“高分五号”卫星生态环境领域应用前景

赵少华 刘思含 吴迪 吴艳婷 刘芹芹



“高分五号”卫星生态环境领域应用前景

赵少华1,2刘思含1,2吴迪1,2吴艳婷1,2刘芹芹3,4

（1 环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094）（2 国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100094）（3 中国地震局地壳应力研究所，北京 100085）（4 清华大学环境学院，北京 100084）

2018年5月9日发射的“高分五号”卫星是中国光谱分辨率最高的卫星，搭载了6台有效载荷。文章通过研究载荷的指标特征，结合国家生态环境管理的重点工作，分析了“高分五号”卫星在中国空气质量、污染气体、温室气体等大气污染防治工作，在重点湖库水质、饮用水源地安全、面源污染等水污染防治工作，在土壤污染地块、矿产开发土壤污染、土壤污染程度等土壤污染防治工作，在生态状况调查评估、生态红线监管、生物多样性等生态监管工作，以及在对中国环保督查、突发环境事件应急监测、“一带一路”战略实施等环境执法和应急工作中的遥感应用潜力，为“高分五号”卫星发射后的应用、研究和发展方向提升等提供参考。

大气污染 水污染 土壤污染 生态环境监管 “高分五号”卫星

0 引言

“高分五号”卫星为高光谱观测卫星，是高分专项中唯一的一颗实现高光谱分辨率对地观测卫星，是国家高分辨率对地观测能力的重要标志。该卫星可获取从紫外到长波红外谱段的高光谱分辨率星载遥感数据，对内陆水体、陆表生态环境等地物目标，以及大气污染气体、温室气体、气溶胶等环境要素进行综合探测[1]，满足了我国环境综合观测对高光谱遥感数据的迫切需求，可为我国生态文明建设、提高我国在全球气候变化的话语权等重大需求提供遥感数据支撑，意义十分重大。

“高分五号”卫星为太阳同步轨道卫星，其优势是搭载了系列环境应用特色高光谱载荷，包括可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气主要温室气体监测仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪6台遥感载荷[1]。6台载荷中2台水体陆地探测载荷、4个大气载荷，这些载荷指标都是非常先进的，其最突出的特色是纳米级高光谱分辨率，4台大气载荷具备了大幅宽、高光谱分辨率以及偏振探测的能力，使污染气体、温室气体高精度遥感探测成为可能[2]。可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪能够有效缓解我国水环境、生态环境监测以及环境监管领域遥感应用中高光谱数据、红外数据的缺乏。可见短波红外高光谱相机谱段数量约330个，光谱分辨率高达5nm，空间分辨率30m，幅宽60km；全谱段光谱成像仪12个谱段，空间分辨率为20m和40m，幅宽60km。其中，热红外波段空间分辨率为40m，这在国际上是热红外波段空间分辨率最高的民用卫星；这两个载荷可以高精度监测陆地和水体环境要素，包括水体污染物浓度、水体热污染、城市热岛、生物多样性、地表精细分类等[3]。4个大气载荷中，痕量气体差分吸收光谱仪的光谱分辨率高达0.3nm，主要探测二氧化硫、氮氧化物、臭氧等；大气主要温室气体监测仪的光谱分辨率达0.27cm–1，主要探测二氧化碳、甲烷等；大气气溶胶多角度偏振探测仪有3个偏振通道、9个偏振角度，主要监测气溶胶光学厚度、灰霾污染等，它采用偏振探测的方式能够有效去除气溶胶反演中地表反射的影响，有助于提高颗粒物探测的精度，这种偏振探测技术也较为先进；大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪光谱分辨率高达0.03 cm–1，主要用于探测高层大气中污染气体、温室气体等痕量气体。

1 “高分五号”卫星生态环境领域应用前景

“高分五号”卫星6台载荷，结合国家大气污染防治、水污染防治、土壤污染防治、生态环境监管等重点工作[4-6]，可有效探测大气污染气体、温室气体、气溶胶光学厚度等；可高精度监测叶绿素、浮游生物、溶解的有机质以及各种悬浮物、水生植物等；还可用于水色遥感大气校正、水体热污染监测、湖泊蓝藻水华监测预警、核电厂温排水、湖泊富营养化评估、近海赤潮、浒苔遥感监测等，以及流域非点源污染遥感监测、饮用水源地遥感监测等水生态环境；对于尝试开展土壤污染遥感监测，高精度识别地物类型、植被类型，进行地表温度、土壤水分蒸散、城市热岛效应、生物多样性、自然保护区、土地利用类型、大型工程生态环境破坏等监测，具有巨大的应用前景[2]。以下分别介绍“高分五号”卫星在生态环境领域主要应用潜力。

1.1 在大气污染防治中的应用

在大气污染防治工作中，可用于全国灰霾及颗粒物监测/分析与预警、全国污染气体监测/分析与预警、城乡散煤燃烧和扬尘等监测与分析、全国挥发性有机物监测与分析、重点区域温室气体监测与分析。具体应用潜力如下：

1）全国灰霾及颗粒物监测、分析与预警。利用大气气溶胶多角度偏振探测仪，开展对全国范围尤其是京津冀、长三角、珠三角等重点区域灰霾与颗粒物浓度、分布及迁移扩散情况进行遥感监测、分析与预警；结合大气痕量气体差分吸收光谱仪，开展全国重污染天气应急与溯源遥感监测分析，开展区域大气污染传输通道研究。

2）全国污染气体监测、分析与预警。利用大气痕量气体差分吸收光谱仪，以氮氧化物、硫氧化物、臭氧等为主要监测指标，对全国范围尤其是“三区十群”等重点区域污染气体浓度、分布及迁移扩散情况进行遥感监测、分析与预警，对城市及其近郊酸雨污染严重地区等进行遥感监测与分析。

3）城乡散煤燃烧、扬尘等监测与分析。利用大气气溶胶多角度偏振探测仪、全谱段光谱成像仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪等载荷，开展重点区域散煤燃烧、塑料大棚建设对空气质量影响的遥感监测、分析与评估；开展城市及周边区域扬尘、交通干线机动车尾气排放、港口船舶污染气体排放等遥感监测与分析。

4）全国挥发性有机物监测与分析。利用大气痕量气体差分吸收光谱仪，尝试对甲醛等挥发性有机物进行遥感监测，对全国范围尤其是挥发性有机物排放较大的典型工业区进行遥感动态监测，分析其对区域大气环境质量的影响。

5）重点区域温室气体监测与分析。利用大气主要温室气体监测仪，开展重点区域二氧化碳、甲烷、臭氧等温室气体遥感监测，调查温室气体重点排放源，支撑服务我国环境外交、履约谈判等工作。

1.2 在水污染防治中的应用

可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷可广泛应用于水污染防治工作，具体包括重点湖库水质、水华监测预警、城市水环境监测/分析与评估、全国饮用水水源监测与分析、全国面源污染监测与估算、重点流域水环境监测与分析、近岸海域水环境监测与分析。其中，可见短波红外高光谱相机具有以60km幅宽、30m空间分辨率，在400~2 500nm宽光谱范围内，以5~10nm光谱分辨率同时获取地物的影像和光谱信息的能力，在水质指标反演方面具有显著优势。全谱段光谱成像仪具有60km幅宽、20m/40m的空间分辨率，获取地物在可见到长波红外12个谱段光谱辐射信息的能力，多波段组合应用可有效识别水表信息，识别环境风险源，并可采用多光谱反演算法进行水质指标监测，特别是长波红外波段可以观测地表温度、水体温度，具有通过分裂窗谱段提高探测精度的能力，并可实现夜间探测。具体应用潜力如下：

1）重点湖库水质、水华监测预警。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，以叶绿素、悬浮物、透明度、富营养化指数等为主要监测指标，对太湖、巢湖、滇池、洞庭湖、鄱阳湖、丹江口水库、于桥水库等重点湖库水质进行监测，结合地面监测数据和气象数据，开展湖库蓝藻水华遥感监测预警；以湖泊水质和湖泊岸边带人为活动、汇水区环境状况为监测重点，开展全国良好湖泊水环境遥感监测；开展全国大江大河及重点湖库水色异常环境遥感巡查和应急监测。

2）全国饮用水水源监测与分析。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，开展全国饮用水水源水质、水量时空分布及变化遥感监测，湖库型饮用水水源营养状况遥感监测，全国饮用水水源保护区违章建筑及设施等风险源遥感监测，南水北调等跨流域调水工程沿线保护区风险源遥感监测。

3）全国面源污染监测与估算。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，以总氮、总磷、氨氮、化学需氧量为主要监测评估指标，开展国家尺度、流域尺度、区域尺度的面源污染遥感监测，评估农田污染、农村生活、畜禽养殖、城镇径流等各类面源污染时空特征；开展面源污染分区分级研究，形成我国面源污染分区分级监测管理体系。

4）重点流域水环境监测与分析。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，以七大流域植被覆盖、水体分布、河网密度等生境指标为主，对流域水环境质量、水生态功能进行遥感监测和评价；对七大流域河流水质、自然岸线、人工岸线、排污口、闸坝建设情况等进行遥感监测；开展重点流域工业园区分布、河滩地开发利用状况遥感监测、不同季节河流干涸遥感监测分析及跨流域调水生态评估。

5）近岸海域水环境监测与分析。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，对重点海域赤潮、溢油、浒苔等进行遥感监测，开展我国大陆海岸线、围海造地、港口码头等遥感监测，调查大陆自然及人工岸线长度、空间分布状况，分析自然岸线变化及保有率等情况。

1.3 在土壤污染防治中的应用

可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷可广泛应用于土壤污染防治工作中，具体包括全国土壤污染场地/污染源动态监测与评估、设施农业土壤污染监测与评估、矿产资源集中开采区土壤污染监测与分析、城市及其周边区域土壤环境监测与风险评估等。可见短波红外高光谱相机5~10nm光谱分辨率在土壤污染相关指标反演方面具有显著优势；全谱段光谱成像仪12个谱段分布及20m/40m的空间分辨率，可在大尺度上识别污染地块和风险源。具体应用潜力如下：

1）全国土壤污染场地/污染源动态监测与评估。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，开展全国土壤污染场地/污染源遥感动态监测，重点监测污染场地分布及利用方式类型等的动态变化、污染源周边植被胁迫状况变化并进行评估；利用遥感技术优化全国土壤污染监测点位设置。

2）设施农业土壤污染监测与评估。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，基于长时间序列遥感影像，构建土壤污染反演模型及土壤污染农产品胁迫效应模型，监测历年农膜使用情况，定量评估设施农业对土壤环境质量的影响。

3）矿产资源集中开采区土壤污染监测与分析。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，针对矿山、油田等矿产资源集中开采区内的场地特征污染物，开展土壤污染范围及污染程度遥感监测，并结合场地周边生态敏感区空间信息对土壤污染场地进行风险评估。

4）城市及其周边区域土壤环境监测与风险评估。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，开展城市及其周边区域土壤污染源遥感监测，识别重点污染源位置、规模、类型、年限等信息，分析城市及其周边区域土壤污染源总量、分布等特征，结合区域地形等相关数据评估城市土壤环境风险。

5）区域土壤污染程度监测。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，开展典型区域土壤重金属等不同污染程度的遥感监测研究尝试，探索土壤重金属污染物含量遥感监测的技术途径和适用性。

1.4 在生态环境中的应用

可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷可广泛应用在生态环境监测，具体包括：全国生态状况变化调查与评估、全国生态保护红线监管、生物多样性保护优先区域监测与评估、国家重点生态功能区监测与评价、区域生态系统监测及生态资产评估、城市生态环境监测与评估、农村垃圾监测与分析、国家重大生态保护治理工程建设效果评估等工作。可见短波红外高光谱相机5~10nm光谱分辨率在生态参数反演方面具有显著优势；全谱段光谱成像仪12个谱段分布及20m/40m的空间分辨率，可利用多光谱算法进行生态参数反演，开展中尺度的生态系统分类，其热红外光谱通道，可有效反演地表温度，实现城市热污染监测。具体应用潜力如下：

1）全国生态状况变化调查与评估。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，根据国家生态管理需要，每五年开展一次全国尺度、典型区域尺度和省级尺度的生态环境遥感调查，动态反映生态系统格局、品质、服务功能状况，查明区域生态环境问题与胁迫，提出全国生态保护与履行《生物多样性公约》对策与政策建议；按照国家统领、省部联动工作思路，组织开展各省生态状况调查评估。

2）全国生态保护红线监管。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，基于遥感解译并结合野外核查划定生态保护红线，构建全国生态保护红线监管平台，对生态保护红线进行遥感监测，监控红线区域生态系统变化、生态功能与质量、人为干扰、生态风险等，支撑生态保护红线绩效考核。

3）生物多样性保护优先区域监测与评估。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，开展生物多样性保护优先区域人类活动对生物多样性干扰情况、特有物种及其栖息地生态状况遥感监测与评估；开展我国外来物种入侵状况及途径、转基因作物范围等生物安全遥感监测。

4）国家重点生态功能区监测与评价。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，开展全国500多个国家重点生态功能区县域生态环境质量卫星遥感普查和无人机遥感抽查，并对县域生态环境变化进行评估，支撑服务国家生态补偿制度的有效落实；对国家重点生态服务功能区水源涵养、防风固沙、水土保持等生态服务功能进行遥感动态监测与评估。

5）区域生态系统监测及生态资产评估。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，开展全国和典型区域生态系统遥感动态监测与评估，构建基于遥感的生态资产与生态承载力计算与评价指标体系，开展生态资产负债表编制与区域生态承载力核定，揭示区域主要生态问题并提出对策建议。

6）城市生态环境监测与评估。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，开展城市绿地、城市生态系统结构与功能变化、城市热岛等遥感监测与评估。

7）农村垃圾监测与分析。开展全国及重点区域农村垃圾、农村有机食品基地生态环境状况等遥感监测与分析。

8）国家重大生态保护治理工程建设效果评估。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，对天然林保护、天然草原恢复、退耕还林、退牧还草、退田还湖、防沙治沙、水土保持等生态治理工程进行遥感监测，并综合评估生态治理工程实施成效。

1.5 环境执法和应急等遥感监测中的应用潜力

“高分五号”卫星大气气溶胶多角度偏振探测仪、可见短波红外高光谱相机、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气主要温室气体监测仪、全谱段光谱成像仪等载荷还可用于中央环保督察及环境专项执法检查技术支持、资源开发生态破坏及恢复情况监测、固体废弃物堆放环境监管、突发环境事件应急监测、“一带一路”沿线国家生态环境遥感监测与调查评估等重要工作。具体应用潜力如下：

1）中央环保督察及环境专项执法检查技术支持。对检查区污染偷排、生态破坏等行为进行遥感动态监测，为中央环保督察、自然保护区专项执法检查、饮用水水源保护区专项执法检查等提供技术支撑。

2）资源开发生态破坏及恢复情况监测。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，对全国重点开发区资源开发活动造成的生态破坏及恢复情况进行遥感动态监测与评估，对全国重点生态治理工程区生态破坏及恢复情况进行遥感监测与评估。

3）固体废弃物堆放环境监管。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，对城镇及其周边磷石膏、赤泥、锰渣、废砂等大宗工业固体废弃物堆存，以及铬渣等历史堆存和遗留危险废弃物场地进行遥感监测与分析。

4）突发环境事件应急监测。利用大气气溶胶多角度偏振探测仪、可见短波红外高光谱相机、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气主要温室气体监测仪、全谱段光谱成像仪等载荷，开展突发重污染天气、水污染事件、重点水域赤潮和溢油等遥感应急监测，开展污染泄漏、危险品爆炸、尾矿垮塌、有毒有害品扩散等遥感应急监测与评估，支撑服务环境应急管理决策。

5）“一带一路”战略规划实施。利用可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪等载荷，开展“一带一路”沿线国家生态环境遥感监测与调查评估，识别沿线生态环境脆弱地区和敏感点，支撑服务国家战略规划及重大项目实施。

2 结束语

“高分五号”卫星是目前我国光谱分辨率最高的卫星，它的发射填补了国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白，对于动态监测我国大气污染状况、贯彻落实国家大气污染防治行动计划，具有非常重要的意义。同时，在国家水污染防治、土壤污染防治、生态监管、环境执法、环境应急和“一带一路”国家战略实施等方面也可发挥重要作用。

[1] “高分五号”卫星预计5月初发射服务“一带一路”[EB/OL]. [2018-04-24]. http://www.xinhuanet.com/politics/2018-04/ 24/c_1122736404.htm。 GF-5 Satellite is Expected to be Launched in Early May, Providing Service for “The Belt and Road” [EB/OL]. [2018-04-24]. http://www.xinhuanet.com/politics/2018-04/24/c_1122736404.htm. (in Chinese)

[2] 赵少华, 张峰, 王桥, 等. 高光谱遥感技术在国家环保领域中的应用[J]. 光谱学与光谱分析, 2013, 33 (12): 3343-3348. ZHAO Shaohua, ZHANG Feng, WANG Qiao, et al. Application of Hyper-spectral Remote Sensing Technology in Environmental Protection[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2013, 33(12): 3343-3348. (in Chinese)

[3] 赵少华, 王桥, 游代安, 等. 卫星红外遥感技术在我国环保领域中的应用与发展分析[J]. 地球信息科学学报, 2015, 17 (7): 855-861. ZHAO Shaohua, WANG Qiao, YOU Dai’an, et al. Preliminary Analysis on the Application of Satellite Infrared Remote Sensing Techniques in Environmental Protection of China[J]. Journal of Geo-information Science, 2015, 17(7): 855-861. (in Chinese)

[4] 大气污染防治行动计划[R/OL]. (2013-09). http://www.jingbian.gov.cn/gk/zfwj/gwywj/41211.htm. Pollution Prevention and Control Action Plan[R/OL]. (2013-09). http://www.jingbian.gov.cn/gk/zfwj/gwywj/41211.htm. (in Chinese)

[5] 水污染防治行动计划[R/OL]. (2015-04). http:// www.gov.cn/zhengce/content/2015-04/16/content_9613.htm. The Action Plan for Prevention and Control of Water Pollution [R/OL]. (2015-04). http://www.gov.cn/zhengce/content/ 2015-04/16/content_9613.htm. (in Chinese)

[6] 土壤污染防治行动计划[R/OL]. (2016-05). http://www.gov.cn/zhengce/content/2016-05/31/content_5078377.htm. The Action Plan for Prevention and Control of Soil Pollution[R/OL]. (2016-05). http://www.gov.cn/zhengce/content/ 2016-05/31/content_5078377.htm. (in Chinese)

Potential Application Analysis of GF-5 Satellite in Ecology and Environment Fields

ZHAO Shaohua1,2LIU Sihan1,2WU Di1,2WU Yanting1,2LIU Qinqin3,4

（1 Environmental Satellite Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100094, China）（2 State Environmental Protection Key Laboratory of Satellite Remote Sensing, Beijing 100094, China）（3The Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China）（4 School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China）

GF-5 satellite carrying six payloads launched recently is the highest spectral resolution satellite in China at present. By studying the technical indexes of the payloads and combining the key work of the national ecological environment management, the potential environment application of GF-5 satellite is analyzed. Concretely, these application fields include the remote sensing monitoring of air quality, polluted gas, greenhouse gas, etc. for the prevention and control of air pollution, the remote sensing monitoring of water quality of lakes and reservoirs, safety of drinking water sources and non-point source pollution for the prevention and control of water pollution, the remote sensing monitoring of soil contaminated plots, mineral exploitation, soil pollution for the prevention and control of soil pollution, the remote sensing monitoring of ecological condition assessment, ecological red line regulation, biodiversity for the eco-environmental conservation, as well as the applications in the fields of environmental enforcement and emergency response such as the central environmental supervision, environmental emergency monitoring and the implementation of "One Belt And One Road" strategy. This research will provide references for the application, research and development direction of the GF-5 satellite.

air pollution; water pollution; soil pollution; ecology environment supervision; GF-5

X87

A

1009-8518(2018)03-0115-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.013

赵少华，男，1980年生，河南长葛人，博士后，正高级工程师，主要从事环境定量遥感研究。E-mail：zshyytt@126.com。

刘思含，女，1983年生，辽宁铁岭人，博士，高级工程师，主要从事环境遥感研究。E-mail：liusihan1200@163.com。

2018-04-12

国家重点研发计划“城乡生态环境综合监测技术集成与应用示范”（2017YFB0503905），国家高分辨率对地观测重大专项“环境保护遥感动态监测信息服务系统（一期）”（E05-Y30B02-9001-13/15）

（编辑：庞冰）