中國(guó)科技大學(xué)5-環(huán)境監(jiān)測(cè)新技術(shù)導(dǎo)論t

第五章：遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

遙感技術(shù)是隨著空間科學(xué)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展而興起的一門邊緣科學(xué)。它綜合了空間科學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成就，是收集大面積、遠(yuǎn)距離目標(biāo)信息的一種現(xiàn)代化探測(cè)手段。具有快速、準(zhǔn)確、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，是幫助人們更廣泛、細(xì)致、迅速地認(rèn)識(shí)自然界地有力工具。

§1概述

一.遙感鑒測(cè)概念與方法:

1.遙感與遙感監(jiān)測(cè)

遙感：遙遠(yuǎn)感知事物的意思

遙感監(jiān)測(cè)：用儀器對(duì)一段距離以外的目標(biāo)或現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)，是一種不直接接觸目標(biāo)物或現(xiàn)象而能收集信息，對(duì)其進(jìn)行識(shí)別、分析、判斷的更高自動(dòng)化程度的監(jiān)測(cè)手段。

這種手段最重要的特點(diǎn)是不需要采樣而直接可以進(jìn)行區(qū)域性的跟蹤測(cè)量，快速進(jìn)行污染源的定點(diǎn)、定位，污染范圍的核定，污染物在大氣中的分布、擴(kuò)散等，從而獲得全面的綜合信息。

2.電磁波遙感：

以電磁波為媒介，在高空或外層空間，通過飛機(jī)或衛(wèi)星等運(yùn)載工具攜帶的各種傳感器（如攝影儀、掃描儀、

雷達(dá)等）來獲取地表信息，通過對(duì)所獲數(shù)據(jù)的傳輸處理及判斷分析，來了解和研究地面物體的形狀、大小、位置、性質(zhì)及其與環(huán)境相互關(guān)系的一門

應(yīng)用科學(xué)技術(shù)。

電磁波遙感的依據(jù)是：地球上任何地物都有對(duì)電磁波的發(fā)射、吸收、反射、透射等特性，稱為地物光譜特性。地物的光譜特性與物質(zhì)結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，尤其是與原子能級(jí)、分子能級(jí)和固體能帶直接有關(guān)。太陽輻射先通過大氣層，再到達(dá)地面，一部分被地物吸收，另一部分又一次反射經(jīng)過大氣層到達(dá)傳感器。遙感技術(shù)就是靠傳感器接收和記錄這部分能量的反射光譜或發(fā)射光譜，從而獲得各種地物的特征信息。電磁波遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的一般傳感器

遙感傳感器從高空探測(cè)地面物體時(shí)，所接收到的電磁波能量如下圖所示：

傳感器

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會(huì)呈現(xiàn)不同色調(diào)。

如：灰棕色的表層土壤、綠色的植物和無色的水對(duì)不同波長(zhǎng)電磁波的反射率土壤（灰棕色）

204060百分反射率植物（綠色）水（無色）

對(duì)不同的研究對(duì)象，可根據(jù)它們各自的光譜特性，選擇最佳波段、最佳攝影季節(jié)的相片進(jìn)行判讀可見，任何物體都具有光譜特性，具體地說，它們都具有不同的吸收、反射、輻射光譜的性能。在同一光譜區(qū)各種物體反映的情況不同，同一物體對(duì)不同光譜的反映也有明顯差別。即使是同一物體，在不同的時(shí)間和地點(diǎn)，由于太陽光照射角度不同，它們反射和吸收的光譜也各不相同。遙感技術(shù)就是根據(jù)這些原理，對(duì)物體作出判斷。

3.環(huán)境遙感：

利用遙感技術(shù)探測(cè)和研究環(huán)境污染的空間分布、時(shí)間尺度、性質(zhì)、發(fā)展

動(dòng)態(tài)、影響和危害程度，以便采取環(huán)境保護(hù)措施或制定生態(tài)環(huán)境規(guī)劃的遙感活動(dòng)。

4.遙感技術(shù)分類：

（1）按搭載傳感器的遙感平臺(tái)分類

地面遙感：即把傳感器設(shè)置在地面平臺(tái)上，如車載、船載、手提、固定或活動(dòng)高架平臺(tái)等；

車載天然氣管道泄漏激光遙感航空遙感：即把傳感器設(shè)置在航空器上，如氣球、航模、飛機(jī)及其它航空器等；

航天遙感即把傳感器設(shè)置在航天器上，如人造星、宇宙飛船、空間實(shí)驗(yàn)室等。航天遙感示意圖（2）按遙感探測(cè)的工作波段分類

紫外遙感：探測(cè)波段在0.3～0.38μm之間可見光：探測(cè)波段在0.38～0.76μm之間紅外遙感：

探測(cè)波段在0.76～14μm之間微波遙感：探測(cè)波段在1mm～1m之間

多光譜遙感：

探測(cè)波段在可見光與紅外波段范圍之內(nèi)，但又將這一波段范圍劃分成若干個(gè)窄波段來進(jìn)行探測(cè)。高光譜遙感：是在紫外到中紅外波段范圍內(nèi)，并且也將這一波段范圍劃分成許多非常窄且光譜連續(xù)的波段來進(jìn)行探測(cè)。

（3）按遙感探測(cè)的工作方式分類主動(dòng)式遙感被動(dòng)式遙感

5、遙感探測(cè)方式

（1）主動(dòng)式遙感探測(cè)：

主動(dòng)式探測(cè)需要人工光源，即由傳感器主動(dòng)地向被探測(cè)的目標(biāo)物發(fā)射一定波長(zhǎng)的電磁波，然后接收并記錄從目標(biāo)物反射回來的電磁波。

主動(dòng)式遙感既要發(fā)射波束，又要接收回波，通常將這種方式稱為雷達(dá)工作方式。

（2）被動(dòng)式遙感監(jiān)測(cè)：被動(dòng)式遙感：

無人工光源，即傳感器不向被探測(cè)的目標(biāo)物發(fā)射電磁波，而是直接接收并記錄目標(biāo)物反射太陽輻射或目標(biāo)物自身發(fā)射的電磁波。被動(dòng)式遙感監(jiān)測(cè)采用的方法通常是：

紅外掃描技術(shù)、攝影遙感技術(shù)及相關(guān)

光譜技術(shù)

a）紅外掃描技術(shù)紅外掃描過程圖紅外掃描系統(tǒng)被測(cè)目標(biāo)光電轉(zhuǎn)換器電信號(hào)電光轉(zhuǎn)換器光信號(hào)照像底片監(jiān)測(cè)對(duì)像影像

b）攝影遙感技術(shù)

根據(jù)不同物質(zhì)對(duì)電磁波的反射特性不同，在感光膠片上得到不同的顏色色調(diào)的照片進(jìn)行探測(cè)。

c）相關(guān)光譜技術(shù)相關(guān)關(guān)譜技術(shù)是一種基于光的吸收原理并輔以相關(guān)技術(shù)的遙測(cè)方法。根據(jù)工作光源發(fā)射的光透過氣體并經(jīng)吸收后，檢測(cè)光強(qiáng)衰減的程度來推算被監(jiān)測(cè)物質(zhì)的濃度。

相關(guān)光譜法原理圖

光譜圖透過率圖5-6相關(guān)光譜法原理圖

吸收率相關(guān)器組件1相關(guān)器組件2

二.

環(huán)境遙感的特點(diǎn)

1.

無需采樣，也不需要樣品處理，方法簡(jiǎn)便，分析速度快。

2.

可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污染物質(zhì)大面積三維空間分布，對(duì)預(yù)報(bào)污染物質(zhì)的傳播有巨大意義。

3.

多用途性，可用于水環(huán)境遙感、大氣環(huán)境遙感、生態(tài)環(huán)境遙感、災(zāi)害環(huán)境遙感等。

4.

不足：測(cè)得的污染物濃度是相對(duì)濃度，即距離與濃度的乘積，必須借用其他方式才能換算成絕對(duì)濃度。另外，遙測(cè)技術(shù)要求高，設(shè)備研制周期長(zhǎng)，價(jià)格昂貴，難以推廣普及。

§2大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)(主動(dòng)遙測(cè))

大氣遙感監(jiān)測(cè)是指：大氣探測(cè)儀器與被探測(cè)大氣在相隔一定距離的情況下，通過某種輻射波在大氣中傳播所獲得的信息來反演大氣參數(shù)的一種探測(cè)方法。

按照遙感探測(cè)儀器是否主動(dòng)的發(fā)射

探測(cè)波束，大氣遙感可分為：

主動(dòng)式遙感和被動(dòng)式遙感。

主動(dòng)式遙感既要發(fā)射波束，又要接收回波，通常將這種方式稱為雷達(dá)工作方式。

被動(dòng)式遙感主要依靠接收大氣自身所發(fā)射的紅外光波或微波等輻射實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣成分的探測(cè)。

按照所用波束性質(zhì)的不同，大氣遙感可分為：

大氣光學(xué)遙感

大氣微波遙感

大氣聲學(xué)遙感等。一、大氣激光雷達(dá)探測(cè)的基本原理（主動(dòng)式探測(cè)）

abc

b脈沖激光器信號(hào)檢測(cè)器接收望遠(yuǎn)鏡

二.激光與大氣相互作用的各種機(jī)制：

三.大氣探測(cè)激光雷達(dá)的組成與種類

1.激光雷達(dá)的基本組成

激光發(fā)射系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)光學(xué)接收系統(tǒng)5632178脈沖激光器光束準(zhǔn)直器光束發(fā)射器放大器采樣平均器光電探測(cè)器窄帶濾光器微機(jī)2.激光雷達(dá)的種類

四.激光雷達(dá)在大氣探測(cè)中的應(yīng)用

1.Mie(米氏)激光雷達(dá)與氣溶膠探測(cè)氣溶膠：懸浮在大氣中的固態(tài)、液態(tài)粒子數(shù)量巨大、成分復(fù)雜、性質(zhì)多樣的一種污染物。

大氣的光學(xué)厚度：是指沿輻射傳輸路徑、單位截面上所有吸收和散射物質(zhì)所產(chǎn)生的總削弱（是無量綱量）

2.大氣污染的拉曼激光雷達(dá)探測(cè)

檢測(cè)器發(fā)射望遠(yuǎn)鏡接收望遠(yuǎn)鏡激光發(fā)生器光譜分析器數(shù)據(jù)處理機(jī)顯示

儲(chǔ)存拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)

工廠煙囪和汽車尾氣的拉曼光譜圖

3.差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)

差分吸收激光雷達(dá)的測(cè)試過程圖

激光器煙囪差分吸收激光雷達(dá)的測(cè)試過程圖

對(duì)煙氣SO2的測(cè)試結(jié)果

abbcbdb

差分吸收激光雷達(dá)對(duì)不同物質(zhì)的探測(cè)靈敏度

O3:8.0×10-8CO:2.5×10-6SO2:4.0×10-8NO:1.0×10-7NO2:4.0×10-7C6H6:3.0×10-8CH4:7.0×10-8

4.共振熒光激光雷達(dá)探測(cè)

§3.水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)

一、水環(huán)境遙感原理

水與其他地物的反射率比較

電磁波與水體的相互作用過程圖

723456111LLL遙感器

二、水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)：

水環(huán)境遙感包括定性、定量?jī)煞N方法：

定性遙感方法：是通過分析遙感圖象上的色調(diào)（顏色）特征或異常對(duì)水環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)的。這往往需要了解水環(huán)境化學(xué)現(xiàn)象與遙感圖象色調(diào)之間的

關(guān)系，建立圖象解譯標(biāo)志。

定量方法：建立在定性方法之上，通常需要獲得與遙感圖像同步（或準(zhǔn)同步）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以標(biāo)定定量模型。

水污染