遥感技术在大气环境监测中的应用19272.doc

遥感技术具有监测范围广、 速度快、成本低且便于进行长期的动态监测等优势 还能发现有时用常规方法难以揭示的污染源及其扩散的状态 它不但可以快速、实时、动态、省时省力地监测大范围的大气环境变化和大气环境污染 也可以实时、快速跟踪和监测突发性大气环境污染事件的发生、发展 以便及时制定处理措施 减少大气污染造成的损失。因此遥感监测作为大气环境管理和大气污染控制的重要手段之一 正发挥着不可替代的作用。1 大气环境遥感监测技术的基本原理遥感监测就是用仪器对一段距离以外的目标物或现象进行观测是一种不直接接触目标物或现象而能收集信息对其进行识别、分析、判断的更高自动化程度的监测手段。 它最重要的作用是不需要采样而直接可以进行区域性的跟踪测量快速进行污染源的定点定位污染范围的核定污染物在大气中的分布、 扩散等从而获得全面的综合信息。根据所利用的波段 遥感监测技术主要分为紫外、可见光、反射红外遥感技术热红外遥感技术和微波遥感技术三种类型。大气环境遥感监测作为遥感技术应用中较为重要的内容之一在业务上不同于常规气象要素的监测。常规气象要素遥感监测1 主要是指测量大气的垂直温度剖面、大气的垂直湿度剖面、降水量及频度、云覆盖率云量和云层厚度 和长波辐射、风风速和风向 、地球辐射收支的测量等。 而大气环境遥感则是监测大气中的臭氧o3 、 co2 、so2 、甲烷ch4 等痕量气体成分以及气溶胶、 有害气体等的三维分布。 这些物理量通常不可能用遥感手段直接识别但由于水汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等微量气体成分具有各自分子所固有的辐射和吸收光谱特征如影响水汽分布的主要光谱波长在 017m o3 在 01550165m 之间存在一个明显的吸收带等因此我们实际上可通过测量大气散射、吸收及辐射的光谱特征值而从中识别出这些组分来。研究表明在卫星遥感中有两个非常好的大气窗可以用来探测这些组分即位于可见光范围内的 01400175m 的波段范围和在近红外和中红外的 0185m、1106m、1122m、1160m、2120m 波段处。2 大气环境遥感监测技术的应用大气环境遥感监测技术按其工作方式可分为被动式遥感监测和主动式遥感监测被动式遥感监测主要依靠接收大气自身所发射的红外光波或微波等辐射而实现对大气成分的探测主动式遥感监测是指由遥感探测仪器发出波束、次波束与大气物质相互作用而产生回波通过检测这种回波而实现对大气成分的探测。由于主动式大气探测仪器既要发射波束又要接收回波通常将这种方式称为雷达工作方式。根据遥感平台的不同大气环境遥感监测又可分为天基、空基遥感和地基遥感。天基、空基遥感是以卫星、宇宙飞机、飞机和高空气球等为遥感平台地基遥感则是以地面为主要遥感平台。本文将根据大气环境遥感监测技术的工作方式和遥感平台的不同从四个方面来介绍大气环境遥感监测技术在实际中的应用。2. 1 大气环境的被动式空基遥感监测目前利用被动式空基遥感对大气环境监测主要包括:对臭氧层的监测对大气气溶胶和温室气体如 co2 、甲烷ch4 的监测对大气主要污染物、大气热污染源以及突发性大气污染事故如沙尘暴等的监测。大气环境污染主要体现在大气污染物上大气污染物的种类约有数千种已发现有危害作用而被人们注意到的有一百多种其中大部分为有机物。本文为了论述的方便将大气污染的主要污染物按污染区域及污染性质分为三大类第一类为区域性污染的大气污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、大气颗粒物包括可吸入颗粒物 、有机污染物等第二类为灾害性大气污染如沙尘暴、有毒气体的泄漏等第三类为在全球变化中起着不可忽视作用的污染物如对流层气溶胶、臭氧o3 、co2 、甲烷ch4 等。本文将针对以上三大类污染物来介绍被动式空基遥感在大气环境监测中的应用。21111 区域性大气污染物的被动式空基遥感监测利用遥感对大气环境进行监测的其中一个方面是对区域性大气污染物的监测然而区域性大气污染信息是叠加于多变的地面信息之上的微弱信息这些物理量通常不可能用遥感手段直接识别提取非常困难一般的地物提取方法均不实用。目前常用的方法主要有两类一类是根据污染地区地物反射率发生变化边界模糊的情况来对大气污染情况进行估计2 3 另一类是间接方法主要根据树叶中 so2 等污染物含量与遥感数据中植被指数的关系估计大气污染的情况4 。王雪梅、邓孺孺等5 分析了卫星遥感像元信息构成的物理机制 将像元信息概化为土壤、植被、水体等基本信息类型的线性集合与污染气体 so2 nox 信息的简单叠加首次从 tm 卫星数据直接定量提取珠江口地区大气污染气体累加浓度信息。实验结果表明所提取的污染信息满足精度要求。有学者6 7 用红外航片资料研究了环境污染区与植被的响应关系指出受污染杨树与正常健康的杨树相比光谱发射率在近红外波段017111 有较大幅度的下降而在红波段016017 则有所增加叶绿素指数也迅速减少因此叶绿素指数可成为反映大气污染的一个重要指标。l. bruzzone8 等利用搭载在 ers - 2 卫星上的 gome 和 atsr - 2 传感器所接收到的数据通过两种方法对生物燃烧排放到对流层中的 no2 进行了计算一种是假设这两种传感器所获得的数据与 no2 浓度之间存在线性关系另外一种是用基于辐射传输方程神经网络的非线性无参数方法来反演 no2 浓度。实验结果表明这两种方法在实际反演 no2 浓度时效 s.果较好。 corradini 等人9 根据 aster 数据 利用劈窗算法 the split2window technique计算了意大利 mt etna 火山排放的 so2 试验证明运用该方法可较为准确地计算出 so2 的分布。21112 灾害性大气污染沙尘暴的被动式空基遥感监测利用遥感技术对大气环境进行监测的另一个方面是对大气污染事故的监测如对沙尘暴的监测。沙尘暴是严重的生态环境问题同时也是严重的大气污染问题它突发性强危害巨大当沙尘暴发生时大量沙尘粒子悬浮于空中并随风移动对人畜及环境造成极大危害。沙尘暴属于大气气溶胶的一种极端情况。在气象学中沙尘暴是指强风从地面卷起大量沙尘使空气很浑浊水平能见度小于 110km 的灾害性天气现象。 周明煜等10 利用 noaapavhrr 资料分析了 1993 年 4 月北京、 天津上空沙尘暴特性得到在沙尘暴发生时avhrr 可见光通道 1 和可见光通道 2 的反射率都有增加沙尘暴强度越大反射率增加越大但仅给出了反射率增加的大小而没有根据卫星反射率的变化对沙尘暴进行定量研究。目前对沙尘暴的遥感监测主要是利用 gms 和 noaapavhrr 数据其研究表明 gms 的红外通道数据有利于确定沙尘暴的位置同时它所具有的高时间分辨率1h 更有利于大尺度监测沙尘暴的运动轨迹1114 。 由于 noaapavhrr 数据不但可以监测到沙尘暴反射辐射特性15 16 而且可以在较大尺度上监测到沙尘暴的时空分布11 12 因此是目前沙尘暴研究和监测的主要遥感信息源。21113 影响全球大气环境污染物的被动式空基遥感监测在大气环境研究方面世界各国科学家、政府及相关机构不仅关注于局地性的大气环境而且更注重于全球大气环境的质量如温室气体效应、全球臭氧空洞以及气溶胶的直接、间接气候强迫效应等导致的全球变化。自 1978 年以来科学家们利用搭载在 nimbus - 7 卫星上的臭氧制图光谱仪toms 对大气中臭氧进行了卫星观测开创了利用遥感手段对全球变化进行研究的先河。varotsos 等17 利用 19791992 年 13 年的 nimbus- 7toms 遥感数据分析了希腊上空的臭氧衰减研究结果表明 其上空的臭氧衰减率为每年 018 日本18 于 1996 年发射的adeds - 卫星上搭载有温室气体干涉监测仪可提供全球大气中的 co2 、ch4 和 cfcs等温室气体的遥感监测数据。此外利用 ers - 2 上搭载的全球臭氧监测实验装置gomz和大气制图学 p 化学扫描成像吸收光谱仪sciamachy 可对 co 和 o3 体积浓度进行全球制图19 。气溶胶不仅影响全球变化而且也是影响区域大气环境质量的主要因素因此本文将重点介绍被动式空基遥感在气溶胶监测中的应用以及探测气溶胶的卫星传感器的发展历程和特点。在对气溶胶的遥感监测方面高分辨率的卫星遥感不但提供了监测大气气溶胶的可能性而且还弥补了一般地面观测难以反映气溶胶空间具体分布和变化趋向不同的缺陷为全球和区域气候的研究以及城市污染的分析提供了丰富的研究资料。 气溶胶是指悬浮在大气中的各种液态或固态微粒通常所指的烟、雾、尘等都属于气溶胶它对大气中发生的许多物理化学过程有着重要的影响。气溶胶有众多的自然源和人为源但基本上可分为陆源气溶胶和海源气溶胶两种。 国际上卫星遥感气溶胶的研究开始于二十世纪 70 年代中期我国科学家从 80 年代中期开始也进行了这方面的研究。1986 年赵柏林等20 利用 noaapavhrr 资料对海上大气气溶胶进行了研究由于是研究的尝试阶段仅对渤海上空一个点进行了测量结果表明对气溶胶浓度计算所达到的精度可以满足气候和环境研究的需要。刘莉21 利用 gms - 5可见光通道研究了湖面上空气溶胶光学厚度试验证明了该方法的可行性。毛节泰、李成才等利用 modis 资料和地面多波段光度计资料对整个中国、 中国东部地区及四川盆地等地的气溶胶特性做了大量的研究工作并取得了一定的成果。国际上在利用卫星资料研究气溶胶方面作了很多的工作尤其是在利用气溶胶光学特性并根据其路径散射光谱进行反演方面。目前国外对气溶胶进行反演的方法主要有 8 种即单通道反射率反演法、多通道反射率反演法、基于稠密或暗色植被区的黑体反演法、陆地上空对比度削减法、热对比法、陆地海洋对比法、反射率角度分布法及极化方法。griggs22 23 发现在海洋表面上空垂直反射出去的太阳辐射值随气溶胶光学厚度的变化而近于线性增加基于此线性关系建立了海上气溶胶光学厚度单通道反演方法但这种方法仅限于用在如海洋等低反射率表面的情况因为当地表反射率较大时这种线性关系不能很好成立。mekler 等24 在辐射传输方程的基础上利用地球资源观测卫星 erts 反演了气溶胶含量效果较好。 yoramj 等25 提出一种能在地表反射率有变化的区域如水陆交界处 运用的反演算法这种算法对辐射传输方程进行了近似适用于平面平行大气可用波长范围限于 014018mkaufman2628 等通过大量飞机试验发现对于植被密集的具有较低反照率的地表 2113m 近红外通道反照率和 0147m、 0166m 可见光通道反射率相关较好此方法已成功地运用于 modis 的气溶胶反演。随着卫星技术的发展监测气溶胶属性用的卫星传感器也在不断的发展。 过去19811998 年对气溶胶光学厚度的反演使用最多的卫星传感器是搭载在 noaa 卫星上的 avhrr 主要工作是利用它的第一通道0163m 进行海洋上空气溶胶光学厚度的监测。 该传感器本身具有很多缺点如可见光波段没有进行星上校正等29 。 为了避免太阳光的直射自 1981 年以来反演海上气溶胶光学厚度仅使用午后极轨卫星noaa - 7 noaa - 9 noaa - 11 noaa -14 且人们对海洋上空气溶胶性质的了解主要来自于对其单通道的反演rao etal . 1989 stowe et al . 1997 。之后人们对气溶胶性质的研究逐渐转为使用搭载在 nimbus - 7 上的toms 传感器该传感器对气溶胶吸收特性比较敏感但是在气溶胶定量分析和确定气溶胶层的高度方面具有很大的不确定性torres et al . 1998 。1995 年欧洲空间局 esa发射了一种新型的多角度传感器 atsr 搭载于 ers - 2 卫星上利用这种传感器可以对全球的气溶胶光学特性进行研究它的波段范围与 avhrr 相似但是它有两个不同的扫描角因而对气溶胶反演精度有了很大的提高。1996 年日本发射了自己的第一颗地球观测卫星advanced earthobservation satellite - adeos 该卫星上搭载的传感器有由 cnes 和法国空间局提供的辐射偏振探测器 polder 这是一种敏感的 octs 传感器。polder 辐射偏振探测器是第一个针对海陆气溶胶进行反演而设计的传感器octs 传感器主要是对海温和水色遥感而设计的它可以倾斜在热带地区可以避免太阳光的照射octs传感器现在已经成功地应用于对海面气溶胶的反演 但 polder 和 octs 传感器都没有进行星上校正。1997 年 nasa 和 orbimage 发射了 seawifs 传感器该传感器是商业用的通过它可获得全球的水色数据然后提供给全世界的渔民同时也可被用来对海洋上空气溶胶光学厚度进行反演该传感器没有热红外波段也没有星上校正其主要缺点是波段较窄很难穿透云层。1999 年nasa 成功发射了地神 terra 卫星后对对流层气溶胶遥感能力有了较大的提高他们还特别针对气溶胶设计了两个传感器:modis 和misr。modis 是一个具有中等空间分辨率2501000m 由 36 个通道成像分光计构成的传感器而且进行了精确的辐射校正。modis 突出的特点之一就是可利用 17 个波段来区分出云、阴影、浓气溶胶和火灾ackerman et al . 1998 king etal . 1998 misr 是四通道 ccd阵列提供了九个单独观测角度的传感器利用该传感器获得的数据能够反演海洋和陆地上空气溶胶光学厚度和气溶胶类型。 2000 年发射的 envisat - 1 是欧洲空间局 esa 的一颗高级环境卫星 上面携带的传感器是 aatsr 和 meris。aatsr 类同于 atsr - 2 meris 传感器采用的是推扫式仪器能够在 15 个波段上收集数据。 nasda 于 2000 年发射了 adeos -卫星上面携带的传感器是 polder 和 gli gli 传感器类同于 modis 利用 gli 的数据能够对海洋和陆地上空气溶胶进行反演。2002 年nasas eoschem 卫星携带 omi 升空该传感器也被认为能用来反演陆地及海洋上空的气溶胶该传感器类同于 tom 传感器只是空间分辨率有了较大的提高。212 大气环境的主动式空基遥感监测目前大气环境的主动式空基遥感监测主要是星载或机载的微波雷达。此外还有微波高度计和微波散射计。主动式雷达是由发射机通过天线在很短的时间内向目标物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲然后用同一天线接受目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器。不同物体回波信号的振幅、位相不同故接受处理后可测出目标地物的方向、距离等数据。目前许多国家都制定了空间雷达探测计划 美国 nasa 于 1993 年首先利用机载的探测雷达监测了大气中气溶胶的分布1998 年 nasn 再次利用载有雷达的极轨卫星测量了大气中的气溶胶、水汽、臭氧等成分1994 年bourdon. a30 在希腊雅典利用机载差分吸收雷达测量了该市上空的光化学雾获得了一些大气污染物空间分布数据如 so2 、no2 、臭氧和气溶胶等的分布。胡顺星等31 利用激光雷达对对流层 24km 高度范围的臭氧分布进行了测量 结果表明 用 yag 激光产生的两个波段266nm 和 289nm 可以得到比较精确的臭氧分布。 刘金涛等32 采用高光谱分辨率激光雷达hsrl 系统同时测量了大气风和气溶胶的光学特性取得了较好的效果。213 大气环境的被动式地基遥感监测以上介绍的大气环境遥感监测主要是以卫星或航天飞机为遥感平台的主动、 被动式遥感监测地面上的遥感监测也是大气环境遥感的重要组成部分。 目前大气环境的被动式地基遥感监测主要有:太阳直接辐射的宽带分光辐射遥感、微波辐射计遥感、多波段光度计遥感、根据天空散射亮度分布遥感、 全波段太阳直接辐射遥感和华盖计遥感等。 太阳直接辐射遥感是利用日光在大气中的衰减和散射来测量大气组分的它通过对可见光的测量来反演气溶胶利用紫外线波段来测量大气臭氧、二氧化碳等33 由于大气分子的吸收辐射在很宽的频率范围内产生特定的谱线且不同分子及不同的能级跃迁产生的谱线不同微波辐射计就是通过接受这些不同的辐射频率信号来反演大气组分的。 利用微波辐射计可测量大气臭氧和氯化物它测量的大气臭氧精度和地基陶普生光谱仪测量精度相当此外微波辐射计还可测量大气衰减它可以得到精确的大气消光系数这在大地测量、制导和电波通信中是相当重要的34 。多波段光度计遥感是一种以太阳为光源的被动式地基遥感手段自大气上界入射到地气系统的太阳辐射受到大气中气体分子以及大气气溶胶粒子的散射和吸收在地面接收到的太阳辐射包含了大气中气溶胶信息通过测量接收到的辐射就可以反演出气溶胶的信息。利用多波段光度计遥感气溶胶光学厚度是目前气溶胶遥感手段中最准确的方法通常被用来校验卫星遥感的结果如noaa 为验证利用第一代 avhrr 卫星测量海洋上空气溶胶方法的准确性曾经在 10 个沿岸和岛屿观测点及观测船上利用多波段光度计对气溶胶进行了测量并通过比较两种遥感结果的一致性来验证卫星遥感的准确性35 。 毛节泰等36 在利用多波段光度计测量气溶胶方面作了一些研究工作如利用 modis 卫星资料测量了北京地区的气溶胶光学厚度同时与利用地面光度计测量的结果进行了比较试验证明两种方法的测量结果比较接近这说明了利用卫星遥感监测气溶胶是一种地基遥感监测较好的替代方法它可以弥补地基遥感地面观测空间覆盖不足的缺陷。刘桂青37 等 2002 年在浙江临安进行了地面光度计以及粒子谱的观测将观测结果与 modis 的气溶胶产品和空气污染指数api 进行了对比发现两者间具有很好的相关性。214 大气环境的主动式地基遥感监测目前大气环境主动式遥感监测主要是地基遥感监测典型的主动式大气遥感探测仪器有二十世纪 40 年代发明的微波气象雷达和 60 年代发明的大气探测激光雷达。用于大气探测的激光雷达是历史上出现最早的激光雷达也是目前应用最为广泛的一种激光雷达hinkley et al . 1976 measures et al . 1988 。激光波束的波长可与大气中的任何原子、分子发生共振而产生回波不存在大气探测的盲区它主要用于测量大气的状态、 大气污染成分和平流层物质等大气中物质的物理性质及其空间分布特征等。 根据它测量的物质种类和目标的不同可分为米氏激光雷达、瑞利激光雷达、荧光雷达、喇曼激光雷达、差分光激光雷达、多普勒雷达等表 1 。邱金桓等38 于 1982 年 5 月首次用激光雷达监测了沙尘暴的消光特性由于当时所用的激光雷达功率较小只探测到垂直高