中国科技大学5-环境监测新技术导论(t

1、 第五章：遥感监测技术第五章：遥感监测技术 遥感技术遥感技术是随着是随着空间科学空间科学和电子和电子计计 算机算机技术的迅速发展而兴起的一门技术的迅速发展而兴起的一门边缘边缘 科学科学。它综合了。它综合了空间科学、光学、电子空间科学、光学、电子 学学和和计算机计算机技术的最新成就，是收集技术的最新成就，是收集大大 面积面积、远距离远距离目标目标信息信息的一种现代化的一种现代化探探 测测手段。具有手段。具有快速、准确、省时快速、准确、省时等优等优 点，是帮助人们更广泛、细致、迅速地点，是帮助人们更广泛、细致、迅速地 认识自然界地有力工具。认识自然界地有力工具。 1 概述概述 一一. 遥感鉴测概念

2、与方法遥感鉴测概念与方法: 1. 遥感与遥感监测遥感与遥感监测 遥感遥感：遥远感知事物的意思：遥远感知事物的意思 遥感监测遥感监测：用仪器对一段距离以外的目标：用仪器对一段距离以外的目标或现象进行观测，是一种或现象进行观测，是一种不直接接触不直接接触目标物目标物或现象而能收集信息，对其进行识别、分析、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。判断的更高自动化程度的监测手段。 这种手段最重要的特点是这种手段最重要的特点是不需要采样不需要采样而而直接可以进行区域性的跟踪测量，快速进行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，污污染源的定

3、点、定位，污染范围的核定，污染物在大气中的分布、扩散等，从而获得全染物在大气中的分布、扩散等，从而获得全面的综合信息。面的综合信息。 2. 电磁波遥感：电磁波遥感： 以以电磁波电磁波为媒介，在为媒介，在高空高空或或外层外层 空间空间，通过，通过飞机飞机或或卫星卫星等运载工具携等运载工具携 带的各种带的各种传感器传感器（如（如摄影仪摄影仪、扫描仪扫描仪、 雷达雷达等）来获取地表信息，通过对所等）来获取地表信息，通过对所 获数据的传输处理及判断分析，来了获数据的传输处理及判断分析，来了 解和研究地面物体的解和研究地面物体的形状、大小、位形状、大小、位 置、性质置、性质及其与及其与环境相互关系环境相

4、互关系的一门的一门 应用科学技术。应用科学技术。 电磁波遥感的依据是：电磁波遥感的依据是：地球上任何地物地球上任何地物 都有对电磁波的都有对电磁波的发射、吸收、反射、透射发射、吸收、反射、透射等等特性，称为特性，称为地物光谱特性地物光谱特性。地物的光谱特性。地物的光谱特性与物质结构有密切关系，尤其是与原子能级、与物质结构有密切关系，尤其是与原子能级、分子能级和固体能带直接有关。分子能级和固体能带直接有关。太阳辐射先太阳辐射先通过大气层，再到达地面，一部分被地物吸通过大气层，再到达地面，一部分被地物吸收，另一部分又一次反射经过大气层到达传收，另一部分又一次反射经过大气层到达传感器。感器。遥感技术

5、就是靠传感器接收和记录这遥感技术就是靠传感器接收和记录这部分能量的反射光谱或发射光谱，从而获得部分能量的反射光谱或发射光谱，从而获得各种地物的特征信息。各种地物的特征信息。 电磁波遥感监测系统中的一般传感器电磁波遥感监测系统中的一般传感器 遥感传感器从高空探测地面物体时，所遥感传感器从高空探测地面物体时，所接收到的电磁波能量如下图所示：接收到的电磁波能量如下图所示： 传感器传感器 由于不同地物在不同的波段反射率是不由于不同地物在不同的波段反射率是不同的，因而在不同波段的相片上会呈现不同同的，因而在不同波段的相片上会呈现不同色调。色调。 如：灰棕色的表层如：灰棕色的表层土壤土壤、绿色的、绿色的植

6、物植物和无和无 色的色的水水对不同波长电磁波的反射率对不同波长电磁波的反射率土壤土壤（灰棕色）（灰棕色） 204060百分反射率百分反射率植物植物（绿色）（绿色）水水（无色） 对不同的研究对象，可根据它们各自的对不同的研究对象，可根据它们各自的光谱特性，选择最佳波段、最佳摄影季节的光谱特性，选择最佳波段、最佳摄影季节的相片进行判读相片进行判读 可见，任何物体都具有可见，任何物体都具有光谱光谱特性，具体特性，具体地说，它们都具有不同的地说，它们都具有不同的吸收吸收、反射反射、辐射辐射光谱的性能。在同一光谱区各种物体反映的光谱的性能。在同一光谱区各种物体反映的情况不同，同一物体对不同光谱的反映也有

7、情况不同，同一物体对不同光谱的反映也有明显差别。即使是同一物体，在不同的时间明显差别。即使是同一物体，在不同的时间和地点，由于太阳光照射角度不同，它们反和地点，由于太阳光照射角度不同，它们反射和吸收的光谱也各不相同。遥感技术就是射和吸收的光谱也各不相同。遥感技术就是根据这些原理，对物体作出判断。根据这些原理，对物体作出判断。 3.环境遥感：环境遥感： 利用遥感技术利用遥感技术探测探测和和 研究研究环境污染环境污染 的的空间分布、时间尺度、空间分布、时间尺度、 性质、发展性质、发展 动态、动态、影响影响和和危害危害程度，以便采取环程度，以便采取环 境保护措施或制定生态环境规划的遥境保护措施或制定

8、生态环境规划的遥 感活动。感活动。 4. 遥感技术分类：遥感技术分类： （1）按搭载传感器的遥感平台分类）按搭载传感器的遥感平台分类 地面遥感地面遥感：即把传感器设置在地面平台上，：即把传感器设置在地面平台上， 如车载、船载、手提、固定或活如车载、船载、手提、固定或活 动高架平台等；动高架平台等； 车载天然气管道车载天然气管道泄漏激光遥感泄漏激光遥感航空遥感航空遥感：即把传感器设置在航空器上，如：即把传感器设置在航空器上，如 气球、气球、 航模、飞机及其它航空器航模、飞机及其它航空器 等；等； 航天遥感航天遥感 即把传感器设置在航天器上，即把传感器设置在航天器上，如人造如人造 星、宇宙飞船、空

9、间实验室等。星、宇宙飞船、空间实验室等。航天遥感示意图航天遥感示意图（2）按遥感探测的工作波段分类）按遥感探测的工作波段分类 紫外遥感紫外遥感 ： 探测波段在探测波段在0.30.38m之之 间间 可见光可见光： 探测波段在探测波段在0.380.76m之间之间 红外遥感：红外遥感： 探测波段在探测波段在0.7614m之间之间 微波遥感微波遥感： 探测波段在探测波段在1mm1m之间之间 多光谱遥感：多光谱遥感： 探测波段在探测波段在可见光与红外可见光与红外波段范围之波段范围之 内，但又将这一波段范围划分成内，但又将这一波段范围划分成若干若干 个窄波段个窄波段来进行探测。来进行探测。 高光谱遥感：高

10、光谱遥感： 是在是在紫外到中红外紫外到中红外波段范围波段范围 内，并且也将这一波段范围划分成许内，并且也将这一波段范围划分成许 多非常窄且光谱连续的波段来进行探测。多非常窄且光谱连续的波段来进行探测。 （3）按遥感探测的工作方式分类）按遥感探测的工作方式分类主动式遥感主动式遥感被动式遥感被动式遥感 5、遥感探测方式、遥感探测方式 （1）主动式遥感探测主动式遥感探测： 主动式探测需要人工光源，即由传感器主动式探测需要人工光源，即由传感器 主动地向被探测的目标物发射一定波长主动地向被探测的目标物发射一定波长 的电磁波，然后接收并记录从目标物反的电磁波，然后接收并记录从目标物反 射回来的电磁波。射回

11、来的电磁波。 主动式遥感主动式遥感既要既要发射波束发射波束，又要，又要接接 收回波收回波，通常将这种方式称为雷达工作，通常将这种方式称为雷达工作 方式。方式。 （2） 被动式遥感监测：被动式遥感监测： 被动式遥感被动式遥感： 无人工光源，即传感器不向被探测的目无人工光源，即传感器不向被探测的目 标物发射电磁波，而是直接接标物发射电磁波，而是直接接 收并记录收并记录 目标物反射目标物反射太阳辐射或太阳辐射或目标物自身发射目标物自身发射 的电磁波。的电磁波。 被动式遥感监测采用的方法通常是：被动式遥感监测采用的方法通常是： 红外扫描技术、摄影遥感技术红外扫描技术、摄影遥感技术及及相关相关 光谱技术

12、光谱技术 a） 红外扫描技术红外扫描技术 红外扫描过程图红外扫描过程图红外扫描系统红外扫描系统被测目标被测目标光电转换器光电转换器电信号电信号电光转换器电光转换器光信号光信号照像底片照像底片监测对监测对像影像像影像 b） 摄影遥感技术摄影遥感技术 根据不同物质对电磁波的反射特性不同，根据不同物质对电磁波的反射特性不同，在感光胶片上得到不同的颜色色调的照片进在感光胶片上得到不同的颜色色调的照片进行探测。行探测。 c）相关光谱技术）相关光谱技术 相关关谱技术是一种基于光的吸收原理相关关谱技术是一种基于光的吸收原理并辅以相关技术的遥测方法。根据工作光源并辅以相关技术的遥测方法。根据工作光源发射的光透

13、过气体并经吸收后，检测光强衰发射的光透过气体并经吸收后，检测光强衰减的程度来推算被监测物质的浓度。减的程度来推算被监测物质的浓度。 相关光谱法原理图相关光谱法原理图 光谱图光谱图透过率透过率图图 5-6 相关光谱法原理图相关光谱法原理图 吸收率吸收率相关器组件相关器组件 1相关器组件相关器组件 2 二二. 环境遥感的特点环境遥感的特点 1. 无需采样，也不需要样品处理，方法简便，无需采样，也不需要样品处理，方法简便，分析速度快。分析速度快。 2. 可实时监测污染物质大面积三维空间分布，可实时监测污染物质大面积三维空间分布，对预报污染物质的传播有巨大意义。对预报污染物质的传播有巨大意义。 3.

14、多用途性，可用于水环境遥感、大气环境遥多用途性，可用于水环境遥感、大气环境遥感、生态环境遥感、灾害环境遥感等。感、生态环境遥感、灾害环境遥感等。 4. 不足：测得的污染物浓度是相对浓度，即距不足：测得的污染物浓度是相对浓度，即距离与浓度的乘积，必须借用其他方式才能换算成绝离与浓度的乘积，必须借用其他方式才能换算成绝对浓度。另外，遥测技术要求高，设备研制周期长，对浓度。另外，遥测技术要求高，设备研制周期长，价格昂贵，难以推广普及。价格昂贵，难以推广普及。 2 大气环境遥感监测大气环境遥感监测(主动遥测主动遥测) 大气遥感监测大气遥感监测是指：是指： 大气探测大气探测 仪器与被探测大气在相隔一定距

15、离的仪器与被探测大气在相隔一定距离的 情况下，通过某种辐射波在大气中传情况下，通过某种辐射波在大气中传 播所获得的信息来反演大气参数的一播所获得的信息来反演大气参数的一 种探测方法。种探测方法。 按照遥感探测仪器是否按照遥感探测仪器是否主动的发射主动的发射 探测波束探测波束，大气遥感可分为：，大气遥感可分为： 主动式遥感主动式遥感和和被动式遥感被动式遥感。 主动式遥感主动式遥感既要既要发射波束发射波束，又要，又要接收回接收回波波，通常将这种方式称为雷达工作方式。，通常将这种方式称为雷达工作方式。 被动式遥感被动式遥感主要依靠主要依靠接收大气自身所发接收大气自身所发射的红外光波或微波射的红外光波

16、或微波等辐射实现对大气成分等辐射实现对大气成分的探测。的探测。 按照所用按照所用波束性质波束性质的不同，大气遥的不同，大气遥 感可分为：感可分为： 大气光学大气光学遥感遥感 大气微波大气微波遥感遥感 大气声学大气声学遥感遥感等。等。一、大气激光雷达探测的基本原理一、大气激光雷达探测的基本原理 （主动式探测（主动式探测） abc b脉冲激光器脉冲激光器信号检测器信号检测器接收望远镜接收望远镜 二二. 激光与大气相互作用的各种机制：激光与大气相互作用的各种机制： 三三. 大气探测激光雷达的组成与种类大气探测激光雷达的组成与种类 1. 激光雷达的基本组成激光雷达的基本组成 激光发射系统激光发射系统信

17、号检测系统信号检测系统光学接收系统光学接收系统5632178脉冲激光器光束准直器光束发射器放大器采样平均器光电探测器窄带滤光器微机2. 激光雷达的种类激光雷达的种类 四四. 激光雷达在大气激光雷达在大气 探测中的应用探测中的应用 1. Mie(米氏米氏)激光雷达与气溶胶探测激光雷达与气溶胶探测气溶胶：悬浮在大气中的固态、液态粒子气溶胶：悬浮在大气中的固态、液态粒子数量巨大、成分复杂、性质多样的一种污染物数量巨大、成分复杂、性质多样的一种污染物。 大气的光学厚度：大气的光学厚度： 是指沿辐射传输路径、单位截面上所有吸收和散是指沿辐射传输路径、单位截面上所有吸收和散射物质所产生的总削弱（是无量纲量

18、）射物质所产生的总削弱（是无量纲量） 2. 大气污染的拉曼激光雷达探测大气污染的拉曼激光雷达探测 检测器检测器发射望远镜发射望远镜接收望远镜接收望远镜激光发生器激光发生器光谱分析器光谱分析器数据处数据处理机理机显示显示 储存储存拉曼激光雷达系统拉曼激光雷达系统 工厂烟囱工厂烟囱和和汽车尾气汽车尾气的拉曼光谱图的拉曼光谱图 3. 差分吸收激光雷达探测差分吸收激光雷达探测 差分吸收激光雷达的测试过程图差分吸收激光雷达的测试过程图 激光器激光器烟囱烟囱差分吸收激光雷达的测试过程图差分吸收激光雷达的测试过程图 对烟气对烟气SO2的测试结果的测试结果 abbcbdb 差分吸收激光雷达对不同物质的探测灵敏

19、度差分吸收激光雷达对不同物质的探测灵敏度 O3: 8.010-8CO: 2.510-6SO2: 4.010-8NO: 1.010-7NO2: 4.010-7C6H6: 3.010-8CH4: 7.010-8 4. 共振荧光激光雷达探测共振荧光激光雷达探测 3. 水环境遥感监测水环境遥感监测 一、水环境遥感原理一、水环境遥感原理 水与其他地物的反射率比较水与其他地物的反射率比较 电磁波与水体的相互作用过程图电磁波与水体的相互作用过程图 7234561 11LLL遥感器遥感器 二、水质遥感监测：二、水质遥感监测： 水环境遥感包括水环境遥感包括定性、定量定性、定量两种两种 方法：方法： 定性遥感方法

20、定性遥感方法：是通过分析遥感图是通过分析遥感图 象上的色调（颜色）特征或异常象上的色调（颜色）特征或异常对水对水 环境进行评价的。这往往需要了解环境进行评价的。这往往需要了解水水 环境化学现象与遥感图象色调之间的环境化学现象与遥感图象色调之间的 关系关系，建立，建立图象解译标志图象解译标志。 定量方法：定量方法：建立在建立在定性定性方法之上，通方法之上，通常需要获得与遥感图像同步（或准常需要获得与遥感图像同步（或准 同步）的实验数据，以标定同步）的实验数据，以标定定量模型定量模型。 水污染分类：水污染分类： 废水污染废水污染 富营养化富营养化 悬浮泥沙悬浮泥沙 石油污染石油污染 热污染和固体漂

21、浮物等类型。热污染和固体漂浮物等类型。 1、石油污染遥感监测、石油污染遥感监测 主要根据未污染海水与石油膜的反主要根据未污染海水与石油膜的反 射率及辐射温度不同进行探测。射率及辐射温度不同进行探测。 （1）.在夜晚拍摄的在夜晚拍摄的热红外热红外图象上，图象上， 未污染区未污染区呈呈白色白色，排油区排油区呈呈黑色条带黑色条带， 根据图象颜色深浅，可计算出石油覆根据图象颜色深浅，可计算出石油覆 盖含量。盖含量。 石油膜的状态与含量如下表所示：石油膜的状态与含量如下表所示： （2）.紫外光（紫外光（190400纳米）对纳米）对 厚度小于厚度小于5mm的各种水面的各种水面油膜油膜敏感，敏感， 油膜对紫

22、外光的反射率比海水大油膜对紫外光的反射率比海水大1.2 1.8倍，有较好的亮度差，颜色呈浅色倍，有较好的亮度差，颜色呈浅色调。调。 （3）用微波辐射计作传感器，即可用微波辐射计作传感器，即可 观测水上油膜，也可监测其油膜厚度。观测水上油膜，也可监测其油膜厚度。 （4）声学声学遥感技术、遥感技术、湿度湿度测试法，测试法， 激光扫描激光扫描成像、成像、激光荧光激光荧光遥感都能进遥感都能进 行海上油膜探测。行海上油膜探测。 通过遥感技术可及时发现海上通过遥感技术可及时发现海上 泻油事故，泻油事故，得到得到排油源排油源和和油污面积。油污面积。 估算估算排污量排污量 ，还可得到还可得到油污的扩散方油污的

23、扩散方 向向和和扩散速度，扩散速度，预测其预测其将影响的区域。将影响的区域。 2、废水污染遥感监测、废水污染遥感监测 （1）.污染水与洁净水的光谱反射污染水与洁净水的光谱反射 特征有明显差异。特征有明显差异。 （2）.单一性质的工业废水随所含单一性质的工业废水随所含 物质的不同色调有差异。物质的不同色调有差异。 （3）. 城市污水及各种混合废水在城市污水及各种混合废水在 彩色红外图象上呈黑色。彩色红外图象上呈黑色。 黄河口污染区黄河口污染区 也可根据污水排放的控制点、扩散也可根据污水排放的控制点、扩散 方式、稀释混合等特征识别水体污染状方式、稀释混合等特征识别水体污染状 况。况。 对遥感图像适

24、当处理，进行人工解对遥感图像适当处理，进行人工解 译或目视解译，就可获得水体污染的译或目视解译，就可获得水体污染的 信息。信息。 可以获得的信息有：可以获得的信息有：污染源类型、污染源类型、 排污口、污染程度、污染范围排污口、污染程度、污染范围等。等。 4 遥感监测技术存在的问题及展望遥感监测技术存在的问题及展望 目前，遥感技术正从单一遥感资料的分目前，遥感技术正从单一遥感资料的分析向多时相、多数据（包括非遥感数据）的析向多时相、多数据（包括非遥感数据）的信息复合与综合分析过度。从对各种事物的信息复合与综合分析过度。从对各种事物的表面性描述。向内在规律分析、定量化分析表面性描述。向内在规律分析

25、、定量化分析过度。就环境遥感而言，有待于在以下几个过度。就环境遥感而言，有待于在以下几个方面加强研究。方面加强研究。 1. 环境遥感的定量化、集成化、系统化环境遥感的定量化、集成化、系统化及全球化。及全球化。 2. 环境的主动和被动式卫星遥感的一体环境的主动和被动式卫星遥感的一体化。化。 3. 高光谱、多角度、多时相、多偏振高光谱、多角度、多时相、多偏振 等多种数据源的综合利用。等多种数据源的综合利用。 4. 高性能传感器的研制，重点发展能够高性能传感器的研制，重点发展能够选择监测某种或某类优先污染物（如氯苯和选择监测某种或某类优先污染物（如氯苯和硝基苯等）浓度的传感器。硝基苯等）浓度的传感器

26、。 5 “3S”技术的应用技术的应用 一、一、“3S”系统的组成与功能系统的组成与功能 “3S”技术是指：技术是指： 遥感技术遥感技术 RS (Remote sensing) 全球定位系统全球定位系统 GPS (Global system) 地理信息系统地理信息系统 GIS (Geographic information system) 是集是集遥感、全球定位遥感、全球定位与与地理信息系统地理信息系统于于一体的高新技术手段，可以快速、准确的获一体的高新技术手段，可以快速、准确的获取地面的各种信息。取地面的各种信息。 1. 遥感技术（遥感技术（RS） RS就是通过从远距离（不与被测物直接就是通过

27、从远距离（不与被测物直接接触）感知由目标物反射或自身辐射的电磁接触）感知由目标物反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线以实现对目标物进行识波、可见光、红外线以实现对目标物进行识别和探测的技术。别和探测的技术。 现代遥感技术主要包括信息的获取、传现代遥感技术主要包括信息的获取、传 输、储存和处理等环节，完成上述功能的全输、储存和处理等环节，完成上述功能的全 套系统称为遥感系统。由套系统称为遥感系统。由遥感器、遥感平台遥感器、遥感平台 及及遥感数据处理系统遥感数据处理系统组成，其核心部分是获组成，其核心部分是获 取信息的取信息的遥感器遥感器。 卫星遥感示意图卫星遥感示意图 2. 全球定位系统（全球

28、定位系统（GPS） GPS主要由主要由导航卫星、导航卫星、 地面控制地面控制、用户接用户接收机收机三部分组成。三部分组成。 GPS可为全球提供全天候、连续、适时可为全球提供全天候、连续、适时 高精度的三维位置、三维速度以及时间数据，高精度的三维位置、三维速度以及时间数据，能与计算机相联，完成能与计算机相联，完成GIS的数据联接。的数据联接。 全球定为系统全球定为系统 北斗导航卫星系统北斗导航卫星系统 3. 地理信息系统（地理信息系统（GIS） GIS是一种为了获取、存储、检索、分是一种为了获取、存储、检索、分析、析、 和显示空间定位数据而建立的计算机化的和显示空间定位数据而建立的计算机化的数数 据库管理系统据库管理系统。它是以空间数据库为基础，。它是以空间数据库为基础， 采用地理模型分析方法，适时提供多种采用地理模型分析方法，适时提供多种空间空间的的和和动态的动态的地理信息，为地理研究和地理决地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机系统。策服务的计算机系统。 在地理信息系统中储存和处理的数据可在地理信息系统中储存和处理的数据可分成两类：分成两类： 第一类第一类: 是反映事物地理空间位置的信息，是反映事物地理空间位置的信息，称为称为空间信息空间信息或或空间数据空间数据（也称地图数据或（也称地图数据或图形数据）图形数据） 第二类第二类：是与地理位置有关的反映事物