摘要：城市化与工业化快速推进的过程中，大气污染问题日渐严重，严重的大气污染不仅会造成人体健康威胁，还会对区域生态造成极为不利的影响。随着人们环保意识的提升，大气污染的治理已经成为了环境工程中的重点，通过环境监测可以发现大气中的有害污染物种类和含量，采取更为有效的治理技术和手段。基于此，文章从大气环境遥感监测技术的概况出发，探析了大气环境遥感监测技术问题与未来发展方向，希望能为相关工作人员带来参考。

关键词： 遥感技术；大气污染；污染治理；生态环境

前言

近年来随着我国城市的高速发展，能源消耗的急上升，城市空气质量明显恶化，给人们的身心健康造成了很大的危害。如何在发展与竞争中保护环境、改善环境，提高城市空气质量，是摆在人们面前的重大问题。

目前，对大气污染成分的常规监测主要是通过地面仪器进行连续采样监测，这种观测站点数量有限，难以掌握区域尺度的大气污染物分布状况。与传统的地面站点式监测相比，卫星遥感具有大区域范围内连续观测的优势，能够在不同尺度上反映污染物的宏观分布趋势，为大气污染的全方位立体监测提供重要的信息来源，并可以在一定程度上弥补地面监测手段在区域尺度上的不足，因此，卫星遥感监测大气空气质量具有重要的研究意义和应用价值。

一、遥感及其在大气环境检测领域发展概况

（一）遥感概念界定

遥感一词来自英语Remote Sensing，即“遥远的感知”。广义理解，泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测。实际工作中，重力、磁力、声波、地震波等的探测被划为物探（物理探测）的范畴。因而，只有电磁波探测属于遥感的范畴①。

狭义的遥感是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。遥感不同于遥测（Telemetry）和遥控（Remote Control）。遥测是指对被侧物体某些运动参数和性质进行远距离测量的技术，分接触测量和非接触测量。遥控是指远距离控制目标物运动状态和过程的技术。遥感，特别是空间遥感过程的完成往往需要综合运用遥测和遥控技术。

（二）大气环境遥感监测技术国内外发展历程介绍

从19世纪70年代开始，越来越多的卫星上都开始搭载大气成分观测仪。1978年，Nimbus7卫星上就开始搭载TOMS传感器监测臭氧总量的变化，1979年开始NOAA系列卫星连续监测臭氧廓线。

90年代以来，卫星环境遥感应用领域越来越广，几乎覆盖了环境保护的各个方面。在1995年4月21日欧洲空间局ESA发射的ERS-2卫星上，装载了全球臭氧监测仪 （GOME） ，其主要任务是监测臭氧以及在对流层和平流层臭氧化学中具有重要影响的痕量气体的全球分布，1999年美国规划和协调的对地观测系统 （EOS） 卫星系列的第一颗卫星EOS/AM-1发射，对地球大气进行全方位、长时间的观测研究②。

近年来，针对全球大气变化和与此相关的大气化学和大气物理过程的研究，美国航空航天局 （NASA） 和加拿大空间局 （CSA） 于1999年12月18日发射的TERRA卫星上搭载了对流层污染测量仪 （MOPITT） 。MOPITT测量大气柱中发射和反射的红外辐射，和反射的红外辐射，用于反演大气中CO和的廓线等；随后美国规划和协调的对地观测系统卫星系列的EOS/PM-1于2002年发射，欧洲空间局（ESA）在2002年3月1日发射的ENVISAT-1上装载了多台大气化学成分测量仪器，通过对大气吸收光谱、大气发射光谱以及恒星光谱测量，探测大气臭氧层、温室效应示踪气体和气溶胶浓度分布，可研究多种大气痕量气体成分变化及其对辐射收支和大气状态参数的影响。日本国家宇宙发事业团 （NASDA） 研制的日本的高级地球观测系统ADEOS-1，搭载了各类遥感器，其中有臭氧总量测绘仪，用于臭氧和二氧化硫的浓度和分布观测；温室效应气体干涉监测仪，用于温室气体的浓度分布监测，改进型临边大气分光计，用于高纬度区临边大气痕量气体的测量。我国用于大气污染监测的卫星传感器较少，主要为风云系列气象卫星 （FY） 和环境一号卫星 （HJ-1） ，可进行气溶胶、臭氧探测、沙尘暴等监测。

目前针对大气成分遥感监测的遥感器有许多，例如：太阳紫外辐射后向散射观测仪、平流层气体和气溶胶试验、上层大气研究卫星上的微波临边探测器卤素掩星试验、高级平流层和中间层探测等。

（三）卫星遥感技术在城市大气污染研究中的作用

对大气污染状况进行调查和监测是有效治理大气污染的前提。由于大气污染受污染源分布、污染物性质、气象条件和地形状况等的影响，其时空变化很大。而常规监测方法只能在有限的监测点上进行，很难得到大区域、长时期全面而准确的结果，且需投入大量的人力和物力。卫星遥感技术可以瞬时获得大区域内地表和大气的综合信息，能够避免大气污染时空易变性产生的误差。卫星遥感数据周期性重复覆盖地球表面，便于对大气污染进行长时期动态监测和预报。再加上遥感数据的经济性，便于获取，因而具有广阔的应用前景。

高光谱遥感是在多光谱遥感技术的基础上发展起来的，具有很高的光谱分辨率，且在有的光谱区间是连续分布的，可以探测到比常规遥感更精细的地物信息和大气吸收特征，提高遥感高定量分析的精度和可靠性。大气分子和粒子成份在反射光谱波段反映强烈，能够被高光谱仪器监测。因此高光谱遥感在大气污染研究中具有更大的优势。

二、 遥感在大气环境监测主要应用

（一）大气气溶胶监测

气溶胶是指悬浮在大气中的各种液态或固态微粒。气溶胶粒子的来源于地球表面的岩石和土壤风化，海洋表面由于风浪的作用使海水泡沫飞溅而形成的海盐粒子，植物花粉，人类燃烧活动和自然火灾以及工厂排放的气体或发生化学反应而产生的液态或固态粒子等，构成了来源广泛而又复杂的大气气溶胶体系。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，而且可以利用遥感图像分析大气气溶胶的分布和含量，甚至可在遥感图像上直接确定污染物的位置和范围，并根据他们的运动，发展规律进行预测预报。

初期用于气溶胶研究的卫星传感器主要是1978年发射的NOAA/AVHRR和TOMS、1979年发射的SAGE以及1984年发射的SAGE II。AVHRR 主要用于获取海面上气溶胶光学厚度，TOMS无论是海上还是陆地上，对气溶胶的性质都非常敏感。SAGE通过4个波长（0.38um、0.45um、0.6um和1.0um）测量太阳辐射透过地球大气时的衰减系数来探测气溶胶，通过SAGE II资料可以得到气溶胶的垂直分布。1995年发射的装载在ERS-2上的ATSR-2传感器也可以得到气溶胶的信息③。

（二）有害气体监测

有害气体通常指人为或自然条件下产生的二氧化硫、氟化物、光化学烟雾等对生物有机体有毒害的气体。利用相关光谱技术可对大气中NO、、S浓度进行监测。遥感监测有害气体主要有2种方法，一类是根据有害气体污染区地物反射率的发生变化、边界模糊的情况来对有害气体的污染情况进行估计，另一类是利用间接解译标志-实际反演来推断某地区大气污染的程度和性质。通常采用间接解译标志实现对有害气体的监测。植被受污染后对红外线的反射能力下降，其颜色、纹理及动态标志都不同于正常的植被，利用这些特点就可以间接分析污染情况。

在国内，研究人员早就发现有害气体污染与植被的响应关系，并利用植被的反应特征对有害气体进行遥感监测。运用光在传输过程中会被气体分子选择性地吸收这一特性，使用差分光学吸收光谱法（DOAS）测量大气有害气体。同时研究发现可以利用 NO，在 430～450nm 波段范围峰谷结构的吸收特征，反演出大气中NOz的含量及其变化。

（三）灾害性大气污染监测

灾害性大气污染包括沙尘暴、有毒气体泄露等。沙尘暴是严重的生态问题，也是严重的大气污染问题，属于大气气溶胶的极端状况。

沙尘暴是严重的生态问题，也是严重的大气污染问题，国内外都有大量的研究。国外对沙尘暴遥感的研究开始于撒哈拉大沙漠，之后的研究集中于沙尘暴爆发的时间和空间特征，模拟沙尘爆发的周期以便进行预测和防治。我国早期的沙尘暴遥感研究主要是识别沙尘暴在遥感图像上的特征，随着遥感技术的不断进步，沙尘暴的遥感研究逐渐由定性向定量发展，由特征识别到强度变化分析和传输过程分析，而且结合多源遥感数据、气象数据、地面监测数据以及物理手段等进行综合分析、建模与预测。目前对沙尘暴的遥感监测主要使用NOAA/AVHRR和GMS数据。NOAA/AVHR数据是目前沙尘暴研究和监测的主要遥感信息源，其不但可以监测到沙尘暴反射辐射特性，而且可以在较大尺度上监测到沙尘暴的时空分布。GMS的红外通道数据有利于确定沙尘暴的位置，同时其高时间分辨率的特点有利于大尺度监测沙尘暴的运动轨迹④。

（四）城市热岛监测

城市热岛是指城市气温高于郊区的现象，是一种大气热污染现象。城市热岛的遥感研究主要是通过对城市下垫面的热红外遥感来进行。对于大气综合质量指标的卫星遥感，我国在这方面作了有益尝试。将长江三角洲几个城市的大气污染指数（API）数据与MODISAOD数据进行了初步对比，结果表明不同城市的相关性差别很大，有的甚至负相关，因此提出将 MODIS资料有选择地应用于区域大气污染的研究。研究人员依据 API的分级标准，将API用特定的步长分组，再把各组的AOD和API均值建立相关模型，并用该模型来预测空气质量指数。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。基于温度的热岛监测方法是最常用，也是最直接的方法，根据处理温度手段的不同，又可分为基于亮度温度的检测方法和基于地表温度的检测方法。

三、 大气环境遥感监测技术现有问题

（一）溯源难确定性

大气污染物的成分较为复杂，不同来源可能导致不同污染成分的产生。常见的污染源有汽车尾气、工业废气、居民的燃煤取暖、建筑工地的扬沙、沙尘暴等。以PM2.5为例，PM2.5的产生有多种因素，如果仅凭借PM2.5的指标确定污染成分，难度较大，结果也不准确。因此，有必要利用多项指标检测空气质量，合理利用统计手段确定空气污染指标的分布，进而得到对于大气污染成分来源的合理判断结果。

（二）实时监测难度较大

随着技术的发展，人们可以通过遥感技术获取时空分布的大气污染监测参数，但这些参数不能帮助相关人员准确判断污染源及位置。为了更好地实现对空气污染的进行实时监测，需要找到不同类型污染物的代表性和独特性，以便在排放密集区准确地检测污染源。同时也要做好空气质量仪器的安装工作，特别是在排放密集的地区，实现对于大气污染的实时监测。

（三）应用系统建设滞后

“重卫星发射、轻卫星应用”的思想在我国近年长期存在，导致有些卫星虽然在轨运行，但地面应用系统未建成或尚不健全，严重影响了卫星社会经济效益的发挥，造成了很大的资源浪费。

（四）业务化程度不高

经过多年的环境遥感应用基础研究和应用示范，环保部门初步形成了一套环境遥感监测与评估业务流程，但距离环境遥感监测业务化运行尚有较大差距。具体表现为：缺乏统一业务调度、任务驱动的功能，不能满足环境卫星数据接收、处理、应用、服务一体化管理的需求；缺乏对已研究的模型、算法集成的软件系统，不能满足快速、规模化生产土地利用分类、生态系统分类、生物物理参数、地表参数等环境专题数据产品需求以及缺乏对已研究的环境特征信息提取模型、算法建立的软件系统，不能满足快速、批量化生产环境遥感应用产品的需求等。

（五）环境遥感监测应用关键技术研究薄弱

我国环境遥感应用技术虽自进入21世纪以来得到了快速发展，但与环境遥感监测的业务化要求仍有很大差距，环境遥感监测关键技术研究薄弱。现有环境遥感监测应用技术研究多体现经验性和局部性，而在系统性和实用性上表现较差，与国际先进的环境遥感应用研究水平和环境遥感监测实际需要存在很大差距，难以满足环境遥感监测业务化运行的大范围、多目标、多专题、定量化的需要。

另外，我国环境遥感应用技术仍然有许多关键技术如卫星数据处理、参数反演、应用模型研发等未能得到解决。卫星环境应用系统研发工作刚刚起步，这已成为制约我国环境监测和卫星业务化应用发展的突出问题，如得不到有效解决不仅直接影响环境一号卫星投入使用和运行、贻误我国环境遥感监测技术的发展，而且将影响到国家提出的建设天地一体化环境监测体系目标的实现。

四、大气环境遥感监测技术后续发展方向

（一）构建天地一体化的环境监测业务化应用系统

在现有的大气环境监测系统基础上，补充完善大气环境监测网络建设规划，将环境遥感技术成熟部分纳入环境监测网络能力建设；针对区域生态、非点源污染监测和评估等，以环境遥感技术作为主要的监测手段，充分发挥环境遥感的技术优势；大力推动遥感技术在环境监测、环境评价、环境监察等相关业务工作中的应用，切实服务于国家环境管理。

（二）加大宣传培训力度，开展国际交流合作

大气环境遥感业务化应用工作在我国属于新兴领域，应大力宣传和普及环境遥感应用技术，使各级管理决策人员认识遥感技术在解决生态环境问题中的重要作用，使遥感技术真正成为环境管理决策的实用工具。应跟踪国外大气环境遥感应用技术的发展方向，开展以区域性环境问题、全球环境变化为中心的国际技术交流与合作，推动我国环境遥感技术及应用事业不断进步。

（三） 加快大气环境遥感的定量化、集成化、系统化和全球化研究

“定量化”是大气环境遥感研究的永恒主题，也是大气环境遥感中的关键技术之一，解决这一问题的基本前提是建立起大气环境遥感监测的指标体系。大气遥感在地球观测系统（EOS）中占有重要地位，而现有的大气遥感尤其是大气环境遥感的“定量化”和系统化水平远不能满足环境与气候变迁要求。

（四） 推进大气环境的主动和被动式卫星遥感的一体化进程

卫星遥感技术在大气环境保护、监测及预测领域中的应用是不可替代的，探测大气环境的遥感器也将随着卫星探测技术的发展而不断改进。二十世纪是被动式卫星遥感时代，以卫星为遥感平台，而二十一世纪将是主动、被动式大气环境遥感共同发展的时代，主动式遥感有激光雷达、微波雷达、GPS等，这些探测技术具有高技术、多功能、高探测分辨率和高探测精度等优点，可以将它们同卫星集成在一起，也可将它们作为卫星遥感数据的补充数据源或地面校验数据。

结论

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。

而在当前大气污染问题严峻，大气污染不仅分布范围广，而且污染物的成分较为复杂，后期治理难度较大。随着城市化进程的加快，不少地区大气污染问题越来越严重，需要有关人员及时分析现象，找到大气污染的原因，合理应用大气污染处理技术，从而实现大气污染问题的缓解直至解决。

我国大气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，大力发展我国的大气环境污染遥感监测技术，并充分利用多角度创新性方法建立我国的环境污染遥感监测系统。

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作者简介：董宇轩（2001-），男，黑龙江省哈尔滨市，汉，黑龙江大学2023级土地资源管理专业硕士研究生，黑龙江大学，学生，研究方向：土地资源管理。