遙感衛(wèi)星在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領域的應用滿足度分析

·文|航天恒星科技有限公司 胡 沅 成丹 王劍 丁火平

遙感衛(wèi)星在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領域的應用滿足度分析

·文|航天恒星科技有限公司 胡 沅 成丹 王劍 丁火平

本文分析了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的任務特性，從監(jiān)測對象為切入點，分析監(jiān)測元素的評價指標；然后進一步分析各探測波段對這些評價元素和指標的探測能力。最后通過分析在軌國內外衛(wèi)星各載荷設置情況及其觀測特性，結合未來5年中國衛(wèi)星的規(guī)劃，研究國產衛(wèi)星布局的合理性，是否滿足生態(tài)環(huán)境監(jiān)測應用需求，并提出改進意見。本文的研究成果為面向衛(wèi)星遙感數據應用的各行業(yè)用戶選擇數據源提供技術支持，并為衛(wèi)星規(guī)劃和載荷設計人員開拓思路提供參考。

遙感 生態(tài)環(huán)境 監(jiān)測評價指標 光譜探測特性

一、引言

1.生態(tài)環(huán)境及監(jiān)測的概念

生態(tài)學的概念早在1869年由德國生物學家E·?？藸柼岢?，認為它是研究動物與植物之間、動植物及環(huán)境之間相互影響的一門學科。生態(tài)是指生物（原核生物、原生生物、動物、真菌、植物五大類）之間和生物與周圍環(huán)境之間的相互聯系、相互作用。自然環(huán)境即人類周圍的自然界。包括大氣、水、土壤、生物和巖石等。

生態(tài)環(huán)境是生態(tài)和環(huán)境兩個名詞的組合，所以生態(tài)環(huán)境指的是由生物群落及其相關的無機環(huán)境共同組成的功能系統(tǒng)，或稱為生態(tài)系統(tǒng)。

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，就是利用遙感或其他探測手段,在時間和空間上對特定區(qū)域范圍內生態(tài)系統(tǒng)組合體的類型、結構和功能及其組合要素等進行系統(tǒng)地測定和觀察的過程。監(jiān)測的結果則用于評價和預測生物活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響，為合理利用資源、改善生態(tài)環(huán)境和自然保護提供決策依據。

2．生態(tài)環(huán)境監(jiān)測任務特點

（1）立體監(jiān)測對象

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測主要側重于宏觀的、大區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)破壞問題，監(jiān)測對象應包括農田、森林、草原、荒漠、濕地、湖泊、海洋、氣象、物候和動植物等內容。生態(tài)監(jiān)測區(qū)別于單一元素的監(jiān)測，是從不同尺度上對生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的時空格局的立體度量,主要通過監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)內各組成元素的條件變化、評估系統(tǒng)內生物與環(huán)境之間的影響趨勢。

（2）監(jiān)測任務時間特點

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測需具有長期性。任何一次性（或短期）的、靜態(tài)性的數據不可能對生態(tài)環(huán)境的變化趨勢作出準確的判斷，必須進行長期的動態(tài)監(jiān)測，才能從大量的數據中揭示或預測其變化規(guī)律和趨勢。同時，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測需具有周期性。生態(tài)變化過程是緩慢的，受人類活動的影響反應也極為緩慢，因此監(jiān)測時間的周期較長；另外，生態(tài)系統(tǒng)本身具有自我調控功能，它的變化趨勢可發(fā)生變化，所以需采用周期性的間斷監(jiān)測,而不是非間斷的連續(xù)監(jiān)測。

（3）監(jiān)測手段多樣性

由于監(jiān)測對象涵蓋空氣、水體、土壤、植被等客體，監(jiān)測手段應考慮適應觀測對象的不同遙感探測器類型，如氣象衛(wèi)星載荷中某些氣體專用探測器、紅外探測器、含不同波段的多/高光譜探測器、空間分辨率較高的全色探測器、可探測地下資源的微波探測器等。

由于不同應用領域的遙感衛(wèi)星的軌道高度、載荷類型及觀測分辨率均不同，所以要完成同一區(qū)域全方位的生態(tài)監(jiān)測，需利用多個衛(wèi)星聯合觀測。

二、國內外生態(tài)環(huán)境監(jiān)測研究現狀

1．國外研究進展

（1） 生態(tài)監(jiān)測組織現狀

人與生物圈計劃（MAB）是聯合國教科文組織于1971年發(fā)起的一項對人和環(huán)境關系進行生態(tài)學研究的一項政府間多學科的綜合研究計劃。其宗旨是對生物圈不同區(qū)域的結構和功能進行系統(tǒng)研究，并預測人類活動引起的生物圈及其資源的變化，及這種變化對人類本身的影響。

聯合國環(huán)境規(guī)劃署下屬的全球和地區(qū)環(huán)境監(jiān)測的協調中心，簡稱GEMS于1975年正式成立。它系統(tǒng)地收集、分析和評價各種環(huán)境狀況變化因素的數據和環(huán)境在時間和空間上的變化情況。它將國際監(jiān)測項目分為4大類：生態(tài)監(jiān)測，污染物監(jiān)測，自然災害監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測研究。其中生態(tài)監(jiān)測任務主要有：①全球土壤和植被監(jiān)測：土壤退化評價，森林植被、農田資源評價等。②水資源監(jiān)測:國際水文監(jiān)測與服務，冰川調查，水體中同位素濃度調查等。③生物圈監(jiān)測：野生生物標本采集和分析，野生生物監(jiān)測，化學農藥殘留監(jiān)測等。④海洋生物資源監(jiān)測。

1992年聯合國環(huán)境與發(fā)展大會以后,各生態(tài)系統(tǒng)研究和監(jiān)測中心相繼成立。其中最著名的有國際地圈生物圈計劃（IGBP），美國的長期生態(tài)學研究網絡（LTER），英國的環(huán)境變化研究網絡（ECN）。委內瑞拉也于1990年建立了8個試驗站組成的生態(tài)網。巴西、加拿大等國家相繼建立了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡。

（2）生態(tài)監(jiān)測現狀

國外生態(tài)監(jiān)測發(fā)展起來的標志是科爾克維茨和馬森于二十世紀初提出的污水生物系統(tǒng)。其后，克列門茨把植物個體及群落對于各種因素的反應作為指標，應用于農林牧業(yè)。他還積極提倡植物監(jiān)測器。經許多學者（Liebman,津田松苗）深入的研究，使得70年代后在生態(tài)監(jiān)測理論和方法上更加豐富。

近幾十年國外遙感衛(wèi)星技術蓬勃發(fā)展，主要有美國的陸地衛(wèi)星Landsat、地球觀測系統(tǒng)EOS和法國的SPOT以及印度資源衛(wèi)星IRS和加拿大太空署的Radarsat系列。很多國家都已經將遙感應用到了工程建設生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評估中，其中比較具有代表性的是:從1980 至1993 年,埃塞俄比亞研究人員利用航攝照片和衛(wèi)星圖像對一條高速公路沿線的環(huán)境變化做了長期監(jiān)視和分析, 通過數據分析, 得到了生態(tài)環(huán)境時空演化的過程與發(fā)展趨勢。美國研究人員利用遙感影像,通過對鐵的氧化物和氫氧化物分布信息的提取, 研究了科羅拉多州廢棄礦山對生態(tài)環(huán)境的影響等。

2.國內研究進展

（1）生態(tài)監(jiān)測組織現狀

中國于1972年參加人與生物圈計劃并當選為理事國，并于1978年成立人與生物圈國家委員會。中國有10個課題被納入該計劃，有26個自然保護區(qū)加入了世界生物圈保護區(qū)。

中國醫(yī)學科學院衛(wèi)生研究所被指定為GEMS在中國的活動中心并負責對外聯系工作。中國從1978年起先后參加了大氣污染監(jiān)測、水質監(jiān)測、食品污染監(jiān)測、人體接觸環(huán)境污染物評價點監(jiān)測等活動。

中科院生態(tài)環(huán)境研究中心（簡稱中心）始建于1975年。1996年啟用中國科學院、國家環(huán)境保護總局生態(tài)環(huán)境研究中心。中心主要研究領域包括環(huán)境化學、環(huán)境工程學和系統(tǒng)生態(tài)學。

中國環(huán)境監(jiān)測總站成立于1980年。幾十多年來收集和匯總全國環(huán)境監(jiān)測數據，綜合分析評價全國環(huán)境質量狀況；不斷開展環(huán)境監(jiān)測科學研究，開發(fā)推廣環(huán)境監(jiān)測新技術和新方法；擬定全國環(huán)境監(jiān)測技術標準，對全國環(huán)境監(jiān)測網絡進行技術指導和技術協調。

（2）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測現狀

中國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測起步較晚，1955年水利部對全國土壤水蝕面積進行了初步估查，這是土壤侵蝕宏觀監(jiān)測最早的全國性工作項目。20世紀80年代后隨著遙感技術的普及，促進了中國生態(tài)系統(tǒng)研究的發(fā)展。代表性研究有國家“六五”科技攻關項目內蒙古草場資源遙感調查；“七五”期間“三北”防護林遙感調查、黃土高原遙感調查；新疆環(huán)境監(jiān)測中心站利用NOAA-12 衛(wèi)星5個波段影像數據完成了全區(qū)土地荒漠現狀的評價工作。近10多年來，國產衛(wèi)星已初步形成資源、氣象、海洋、環(huán)境減災和軍用遙感等幾大系列。各相關部門和單位如國家環(huán)保部、中國科學院、農業(yè)部、國家林業(yè)局、國家海洋局、國家氣象局、國家測繪地理信息局等，以及中國一些城市已經應用這些遙感數據制作了大量專題應用產品，在監(jiān)測牧場產量、農作物產量、土壤普查、資源調查、水土保持狀況和災害預測等方面都取得了一定的成果。

三、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測對遙感衛(wèi)星的需求分析

由于利用遙感圖像可迅速、周期性的獲取大區(qū)域地物信息,從而為大范圍生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測提供技術支持。本節(jié)主要從生態(tài)監(jiān)測對象出發(fā)，對各對象所監(jiān)測的要素進行分析，再分析監(jiān)測這些要素所需探測波段要求，繼而可以為面向衛(wèi)星遙感數據的各應用行業(yè)單位在選擇衛(wèi)星各載荷數據源時提供技術支持。最后匯總分析了在軌的國內外遙感衛(wèi)星特點及未來中國衛(wèi)星的規(guī)劃布局，對是否滿足面向生態(tài)監(jiān)測應用領域的使用需求，提出相關建議，為衛(wèi)星規(guī)劃設計單位提供技術支持。

1.生態(tài)環(huán)境監(jiān)測要素指標分析

利用遙感圖像獲取生態(tài)對象的監(jiān)測信息，就要形成一套基于遙感光譜信息的生態(tài)環(huán)境評價模型，即獲取反映生態(tài)環(huán)境現狀質量、環(huán)境容量、環(huán)境恢復能力的一系列評價參數,并能就生態(tài)環(huán)境質量現狀、變化趨勢等進行快速、定量評價,形成能適應業(yè)務化運行的遙感本底值體系。

生態(tài)系統(tǒng)從宏觀角度上可分為陸地、海洋兩大生態(tài)系統(tǒng)。

（1）陸地生態(tài)系統(tǒng)包括：森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、內陸水域和濕地生態(tài)系統(tǒng)、荒漠生態(tài)系統(tǒng)、農田生態(tài)系統(tǒng)和城市生態(tài)系統(tǒng)。其指標體系可由氣象要素、空氣質量要素、水文要素、地質要素、土壤要素、植物要素、動物要素和微生物要素構成。

（2）海洋生態(tài)系統(tǒng)包括：海洋、海岸帶和咸水湖泊。指標體系可由氣象要素、空氣質量要素、水文要素、水質要素、底質要素、游泳動物要素、浮游植物要素、底棲生物要素、微生物要素等構成。

主要監(jiān)測要素的評價參數指標如下：

植物指標：種類及組成、指示群落、種群密度、覆蓋度、菌體量、生長量、凋落物量。

動物指標：種類、種群密度、菌體量及時空動態(tài)、能量和物質收支、熱值。

微生物指標：種類、分布及其密度和季節(jié)動態(tài)變化、菌體量、熱值。

浮游植物指標：種群數量、分布。

游泳動物指標：生物種群與數量、洄游規(guī)律、食物鏈、豐富度。

底棲生物指標：種群構成及數量、優(yōu)勢種及動態(tài)。

氣象指標：氣溫、濕度、風向風速、降水量及其分布、蒸發(fā)量、日照和輻射收支、臭氧含量；

空氣質量指標：CO2、SO2、NXOX等含量，顆粒物分布/總量，氣溶膠厚度。

水文指標：地表徑流量及其化學組成、地下水位。

地質指標：地貌特征、地物類型、土地利用狀況。

土壤指標：養(yǎng)分含量及有效態(tài)含量、pH值、交換性酸（鹽）及其組成、陰離子交換量、有機質含量、土壤顆粒組成、團粒結構組成、容重、孔隙度、透水率、飽和水量及凋謝水量。

水質指標：葉綠素a、水表溫度、水體透明度、營養(yǎng)狀態(tài)指數、水華、赤潮、水體熱污染；

底質指標：有機質、總氮、總磷、pH、重金屬、農藥、氰化物。

2.面向生態(tài)環(huán)境監(jiān)測指標的探測波段和光譜分辨率需求

根據上文分析的生態(tài)監(jiān)測任務特點可知，由于監(jiān)測對象是宏觀的、大區(qū)域的特點且采用長周期的間斷監(jiān)測方式，所以生態(tài)監(jiān)測對圖像空間分辨率、時間分辨率的要求不高，在下文中重點分析生態(tài)環(huán)境監(jiān)測對光譜分辨率的需求。

本節(jié)對國內外在軌運行衛(wèi)星搭載的多光譜相機、成像光譜儀的波段設置參數進行綜合分析，總結了不同光譜范圍具有的探測特性，進一步分析哪種遙感探測數據可以解譯生態(tài)監(jiān)測指標體系中的各評價指標。具體如表1所示。

表1 衛(wèi)星波段參數對地物探測特性對照表

續(xù)表1

在綜合分析各衛(wèi)星載荷譜段設置參數時，雖然波段范圍略有不同，但是上述劃分能夠較全面的反映各波段區(qū)域特有的探測特性。

從上表可以看出多數生態(tài)監(jiān)測評價指標可以從0.05～0.3μm光譜分辨率的波段探測數據進行分析獲得，但是對某些評價指標還沒有探測能力，需要較高的光譜分辨率，如底質指標、浮游植物指標、底棲生物指標等。若應用需要關注這些指標，可用高光譜數據來補充獲取。另外，氣象指標探測波段都較特殊，一般不在遙感衛(wèi)星載荷波段設置范圍中，需從氣象衛(wèi)星數據獲取。

3.生態(tài)環(huán)境監(jiān)測星源滿足度分析

（1）在軌衛(wèi)星狀況

目前用于生態(tài)監(jiān)測的數據來源以國產衛(wèi)星為主，兼顧Landsat/SPOT等國外衛(wèi)星數據。本節(jié)對在軌的國內外衛(wèi)星載荷參數、特性進行了分析總結，如表2、表3所示。

表2 國產在軌衛(wèi)星資源情況

續(xù)表2

表3 應用效益較好的國外在軌衛(wèi)星資源情況

續(xù)表3

由于生態(tài)監(jiān)測對象和評價指標是一個立體范疇，所需的監(jiān)測星源需包括多種類型探測器。由于衛(wèi)星的總體質量、空間等限制，同一衛(wèi)星上不可能具有多類探測器。所以滿足生態(tài)監(jiān)測應用的星源應該是衛(wèi)星組合體。近10多年中國國產衛(wèi)星已初步形成資源、氣象、海洋、環(huán)境減災等幾大系列，這些衛(wèi)星涵蓋了可見光、紅外、多光譜、高光譜、SAR載荷，其觀測數據聯合使用分析，可基本滿足全方位生態(tài)對象監(jiān)測的目標。同時，美國陸地衛(wèi)星和法國SPOT衛(wèi)星已積累了大量20世紀70～90年代的地球資源與環(huán)境記錄,可以利用這些信息進行過去、現在和將來的生態(tài)環(huán)境動態(tài)分析與監(jiān)測。

（2）規(guī)劃的衛(wèi)星狀況

根據國家陸地觀測衛(wèi)星計劃，未來5年內擬發(fā)射的民用遙感衛(wèi)星有CBERS-03/04/05/06星、資源三號02星、“4＋4”環(huán)境減災衛(wèi)星星座、北京二號、電磁探測衛(wèi)星、二代地震電磁探測衛(wèi)星、1m/5m多頻段多極化雷達衛(wèi)星、4m/16m光學衛(wèi)星等。另外，根據高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項的規(guī)劃，“十二五”、“十三五”期間規(guī)劃了7顆民用衛(wèi)星，分別是2m全色/8m多光譜/16m寬覆蓋的光學成像衛(wèi)星2顆、1m全色/4m多光譜光學成像衛(wèi)星、50m地球同步軌道光學成像衛(wèi)星、1m分辨率C頻段多極化SAR成像衛(wèi)星、高光譜觀測衛(wèi)星、高分辨率國土資源測繪衛(wèi)星各1顆。

（3）星源滿足度分析

規(guī)劃衛(wèi)星與現有在軌衛(wèi)星相比，在分辨率、覆蓋寬度、覆蓋周期等方面都大有提升，完成了國產衛(wèi)星系列化、接力性的布局，更好地滿足長期性、周期性的生態(tài)監(jiān)測任務需求。根據以上分析，各行業(yè)用戶可參照各衛(wèi)星及載荷情況和觀測特點，配合行業(yè)監(jiān)測對象需求，選擇相應數據源。

同時，借鑒國外同類衛(wèi)星的性能，建議衛(wèi)星規(guī)劃和載荷設計人員考慮以下幾個方面的可行性：

除了氣象、海洋系列衛(wèi)星外，一般遙感衛(wèi)星搭載的多光譜相機設置的波段都是蘭、紅、綠、常用近紅外波段。光譜分辨率不足以滿足某些監(jiān)測目標的要求。若是跨平臺結合使用氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星的數據，制作專題圖，就要克服很多具體問題，如氣象海洋衛(wèi)星處理系統(tǒng)的設計針對的是其業(yè)內用戶，在輻射處理、波段配準處理等方面薄弱，不足以滿足其他行業(yè)用戶對數據的要求。另外時相、覆蓋區(qū)域不同等帶來的處理問題，也是造成氣象海洋衛(wèi)星數據在其他領域的利用率低。所以建議在一般遙感衛(wèi)星設置多光譜相機的同時，輔助配置一些專用探測儀，如植被探測儀VGT、海洋水色掃描儀等，可以針對性的為某些用戶的監(jiān)測目標設置譜段范圍。提高各系列衛(wèi)星遙感產品的實際使用價值。

目前的多譜段載荷不是4波段多光譜，就是高光譜。因為目前HJ-1A的高光譜的成像原理較為復雜，載荷輸出的是干涉條紋灰度值，要反映輸入光譜的信息，還需將干涉條紋灰度值復原成光譜灰度值，這個過程是基于數學模型而非物理光路，所以導致外場輻射定標方法存在異議。探測器光譜信息的輸入輸出關系，并不像其他CCD探測器的定標那樣直觀的獲取，它實際獲取的是光譜與干涉信號灰度值的關系。干涉信號經過傅里葉變換才是光譜信息灰度值，但這并不是簡單的線性關系，所以實際光譜與光譜灰度值的定標數學模型很值得推敲。這樣導致定量反演的監(jiān)測指標的應用效果有待考究。同時，基于物理分光的高光譜相機因光譜分辨率高必然要求光路設計裝配極為苛刻，多譜段配準合成是否存在問題不得而知。所以建議設計一些中高光譜分辨率的成像儀，如8～20個波段。為某些目標監(jiān)測提供便利。例如FY-3氣象衛(wèi)星的中分辨率成像儀。比普通多光譜相機，多設置一些近紅外、短波紅外波段。

四、總結

隨著遙感對地觀測技術在應用領域的發(fā)展，遙感產品將從資源普查應用走向精細化目標監(jiān)測應用，大大提升了遙感衛(wèi)星的利用價值。遙感應用的發(fā)展需求同樣也推動了航天技術的發(fā)展，給新型載荷的優(yōu)化設計和衛(wèi)星總體設計提出了更高的要求。

本文在從遙感應用的終端即專題應用開始，來反推分析了對遙感數據的需求，從而匯總淺析了對衛(wèi)星和載荷的需求。旨在拋磚引玉，相關數據和應用經驗還需多方研究人員的共同分析和探索。