遥感监测是应用探测仪器对远处目标物或现象进行观测，把目标物或现象的电磁波特性记录下来，通过识别、分析，揭示某些特性及其变化，是一种不直接接触目标物或现象的高度自动化监测手段。它可以进行区域性的跟踪测量，快速进行污染源定位、污染范围核定、污染物质实时监测，以及生态环境调查等。

遥感的工作方式可分为被动遥感和主动遥感。前者是收集目标物或现象自身发射的或对自然辐射源反射的电磁波；后者是主动向目标物发射一定能量的电磁波，然后收集返回的电磁波信号。遥感监测的主要方法有摄影、红外扫描、相关光谱和激光雷达遥感等。

一、摄影遥感

摄影机是一种遥感装置，将其安装在飞机、卫星上对目标物进行拍照摄影，可以对土地利用、植被、水体、大气污染状况等进行监测。其原理基于上述目标物或现象对电磁波的反射特性有差异，用感光胶片感光记录就会得到不同颜色或色调的照片。图9-37是电磁波受表层土壤(灰棕色)、植物(绿色)和水(无色)反射的情况。

图9-37电磁波受表层土壤(灰棕色)、植物(绿色)和水(无色)反射的情况

由图可见，水反射电磁波的能力是最弱的，表层土壤和植物反射电磁波的能力也是不同的。当地表水受到污染后，由于受污染程度不同，反射电磁波的能力不同，在感光胶片上呈现明显黑白或色彩反差。例如：未受污染的海水与被石油污染的海水对电磁波反射能力差异大；水面上油膜厚度不同，反射电磁波能力也有差异，这在感光胶片上会呈现不同的色调或明暗程度，据此可判断石油污染的水域范围和对海面油膜进行半定量分析。当湖泊中藻类繁殖、叶绿素浓度增大时，会导致蓝光反射减弱和绿光反射增强，这种情况会在感光胶片上反映出来，据此可大致判定大面积水体中叶绿素浓度发生的变化。

感光胶片乳胶所能感应的电磁波波长范围为0.3～0.9 um，其中包括近紫外、可见和近红外线光区，所以在无外来辐射的情况下，拍照摄影一般可在白天借助于天然光源进行。

航空、卫星摄影是在高空飞行状态下进行的。为获得清晰的图像，必须采用影像移动补偿技术，最简单的方法是在曝光时移动感光胶片，使感光胶片与影像同步移动。还可以将拍照摄影装置设计成扫描系统，在系统中有一旋转镜面指向目标物并接收其射来的电磁辐射能，将接收到的能量传送给光电倍增管，产生相应的电脉冲信号，该信号再被调制成电子束，转换成可被感光胶片感光的发光点，从而得到扫描范围区域的影像。

不同波长范围的感光胶片-滤光镜组成的多波段摄影系统，可用不同镜头感应不同波段的电磁波，同时对同空间的同一目标物进行拍摄，获得一组遥感照片，借以判定不同种类的污染信息。例如：天然水和油膜在0.30～0.45um紫外线波段对电磁波反射能力差别很大，使用对此波段选择性感应的镜头拍摄的照片油水界线明显，可判断油膜污染范围；漂浮在水中的绿藻和蓝绿藻在另一波段处也有类似情况，可选择另一相应波段的镜头拍摄，借以判断两种藻类的生长区域。

二、红外扫描遥感

地球可被视为一个黑体，根据理论推算，平均温度约300 K，其表面所发射的电磁波波长为4～30 um，介于中红外(1.5～5.5 um)和远红外(5.5～1000 um)区域。这一波长范围的电磁波在由地球表面向外发射过程中，首先被低层大气中的水蒸气、二氧化碳、氧等组分吸收，只剩下4.0～5.5 um和8～14um的电磁波可透过“大气窗”射向高层空间，所以遥感测量热红外电磁波范围就在这两个波段。因为地球连续地发射红外线，所以这类遥感测量系统可以日夜连续进行监测。

地球表面的各种受监测对象具有不同的温度，其辐射能量随之不同；温度越高，辐射功率越强，辐射峰值的波长越短。红外扫描遥感技术就是利用红外扫描仪接收监测对象的热辐射能，转换成电信号或其他形式的能量后，加以测量(获得它们的波长和强度，借以判断不同物质及其污染类型和污染程度。例如：水体热污染、石油污染情况，森林火灾和病虫害，环境生态等。

普通黑白全色胶片和红外胶片对上述红外线光区电磁波均不能感应，所以需用特殊感光材料制成的检测元件，如半导体光敏元件。当红外扫描仪的旋转镜头对准受检目标物表面扫描时，镜头将传来的辐射能反射聚焦在光敏元件上，光敏元件随受照光量不同，引起阻值变化，从而导致传导电流的变化；让此电流流过具有恒定电阻的灯泡时，则灯泡发光明暗度随电流大小变化，变化的光度又使感光胶片产生不同程度的曝光，这样便得到能反映被检目标物情况的影像。这种影像还可以通过阴极射线管的屏幕得以显示，或进一步由计算机处理后以直方图的图像形式输出。图9-38为红外扫描遥感系统工作过程示意图。

图9-38红外扫描遥感系统工作过程示意图

(a)扫描过程；(b)红外扫描仪(示意)；(c )检测器输出(沿飞行路线); (d)照相记录

三、相关光谱遥感

相关光谱遥感是基于物质分子对光吸收的原理并辅以相关技术的监测方法。在吸收光谱技术基础上配合相关技术是为了排除测定中非受检组分的干扰。这种技术采用的吸收光为紫外线和可见光，故可利用自然光作光源。在一些特殊场合，也可采用人工光源。其测定过程是：自然光源由上而下透过受检大气层后，使之相继进入望远镜和分光器，随后穿过由一排狭缝组成的与受检气体分一孔吸收光谱相匹配的相关器，则相关器透射光的光谱图正好相应于受检气体分子的特征吸收光谱，加以测量后，便可推知其含量。相关器是根据某一特定污染物质吸收光谱的某一吸收带(如SO₂选择300 nm左右)，预先复制出的刻有一组狭缝的光谱型板，狭缝的宽度和间距与真实的吸收光谱波峰和波谷所在波长模拟对应，这样可从这组狭缝射出受检物质分子的吸收光谱(见图9-39)。因此，在相关技术中使用的是成对的吸收光，每对吸收光波长都是邻近的，且所选波长要使其通过受检物质时分别发生强吸收和弱吸收，这有利于提高检测灵敏度。

图9-40是相关光谱分析仪组成示意图。相关器装在一个可旋转的盘上，通过旋转将相关器两组件轮换地插入光路，分别测定透过光。将这种仪器安装在汽车或飞机上，即可大范围遥测大气污染物及其分布情况；也可以装在烟道内侧，在其对面安装一个人工光源，用以测定烟气中的污染物。

图9-39受检物质分子的吸收光谱

图9-40相关光谱分析仪组成示意图

相关光谱遥感已用于一氧化氮、二氧化氮和二氧化硫的监测，如对它们同时进行连续测定，则在系统中需要安装三套相关器。监测这三种污染组分的实际工作波长范围是：SO₂为250～310 nm,NO为195～230 nm, NO₂为420～450nm。

四、激光雷达遥感

激光具有单色性好、方向性强和能量集中等优点，利用激光与物质作用获得的信息监测污染物质，具有灵敏度高、分辨率好、分析速度快的优点，所以自20世纪70年代初以来，运用激光对空气污染、对流层臭氧的分布和水体污染进行遥感监测的技术和仪器发展很快。

激光雷达遥感监测环境污染物质是利用测定激光与监测对象作用后发生散射、反射、吸收等现象来实现的。例如：激光射入低层大气后，将会与大气中的颗粒物作用，因颗粒物粒径大于或等于激光波长，故光波在这些质点上发生米氏散射。据此原理，将激光雷达装置的望远镜瞄准由烟囱口排出的烟气，对发射后经米氏散射折返并聚焦到光电倍增管窗口的激光强度进行检测，就可以对烟气中的烟尘浓度进行实时遥测。当射向空气的激光与气态分子相遇时，则可能发生另外两种分子散射作用而产生折返信号，一种是散射光频率与入射光频率相同的雷利散射，这种散射占绝大部分；另一种是占1％以下的散射光频率与入射光频率相差很小的拉曼散射。应用拉曼散射原理制成的激光雷达可用于遥测空气中SO₂、NO、CO、CO₂、H₂S和CH₄等污染组分。因为不同组分都有各自的特定拉曼散射光谱，借此可进行定性分析；拉曼散射光的强度又与相应组分的浓度成正比，借此又可作定量分析。因为拉曼散射信号较弱，所以这种装置只适用于近距离(数百米范围内)或高浓度污染物的监测。图9-41是拉曼激光雷达系统示意图。发射系统将波长为λ_o(相应频率为f_o)的激光脉冲发射出去，当遇到各种污染组分时，则分别产生与这些组分相对应的拉曼频移散射信号(f₁、f₂、…、f_n)。这些信号连同无频移的雷利和米氏散射信号(f₀)一起折返发射点，经接收望远镜收集后，通过光谱分析器分出各种频率的折返光波，并用相应的光电检测器检测，再经电子及数据处理系统得到各种污染组分的定性和定量检测结果。

图9-41拉曼激光雷达系统示意图

激光荧光遥感技术利用某些污染物分子受到激光照射时被激发而产生共振荧光，测量荧光的波长，可作为定性分析的依据；测量荧光的强度，可作为定量分析的依据。如一种红外激光-荧光遥感监测仪可监测空气中的NO、NO₂、CO、CO₂、SO₂、O₃等污染组分；还有一种紫外激光-荧光遥感监测仪可监测空气中的HO·浓度，也可以监测水体中有机物污染和藻类大量繁殖情况等。

利用激光单色性好的特点，也可以用简单的光吸收法监测空气中污染物浓度。例如：曾用长光程吸收法测定空气中HO·的浓度，将波长为307.9951 nm、光束宽度小于0.002 nm的激光射入空气，测其经过10 km射程被HO·吸收衰减后的强度变化，便可推算出空气中HO·的浓度。还有一种差分吸收激光雷达监测仪，以其高灵敏度及可进行距离分辨测量等优点成功应用于遥测空气中NO₂、SO₂、O₃等分子态污染物的浓度。这种仪器使用了两个波长不同而又相近的激光光源，它们交替或同时沿着同一空气途径传输，被测污染物分子对其中一束光产生强烈吸收，而对波长相近的另一束光基本没有吸收；同时，气体分子和气溶胶颗粒物对这两束光具有基本相同的散射能力(因光受颗粒物散射的截面大小主要由光的波长决定)，因此两束光被散射后的返回光强度差仅由被测物质分子对它们具有不同吸收能力决定，根据这两束返回光的强度差就能确定被测污染物在空气中的浓度；分析这两束光强度随时间变化而导致的检测信号变化，就可以进行被测物质分子浓度随距离变化的分辨测定。例如：对大气平流层臭氧垂直分布的研究，激光雷达用激光器向平流层发射能被臭氧吸收的紫外线(308 nm)和不能被臭氧吸收的紫外线(355 nm )，用电子望远镜收集从不同高度散射返回的紫外线，通过识别、分析，可获得不同高度臭氧的浓度。

五、微波辐射遥感

微波是指300～300000 MHz(波长1 nm～1 m)的电磁波。有些气态污染物在微波段具有特征吸收带，如一氧化碳在2.59 mm波长处、氮氧化物在2.4 mm波长处、臭氧在2.74 mm波长处有特征吸收带，可用微波辐射测定仪测定。

六、“3S”技术

遥感(RS)与地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS；相结合(称“3S”技术)形成了对地球进行空间观测、空间分析及空间定位的完整技术体系，在监测大范围生态环境、自然灾害、污染动态和研究全球环境变化、气候变化规律和减灾、防灾等方面发挥着越来越重要的作用。其中，全球定位系统可提供高精度的地理定位方法，用于野外采样点、海洋等大面积水体污染区域、沙尘暴范围等定位。地理信息系统是一种功能强大的对各种空间信息在计算机平台上进行存储、传输、处理及综合分析的工具。三种技术的结合，为扩大环境监测范围和功能，提高信息化水平，以及对突发性环境污染事故的快速监测、评估等提供了有力的技术支持。我国于2008年发射的风云三号新一代极轨气象卫星，装载有扫描辐射仪、红外分光光度仪、微波温度计、微波湿度计、中分辨率光谱成像仪、微波成像仪、紫外臭氧总量探测仪、紫外臭氧垂直探测仪、地球辐射探测仪、太阳辐射监测仪和空间环境监测仪11台有效载荷，开展三维、全天候、多光谱定量探测，以获取海洋及空间环境的相关信息。