遥感技术在生态环境监测及执法中的应用进展①

2020-09-14陈博明

矿冶工程 2020年4期

陈博明

（湖南省生态环境事务中心，湖南长沙410014）

社会经济的迅猛发展，对生态环境产生一系列污染或破坏，生态环境问题已成为制约人与自然和谐发展的重要问题。 21 世纪以来，我国实行经济与生态环境可持续发展战略，为了预防与控制生态环境中出现的污染问题，必须大力加强生态环境监测工作。 2018年3 月，中共中央印发的《深化党和国家机构改革方案》中明确要求整合环境保护和国土、农业、水利、海洋等部门分散的生态环境保护职责，由国家生态环境部统一行使生态和城乡各类污染排放监管与行政执法职权，加强环境污染治理，保障国家生态安全［1］。生态环境部要求在生态环境监测和保护中，充分发挥遥感技术的重要作用［2-3］。本文就遥感技术在生态环境监测和执法中的应用进展进行了综述。

1 遥感技术引入的必要性

1.1 遥感技术概述

生态环境的监测与管理涉及面极广，是一个动态、大尺度、长时间的工作。传统环境执法工作主要包括：地方生态环境主管部门自查、上级生态环境主管部门检查、社会监督等。环境执法如果采用传统地面调查手段，工作量巨大、时效性差，获取的信息也不够客观，年度更新成本更高；且一些偏远地区无法安装、架设监测仪器；部分企业为躲避监管，排污手段层出不穷。因此，现有环境执法主要存在3 大难点：发现目标难，确定位置难，分析空间信息难［4］。

科学技术的快速发展，使遥感技术应用于生态环境监测成为可能。遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、对目标进行探测和识别的综合技术，也是获取地球表面所涵盖的地理空间信息的主要手段。人造地球卫星发射成功，大大推动了遥感技术的发展。现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节。遥感系统由遥感器、遥感平台、信息传输设备、接收装置以及图像处理设备等组成。遥感的目的是通过对图像的定性、定量分析，深入研究各种自然环境要素，且具有宏观、综合、动态和快速等特点，能及时、准确、全面地获得相关地理环境信息，有效减轻了生态环境监测人员工作压力、劳动强度。

生态环境遥感监测技术被视作生态环境动态宏观监测最可行、最有效的手段［5］。通过遥感监测，生态环境部下属生态与环境卫星应用中心通过卫星遥感保障了国家七部委制定的“绿盾行动”顺利进行，为国家环境管理和决策提供了有力支持［6］。

1.2 政策法规对遥感技术应用要求

为加强环境保护，我国于2014 年颁布了新的环境保护法。该法中增加了生态保护红线规则，并在关键生态功能区等区域指定了生态保护红线，实施严格保护的环境敏感区和脆弱区域。此外，国家科技部自2012 年起每年发布一份关于全球环境遥感监测的年度报告，为全球环境监测做出了贡献，迄今为止已经更新至《全球生态环境遥感监测2019 年度报告》。近年来，我国开始大范围推广遥感技术，以便有效地进行环境监测，旨在建立用于环境监测的天地一体化观测系统。实施了一系列科学技术资助计划，包括高分辨率地球观测系统项目、全球生态环境监测和一带一路评估等［6-7］。国务院自2013 年9 月起，相继出台气、水、土污染防治行动计划，即众所周知的《大气十条》《水十条》《土十条》，均强调了强化卫星遥感技术在环境监管与环境监察执法中的应用［8］。

2 环境监测与执法中应用的遥感技术与装备

在当前的环境监测与执法中，已经充分发挥“天基”卫星遥感、“空基”无人机遥感以及“地基”的定位观测、地面调查等各种技术手段优势，“天-空-地”一体化的自然保护监测监管网络体系正逐步完善，“遥感发现-地面核查-监督执法”的主动发现监管体系日趋完善（见图1）。

图1 “天-空-地”一体化遥感卫星体系

2.1 星载遥感

2008 年之前，环境监测主要基于EOS-Terra，Envisat，Landsat，Quickbird 和SPOT 等国外卫星的数据集（见表1）。此后，我国加快了对卫星遥感的研究与科技攻关，并建立了一系列科学技术资助计划，其中最典型的就是“十一五”期间重点实施的国家重大科技专项——“高分辨率对地观测系统专项”，它直接推动了高分1～6 号卫星的发射和应用。高分卫星系列涵盖了高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率和雷达系统在内的主流传感器［8］，高分卫星收集的数据在环境监测中发挥了极为重要的作用。

2.2 无人机遥感

尽管当前地球观测卫星的数量激增，但目前极高空间分辨率（＜10 m）卫星传感器的时间分辨率和可获得性通常不足，使得它们对地表环境过程动态变化的监测及据此开展的督察执法往往受到限制［9］。如果需要快速地重访周期（用于高时空频次的监测），获取卫星遥感数据的成本极高。相较于传统卫星遥感监测平台，无人机可以在较低的高度开展作业（5～200 m），能够一定程度上规避了极端天气和云层影响，进而实现快速、准确地获取高精度遥感图像［10］。目前，无人机载遥感已经在水质监测、野生动植物研究、精准农业、空气质量监测、紧急风险管理等领域进行了实践并取得了较好的效果［9］。此外，除了获取遥感数据，无人机在难以开展原位采样的地区对水体、土壤等样本进行采集作业、服务生态环境监测及执法督察［11］。

2.3 地基遥感

把传感器安置在地面、低塔、高塔和吊车上对地面进行探测，这种方式叫“地基遥感”或“近地遥感”［12］。由于其极为便携，且具有非破坏性、检测效率高、精准度高等优点，近年来逐渐用于环境监测。尽管大多数物探方法诞生之初主要是针对地下深层测量开发的，但其中一些方法（尤其是电磁方法）也可以用于浅层深度探测，尤其用于土壤环境监测领域。在常用的物探方法中，探地雷达（GPR）和电磁感应（EMI）在土壤调查中应用最广泛。 GPR 测量土壤电介质的介电常数，EMI 检测土壤电导率的变化，从而探测土壤水分、含盐量、质地、剖面性质以及植被根系变化。而近地高光谱技术凭借众多的波段、光谱曲线完整且连续、具备高分辨率特性，并能提供空间域和光谱域双重信息，近年来也得到长足发展。传统星载遥感技术可以及时有效地监测环境变化，而高光谱遥感可以提高监测精度，目前高光谱遥感技术主要应用于土壤、生态、大气、地质、水环境等领域［13-14］。

表1 遥感卫星及其主要参数

3 遥感技术在生态环境监测中的主要应用

针对现有主要环境污染类型（生态污染、空气污染、水体污染、土壤污染等），本文归纳总结了遥感技术在环境监测中的应用情况。

3.1 植被指数监测

在遥感应用领域，将卫星可见光和近红外波段进行组合而形成的植被指数已被广泛用来定性和定量评价植被覆盖及其生长活力。常用的植被指数包括比率植被指数、归一化植被指数、环境植被指数、绿色植被指数、垂直植被指数、土壤调整植被指数和差异环境植被指数等。通过指数计算，可以对地表植被状况进行简单、有效和经验度量。

在生态领域，利用植被指数实现土壤退化、水土流失、土地荒漠化、土地退化、森林破坏等方面监测；在农业领域，利用植被指数进行耕地提取、农作物长势监测、产量估算、农作物各参数的提取等。此外，这些指数可以直接用于水环境（湖库水华、富营养化城市黑臭水体、流域岸边带等）监测方面，还可以通过指数组合结合遥感图像突出显示受到污染胁迫的植被生长情况，有力支撑了我国的环境污染防治。

3.2 土壤污染监测

遥感技术可以进行土壤污染的识别、反演、监管或风险评价［15］。在土壤污染分析监测过程中，运用光谱分析法对重金属、有机污染物进行分析已成为一种快速的例行分析方法。植被冠层的光谱变化也可为识别土壤石油类污染提供参考，与土壤特征光谱的反射率相比，植被指数能更好地表征这些光谱变化，利用地面或机载的多源光谱数据就可直接进行识别［16］。但需要注意的是，土壤中石油污染物的含量在识别时易受水分变化的影响，因此相对于海洋来讲，基于遥感技术的土壤石油污染的识别研究仍然较少，且精度较低［16］。

3.3 大气污染监测

大气中常见污染物包括气溶胶、臭氧、二氧化氮、一氧化碳和二氧化硫。针对当前“散乱污”企业造成的严重污染，面临管控困难的现状，利用遥感技术准确快速地确定环境督查重点关注区域，可有效提高现场环境执法效能。传统的大气污染监测主要是通过地面观测实现，因为地面测量受到观测站分布的限制，不具备空间连续性并且不能满足区域研究的需求，具有一定的空间局限性。卫星遥感技术的发展极大地促进了大气污染监测，从20 世纪70 年代中期开始，开展卫星遥感气溶胶的理论研究，伴随着MODIS 传感器的发射，气溶胶遥感呈迅猛发展之势。卫星遥感反演得到的大气气溶胶光学厚度产品数据对于各种尺度下的大气污染研究发挥了重要作用。研究学者在气溶胶光学特性及时空分布规律、近地表颗粒物浓度预测与模拟、大气污染动态监测、全球气候变化影响等方面做了大量研究，并取得了较大进展［17］。考虑到污染源通常具有明显的热辐射效应，地表温度也是在污染溯源研究方面不可或缺的重要参数［18］。主要有3 种主流反演算法：单通道算法、劈窗算法和机器学习算法，它们被广泛用于反演地表温度并结合大气污染数据进行溯源。目前，遥感技术在秸秆焚烧、灰霾、沙尘、颗粒物、二氧化氮等监测及溯源方面发挥了重要作用［14］。

3.4 水污染监测

河流、湖泊、水库等地表水受污染后，其物理、化学、生物特征也随之发生变化。各种污染物质对电磁波具有不同的吸收及反射特性，某些化合物在特定波长电磁波激发下还会产生特征荧光。测量水体对特定电磁波吸收、反射或辐射等的差异，并利用计算机或光电仪器进行信息加工或图像处理，可了解水污染的种类、范围和程度。水污染遥感监测利用水中物质对光波和电磁波的反射特性，以及物质本身的热辐射特性来探测漂浮在水面和悬浮于水体中的物质以及某些溶解于水的化合物。对于化学污染物可利用其荧光特性来探测，对于水中悬浮物质则利用光吸收技术来探测。红外遥感可测量水温并绘制出大面积水体等温线图。紫外摄影可侦察水表面的油膜。卫星遥感技术可追踪海上大面积油膜移动的方向。

4 存在的不足及展望

遥感技术在环境监测和执法督察中已取得了长足进展，但仍存在不足，需从以下几个方面进行改进，以满足新时代背景下国家统筹环境监测与执法督察的要求。

1）促进多源遥感数据融合。多源遥感数据可以弥补单一类型数据在时间分辨率、空间分辨率或光谱分辨率方面的不足，并提供补充信息。因此，充分融合包括遥感数据、生态数据、环境数据、气象数据、社会经济数据在内的多源数据，进行生态环境监管与执法督察是今后重要的研究方向。

2）提高遥感参数反演效果。考虑到遥感反演过程的不确定性，通过优化模型和开发地表数据同化系统，可以提高生态参数反演的准确性。此外，当前生态指数的估算主要基于遥感数据与地面实测数据之间的关系，获取原位数据的准确性有待进一步提升。因此，对模型的准确评估以及如何降低模型对地面实测数据的依赖程度是今后的研究方向。

3）优化遥感建模尺度效应。尺度效应是环境遥感需要面对的主要问题。遥感反演的准确性与所用数据集的空间和时间分辨率有关。因此，有必要根据要求优化遥感建模的合适时空尺度，从而进一步选择可用的遥感数据集。

4）提高遥感产品自动化水平。除了产品的准确性外，在许多实际应用场景中对产品的实时性也有很高要求，这直接影响到实际决策支持的成败与否。未来工作的重点将是通过流程优化、定制功能开发和聚合计算资源来提高遥感产品的自动化水平。

5）增强遥感综合分析能力。利用环境遥感从单纯监测转变为具有监测和预报综合能力的业务平台，并加强结果的综合分析。