遥感监测技术应用
浅谈我国环境监测新技术
摘要：随着经济和社会的快速发展，环境问题已成为制约经济和社会发展的一个瓶颈。环境监测是环境科学的一个重要分支，对于改善生活环境和生态环境起着重要作用。文章主要对新的几种环境监测技术作了简要的介绍。
关键词：环境监测新技术；生物监测；生态遥感检测；空气环境监测
环境问题已经成为全球及我国现代化建设的重要问题之一。在经济高速发展的同时，我们要非常重视环境污染的防治和对生态环境的保护，要把环境保护纳入国家、地方的发展之中。环境监测是环境科学的一个重要分支，是在环境分析的基础上发展起来的一门学科。环境监测是运用各种分析、测试手段，对影响环境质量的代表值进行测定，取得反映环境质量或环境污染程度的各项数据的过程。环境监测的目的是运用监测数据来表示环境质量受损程度，进而来探讨污染的起因和变化趋势。因此，可以将环境监测比喻为环境保护工作的“耳目”。环境监测在人类防治环境污染，解决现存的或潜在的环境问题，改善生活环境和生态环境，协调人类和环境的关系，最终实人类的可持续发展的活动中，起着举足轻重的作用。
一、环境监测技术概述
环境监测是环境科学和环境工程的一个重要组成部分。环境监测是以环境分析为基础，研究环境质量的变化和描述环境状态与演化、科学预报环境质量的发展趋势。环境监测是运行现代科学方法，对人类赖以生存的环境质量进行定量描述，同时尽可能灵敏并及时搜集环境质量变化的信息和对人体健康有无异常影响的信息，在分析、评价这些资料的基础上尽早地采取具体有效的行动，以保护人类正常生存与发展的一个体系。环境监测的过程一般为：现场调查→监测计划设计→优化布点→样品采集→运送保存→分析测试→数据处理→综合评价等。
（一）环境监测发展现状
环境监测技术的发展受两方面因素的影响：一是由于人类社会面临的环境问题日益复杂和严重，对环境监测不断提出新的要求；二是随着科学技术的进步，环境监测技术不断得到迅速发展。这两方面的因素导致环境监测的概念不断深化，监测范围不断扩大。
（二）环境监测的目的
环境监测的目的是准确、及时、全面地反映环境质量现状及发展趋势，为环境管理、污染源控制、环境规划提供科学依据。具体有以下几个方面：对污染物及其浓度（强度）作时间和空间方面的追踪，掌握污染物的来源、扩散、迁移、反应、转化，了解污染物对环境质量的
影响程度，并在此基础上，对环境污染作出预测、预报和预防；了解和评价环境质量的过去、现在和将来，掌握其变化规律；收集环境背景数据、积累长期监测资料，为制订和修订各类环境标准、实施总量控制、目标管理提供依据；实施准确可靠的污染监测，为环境执法部门提供执法依据；在深入广泛开展环境监测的同时，结合环境状况的改变和监测理论及技术的发展，不断改革和更新监测方法与手段，为实现环境保护和可
持续发展提供可靠的技术保障。
（三）环境监测对象
环境监测按监测介质对象划分，可分为大气污染监测、水质污染监测、土壤和固体废弃物监测、生物污染监测、生态监测、噪声振动污染监测、放射性污染监测、电磁辐射监测、热污染控制监测等。
二、环境监测新技术
(一) 生物检测技术
生物监测技术是用生物评价技术和方法对环境中某一生物系统的质量和状况进行测定，它可以弥补理化监测不足，配合物理化学监测，或者成为综合的环境监测手段。
多年来，气相色谱／质谱联用和高效液相色谱已用于环境分析，能精确地检测残留的农药量。然而，它们需要昂贵的仪器设备，复杂的前处理，熟练的技术人员及较长的分析周期。因此，人们迫切希望一种简单、快速及价廉的检测技术，能在野外或实验室内进行大批量的筛选试验。酶免疫检测(EIA)技术就此脱颖而出，尤其是在农药分析领域。
为了使EIA技术在环境监测中得到应用，美国的一些管理机构相继开发了许多化学品的检测技术，并制定相应的规范程序。USEPA的主要目标是发展简单、快速的检测技术，包括野外和实验室的EIA检测。野外方法可用于危险废物处置能力的测定，能快速获得污染程度的信息，迅速提出行动方案。USEPA主要将EIA集中用于食品和饲料中农药残留量的检测，同时开发天然毒素(如黄曲霉素)的检测方法。USFSIS资助开发了拟除虫菊酯、含氯杀虫剂以及其它化合物的检测技术。近年来，EIA试剂盒的商品化，为EIA 技术在环境监测领域的大量运用创造了条件。
1.酶免疫检测(EIA)技术概述
酶免疫分析法与酶联免疫吸附分析技术酶免疫分析法（EIA）是为了避免放射免疫分析技术
（RIA）的危险性而在1971 年创立的一种新型免疫分析技术，其应用范围很广，特别是在临床检查上。20世纪80 年代，EIA 开始应用于农药残留分析。该技术将酶促反应的高效率和免疫反应的高度专一性结合起来，可对各种微量有机物进行定量检测，但灵敏度不及放射免疫分析法，稳定性则不及色谱仪器分析法。常用的EIA 技术主要有两类：酶联免疫吸附分析法(ELISA)和酶放大免疫技术(EMIT)。最典型、最常用的EIA 方法是酶联免疫吸附分析技术(ELISA),它也是目前最常用的农残分析法之一。在应用ELISA 法检测农残时,多是采用商品化的试剂盒，既有专门检测某一种农药的试剂盒(如:毒死蜱快速检测试剂盒),也有针对一类农药的试剂盒(如:有机磷农药残留试剂盒)。该分析方法灵敏度很高,速度也快,样品的前处理更加简单,特别适于快速分析大批样品的农残情况。自20 世纪90 年代以来,农药残留酶联免疫吸附分析技术得到了全面迅速的发展,美国农业化学家协会(AOAC)已将免疫分析与气相色谱、液相色谱同列为农药残留检测的三大支柱技术。
2.酶免疫检测(EIA)技术检测的原理
借助抗原和抗体在体外特异结合后出现的各种现象，对样品中的抗原或抗体进行定性、定量、定位的检测。
1．抗原与抗体的亲和力抗原抗体的结合就像酶与底物的结合，激素与其受体的结合一样不是化学的反应，而是非共价键的可逆的结合。抗原决定簇和抗体分子可变区互补构型，造成两分子间有较强的亲和力。空间构型互补程度不同，抗原和抗体分子之间结合力强弱也不同。互补程度高，则亲和力强。此外，反应温度、酸碱度和离子浓度对抗原和抗体分子上各基因的解离性和电荷特性也有重要的影响，抗体与抗原决定簇之间的结合力大小可用亲合力来表示。高亲合力的抗体与抗原的结合力强，即使抗原浓度很低时也有较多的抗体结合抗原形成免疫复合物。
2．抗原或抗体外检测原理根据抗原抗体结合形成免疫复合物的性状与活性特点，对标本中的抗原或抗体进行定性、定位或定量的检测。定性和定位检测比较简单，即用已知的抗体和待检样品混合，经过一段时间，若有免疫复合物形成的现象发生，就说明待检样品中有相应的抗原存在。若无预期的现象发生，则说明样品中无相应的抗原存在。同理也可用已知的抗原检测样品中是否有相应抗体。
对抗原或抗体进行定量检测时，以反应中加入抗原和抗体的浓度与形成免疫复物的浓度呈函数关系。
（1）根据免疫复合物产生的多少来推算样品中抗原（或抗体）的含量：在一定的反应条件下，加入的已知抗体（或抗原）的浓度一定，反应产生的免疫复合物多少与待检样品中含有相应抗原（或抗体）量成正比。也就是抗体浓度一定时，免疫复合物越多则样品中的抗原量也越多。可用实验性标准曲线推算出样品中抗原（或抗体）的含量。如免疫单向扩散试
验、免疫比浊试验和酶联免疫检测等都属于这类方法。
（2）抗原或抗体效价滴定的原理：当抗原抗体复合物形成多少不能反应抗原抗体反应强弱时，就不能以检测反应强度来对抗原或抗体进行定量。在实际工作中，把浓度低的反应成分（抗原或抗体）的浓度固定，把浓度高的另一种反应成分作一系列稀释。例如用人血清作抗原免疫3只家兔，比较3只家兔产生抗体的多少，即滴定3只兔血清抗体效价，可用双向琼脂扩散法来滴定，例如将抗体浓度固定，将抗原作不同的稀释度，分别将抗原或抗体滴入琼脂的相应小孔中，观察免疫兔血清与不同稀释度的抗原出现明显沉淀浅的抗原稀释度（如甲兔的抗体效价为1/2000，而丙免的是1/8000则可比较出后者比前者产生抗体的效价要高）。也就是表示效价的稀释度越高，样品中所含待检成分越多。因人血清（抗原）和抗体（免疫兔血清）相比，浓度高，故应稀释抗原。
（二）生态遥感监测技术的开发
从各国生态监测的发展状况来看，不难发现生态监测的总体趋势是：遥感手段和地面监测相结合，从宏观和微观角度来全面审视生态质量状况；网络设计上趋于一体化，考虑全球生态质量变化，重视加强国与国之间的合作；在生态质量评价上逐步从生态质量现状评价转为生态风险评价，对于生态质量状况提供早期预警；环境污染严重，加上森林砍代、沙漠化、水土流失严重，使生态环境不断恶化。目前我国对生态环境变化及监测已得到高度重视。我国参加了国际间的地圈一生物圈计划，并成了相应的中国全球变化委员会(挂靠中国科学院)，在全球变化研究中积极作出自己的贡献。
我国生态监测方面考虑的主要内容有：空气环境监测(CH：、CO，的观测)，土地覆盖的变化及对全球变化的影响(包括森林覆盖的变化、湖泊面积的变化、沙漠化的发展、高山冰雪的进退等)，海洋环境的监测(海面温度、洋流、海平面变化等)，生态网络系统(自然保护区的监测)，人对环境的影响，危机带(脆弱、不稳定的过渡带)监测系统，西藏高原对全球变化的影响等等。遥感是监测全球环境变化的最重要的技术手段。
1.遥感技术应用于生态环境监测的原理及优势
“遥感”即为“遥远的感知”。遥感技术就是根据电磁辐射(发射、吸收、反射) 的理论, 应用各种光学、电子学和电子光学探测仪器对远距离目标所辐射的电磁波信息进行接收记录, 再经过加工处理, 并最终成像, 从而对环境地物进行探测和识别的一种综合技术。不同环境体由于组成它们的分子和原子数量和排列组合方式不同, 它们所特有的发射的电磁波性质也不同, 它们反射外来电磁波的性质也就不同。因此不同的环境体发射不同波段的电磁波, 不同的环境体对太阳和人工辐射有不同的吸收和反射及透射能力, 这些差别经过“遥感”形成了不同的成像, 然后通过这些不同的遥感成像解译就可区分不同的环境体, 这就是遥感技术可进行宏观环境要素监测的原理[ 16 ] 。遥感技术应用于宏观生态环境要素的监测, 具有视野广阔、获取的信息量多、效率高、适应性强、可用于动态监测等众多优点, 同时其技术方法成熟。尽快进行宏观生态环境的遥感监测, 对提高环境监测工作的水平, 扩大环境监测的影响力, 使环境监测基础工作与经济的发展、人们生活水平的提高、环境保护的要求相适应, 对最终控制我国生态环境状况恶化的趋势, 保护生态环境, 具有非常重要的现实意义。
卫星遥感技术可应用于空气污染扩散规律研究、水体污染监测、海洋污染监测、城市环境生态与污染监测、环境灾害监测，还可提供沙漠化进程、土地盐渍化和水土流失的情况、生态环境恶化状况以及工业废水和生活污水对水体的污染、石油对海洋的污染等基本状况和发展程度的数据和资料，还可获取生态环境变化的基本数据和图像资料，以现代高新技术为手段，全面地、综合地、系统地研究地球在生态环境系统的各个要素及其相互关系，建立全球尺度上的关系和变化规律，为可持续发展提供动态基础数据和科学决策依据。利用遥感技术开展环境监测、环境调查是一种快速、准确、经济、有效的方法。遥感技术的应用，把我们的视野提高到了一个新的境界，充分利用遥感技术的各种优势，进行科学研究和其他成果的转化应用，是今后提高环境监测工作水平的发展方向，也是完成环境监测任务的有效途径。随着我国卫星技术的进一步发展，我国的遥感应用领域也将进一步得到拓宽，遥感技术作为高新科技的先进性也将进一步得到体现，应用前景更加广阔。
自遥感技术问世30多年来, 以应用为导向, 技术方法与手段日臻完善, 应用深度和广度不断拓展。遥感技术正在向“多尺度、多频率、全天候、高精度、高效快速”的目标发展。大气和水污染、酸雨、气候变化、臭氧层耗竭等一系列环境问题不仅是我国也是全世界所面
临的严重问题。地球只有一个, 所以几乎所有的环境问题都是全球性的, 都需要用全球的观点来研究和解决。为此, 采用卫星遥感这一面向全球的先进技术, 是全球及我国环境科学研究的必要途径, 它不仅可以为我们提供大面积、全天时、全天候的环境监测手段, 更重要的是能够为我们提供常规环境监测手段难以获得的全球性的环境遥感数据, 这些数据将成为我们进行环境监测、预报和科学研究不可缺少的基础。
随着遥感技术的不断发展, 其在环境监测领域的发展非常迅速, 前景广阔。硬件方面, 一个重要的发展方向是研制能够选择性的监测某种或某类环境污染物浓度的高性能遥感器。软件方面, 重点则在于遥感图像的定量分析, 即建立遥感监测图像与环境污染物或环境其它参数的定量关系。在此基础上, 强化3S技术, 建立遥感定量监测与GIS集成分析信息系统, 能实现遥感动态监测数据的管理、查询、分析以及对突发性环境污染事故实时监测和预警的功能。