裸露山体遥感监测技术进展

王迎春 李翔宇 王晴萱 王中卫

随着城镇化进程，我国形成大量的裸露山体，遥感监测技术可以减少人工监测的工作量以及人为因素影响，是最佳监测手段。本文总结了40年来国内外遥感技术在裸露山体监测中的应用进展，并指出构建航天遥感、航空遥感和地面调查一体化观测体系，加强遥感技术在地表覆盖领域的研究应用，可促进裸露山体遥感监测技术的发展。

关键词：裸露山体 遥感监测技术 发展趋势

改革开放40多年来，我国的城镇化建设速度加快，在公路和铁路建设、矿石开采、水库和电站建设、房地产开发等过程中导致山体遭到破坏，形成大量的裸露山体。自然因素比如泥石流、地震、台风也会导致山体水土流失，山体被破坏。人为或者自然造成的裸露山体，不仅造成植物丧失、水土流失、自然灾害和生物多样性破坏，危害人类生命财产安全，还会破坏城市的生态环境，影响城市景观，造成生态环境污染，制约城市经济和社会的发展。

裸露山体因其数量多、面积大、分布广、地理环境复杂、建设项目繁杂、监管人手少，依赖传统的地面调查手段难以获取全面的调查信息、及时发现问题。遥感技术在宏观性、客观性等方面具有明显的优势，具有“全天候、广覆盖、高精度、获取信息快、受地面限制少”等特点，其观测能力多时相、多光谱、大范围、省时省力、信息量大，是开展裸露山体监测的最佳手段，可以大大减少人工监测的工作量以及人为因素影响。

1.国外遥感技术进展及在裸露山体监测中的应用

在国外，遥感技术和地理信息系统的研究和应用比较早，20世纪80年代以后，遥感（RS）、全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS）开始应用于环境科学领域，美国和欧洲较早地利用多光谱、高光谱、微波等遥感技术开展了水环境、大气环境与生态环境遥感监测，在土地覆盖、生物物理参数信息提取、生态环境监测、生态系统评估等方面实现了业务化应用。在宏观生态环境遥感应用方面，利用多源遥感信息进行土地生态分类，并在此基础上进行区域生态环境监测与评价。美国开展了多尺度土地覆盖遥感调查，建立了以Landsat TM/ETM+为信息源的国家级一、二级分类的土地覆盖数据库，并实现以5年左右为周期的动态更新。

通过监测不同时间、空间尺度上的生态资源来预测国家生态资源开发与管理中的未来风险，并对国家生态资源的现状与趋势进行评估，其中与美国地质勘探局合作开展的区域景观生态监测项目以美国陆地资源卫星为主要数据源，通过对不同生态区域构建多时相、地理时空信息融合的土地利用/土地覆盖自动提取模型，实现了国家层次的景观生态分类与建库工作，取得了较好的效果。

许多发达国家利用遥感技术监测矿山环境，并将其应用于矿山开发利用和环境保护治理。美国等国家针对矿区土地利用现状及其动态变化，以及矿产资源开发对矿区地表和生态环境的影响和破坏，将遥感技术与地理信息系统相结合，利用高分辨遥感卫星数据和高光谱数据，进行矿山环境的常态监测、动态监测及环境综合评价，分析不同气候、不同矿种、不同开采方式矿产资源利用对矿区环境的综合影响，取得了一系列显著的成果，为矿山环境遥感调查提供了较好的典范。加拿大建立了世界上首个地理信息系统用于自然资源的管理和规划后，地理信息系统在各个领域得到了广泛的应用。

国外针对裸露山体遥感监测技术主要从数据源、图像预处理和图像信息提取三大方面进行研究。随着遥感数据源的种类增加，遥感卫星逐渐从单一影像向多源影像的应用发展；影像增强预处理由简单波段叠加，同源影像融合等处理逐渐发展到较为复杂的波段滤波，边缘检测，多源影像数据融合等处理方面，发展过程中提出许多增强模型产生了新的波段特征；而信息提取方面由基于最大似然、最小距离和平行六面体等算法的监督分类逐渐发展到支持向量机、神经网络等非监督分类的面向像元分类方法，再到多特征的面向对象分类方法研究。在遥感技术多个方面的应用结合中，使得信息提取的精度越来越高。

利用遥感技术监测裸露山体经历了从低分辨率数据到高分辨率数据；从地面遥感平台到航空遥感平台，最后到航天遥感平台；从能够监测矿山环境到能够监测到具体的环境类型；从单一矿种、单一开采方式集中区的矿山环境监测发展到不同矿种、不同开采方式集中区的矿山环境监测；目前可用于矿山环境污染的定量监测与评价。

2.国内遥感技术进展及在裸露山体监测中的应用

我国生态环境遥感监测技术起步相对较晚，但在大气环境、水环境、土壤环境、生态灾害和矿产资源开发区监测等方面都得到很好地应用。我国在地表覆盖遥感解译方面做了大量工作，主要有自然资源部门开展的国土调查，中国科学院基于土地覆被遥感监测工作，原国家测绘部门牵头形成的地理国情普查分类体系与数据。此外，根据相关研究和项目需要，国家基础地理信息中心形成了30m（米）全球地表覆盖遥感制图数据产品（GlobeLand30-2010），清华大学宫鹏研究团队完成了30m分辨率全球土地覆盖数据（FROM-GLC），北京师范大学成功绘制1∶10万全南极洲土地覆盖图，中国林业科学研究院和中国科学院地理科学与资源研究所等单位在东南亚开展土地覆盖变化监测项目，中國农业科学院等单位与西亚国家联合开展荒漠化监测项目等。

进入21世纪以来，全国生态环境遥感监测迎来重大转折，国家与区域尺度生态遥感调查、国家自然保护区、国家重要生态功能区、矿产资源开发区等国家重大生态监测与监管专项应运而生。2000年以来，中国环境监测总站组织全国环境监测部门，以TM/OLI影像为主，每年开展全国生态环境例行遥感监测工作。2011年以来，环境保护部卫星环境应用中心采取“先卫星普查、后无人机详查、再现场核查”的工作方式，环境遥感监测和地面环境监测优势互补，形成了“天—空—地”一体化环境监测模式，大大提高了考核工作的效率。2016年，环境保护部卫星环境应用中心对446个国家及自然保护区开展了“2013—2015年人类活动遥感监测”，基于高分一号/高分二号卫星影像目视解译得出这些保护区内2015年人类活动现状及2013—2015年的变化；2017年又实施了“2015—2016年人类活动遥感监测”，让保护区发生的一切破坏在“天眼”之下无所遁形。

遥感技术在矿山地质遥感调查和矿山开发状况遥感监测中的应用较为广泛，例如：应用Google Earth遥感影像和GIS技术对安顺市裸露山体缺口进行调查获取山体缺口的类型、数量、面积以及空间分布等信息；利用卫星影像数据分析，发现十堰市存在多个裸露山体并选取部分进行现场踏勘，发现了矿山企业关停后未履行恢复治理义务的问题；通过对ETM、SPOT-4、SPOT-5和IKONOS等数据的使用效果对比分析，总结出不同遥感数据源在矿山开发状况及环境调查中的应用特点，并定量分析了各数据源的最小可监测图斑和最佳成图比例尺，提出矿山开发与环境遥感调查数据源的选择步骤；高分一号02、03、04卫星数据能有效识别露天矿山开发和环境等要素信息，解译出部分地下开采矿山的矿山地物等要素，满足1∶25000的矿山遥感调查工作，可为矿山环境遥感监测提供又一强有力的数据支撑；依托高分辨率遥感数据精度优势，融合传统地质调查工作特点，可实现对矿山露天采场内独立地物与关键要素的精准识别、快速提取，辅之野外调查验证，完成对矿山地质安全隐患、土地损毁、生态退化等现状摸底。

3.裸露山体遥感监测技术发展趋势

目前，遥感技术已成为国际生态环境领域最为实用的主流技术之一，并得到了广泛的应用，将地理信息系统与网络化、虚拟仿真、三维可视化等先进技术相结合，实现对裸露山体真实情况的数字再现，宏观状况调查和评估等方面已经取得了长足的进展。多星多载荷、多平台、高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率等是遥感技术的发展方向，业务应用也不断向动态化、精细化和全球化方向发展。本文对裸露山体5种监测方式进行了对比，见表1。

近20年來，国内外掀起了高分辨率遥感对地观测技术蓬勃发展的热潮，相继发射了多颗高分辨率遥感卫星，大力开拓环境遥感应用领域。美国有QuickBird卫星（0.61m）、WordView系列卫星（0.31～0.5m）、GeoEye系列卫星（0.41m）和IKONOS卫星（1m），以色列有EROS-A卫星（1.9m）、EROS-B卫星（0.7m），法国有spot5-7系列卫星（1.5～2.5m）、Pleiades印度有IRS-P5卫星（2.5m）、IRS-P6卫星（5.8m）等，均能提供优于6米分辨率的多光谱融合影像。我国也已先后发射了资源一号02C卫星、资源三号卫星以及高分一号、高分二号卫星等具备先进高分辨率观测能力的民用卫星，高分二号卫星观测宽幅达到45km（公里），在亚米级分辨率国际卫星中幅宽达到最高水平，是我国首颗空间分辨率优于1m的民用光学遥感卫星。随着新一代高分辨率卫星系统相继投入应用，我国遥感领域已经正式步入了高分辨率影像的大数据时代。

在当今新形势下，构建航天遥感、航空遥感和地面调查一体化观测体系，全面提升对国土空间动态数据的获取能力，加强遥感技术在地表覆盖领域的研究，比如裸露山体普查、裸露山体生态修复效果评估、裸露山体监管等。裸露山体遥感监测数据源将愈加稳定、分辨率愈高、成本更低，业务应用也会不断向动态化、精细化和全球化方向发展。

（作者王迎春，王晴萱，王中卫工作单位均为辽宁省大连生态环境监测中心。作者李翔宇，大连市生态环境事务服务中心。王迎春（1980-），女，辽宁大连人，硕士，高级工程师，E-mail：88450640@qq.com）