罗浩森
湖南省衡阳生态环境监测中心 湖南省衡阳市 421001
摘要：经济高速发展所带来的环境问题日趋严重，已对我国未来的可持续发展带来了严重挑战。因此，严格的生态环境保护制度，强化的生态环境督察与执法是实现经济、社会和谐发展的重要举措。随着遥感、大数据、人工智能等技术的发展，环境遥感监测已成为及时发现环境污染问题并迅速采取应对措施强有力的技术手段，是环境监测与管理的重点发展方向。本文简介遥感技术在大气环境污染监测中的应用并探讨其未来可能的发展趋势。
关键词：大气环境；遥感技术；环境监测
大气环境污染成因与自然环境条件、产业发展、能源结构以及城市化水平等因素密不可分。近年来由于经济迅速发展，各类大气污染源及污染物排放不断增加，给大气环境监测工作带来很大难度，以往依赖的地面监测已难以满足环境管理和公众服务日益增加的环境监测需求，因此，发展新技术和新方法、提高环境监测能力在新形势下显得尤为迫切。卫星遥感具有周期更新快、范围广、动态持续性强的特点，结合地面监测网络可大幅度提高现有的环境监测能力，为深化环境管理、服务社会提供更加可靠的科学依据。
1、卫星遥感监测技术
根据1983年ASPRS的定义，遥感技术是指使用记录仪器非接触地对观察目标的性质或现象进行测量或完成一定的信息采集。通常是借助热红外、可见光反射、红外、微波、雷达等各类传感仪器收集数据并进行处理。根据遥感平台的不同，可分为天基、空基遥感和地基遥感。
天基、空基遥感是以卫星、航空器和高空气球等为遥感平台，具有空间高度优势，可进行更为广泛的遥感监测，同时还保持较高精度和较低的成本优势得到重点发展和应用。1961年在美国举行的“环境遥感国际讨论会”标志一门新学科的诞生。自1999年发射了Terra卫星，卫星遥感技术在环境监测方面得到了迅速而广泛的发展。目前全球共有438颗（2019年）在轨遥感卫星（低轨和太阳同步轨道），其中我国大型遥感卫星达84颗。
遥感可分为主动式遥感监测和被动式遥感监测。主动式监测是其通过探测装置主动对大气发出探测波束，收集反射回波而取得监测数据；被动式监测以感测客体自身发射的光波光度或微波辐射量所获取的监测数据。以上两种环境遥感监测方式在大气不同的监测对象和不同大气层高度应用有所差异。遥感卫星具有不同的波段（如V-NIR，SWIR）、光谱范围、空间分辨率、时间分辨率，影像幅宽、轨道高度和重复时间段等系列技术参数。
根据研究目标和观测指标不同的要求，卫星平台通常加载不同的探测仪器即遥感载荷，如：中分辨率成像光谱仪（MODIS），傅里叶超光谱成像仪（FTHSI），高光谱成像光谱仪（Hyperion），超光谱成像仪（HSI），臭氧探测组件（OPMS/OMI），大气痕量气体差分吸收光谱仪（EMI）、大气主要温室气体监测仪（GMI），大气环境红外甚高分辨率探测仪（AIUS）、可见短波红外高光谱相机（AHSI）与全谱段光谱成像仪（VIMS），对流层污染测量仪（MOPITT），紧凑式高分辨率成像分光计（CHRIS），多角度成像光谱仪（MISR），先进星载热辐射与反射测量仪（ASTER），高性能微波扫描辐射计（AMSR），辐射测量传感器（SRME），全球成像器（GLI），大气边缘红外分光计（ILAS）等等。以上卫星搭载的传感器及仪器的数据经过地面跟踪接收，解调预处理、存储后供研究人员进行进一步数据分析和处理。
目前，我国遥感卫星主要包括：高分系列（GF）、风云系列（FY）、资源系列（ZY）环境系列（HJ）、海洋系列（HY）、遥感系列、天绘1号以及其他商业遥感卫星等，以及2021年即将发射的大气一号卫星等。其他包括CALIPSO、ENVISAT、AURA、Aqua、Aum，NPP、EOSAM，MightySat、PROBA系列，DESIS，PRISMA、ADEOS、HysIS等等。
我国的“环境一号”卫星系统包括光学卫星（HJ-1A， HJ-1B）和雷达卫星（HJ-1C），拥有光学、红外、高光谱与微波等多种探测手段，以大范围、全天候、全天时、动态的监测能力专门用于环境和灾害监测，对中国环境监测进入卫星遥感应用具有划时代意义。2018年发射的高分五号卫星（GF-5）是世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星。其搭载的EMI、GMI、DPC、AIUS、VIMS等多种载荷，可实时监测大气、水体及土壤污染等。目前我国环境遥感已与地面监测网相结合，初步形成了 “天地一体化”的环境监测大格局。
2、遥感技术在大气环境监测中应用
2.1 大气污染源及污染物的遥感监测
多源遥感卫星平台和不同的载荷，如：MODIS、OMI、HJ-1、AIRS、FY-3、CALIOP等所提供丰富的数据有助于我们甄别大气污染源信息，掌握与之相关的大气污染物的动态过程和主要污染物，如：AOD，CO、CO2、O3、N02、SO2、 PM2.5、PM10和CH4等时空分布状态信息。大气气溶胶光学厚度（AOD）是描述气溶胶对太阳辐射、散射和吸收消光的定量指标，可以用于定量评估空气质量，以此反映区域大气的污染程度。大气平流层中的O3层可以过滤吸收99%的短波紫外线，对地球起保护作用。目前臭氧空洞还在不断扩大，对地球生态环境十分不利。自1978年以来臭氧层分布在全球范围内得到精准监控。
2.2监测空气污染的空间-时间分布以及跨区域传输
大气污染跨区域传输，也即远距离迁移，系大气污染物受大气运动的影响，从某一地理区域迁移到另一地理区域。除了本地排放，污染物跨区域运输是造成某地区空气污染的另一个主要原因。CALIPSO数据可为追踪空气污染事件发展过程提供证据并建立大气后向轨迹的模拟，对大气污染浓度分布、污染物成因进行朔源，定量评估本地排放和周边地区迁移扩散的叠加贡献来反映污染物的污染程度与范围。
2.3秸秆焚烧、沙尘、森林火灾、火山尘暴等监测
长期以来我国农业地区夏、秋收后焚烧秸秆现象较为普遍；植被破坏环境日趋恶化，沙尘暴成为我国北方地区大气环境的主要危害；森林火灾、火山爆发产生的大量污染物影响广泛而且难以地面监测。
通过利用MODIS可见光、近红外及热红外遥感数据，可以比较准确地判断出以上污染事件的位置、分布区和运动轨迹，污染的时空分布，因而遥感监测成为目前研究和监测此类污染事件的有力工具。
此外，可以利用热红外遥感测定地物的辐射温度城市大气热污染现象-热岛效应，分析城市热岛效应的时空分布特征、强度和成因等，为城市化过程的规划布局，合理分配建筑类型、道路网络和人口密度服务。
2.4空气质量（AQI）报告和预测
同时，借助遥感数据通过对代表性污染物浓度的具体数值，可以空气质量指数(AQI)来表达区域的大气环境质量水平。研究人员可基于以上的多源遥感数据和地面实测值，采用数学多元统计分析，建立区域主要污染物柱浓度的反演模型，绘制污染物浓度的动态时空图，进行实时空气质量状况及预测的播报，作为管理部门决策和公众参与的依据，因此具有重要现实意义。
以时-空序列为特征的海量的遥感和地观数据，有助于建立可靠的长期污染趋势分析。通过长期累计的数据，结合大数据、神经网络模型的深度学习，来评估、修正预测模型的准确性和适用性，更好的掌握大气污染水平与趋势，并根据相关因素分析，提出污染控制措施达到削减大气污染物排放，达到改善空气质量的最终目标。
2.5环境规划管理与地面测量站点规划
卫星遥感数据可显示区域空气污染分布情况和跨区域传输的途径，环境管理部门可依据这些数据，结合污染源排放清单和源解析，在大气环境容量、功能区划分和限期达标排放方面制定更加可行的空气质量政策。同时依托遥感长期数据也可以更加科学地对地面监测网络进行规划。
3遥感监测技术发展的未来展望
依据未来环境监测需要更广泛、更精确、更高效的遥感技术要求，就必须加快环境遥感监测技术研发与创新，以实现环境遥感监测的“高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、全天候、全天时、全谱段的目标”[1]。目前，随着遥感技术、大数据、人工智能的兴起，将极大地推动大气环境遥感监测实现定量化、集成化、智能化、主动化的发展。未来在以下几方面的发展可以期待：
(1) 大气环境遥感的定量化。为反映大气环境质量的状态，必须在众多的数据中建立起完善的大气环境遥感监测的综合指标体系，在此前提下展开具体的指标的定量化研究，是遥感环境监测系统化集成与应用的基础。
(2) 大气环境遥感的集成化。融合主动和被动式卫星遥感技术。从卫星遥感技术在大气环境监测的应用发展历史来看，环境遥感技术已从被动式卫星遥感发展到主动、被动式融合的时代，尤其在一个平台集成多种遥感载荷，提高了遥感数据流的多样性。此外，集成化也意味着将多平台多源数据源的综合应用，如：高光谱、高时间、高空间分辨率及多角度、多时相、多偏振等多源数据。
（3）大气环境遥感的智能化。环境遥感监测目前已经进入了大数据时代。对多源、海量遥感数据、辅助数据和监测数据进行人工智能辅助下的高效采集纠正、智能处理分析、汇聚和融合和共享处理流程中，进一步发展环境遥感监测样本智能生成、时空智能融合、关联分析、迁移技术，智能挖掘、识别模拟技术等在内的技术手段，可以创造新型的环境遥感资源价值；通过云服务技术提升环境遥感监测的在生态环境态势研判、环境污染源识别与污染物溯源、甄别突出的生态环境问题、预测、预警生态环境风险、生态环境保护措施成效评估等的支撑力度。
（4）大气环境遥感的主动化。大气环境遥感可以为大气环境问题的主动发现提供强有力的技术支撑。可以充分利用各类遥感技术的特点对区域突出的大气环境问题建立巡查、详查、核查相结合，形成主动发现机制的新型遥感监测技术体系，实现对生态环境问题全程精确监控和细致的管理。利用集成管理、核查、调查取证等业务协同技术，进一步提升环境监督执法的针对性、主动性和有效性。
(5) 高性能卫星的研制。进一步解决光学成像、红外高光谱探测、可见近红外探测、紫外高光谱、微波成像等载荷的空间分辨率、光谱分辨率、观测幅宽、辐射测量精度、光谱带宽、灵敏度、稳定度、定标精度、光谱分辨率、观测频次等方面的问题；加强研发极轨多角度多光谱偏振及微光成像、静轨全天时超高分辨率的可见近红外相机、差分吸收光谱、可调谐半导体激光吸收光谱、傅里叶转换红外光谱，大气成分超光谱探测仪、激光探测等新型环境监测专用载荷，进一步优化环境监测成像模式，建立更高性能、全方位的卫星遥感体系，以适应环境环境监测与管理的新需要。
（6）加强大气环境遥感的人才培养和国际合作
技术和人才是最活跃的因素，国家要重视建立环境遥感研究机构的建设和专业人才的培养，促进科学技术的提升和人才的培养能够为遥感技术创新升级提供源源不断的动力；充实国家各级生态环境管理部门的环境遥感技术人才，提高环境监测的管理和社会服务能力。
随着互联网技术的发展，全球众多的环境遥感资源和信息实现了实时分享。网络化时代有助于我们借鉴其他国家先进经验，重点发展适合我国大气环境特点的遥感监测技术，充分利用我国现有的环境监测网络，力主建立我国自主的、完整的大气环境遥感监测系统。同时要开展广泛的国际合作和交流，大气环境问题宏观上来看是全球性的。
总结语
总而言之，中国经过不懈努力已初步建立了环境遥感监测技术体系，虽然与新时代环境监测总体要求尚有较大差距、与国际卫星遥感技术水平存在较大的发展空间，但这也为我们的环境遥感监测技术提供了前所未有的发展机遇。相信随着国家总体经济实力增强，科技投入加大和科学技术实力进一步提升，我国大气环境遥感研究获得突破性进展，并不断取得令人瞩目的成就指日可待。
参考文献
[1] 王桥 中国环境遥感监测技术进展及若干前沿问题[J]遥感学报，2021（1）
[2]陈良富等.空气质量卫星遥感监测技术进展[J].大气与环境光学学报，2015（2）
[3]程立刚等.遥感技术在大气环境监测中的应用综述[J] 中国环境监测，2005（5）
[4]刘美玲,曹楠.探讨遥感技术在大气环境监测中的应用综述[J].资源节约与环保,2016(10).