大型工业中心的遥感环境监测

如今，在专业和科普环境文献中，最流行的术语可能是“监测”。通常，它指与人类经济活动有关的环境状况观测、评价和预测。这个词也经常用于指对环境调查对象开展各种定期观测活动，包括大型工业中心、采矿企业、产品输送管道、森林、农田和河流等……

监测有不同形式……

自然环境监测的概念形成于20世纪70年代中期，并在我国和国外得到广泛传播。目前，世界上主要发展三类环境监测系统：

• 以固定综合监测站为基础的系统（目前西方采用此类系统；在我们看来，尤其在仅能获得剩余拨款的条件下，其成本极高，因为它需要密集的昂贵传感器网络、信息传输系统及统一而强大的处理中心）；
• 由综合移动地面实验室组成的网络（俄罗斯及独联体国家采用，实质上无论在污染物种类还是覆盖范围方面，都只能进行选择性监测）；
• 基于综合航空测量的遥感监测（可在短时间内获取大范围区域的信息，但无法发现事故情况）；

因此，考虑具体经济条件，最有效的方案似乎是将第一种和第三种环境监测形式相结合：由相对稀疏布设的固定站网进行连续观测，同时定期开展综合遥感测量，最好按季节进行。在记录参数范围广泛的条件下，航空测量在作业效率和降低单位面积成本方面无可替代。在这种情况下，监测工作通常包括对工业中心和城市群定期按季节开展比例尺为1:10000—1:25000的区域航空测量。

遥感环境监测系统的组成。

GNPP Aerogeofizika遥感环境监测系统的建立，首先与我们在切尔诺贝利核电站事故后，对受放射性污染地区开展的大量航空伽马能谱测量有关。正是在当时，此前用于未开发地区填图和地质找矿的McPhar II系统，被用于人口稠密地区，包括城市。由此产生了为机载系统增配仪器设备的想法，以记录更广泛的参数，表征研究区域的状态。

通过分析当时国内适用于这一目的的仪器种类，并对其与现有系统联合使用的可能性开展方法研究，我们认识到，原则上可以确定空气环境状况，即主要导致空气污染的气体组分和大气气溶胶的状况。

在各类气体分析仪中，多数仪器测量其所在位置或进气系统所在位置的气体浓度；我们选择了更符合遥感理念的开放光路气体分析仪。俄罗斯科学院大气物理研究所的N. S. Pugachev为建立此类系统的机载应用方法作出了重要贡献，随后A. A. Liberman和M. L. Gurari（VNIIOFI）开展了一系列研制工作，开发了相关光谱光度计系列，即NO₂和SO₂开放光路气体分析仪。我们选择这些仪器，是因为其可靠、灵敏度高、抗干扰且运行准确。共同开发的利用散射太阳辐射的航空气体测量方法，可确定飞行高度以下仪器视场光锥（3 ）内被测气体的浓度，从而专门记录近地面大气层的污染。

与此同时，我们与IKI及Karpov NIVKhI的专家合作，开发了采用超纯Petryanov滤膜采集大气气溶胶的系统（USA-1采样器）和面状航空测量的采样方法，并确定了样品制备及后续实验室化学分析的要求。

首批航空气体和气溶胶测量的试验性方法研究于1991年秋在莫斯科开展，同时还完成了该市的航空伽马能谱测量。此后又开展了1992年夏季和1993年冬季测量，由此可以称为对首都区域的季节性监测。1993年，在诺里尔斯克工业区开展综合测量，范围包括市区、联合企业及邻近正在开采的矿床。1995年，受图拉市政府委托，进行了两季（1月和8月）的综合测量，其中包括航空热红外成像。1996年3月，受莫斯科自然保护委员会（Moskompriroda）委托，采用包括航空红外成像在内的全套方法对莫斯科进行了测量。后续计划完成完整的季节监测周期，并对数据进行综合处理。

GNPP Aerogeofizika开发并已投入生产规模应用的航空地球物理遥感环境监测系统包括：测定近地面大气中NO_2、SO_2、CH₄浓度的航空气体测量；测定大气气溶胶中污染元素浓度的航空气溶胶测量；以及绘制研究区天然和人工放射性核素污染性质及程度分布图的航空伽马能谱测量。

综合环境航空地球物理测量使用Mi-8T直升机，沿间距为100—250 m的直线测网飞行。测量飞行高度为150 m，由最低允许高度与大比例尺气溶胶测量方法允许的最高高度之间的范围确定。作业在相对稳定的气象条件下进行，即风速不超过5 m/s、湿度不超过90%。

采用GPS+GLONASS卫星导航系统进行航线导航和测量结果的平面定位；该系统由我们基于ASHTECH公司的GG-24接收机开发。

所开展的各类航空测量均已获得俄罗斯测绘局（Roskartografiya）和自然资源部的许可。

航空气体测量采用用于NO₂、SO₂和CH₄的高灵敏度数字开放光路气体分析仪（可扩展被测气体种类）。仪器用于快速测量指定光路（方向）上的气体总浓度，并按计算或给定的光路长度确定平均浓度。测量误差不超过15%。

由此编制被分析气体组分的浓度分布图，详细展示航空测量期间空气环境的综合污染水平。

航空气溶胶测量。大气气溶胶采样方法使一个样品代表研究区内大小为2*2至1*1 km的单元。根据飞越该单元的航线数量，一个样品由一至四张滤膜组成；同一样品包括在不同日期、不同航线上采集的滤膜（一个测量日内，以稀疏测网覆盖整个城市）。这种技术基本排除了在测量结果中引入系统误差的可能性。每张滤膜暴露约60秒，按城市大气的平均污染程度，滤膜上的采样量为数百、数十（K、Al、Fe、Pb）至百分之几（Co、Mn等）µg/样品。飞行过程中滤膜自动更换。

滤膜采集的气溶胶在实验室采用原子吸收法和电感耦合等离子体原子发射法分析，可确定其中多达60种化学元素的浓度。背景滤膜（占总数的2—3%）也进行实验室分析，以确定污染化学元素的浓度。

最终向客户提供一组大气气溶胶中污染元素及气溶胶总组分的分布图。

航空伽马能谱测量按照标准方法进行，使用512道数字能谱仪，配备EXPLORANIUM公司体积为48 L的Polyscin NaI(Tl)探测器，在0.662 MeV谱线（Cs^{137）处的能量分辨率为9%。}

根据测量结果，编制天然（K、U、Th、Rn²²²）和人工（Cs¹³⁷）放射性核素分布图。

Aerogeofizika开发的独特设备和原创数据处理技术，可利用航空伽马能谱数据绘制研究区内游离氡局部分量的分布，该分量标示地球动力学带（现代断裂带）。此类信息对于工程勘察，以及确定卫生防疫监督机构优先检查既有建筑地下室的位置，具有价值。

尽管各类航空测量均可单独开展，但联合、综合使用可在最大限度降低成本的同时取得最大效果（航空费用仅支付一次）。同时应考虑，根据具体任务，还可加入航空热红外成像及其他航空地球物理方法等。

综合航空遥感测量成果以纸质和电子形式交付客户，可采用任何所需格式，包括可直接使用的GIS图层。

下一步是什么？

归根结底，遥感环境监测的意义在于为旨在管理居民生活质量的管理决策提供正式依据。决策者应掌握各种环境状况数据（土地、水、空气等）、具有空间定位的居民生活质量信息等。显然，作出管理决策意味着建立区域污染性质与程度和居民生活质量特征之间的一一对应关系。然而，由于一系列客观原因，这并不简单。首先，环境状况取决于大量污染物的存在；目前，仅空气气溶胶中我们就能测定多达60种元素的浓度，此外还能测定若干气体组分。要明确其中哪些组分及其何种组合对居民健康具有决定性影响，似乎是一项非常困难的任务。其次，如上所述，空气环境中所含杂质具有很强的动态性。不同来源的污染物可随风迁移，发生反应形成新化合物，被结合固定，并被水或土壤带走。第三，景观与地质条件对污染物的组成和稳定性具有显著影响，可促进某些化学元素及化合物积累，并促进另一些迁出。第四，居民生活质量不仅、也并非主要取决于环境污染的性质和程度，而在很大程度上取决于社会因素（众所周知，甚至当地伏特加的质量也会影响居民的预期寿命……）。

摆脱这一困难局面的一种途径，是采用专门的数学方法和定向数据处理工具，以便解决所提出的问题。这些问题本身的结构决定了需要采用概率统计分析方法。我们开发了完整的分析流程，并利用图拉市1995—96年各季综合环境航空测量资料及居民生活质量指标（民事登记机关3年的统计数据）进行了部分试验。该流程的主要特点是采用一系列连续的分析步骤（程序），每一步均针对特定的一组任务，并使我们进一步接近最终目标。

第一个也是最主要的步骤，是对原始环境状况数据进行降维，并尽可能不损失信息。该操作可用于研究区景观与地质分区，并确定主要污染物最稳定的组合及其在城市范围内的分布。我们认为，主成分分析法是完成这一分析环节最方便的工具。

在某些情况下，开展地质与景观分区时，对某一被测组分的分布数据采用专门的数学处理程序可能有益。例如，分析游离氡浓度时，识别氡进入大气所经过的地壳断裂，似乎是可以实现的。为此可采用物理场滤波算法。

第二步数据处理对生活质量指标进行综合分析，以组织其结构，并确定受环境影响更大的指标组合。这些组合可能包括某些特定疾病发病水平升高、人口年龄结构变化、按年龄组和死因划分的不利死亡结构等。显然，该项工作应由卫生防疫监督机构和卫生主管部门参与。多元统计分析方法，包括因子分析，最适合解决上述问题。从解析角度看，这些算法与上述主成分分析法类似。

综合数据处理的第三步，是将已识别的污染背景升高区域具体对应到可能的污染源，原则上可据此划定工业综合体和企业对空气污染承担责任的区域，并确定区域污染与生活质量指标之间联系的性质和程度。此处可使用多重相关与回归分析以及判别分析。

最后，对解决现状的各种可能途径进行分析。原则上，可通过劳动年龄人口因发病率和死亡率升高造成的损失，以实物量和货币量估算环境损害。物质损失可以、而且无疑应当由造成污染的企业赔偿。随后有两条途径：制定优先建设净化处理设施的计划，或关闭企业。后一途径将带来额外的一系列社会问题和成本。最终应选择有望在近期或远期取得最大效果的策略。在这一方面，所提出的问题可在图论框架内得到有效解决。因此，决策者只需分析局势发展的各种可能方案，并综合全部因素选择最合理的途径。

在我们看来，针对从测量到分析全过程所出现的全部问题和任务，最优的综合解决方案是建立专门的“环境—健康”地理信息系统，内置多维数据处理功能，纳入地面调查资料和城市统计数据库。将遥感环境监测资料置于这样的GIS中，才能最大限度地发挥作用，实现“监测”一词中所包含的城市环境状况预测功能。