卫星遥感技术在我国环境监测领域中的应用

郭 浩

(辽宁省大连生态环境监测中心 116023)

0 引言

20 世纪80 年代末期，国外研究人员开始利用卫星遥感技术对水环境、大气环境、生态环境等进行监测[1]。我国卫星遥感监测技术虽起步相对较晚，但近年来也开展了一系列区域及全国范围的生态环境遥感监测与评价工作，如“一江两河”、“西部十二省”和“全国生态环境十年变化遥感调查与评估”等。卫星遥感技术的优势是获取监测地域的资料速度快、精度高、覆盖范围广、不受气候条件限制。随着计算机性能的提高，卫星技术的发展，卫星遥感技术的应用也会越来越广。目前，我国应用于环境监测领域的卫星主要有高分1 号、高分2号和资源3 号。它们可以对同一地域获得3 个不同观测视角的三维立体图像信息，在环境监测中发挥了重大的作用[2,3]。随着中共中央、国务院出台的《关于加快推进生态文明建设的意见》和《生态环境监测网络建设方案》中关于“利用卫星遥感等技术手段，对自然资源和生态环境保护状况开展全天候监测”、“强化卫星遥感等高新技术应用，提高生态环境监测立体化水平，实现监测与监管联动”等要求，卫星遥感技术将更多地应用于环境监测领域中，并在监测、评价、监管等方面提供有力支撑。本文分别从水环境、大气环境和生态环境监测方面综合介绍卫星遥感技术在我国环境监测领域中的应用。

1 卫星遥感技术在水环境监测中的应用—以饮用水源保护区和赤潮监测为例

卫星遥感技术可以广泛应用在饮用水源保护区、水华、赤潮、船体溢油事故及工业废水排放等水环境监测中。

1.1 饮用水源保护区监测

清洁的饮用水是人类赖以生存的基本条件[4]，国家要求优先保护饮用水水源地。饮用水水源安全直接影响人体健康和社会稳定。针对近年来几次涉及饮用水安全的重大环境事故[5]，保护饮用水水源安全已成为环境保护工作的重中之重。然而，目前对饮用水源保护区的监测主要侧重于水体水质，方法也多为人工采样，实验室分析，或者采用水环境自动监测系统，治理重点也放在保护区内排污企业和排污口取缔上[6]，这些工作都客观存在着劳动强度大，监测周期长，获取数据慢、运维成本高等缺点。事实上，水源地的保护需要针对一切对水体有直接或间接影响的所有污染源或风险源进行及时有效的监测与监管，利用卫星遥感技术的优势[7]对饮用水源保护区实时监测便显得尤为必要。除此之外，卫星遥感技术获得的图像信息也能监测到饮用水源保护区的植被覆盖情况，植被覆盖率指标能够反映饮用水水源保护区内开发利用程度。植被覆盖率高，表明人为活动对保护区水体干扰少，水质相应较好；植被覆盖率低，水土流失等情况则较为严重，水源涵养差，水质相应较差。图1 为某水库水位下降后，被人为改成耕地耕种。

1.2 赤(绿)潮监测

赤潮是海洋污染的三大公害之一[8]，赤潮的发生会使近海环境遭到极大的破坏。随着我国经济高速发展，大量工农业废水和生活污水排放入海，水体富营养化日趋严重，导致赤潮灾害频繁发生。赤潮的爆发通常具有突然性、空间尺度大、直接观测难等特点，一般的监测和预报难以及时准确的反应赤潮的污染程度。而卫星遥感技术利用赤潮发生时的海水水温和水色变化，提供几米到几公里的图像信息，经过校正、图像合成、分析、解译等过程，反演出海洋水体中的叶绿素浓度、微生物含量、泥沙含量等各种信息[9]，从而判断赤潮的特征和发展规律，能有效地防止或减少赤潮造成的损失和危害，对采取有效措施治理赤潮灾害有着十分重要的意义。图2 为某海湾绿潮爆发卫星遥感监测，左图为正常海域，右图为绿潮爆发后海域卫星监测图像。

图2 卫星遥感监测某海湾绿潮发生前后对比图

2 卫星遥感技术在大气环境监测中的应用—以秸秆焚烧和扬尘源监测为例

卫星遥感技术在大气环境监测中主要应用在秸秆焚烧、沙尘、扬尘和大气气溶胶厚度、温室气体及工业废气排放监测等方面。

2.1 秸秆焚烧监测

秸秆通常指的是农作物在收获籽实后的剩余部分，如稻草、麦秸、薯类、花生藤曼、豆秸、玉米秆等。每年在夏收、秋收后，大多数秸秆被当作废弃物焚烧。而露天焚烧秸秆产生的大量烟尘不仅污染大气环境，破坏生态平衡，还会给公路交通和航空运输造成安全隐患。由于秸秆焚烧具有随机性和分散性特点，地面人工监测不能提供及时有效的信息，面对广袤的地域环境难以开展监察工作，卫星遥感技术可以解决这一问题。卫星遥感火点监测是利用卫星遥感图像，随着秸秆燃烧时内部产生的像元温度不断增加，在中红外和热红外波段辐射能量也相应增加，并与背景常温像元比较形成的差异来识别地面火点[10]。根据环保部卫星环境应用中心2017年统计的火点报告，基于TERRA/MODIS 和AQUA/MODSI卫星遥感数据共监测到全国秸秆焚烧火点为10987 个，主要集中在3-4 月份和10-11 月份，占比为54.8%和33.8%，涉及27 个省、自治区和直辖市，占比前五位的依次为黑龙江省55.2%、吉林省18.3%、内蒙古自治区9.1%、辽宁省5.9%、河北省4.4%。卫星遥感技术不仅可以快速的获取大范围的秸秆焚烧火点位置，为监管部门提供及时的信息支持，也可以为区域性的环境空气质量预报预警提供参考依据。从图3 可以看出全国范围性的秸秆焚烧火点涉及的面积较为广泛。

图3 某日卫星遥感火点监测图

2.2 扬尘源监测

气候条件相同的情况下,土地表面的不同利用方式、不同生态特征对于扬尘的产生起着决定性的作用。如果将水域视为不扬尘的生态域，那么按照土地生态特征来分类，抑尘效果依次应为水域＞林地＞草地＞裸地，而裸地按照利用方式也分为交通道路、采矿用地、施工工地、堆场等。随着城市的开发建设，大量土地也随之改变了生态特征，林地、草地、山体遭到破坏，天然植被消失，生态结构和服务功能退化，造成水土流失和环境生态失衡问题也时有发生。为了避免裸露地面扬尘造成空气污染，损害人体健康[11]，利用遥感技术对裸地的监测显得十分必要。监测部门可利用环境质量监测数据和卫星遥感数据与实地考察验证相结合，对卫星遥感数据进行分析比对，全面掌握土地的利用形式，对易产生扬尘的重点区域进行监控或采取必要的抑尘手段。图4～图7 为卫星遥感扬尘源监测图，依次为裸地、矿山、采石场、施工工地。

图4 裸地

图5 矿山

图6 采石场

图7 施工工地

3 卫星遥感技术在生态环境监测中的应用——以自然保护区和生态功能区监测为例

卫星遥感技术在生态环境监测方面主要应用于自然保护区、生态功能区、土壤含水量、土壤墒情等生态环境要素的关键参数监测，也可应用于地表温度、城市热岛效应监测等。

3.1 自然保护区监测

图8 卫星遥感监测某自然保护区内施工项目扩张

根据环保部2015 年全国自然保护区名录中的统计，全国共有2741 个自然保护区，总面积约9692.6hm2，约占国土面积的10.1%，主要类型包括森林、草原、荒漠、湿地、海洋海岸等[12-15]。环保部下发的《自然保护区人类活动遥感监测及检查处理办法》（试行）中规定了国家级自然保护区常规遥感监测每半年开展一次，省级自然保护区常规遥感监测每年开展一次。自然保护区是地球生态系统的本底反映，也是物种多样性的重要载体，更是生物物种基因库。自然保护区内的人类活动对土地的利用和覆盖变化将影响整个生态系统的功能[16,17]。通过卫星遥感技术对自然保护区内的人为活动进行监测，将会为相关部门的规划和管理提供快速、直观、准确的依据。图8 为某自然保护区实验区的施工项目突破红线进入缓冲区。

3.2 生态功能区监测

图9 卫星遥感监测生态功能区植被覆盖变化情况

国家重点生态功能区作为国家生态安全的屏障，具有防风固沙、水土保持、水源涵养和生物多样性维护等生态功能，这些区域是国家生态保护红线，是国家持续发展的基础。目前，生态功能区调查包括土地利用、植被覆盖、河流湖泊水源水质、土壤质量、水土保持状况及野生动植物资源等，而调查方式多采用人工调查，此种调查方式易受地域地形的限制。基于卫星遥感技术在环境监测领域方面的优势，可为生态功能区的监测及生态环境质量考核提供有力的技术支撑[18]。2009 年，环境保护部与财政部启动了国家重点生态功能区县域生态环境质量考核评价工作，工作开展至今，已经建立了一套成熟的考核工作机制，既“天—空—地”一体化的生态环境监测与评估技术体系。“天”是利用卫星完成大尺度的生态环境变化监测，获取变化信息；“空”是利用无人机技术在小尺度上精确的获取生态环境变化信息；“地”是现场实地调查，验证卫星与无人机获取的信息结果，进一步地了解生态环境变化的原因，为环境监测和管理提供及时、准确的信息。图9 为某生态功能区内原始绿地被改成人工经济林项目。

4 结语

近年来，我国越来越重视自然环境和原始生态的保护，专项资金的投入也逐年递增，国家先后出台了一系列的政策和指导方案，卫星遥感技术等手段应用在水环境、大气环境、生态环境等环境监测领域中也越发广泛。随着计算机性能和卫星技术的发展，其监测空间尺度大、获取数据及时等优势也将为环境监测、区域空气质量预报预警、环保执法等提供强有力的技术支撑和数据支撑。