理策略,以实现对固体废弃物的动态监测和有效管理[6]。

因为各个城市多种环境因素的不同,城市中各种固体废弃物堆场的分布在空间与时间上都会受到影响,城市中有的堆放物的影像特征与固体废弃物堆很相似,这些,会妨碍做出正确的判断。

因此在查看生成的图像时,还需要根据堆放位置来进行堆放物性质的判断,从而进行正确的固体废物堆场污染监测。

2.1.3噪声污染监测

随着工业生产、交通运输和城市建设的发展,环境噪声污染日益严重,城市环境噪声监测可以正确反映出城市噪声的总体水平以与暴露在该水平下的人群数量。

了解城市噪声污染现状,为噪声控制标准、目标的制定,环境噪声空间分布特征和发展趋势的研究,城市总体规划等提供科学依据,还可以通过不同途径直接或间接地为环境管理服务,达到保护和改善城市区域环境质量的目的。

城市区域环境噪声监测采用网格法,即将测量的某一区域划分成等距离的网格,在其中心位置进行测量。

在以往区域环境噪声监测工作中,用步测或者某些工具简易测量网格中心点位的位置,其结果不往往精确,与中心点位偏离。

而且一旦点位固定,以后数年的监测就可能会因人员变换等客观上的原因引起系统误差。

采用"3S"技术,当某网格中心点坐标被保存在GPS中后,即使该点周围声学环境发生明显变化、监测人员更换,也可以利用GPS的自动导航功能,按照仪器中的方位指示轻易找到目标。

将该点测量值与历年的值进行比较时,可比性将大大增加。

对于经理论计算,经纬度的测点在现场必须偏移的,可将偏移后的该点经纬度保存至GPS中,监测工作结束后,将GPS中的点位图下载至计算机中,处理编制以后,为今后的监测工作带来方便[2]。

2.1.4热污染监测

城市气温高于外围郊区的现象,我们称为"热岛效应"。

城市热岛效应是一种热污染现象[7]。

目前对城市热岛的监测主要有基于温度的热岛监测方法和基于植被指数的热岛监测方法。

利用热红外遥感图像能够对城市的热岛效应进行有效的调查,对城市下垫面的热辐射进行白天和夜间扫描,在热红外图像上,温度高的地区色调为浅色,温度低的地区则为深色。

通过影像判读分析、调查,可以查明城市热源、热场的位置和X围,并利用GIS空间分析技术,对热岛的时空分布、热岛强度等进行动态监测,综合分析城市热力分布特征和变化规律。

徐军强等采用了"3S"技术,借助不同的TM/ETM+遥感影像,通过计算其亮温变化,研究了XX近12年热岛效应的时空演化规律[8]。

2.1.5公路环境监测

随着人们对公路环境问题与其规律认识的不断深化,公路环境监测正从一般意义上的环境污染因子监测开始向生态环境监测过渡和拓宽。

公路生态监测是对公路两边X围内生态系统的宏观监测,是一项宏观与微观监测相结合的工作。

国内已经成功地应用"3S"技术进行了公路生态环境监测保护并获得成功,建立了公路生态环境数据库,为政府规划决策、资源开发、环境保护等提供科学依据和服务。

邱丰收等以京福高速XX至XX段沿线两侧各500ｍ的生态环境为研究区,研究区的遥感影像〔TM,2006/ETM+,2002〕、地形图、GPS野外定位的样点资料等为基础,获取京福高速XX至XX段沿线地区土地利用／覆盖变化〔LUCC〕情况,结合实际调查的样地的生物环境资料,对其生态环境的现状和变化进行了监测和评价[9]。

2.2土壤变化监测

"3S"技术对土壤变化的研究主要包括土壤水分研究、土壤沙化、盐碱化与土壤侵蚀研究等。

目前国内的研究应用有：

荒漠化动态演化模拟分析、水土流失遥感监测等,为水土流失治理、生态环境建设提供了决策依据。

汪竹青等以GIS为平台,以XX江流域为实验区,进行了基于3S技术的水土流失定量遥感方法的应用探究,建立了XX江流域水土流失动态监测模型,完成了该区域的水土流失定量监测[10]。

运用3S技术进行环境监测,具有常规方法无可比拟的技术优势,可以有效实现对区域环境实时、动态、准确的监测和分析,有助于了解其发展过程与污染损失情况,为治理决策提供依据。

这大大提高了服务的时效性、准确性,提高了环境监测的质量和效率。

虽然我国3S技术应用起步较晚,在应用过程中还存在一些问题,但随着今后研究的不断深入,相信3S技术将在土壤监测与保持水土流失上会发挥更加重要的作用。

2.2.1农业生态环境监测中的应用

在农业生态环境监测中,"3S"技术可用于土地的生产潜力评价、土地的适宜性评价、土地持续利用评价与土壤侵蚀、土地沙化和土地次生盐渍化等方面的监测。

除了对土地环境的监测除实地进行定位观测外,还可以将不同时期的同一幅影像进行影像迭加、对比,从而获取更加形象的图像,准确地看出土地资源的变化情况、耕地地面温度、土壤水分的旱涝状况等,环境条件以与农作物的生长状况。

也可以通过远红外和热红外接收的遥感影像探测到所研究区域水土保持情况[11]。

图2土壤监测系统流程图

2.3水体污染监测

因溶解或悬浮于水中的污染成分浓度不同,使水体颜色、密度、透明度和温度产生差异,会导致水体反射波谱能量的变化；而在遥感图像上能反映出这些细微的差别。

从而利用"3S"技术可以对河流的水质与水量进行监测,能够准确的显示不同地区的水环境状况,体现出水体环境质量的变化趋势,通过模拟直观的反应出污染源,排污口等环境要素在空间上的分布[12]。

2.3.1湖泊沼泽中的监测

2.3.1.1水域分布变化和水体沼泽变化

对水体的监测是以污染谁和清洁谁的反射光谱特征研究为基础的,清洁水的光吸收能力强,反射率低,使得清洁水与污染水在遥感影像的颜色色调不同。

水体总体反射率较低,在波长0.5μm～0.7μm处相对较高,0.7μm之后由于水体红外光吸收严重,反射率很低。

对于水域分布变化,选用1.55μm～1.75μm的多时域影像为宜。

沼泽化在多时域图像上反映为水体面积缩小,从水体向边缘呈规律变化,显示出程度不同的植被特征[13]。

2.3.1.2水体营养化

当水体出现富营养化时,由于浮游植物中的叶绿素对近红外光具有明显的"陡坡效应",因而水体兼有水体和植物的光谱特征,在彩色红外图像上,呈现红褐色或紫红色。

根据这一特点,系统综合利用RS、GPS与常规监测技术,以GIS为信息处理平台,通过对被污染水体与正常水体的光谱资料的比较,可对水体的污染源、影响X围、面积和浓度等进行监测,从而对一个地区的水资源和水环境等做出科学评价[14]。

2.3.1.3水体中泥沙污泥

水体中泥沙含量增加会使水的反射率提高。

随着水中悬浮泥沙浓度的增加与悬粒径增加,水体反射量也逐渐增加,反射峰亦随之向长波方向移动,即红移。

由于水体在0.93μm～1.13μm附近对红外辐射吸收强烈,因而反射通量降低,受水分瑞利散射效应干扰,不适宜作为悬浮泥沙浓度的判定波段。

定量判读悬浮泥沙浓度的最佳波段为0.65μm～0.85μm[14]。

万余庆[15]等以黄土高原几类为试验品,定量研究了不同泥土含量与水体光谱反射率的关系,认为高光谱遥感技术可以探测水体泥沙含量。

含有各类土壤的水体在波长1550～1850nm、1350～1380nm的光谱反射率与泥沙含量线性相关性明显。

因而,可以采用"3S"技术对水体中的污泥进行探测,通过所形成的影像来判断水体的泥沙含量,为河道的治理以与水质的改善提供详细的基础资料。

2.3.1.4废水污染和水体热污染

热污染大多由工厂中排出的热水造成,不仅危与水体中的生物,还影响农作物生长。

废水因为在水色与悬浮物性状上有着差别,所以特征曲线也不一样。

废水污染一般用多光谱合成图像监测,有的根据温度差异也可用热红外方法测定。

遥感监测水体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。

在图像可显示出热污染排放、流向和温度分布等有关的物理特性[16]。

王坚[17]根据卫星遥感的原理与影像解译方法,通过对热红外和微波遥感等水体热污染监测方法的研究,提供了实用的水体热污染遥感监测分析方法。

2.3.2在海洋监测中的应用

遥感在海洋调查中显示了它独特的大X围、多时相、高分辨率的特点,由于海水中各波段对不同物质的影响在显示上有所不同,可以通过不同的处理来获取海面虚浮泥沙,浮游生物等污染物的信息。

"3S"技术在河口泥沙规律研究、海水监测、海温监测、海况监测、海洋初级生产力与渔场监测、海洋污染监测等方面已发挥了重要作用,对空间规模宏大和时间变化迅速的厄尔尼诺效应、黑潮、赤潮、墨西哥湾流等的监测已取得较好的效果[18]。

2.3.2.1海洋生态生物监测

海洋中的生物与其周围环境是海洋生态系统中的统一有机体,海洋中鱼类的集群X围、洄游路线和资源丰富度不仅受水温影响,而且与浮游植物生物量、营养物质浓度、海水盐度、溶解氧、潮汐和气象等因素密切相关[13]。

由于浮游植物中的叶绿素对蓝光、红光有较强的吸收作用,无机颗粒物质可吸收入射光,影响水体的透明度等,因而卫星遥感可实现对海洋信息大X围、高精度、全天候的同步采集,在渔场环境分析和渔情分析预报方面有极大的优势。

2.3.2.2在海洋污染监测中的应用

海洋污染源主要有两类,一类是石油污染,包括船只排油、溢油事故、海上油井泄漏等；另一类是污水,包括工业污水和生活污水。

通过对资源卫星数据处理,可以把油膜从海水背景中区分出来,并能计算出各区的面积和油量；通过对污染发生后各天的气象卫星图像的对比分析,可以确定油膜的漂移方向,计算出其扩散速度和扩散面积。

卫星遥感可实现对海洋大X围、全天候的污染监测。

利用卫星上的可见光/多光谱辐射传感器,不仅可以判定海面油膜的存在,还可以测定油膜扩散的X围、油膜厚度与污染油的种类。

通过监测水温、水色和海面磷酸盐浓度等因素与变化,可以获知赤潮位置、X围、扩散漂移方向等信息[19]。

2.4植被演化监测

植被是地球环境中重要的组成部分,是反应地球环境的最好标志,通过遥感技术对植被进行监测,其目标是对由人类诱导和自然影响产生的植被变化的原因和结果进行探讨、预测、评价、响应,为环境和资源的开发提供强有力的科学依据,使得这些开发活动对环境是合理的、可操作的,对生态系统是可持续利用的。

通过GIS的综合分析,可对一个区域的植被演化等情况进行监测、分析,了解植被演化的动态,为决策提供服务。

目前主要应用内容有：

植被的识别、植物季相节律的研究、植被类型的研究、植物退化演替研究、植物生物量研究等[20]。

2.4.1森林生态环境监测中的应用

近年来,"3S"技术已广泛应用于森林资源、荒漠化、湿地、野生动植物、森林火灾以与森林病虫害等资源与生态环境监测。

在GIS的帮助下,利用原有的各种地理要素和专业要素,加上遥感RS和全球定位系统GPS获得的最新数据建成强大而完善的森林数据库,通过数据库以与各种预测监测模型和国家政策,从而选出最优的规划、监测方案。

GIS与RS结合在宏观上对森林害虫进行有效监测害虫适宜生境的风险评估、病虫害空间分布动态监测、病虫害发生趋势预测,与专家系统、人工智能相结合还可建立森林害虫治理决策模型和支持系统。

"3S"技术在森林火灾防控中主要应用于火灾的实时监控和灾后的损失评估[22]。

可以根据气候、可燃物积累和含水量、林木组成等预测火灾可能发生的地区、时段和火灾等级,以采取防X措施；火灾发生时可以预测其发展趋势,为灭火方案提出决策的依据；灾后,通过"3S"技术可以对火灾区域扫描,迅速的查出损失,并对环境的变换进行评估[21]。

2.4.2草原境监测的应用

草原生态环境监测的内容是多层次、多专题的,因此建立一个大型数据库才能满足对数据灵活调用的需求。

基于适合于我国生态环境监测的两个层次,宏观航天遥感监测与地面定位监测,把草原生态环境数据库分为宏观遥感监测数据字库和地面定位监测数据字库。

"3S技术"是监测区域X围内草原生态系统与其组合体的分布、结构组成、面积和动态变化等,最有效的方法。

通过多波段光谱分辨率准确的探测之辈的精细光谱信息,除了能用于植物的识别与分类外,还能对植物的成分以与长势做出评估。

20xx7～9月初,农业部草原监理中心组织XX等17个主要草原省区共采集草原样地和样方8000余个,剔除经纬度缺失和产草量缺失数据点的基础上,剩余样方数据做了标准化处理后仍有2790个样方数据可用。

"3S技术"监测模型的建方便了我国大量的地面产草量数据的调查与收集[22]。

3"3S"技术的不足

目前"3S"技术集成还仅仅限于两两结合,这是"3S"集成的初级和起步阶段,其核心是GIS和RS的结合,这种两两结合虽然优于单一系统,但仍然存在以下的缺陷：

没有统一的坐标空间；光谱数据与空间数据的不同时；不具备支持数据封装能力。

GPS受系统所有国的制约性；在森林和高楼群等环境XX号差；RS受气象条件和大气环境的影响较大。

在真正的操作和运用中,还有着费用高,技术难度大等问题。

我国的"3S"技术在环境监测上还不成熟,仍有较远的路得走,没有发射自己环境污染监测的遥感卫星,缺乏自主独立的信息源。

对于新型的"3S"技术在环境污染监测应用的理论和方法的探索还需要深入,环境污染遥感监测体系与系统也亟待完善。

4发展方向

4.1系统集成一体化的完善

目前关于"3S"的集成研究虽然较多,且有了较多的研究成果,但其内容多是技术之间的相互调用,而直正将三者完全统一,实现一体化数据管理的文章并不多见[23]。

因而"3S"真正集合的一体化成为趋势,向着快速、精确、实用和深入的方向发展。

"3S"一体化集成将最终建成新型的地面三维信息和地理编码影像的实时或准实时获取与处理系统,形成快速、高精度的信息处理流程。

这对遥感技术在环境保护领域的应用与发展具有深远的意义。

4.2"3S"技术监测系统的建立

"3S"技术应用系统将利用卫星遥感数据和地面环境监测数据,建立天地一体化的国家级生态环境遥感监测预报系统以与重大污染事故应急监测系统,可定期报告生态环境、水环境、大气环境的状况与污染趋势。

建立环境"3S"技术监测信息系统是环境遥感技术实用化的必然结果。

资源环境数据库是环境与资源信息系统建设的核心。

"3S"技术监测的信息系统可以提高对环境和资源的宏观调控能力,为我国经济和社会可持续发展战略、布局和趋势的预测,为资源管理、环境保护以与实现资源环境、经济、社会的宏观的调控,提供科学的数据和决策支持。

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