环境遥感检测论文

浅议遥感技术在环境污染监测中的应用论文

1概述

随着我国经济的高速发展,环境污染和生态破坏日益严重,突发性环境污染事故也时有发生。环境监测作为环境管理和污染控制的主要手段之一,正在发挥不可替代的作用。但是,由于我国面积辽阔,地面环境监测网点分散,仅依靠现有的监测台站和传统监测技术方法不能满足连续、动态、宏观、快速监测环境污染的要求,也满足不了及时、准确地做出环境质量报告和污染预报的要求。因此,日益恶化的环境迫切需要实时、快速、宏观、准确的监测技术,以便更加全面准确地反映环境污染对生态系统和人体健康的影响。近年来国内外大量实践表明,遥感技术是获取环境信息的强有力手段,是实现这一目的的极其有效的技术。运用遥感技术监测环境污染及生态环境状况,正确评价环境质量,寻求改善生态环境的途径和措施,具有重要的意义。

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,还能发现用常规方法往往难以揭示的污染源及其扩散的状态,因此遥感技术正广泛地应用于监测水污染、大气污染等环境问题。它不仅可以快速、实时、动态、省时省力地监测大范围的环境变化和环境污染,具有其它常规方法不可替代的优越性;也可实时、快速跟踪和监测突发环境污染事件的发生、发展,并及时制定处理措施,减少污染造成的损失。因此,发展我国的环境污染遥感监测技术,建立重大环境事故的预报、预警和应急响应系统,对保护我国环境及发展经济都具有重要作用,能产生巨大的社会、经济和环境效益。

2环境污染遥感监测技术

遥感技术是一种利用物体反射或辐射电磁波的固有特性,远距离不直接接触物体而识别、测量并分析目标物性质的技术。根据所利用的波段,遥感监测技术主要分为可见光、反射红外遥感技术,热红外遥感技术,微波遥感技术三种类型。当前,遥感的应用已深入到农业、林业、渔业、地理、地质、海洋、水文、气象、环境监测、地球资源勘探、城乡规划、土地管理、和军事侦察等诸多领域,从室内的工业测量到大范围的陆地、海洋、大气信息的采集以至全球范围的环境变化的监测。

遥感技术在环境污染监测中的应用发展很快,现在已可测出水体的叶绿素含量、泥沙含量、水温、水色;可测定大气气温、湿度、CO、NOx、CO2、O3、ClOx、CH4等主要污染物的浓度分布;可测定固体废弃物的堆放量、分布及其影响范围等,还可对环境污染事故进行遥感跟踪调查,预报事故发生点、污染面积、扩散程度及方向,估算污染造成的损失并提出相应的对策。近几年来,随着全球环境问题日益突出,具有全球覆盖、快速、多光谱、大信息量的遥感技术已成为全球环境变化监测中一种主要的技术手段。国际上相继提出了一系列的全球环境遥感监测计划,其中主要有美国宇航局(NASA)的对地观测计划(EOS)、欧空局的对地观测计划和日本的对地观测计划等。这些计划将极大地推动环境遥感技术的实用化和遥感技术的发展。

3遥感在环境监测中的应用

水环境污染遥感监测

对水体的遥感监测是以污染水与清洁水的反射光谱特征研究为基础的。总的看来,清洁水体反射率比较低,水体对光有较强的吸收性能,而较强的分子散射性仅存在于光谱区较短的谱段上。故在一般遥感影像上,水体表现为暗色色调,在红外谱段上尤其明显。为了进行水质监测,可以采用以水体光谱特性和水色为指标的遥感技术。

遥感监测视野开阔,对大面积范围里发生的水体扩散过程容易通览全貌,观察出污染物的排放源、扩散方向、影响范围及与清洁水混合稀释的特点。从而查明污染物的来龙去脉,为科学地布设地面水样监测提供依据。在江河湖海各种水体中,污染物种类繁多。为了便于遥感方法研究各种水污染,习惯上将其分为泥沙污染、石油污染、废水污染、热污染和水体富营养化等几种类型。

大气污染遥感监测

大气遥感是利用遥感器监测大气结构、状态及变化。大气遥感器除了测量气温、水蒸汽、大气中的微量成分气体、气溶胶等的三维分布以外,还用来进行风的测量及地球辐射收支的测量等。

影响大气环境质量的主要因素是气溶胶含量和各种有害气体。这些物理量通常不可能用遥感手段直接识别。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,所以,实际上是通过测量大气的散射、吸收及辐射的光谱而从其结果中推算出来的。通过对穿过大气层的太阳(月亮、星星)的直射光,来自大气和云的散射光,来自地表的反射光,以及来自大气和地表的热辐射进行吸收光谱分析或发射光谱分析,从而测量它们的光谱特性来求出大气气体分子的密度。测量中所利用的电磁波的光谱范围很宽,从紫外、可见、红外等光学领域一直扩展到微波、毫米波等无线电波的领域。大气遥感器分为主动式和被动式,主动方式中有代表性的遥感器是激光雷达,被动式遥感器有微波辐射计、热红外扫描仪等。

4国内发展现状

我国环境污染遥感监测技术发展和应用的主要问题有:①环境污染遥感监测系统和技术方法基本上处于起步阶段。虽然我国的遥感理论、技术和应用发展很快,但与国外相比差距甚大,在环境污染监测中的应用基本还没有开展起来,目前在全国范围内基本上没有建立起环境遥感的监测体系与系统。②对于环境监测而言,传感器的技术性能要求较高,不仅要求传感器能提供高分辨率的探测,而且要求具有全天候、全天时、大范围、多谱段和灵敏度高的特点,这样才能满足环境污染动态、实时、多样的监测需求。当前所用的高分辨率传感器基本上依靠进口,在地面和飞机上测量化学成分的遥感技术还处于实验室的摸索阶段,而在环境污染监测中的应用基本空白。③遥感信息源缺乏。目前我国尚未发射自己的环境污染监测遥感卫星,遥感信息源主要来自于国外的相关卫星资料。同时国际上用于环境监测的遥感商业卫星寥寥无几,从而客观上制约了我国环境遥感监测技术和应用水平的发展。④新型遥感技术在环境污染监测上应用的理论和方法有待探索和发展,缺少环境污染遥感监测体系与系统。

5结论与展望

目前,遥感技术正从单一遥感资料的分析,向多时相、多数据源(包括非遥感资料数据)的信息复合与综合分析过渡;从资源环境静态分布研究,向动态过程监测过渡;从动态监测,向预测、预报过渡;从定性调查、系列制图,向计算机辅助的.数字处理、定量自动制图过渡;从对各种事物的表面性的描述,向内在规律分析、定量化分析过渡。就环境污染遥感监测技术而言,有待于在以下几方面加强研究:

(1)利用环境污染遥感监测技术,建立突发性环境污染事故的实时监测和预警系统。通过集成多种遥感传感器,并结合地面环境监测网站的监测数据,进行多环境参数的自动监测,并实时监测各种指标的时空变化趋势,以便在某些指标刚刚接近警戒线时预报可能出现的危机,确定环境污染事故所在的空间位置,并提供其空间影响范围的模拟和模型方法,为突发性事故管理决策提供信息,实现连续、自动监测和总量控制。如利用环境污染遥感监测技术,通过建立城市大气环境质量预测预报系统,可以对城市大气环境质量状况进行预报,并对可能发生的大气污染事件提出预警。

(2)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(如氯苯和硝基苯等)浓度的遥感器。

(3)研制环境污染物的定量遥感监测技术。如利用水面反射光谱测量与水质参数进行回归分析,建立某一谱段上光谱反射率与某些水质参数的函数关系式。一般来说,水质参数中的透明度、固体悬浮物浓度、叶绿素含量和水面混浊度与光谱反射率或卫星影像的密度值之间往往存在比较明显的对应关系。

(4)将环境污染遥感监测技术与GIS(地理信息系统)、GPS(全球定位系统)、ES(专家系统)技术集成。利用环境污染遥感监测集成系统,可以大大提高环境监测的科学性、合理性及智能化程度,从而大大扩展环境监测的应用范围。集成技术应用于环境污染遥感监测中的优越性具体体现如下:遥感监测技术为集成系统提供正确、迅速、宏观的环境污染监测数据,GIS可利用其强大的空间信息管理功能,建立各类有毒、有害、易燃、易爆物质的理化特性数据库,有关自然、经济、社会、生态环境数据库和图形库及模型库,同时可结合地面监测数据,经由GPS提供的精确位置信息,在ES技术支持下对监测数据进行有效的管理、分析和计算并将综合数据以直观、形象的图形化方式输出或显示出来,从而使环境管理者迅速了解和掌握各类突发事故的多发地带、发生频率、潜在事故发生源的时空分布、事故发生后污染物的影响范围及时空变化,更好地实现事故的预防、应急处置和灾后恢复。

当前,我国环境污染遥感监测技术应依托我国的对地观测技术和对地观测系统的发展计划,同时充分利用国际上资源环境卫星系统,开展广泛的国际合作和交流,大力发展我国的环境污染遥感监测技术,并充分利用现有的环境监测网点和常规监测方法,采用遥感技术与地面监测相结合的方法,建立我国的环境污染遥感监测系统。

杨武年朱章森

（成都理工大学遥感与GIS研究所，成都610059）

摘要遥感图像显现的地质构造形迹是地史以来地壳运动的综合结果，包含有历次构造变动和有关矿化的特征标识信息，因此，遥感信息场分层解析是无模型矿床预测中有效地进行成矿信息分离的重要手段。无模型矿床预测法的理论依据是，矿床的形成是多种地质因素发生变异的综合结果，特殊地质环境中多期次构造运动复合叠加区具备形成大型、超大型矿床的条件，巨大矿源体的存在势必导致其与周围环境（背景）在物质成分、结构构造等方面的显著差异，包括诸如成矿岩石组合、构造式样、矿化蚀变以及地球物理、地球化学场甚至由深部矿源异常体引起其上方地球生物圈、大气圈等发生变异的信息特征。因而该法不需要事先有已知有矿模型或已知无矿模型作为预测的基础，而以分解和提取上述致矿异常信息建立控矿地质体的自然源模型作为科学找矿的重要途径。由于此法不需要事先有已知有矿模型或已知无矿模型作为预测的基础，因此它不仅对研究程度较低的新区矿床预测，而且对研究程度较高的老区寻找新类型和大型、超大型矿床都具有重大理论意义和实用价值。

关键词遥感地质数学地质遥感信息场分层解析遥感图像分层解析法无模型矿床预测法

1引言

当前国内外成矿预测研究中，传统的基于相似类比理论的矿床模型预测法，通过数十年的实践日趋完善，在地质找矿中取得显著成效。然而这类方法的应用前提是必须有一定数量的已知有矿模型和无矿模型作为类比的基础，因此，它受资料水平、已知矿床模型及研究人员水平的限制，主要适用于地质研究程度较高、矿床模型易于建立的地区；而且因受相似类比理论限制，它只能找到与已知矿床类同的具相当规模的矿床，而难于发现新类型矿床或点状大型、超大型矿床。因此，在找矿难度日益增大的情况下，如何使多学科结合，应用新技术新方法和新思维开拓新区，寻找隐伏矿床和新类型矿床，特别是大型、超大型矿床，已成为现在和今后地质找矿工作中急需解决的重大理论和方法问题。为此，我们通过长期的找矿实践，提出了在求异理论和求同理论指导下的无模型矿床预测法的新思路[1,2]，后进一步发展，提出了遥感信息场分层解析与无模型矿床预测的方法理论[3]，经在云南、四川、新疆等地找矿实践，取得明显效果[1～～14]。

2理论依据

遥感图像显现的地质构造形迹是地史以来地壳运动的综合结果，包含有历次构造变动和有关矿化的特征标识信息，因此，遥感信息场分层解析是有效地进行成矿信息分离的重要手段[2～6]。无模型矿床预测法的理论依据是，矿床的形成是多种地质因素发生变异的综合结果，特殊地质环境中多期次构造运动复合叠加区具备形成大型、超大型矿床的条件，巨大矿源体的存在势必导致其与周围环境（背景）在物质成分、结构构造等方面的显著差异[15]，包括诸如成矿岩石组合、构造式样、矿化蚀变以及地球物理、地球化学场甚至由深部矿源异常体引起其上方地球生物圈、大气圈等发生变异的信息特征。因此，应用无模型矿床预测法不需要事先有已知有矿模型或已知无矿模型作为预测的基础，而以分解和提取上述致矿异常信息、建立控矿地体的自然源模型作为科学找矿的重要途径。由于此法不需要事先有已知有矿模型或已知无矿模型作为预测的基础，所以它不仅对研究程度较低的新区矿床预测，而且对研究程度较高的老区寻找新类型和大型、超大型矿床都具重大理论意义和实用价值。

3方法技术

遥感图像处理和信息提取

遥感图像是地面景观物体按一定比例缩小了的立体模型，地质构造形迹及地质现象的总体和个体的地表几何形态（纹形图案）以及物理特征（电磁波辐射特征）被真实、客观、连续、全面地记录，具有高度的概括性；同时含有大量地下一定深度隐伏地质构造的信息特征。遥感图像上的这些信息特征（解译标志）反映的是地物在内外动力作用过程中，在一定地质、地理条件下物质成分、结构构造、物理性质等方面的差异。隐伏构造信息则通过地壳的机械变形以及地表的地球物理场和地球化学场改造乃至生物圈、大气圈发生异常等方式而显示出来。而且，多波段遥感图像信息特征中除可见光波谱部分外，许多波段的信息特征位于人的肉眼光敏区以外，如红外、微波图像信息等。这类图像揭示了大量肉眼看不见的地物信息特征，大大增加了鉴别地物属性特征的信息量。因此，采用遥感图像处理能有效地提取成矿信息，尤其是提取那些微弱的矿化信息，通过地质解译、分析构造形迹特征及空间分布规律和应力状态，不但真实、客观，而且克服了常规地质方法有时由于点线观测的局限性，大大开拓视野，获得连续、系统、大量的信息特征，有助于将破裂系统与区域构造变形乃至地质建造等有机地联系起来进行深入的分析研究，得出与客观实际相吻合的结论。

遥感构造信息场分“层”解析与致矿异常信息提取

遥感图像显现的地质构造形迹是地史以来地壳运动的综合结果，包含有历次构造变动和有关矿化的标识信息特征。因此，如何通过构造“分层”解析和应用数学方法去描述，实现线性体场的演译和分解，研究线性体场与其它地质异常的关系，找出其控岩控矿规律和提取矿化信息也就成了线性体场研究和成矿预测的主要内容。需要指出的是，以前大多数研究者注意到了线性构造的规模大小及空间尺度在构造解析和成矿预测中的重要性，但并未形成有效解决问题的方法。特别是在对线性构造量化处理时往往主次不分，把不同规模尺度和不同构造层次和期次的线性、环形构造混为一体进行处理，以致不仅使问题复杂化，而且很难确切找到线性、环形构造与相关地质体及有关矿产的内在联系，所得结论令人质疑。由控矿理论可知，特殊地质环境多期次构造复合叠加区具备形成大型、超大型矿床的条件，而这些地区线性体场的研究与分解，各期次构造变形场的建立及其构造应力场反演，在一定程度上是成矿预测的关键。因为构造应力场不仅控制着地壳岩石的机械变形、构造的成生演化及其组合形式，而且在一定程度上控制着沉积建造、岩浆活动及有关矿床的形成与分布。笔者经多年的科研攻关，根据遥感图像信息量大，对地质构造形迹显示的宏观性、信息连续性以及遥感大节理与宏观构造具有成生联系的性质；在理论上提出遥感大节理总是在野外构造小节理优势方位上发育发展的新论点，并提出了将宏观构造和相对微观构造（特别是遥感横张大节理）有机结合进行地质构造的“分层”解析，根据构造变形场特征反演应力场的新方法——“遥感图像分层解析法”及其相应理论[6,7]。该方法经在不同构造复合区试用，取得显著效果[5～7,10～13]。

例如，笔者在四川、贵州等地的构造复合变形区研究中，应用“遥感图像分层解析法”，通过遥感图像处理和褶皱断裂特别是横张大节理系统分层解析，结合野外调研，建立了研究区多期次构造变形场并反演了各时期构造应力场[10～12]，获得了与众不同的新认识。

笔者在黔西郎岱地区构造解析和成矿预测中[12]，应用航、卫片选择性地解译了该区主要褶皱及与其有关的横张大节理系统，结合野外调研，对该区构造变形特征进行了深入分析。根据该区宏观构造与横张大节理空间分布规律等特征建立了郎岱三角形构造格局的变形场，并据此反演得出该区燕山期在三角形边界条件（大断裂）控制下三边同时受力的联合应力场。其特点是应力和变形强度自三角形边部和顶点向三角形中心呈弧形递减，岩石变形严格按所得应力网络发生，在不同部位形成不同量级的褶皱并伴生相应的节理；三角形边部和顶点褶皱变形强烈，扩展到三角形中部褶皱趋于平缓。九条不同方位的褶皱相互嵌接，总体联系，局部复合，协调统一，控制着本区不同类型的矿床形成与分布。例如，在该三角形构造的北西和南西两个角点附近，集中分布了一系列铁矿床和铅锌矿床及矿化点（成因上与热液活动有关）；而煤矿则相对集中分布在三角形构造的内部。这是因为三角形顶点处应力强度最大，断裂发育，为热液活动和矿化富集提供了有利的空间条件，从而形成了一系列金属矿床，但对煤和天然气富集起了破坏作用，未形成具工业价值的矿床。而在三角形构造内部，由于应力减弱，褶皱平缓，断裂不发育，缺乏导矿储矿构造，对金属矿化不利，但褶皱变形有利于煤矿富集。从区域含矿层分布分析，铁矿和铅锌矿的矿源层（泥盆系和石炭系）在区内广泛分布。根据本区三角形构造变形场和应力场特征及北西、南西两个角点处成矿富集规律，可以预测，在三角形构造东部顶点处有望找到相同类型的工业矿床。其次，区域上黔西古生界具备生油气的地质条件，测区南西侧盘县三角形构造内已有煤成气发现，本区地质和构造条件与之类似，因而有望在该三角形构造中部构造平缓处或穹窿构造中找到具工业价值的气田。

遥感线性体信息场的分“层”和相关信息组合量化解析与成矿预测

线性体场的分“层”量化即在前述线性构造分层解析结果基础上，采用网格法等方法分别对各期次各层次线性构造（成矿分析时结合环形构造等组合）进行量化处理和统计分析，以找出各层次各期次线性、环形构造的统计规律性及其与成矿作用的内在联系，定量、半定量地提取有用信息。不同的研究目的采用不同的量化处理方法。笔者在西昌地区有利含油气构造遥感解析和油气远景预测中[13]，在全区线性构造和环形构造系统解译基础上，首先对区域性断裂系统进行量化处理，建立了该区区域线性体场（断裂系统）的二维和三维彩色量化解析模式，结合其它资料，在构造活动区中确定了有利于油气生成环境的相对稳定的构造区块（小相岭—米市断块中的二级构造单元——米市断陷）；然后再对所选定区进行专题图像处理，提取有关信息，在此基础上，采用环形构造及与其密切相关的环状、放射状大节理有机结合的组合量化处理方法（环形构造采用自环心向环外缘反距离测度加权），结合物探地震、航磁重力及野外调研资料选定有关参数，通过图像图形处理并结合GIS建立了重要构造区块局部构造的二维和三维彩色定量解析自然模型。通过信息场的特征分析和求异，确定了局部构造隆起（异常）和背景的界线，定量提取了地腹隐伏构造的有关信息，作为评价局部构造和油气远景预测的依据。最后，通过综合分析，进行了油气远景预测。

遥感线性体场的背景与异常数学解析

遥感线性体场中包含有许多非地质信息及其它无关的信息。数学分析的目的在于采用数学地质的方法确定线性体场的背景，提取和增强微弱的有用信息，压抑噪声干扰，找出具有地质找矿指示意义的（异常）标志。

异常是针对背景而言的。所谓背景是指研究区空间变量在其分布区域内的空间趋势，它代表了该变量在研究区内的总体分布特征。对线性体场来说，线性构造的区域变化趋势就是背景，反映局部构造存在的环形、线性体是异常，如环状、放射状大节理密集区。确定背景的方法很多，如常用的滑动平均法、趋势分析法、克里格法等。趋势分析将观测值分解为趋势和剩余两部分，前者即为背景，后者代表局部变化的异常特征。也可用矿化标志变量与多个其它变量的自相关分析研究背景场，然后分解不同背景场中的异常。

背景条件按地质总体的多少可以分为单一背景和多背景两种，前者指那些只经历了一次地质作用的地区，各种因素的取值来自于一个总体；后者指经历了多次地质作用的地区，各种因素取值来自于多个总体。多背景的确定方法复杂，但对于多期次构造运动造成的线性体场而言，若采用前述分层解析的方法，先将多期次线性体按“层”分解，那么确定每个层次的线性体场的背景及其求异就可按单背景处理，然后，对各层次（期次）的背景进行综合分析，这样可使问题大大简化，且能有效提高分析精度。

遥感信息场的空域和频域滤波处理是分解和提取线性构造的有效方法。一般而言，低通滤波得出的低频信息能反映遥感信息场中的深部（隐伏地质构造）的信息特征，高通滤波得到的高频信息则能反映地表及浅部有关地质构造的特征信息。不同方位的线性体场可以分别采用不同的定向滤波模板进行处理分解[8]。经滤波处理的图像再经锐化和二值处理，经统计分析或采用特殊的表达方式，如线性体的空间频数图和密度图、中心对称度图、优益度图、变异系数图、空间距离测度图以及各种参数类型的直方图等[9]，能减少人为干扰因素，有效地反映、提取地质构造和成矿异常具指示意义的特征参数。

信息熵是复杂程度和非均一化的数学度量，用它来查明或定量表征遥感信息场中的某种控矿因素的地质变异特征和统一性。以相对熵研究线性体场特征，若地质变量取线性体的长度或频数（或长度/频数），则所得空间密度熵能表征线性体密度场在空间内分布上的差异，若变量为线性体的方位，则所得方位熵可以揭示线性体场在方位分布上的非均匀变化程度。线性体的熵异常可以反映构造的多期次活动性和空间叠加等特征。

其次，分形理论等方法也是研究遥感信息场的有用工具。用分形理论研究线性构造和环形构造的空间特征，有助于查明构造活动性及与成矿作用关系，定量描述有关的自然地质指示标志空间变化的规律性。

三“S”支持下的多源信息综合与复合图像处理和找矿靶区快速评价优选

在大区域范围的成矿预测研究中，对于大量地、物、化、遥资料，采用多源信息综合与复合图像处理技术，能快速提取有用信息并得到形象直观的成果图像表达，已在地质找矿中取得较好效果。然而，这一方法存在的问题是，目前一般应用的遥感图像系粗纠正产品，地物点在空间上存在一定畸变（像点位移）；而且，物化探信息本身存在一定的空间漂移。如果将这种变了形的图像和移了位的信息异场叠合在一起，将产生虚假的综合异常，有时会致人误入歧途。解决的办法是，采用三“S”支持下的多源信息综合与复合图像处理技术，先在GIS和GPS控制点控制下对遥感图像进行精纠正（尤其是投影差改正），制做正射投影遥感影像图，尔后通过区域化变量的结构分析，找出各种地学信息在不同尺度与水平的结构关联性，建立统一的随机场概念模型，并通过GIS实现各类信息在空间上精确匹配，充分利用计算机的可视化技术建立矿源体的自然信息源模型，定量提取综合找矿信息，达到找矿靶区快速评价优选的目的。笔者利用这一方法在南江区调成矿（金）预测中取得显著效果[14]。

南江地区地处特殊的地质构造环境，成矿地质条件较好，矿种较多，矿点星罗棋布。但相对而言，对金矿床的研究，前人研究程度很低，只在西部万金山和坪河发现沙金矿化点两处。本次研究中利用所研制的遥感正射影像，通过信息提取及金、银、铜等14个化探数据的数据处理、地、物、化、遥多源信息综合、复合图像处理有所新发现，并圈定了找矿远景区，经野外调研发现沿图像处理中识别出的构造带河谷中沙金矿化现象普遍，在金化探异常与遥感图像复合信息图上的较高异常地段采样化验分析，金矿化现象明显，已有数个样品达到金的工业品位，将来通过进一步工作，有望取得较大的进展。

参考文献

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随心所欲的写咯