衛(wèi)星影像和高程數(shù)據(jù)在農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量試點(diǎn)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

蔣 明，李 維，文建輝

桂林市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西桂林541002

衛(wèi)星影像和高程數(shù)據(jù)在農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量試點(diǎn)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

蔣 明，李 維，文建輝

桂林市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西桂林541002

大量長(zhǎng)期地使用農(nóng)用塑料薄膜，導(dǎo)致鄰苯二甲酸酯類(lèi)的監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)超標(biāo)。鄰苯二甲酸酯類(lèi)的污染形勢(shì)不容樂(lè)觀。結(jié)合桂林市農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量試點(diǎn)監(jiān)測(cè)工作，參考全國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作的技術(shù)方法，利用高分辨率衛(wèi)星遙感影像對(duì)試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村進(jìn)行了農(nóng)膜覆蓋面積的統(tǒng)計(jì)。針對(duì)桂林市的丘陵地貌特征，利用高程數(shù)據(jù)對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正，提高了農(nóng)膜覆蓋面積統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度。同時(shí)還對(duì)試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村周邊區(qū)域的農(nóng)膜覆蓋情況進(jìn)行了粗略統(tǒng)計(jì)和分析，確定了將來(lái)的重點(diǎn)調(diào)查目標(biāo)區(qū)域，為將來(lái)深入調(diào)查鄰苯二甲酸酯類(lèi)污染狀況、制定防治方案提供了一定的參考。

衛(wèi)星影像；高程數(shù)據(jù)；覆蓋調(diào)查；遙感監(jiān)測(cè)；農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)

2010年，桂林市開(kāi)展了農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量試點(diǎn)監(jiān)測(cè)工作，在試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村的13個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)均檢出有鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二（2?乙基己基）酯，并且各測(cè)點(diǎn)的鄰苯二甲酸二丁酯濃度均高于美國(guó)土壤中鄰苯二甲酸酯類(lèi)的控制標(biāo)準(zhǔn)限值［1］。近年來(lái)，該試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村及周邊區(qū)域大力發(fā)展金桔等水果產(chǎn)業(yè)，果農(nóng)使用農(nóng)用塑料薄膜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“農(nóng)膜”）對(duì)金桔樹(shù)進(jìn)行完全覆蓋以防雨、保溫、避曬。大量長(zhǎng)期地使用農(nóng)膜，加上南方高溫濕熱，會(huì)導(dǎo)致農(nóng)膜中的增塑劑（鄰苯二甲酸酯類(lèi)析出）對(duì)土壤以至水體造成污染。鄰苯二甲酸酯類(lèi)具有生理毒性和中度蓄積作用，還具有致突變、致畸作用［2］。試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村的鄰苯二甲酸酯類(lèi)污染形勢(shì)不容樂(lè)觀。該文針對(duì)試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村及周邊區(qū)域的農(nóng)膜覆蓋情況開(kāi)展大面積的調(diào)查，為將來(lái)深入調(diào)查鄰苯二甲酸酯類(lèi)污染狀況、制定防治方案提供一定的參考。

宋耀遠(yuǎn)等［3］選擇了少量典型地塊對(duì)土壤中的農(nóng)膜殘留數(shù)量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，對(duì)于面積較大的區(qū)域，類(lèi)似的常規(guī)地面監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)方法往往需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間。近年來(lái)，遙感技術(shù)在監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站從2005年起開(kāi)展了全國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“生態(tài)監(jiān)測(cè)工作”），利用Landsat TM衛(wèi)星遙感影像監(jiān)測(cè)全國(guó)土地利用、覆蓋面積和分布情況。生態(tài)監(jiān)測(cè)工作所用的Landsat TM衛(wèi)星遙感影像具有較低的空間分辨率（30 m），不利于小鄉(xiāng)村范圍農(nóng)膜覆蓋面積的準(zhǔn)確調(diào)查。生態(tài)監(jiān)測(cè)工作所用的技術(shù)方法未考慮到地形起伏不平對(duì)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響，也不利于丘陵地帶農(nóng)膜覆蓋面積的準(zhǔn)確調(diào)查。

結(jié)合桂林市農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量試點(diǎn)監(jiān)測(cè)工作，參考生態(tài)監(jiān)測(cè)工作的技術(shù)方法，利用高分辨率衛(wèi)星遙感影像對(duì)試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村的農(nóng)膜覆蓋面積情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。針對(duì)桂林市的丘陵地貌特征，利用數(shù)字高程模型（DEM，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高程數(shù)據(jù)”）對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正，提高了農(nóng)膜覆蓋面積統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度。同時(shí)還對(duì)試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村周邊區(qū)域的農(nóng)膜覆蓋情況進(jìn)行了粗略統(tǒng)計(jì)和分析，確定了將來(lái)的重點(diǎn)調(diào)查目標(biāo)區(qū)域。

1 技術(shù)方法及路線

試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村全村總面積約為66.7 hm2，所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)是桂林市的主要金桔產(chǎn)區(qū)。據(jù)當(dāng)?shù)卮逦瘯?huì)估算，2010年全村共有果園約33.3 hm2，其中金桔園約17.8 hm2，人均擁有果園約0.1 hm2。此外，試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村的周邊區(qū)域（面積約為3 300 hm2）也種植了大范圍的金桔。大面積使用農(nóng)膜時(shí)，高分辨率衛(wèi)星遙感影像上會(huì)呈現(xiàn)出易于識(shí)別的白色條紋（圖1）?？梢岳酶叻直媛市l(wèi)星影像確定各個(gè)地塊農(nóng)膜覆蓋范圍的形狀和大小，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的農(nóng)膜覆蓋情況。

圖1 農(nóng)膜覆蓋的高分辨率衛(wèi)星遙感影像

由于衛(wèi)星遠(yuǎn)離地球表面，對(duì)地形復(fù)雜、地勢(shì)變化較大的地區(qū)，利用遙感衛(wèi)星影像直接計(jì)算出來(lái)的相關(guān)結(jié)果往往與現(xiàn)實(shí)情況不一致，如斜面上的投影面積計(jì)算結(jié)果可能會(huì)小于實(shí)際的曲面表面積（圖2）。

圖2 三維地形平面投影示意圖

因此，參考生態(tài)監(jiān)測(cè)工作的技術(shù)方法，使用高分辨率衛(wèi)星影像對(duì)農(nóng)膜覆蓋情況進(jìn)行解譯，并利用高程數(shù)據(jù)對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正，以提高面積統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度。主要技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 技術(shù)流程圖

1.1 衛(wèi)星影像和高程數(shù)據(jù)的選取

1.1.1 衛(wèi)星影像

目前，中國(guó)可接收、利用的多光譜衛(wèi)星影像有Landsat 5 TM、CBERS?2、IRS?P6等，其中大部分衛(wèi)星影像空間分辨率較低，無(wú)法用于進(jìn)行試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村農(nóng)膜覆蓋情況的準(zhǔn)確調(diào)查；分辨率較高的衛(wèi)星影像有的是灰度的，有的價(jià)格較高，受到的限制較大。選擇免費(fèi)的谷歌地球（Google Earth）衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)（更新周期約為4 a，城市及部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域空間分辨率約為2 m，屬于真彩色，空間坐標(biāo)系為WGS1984）來(lái)進(jìn)行農(nóng)膜覆蓋情況的研究。

谷歌地球是一款由Google公司開(kāi)發(fā)的虛擬地球儀軟件，它把衛(wèi)星照片、航空影像和GIS數(shù)據(jù)布置在一個(gè)三維地球模型上。用戶可以通過(guò)下載軟件，免費(fèi)瀏覽全球各地的高清晰度衛(wèi)星圖片。谷歌地球上的全球地貌影像的有效空間分辨率通常為30 m（例如中國(guó)大陸），針對(duì)大城市、著名風(fēng)景區(qū)、建筑物區(qū)域會(huì)提供空間分辨率為1 m甚至0.5 m左右的高清影像（如桂林市區(qū)的空間分辨率可達(dá)1 m）。

患者平臥固定架，體膜固定患者上身，開(kāi)激光定位燈，患者體膜兩側(cè)和前面激光燈定位腫瘤中心，熱塑體膜上貼“十”字膠布與激光燈重合，“十”字中心處標(biāo)記。CT掃描，患者呼吸保持平穩(wěn)，掃描范圍下頜下緣至肺下緣[4]。放療后需修改計(jì)劃時(shí)，再次 CT 定位，掃描條件與初次掃描條件一致。

調(diào)查的試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村鄰近漓江，谷歌地球在該區(qū)域內(nèi)提供了空間分辨率為0.5 m左右的衛(wèi)星影像（圖1）。影像拍攝日期為2009年12月5日，這為針對(duì)試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村及其周邊區(qū)域的農(nóng)膜覆蓋情況開(kāi)展遙感調(diào)查提供了極大的便利。

1.1.2 高程數(shù)據(jù)

出于國(guó)防安全的考慮，國(guó)內(nèi)范圍精度較高的地面高程數(shù)據(jù)由測(cè)繪部門(mén)獲取、更新以及保管，一般不會(huì)向外界公開(kāi)。對(duì)高精度的高程數(shù)據(jù)有需求的部門(mén)，在向測(cè)繪部門(mén)申請(qǐng)領(lǐng)用相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的保密制度審查，同時(shí)還需要繳納高額費(fèi)用。選擇世界范圍內(nèi)公開(kāi)的ASTER全球數(shù)字高程模型（ASTER GDEM）進(jìn)行農(nóng)膜覆蓋情況的統(tǒng)計(jì)。

ASTER的全球數(shù)字高程模型由日本經(jīng)濟(jì)貿(mào)易產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NA SA）共同開(kāi)發(fā)，采用ASTER星載地球觀測(cè)光學(xué)儀器收集的數(shù)據(jù)生成，空間分辨率為30 m，坐標(biāo)系為WGS1984，文件格式為柵格數(shù)據(jù)。

1.2 幾何校正

WGS1984坐標(biāo)系屬于地理坐標(biāo)系統(tǒng)（Geo graphic Coordinate System），受到地球不規(guī)則橢球形的影響，不能直接用于調(diào)查范圍的面積統(tǒng)計(jì)，因此需要將相關(guān)數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)系由WGS1984轉(zhuǎn)換為 投影 坐 標(biāo) 系 統(tǒng) （Projection Coordinate System）。在生態(tài)監(jiān)測(cè)工作中，統(tǒng)一采用的標(biāo)準(zhǔn)投影坐標(biāo)系統(tǒng)為阿爾伯斯圓錐等面積投影（Albers Conical Equal Area Projection，橢球體為Krasovsky 1940，中央經(jīng)線為東經(jīng)110°，雙標(biāo)準(zhǔn)緯線為北緯25°、47°，投影起始緯度12°，中央經(jīng)線偏差和起始點(diǎn)偏差均為0）。為準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)農(nóng)膜覆蓋情況，利用廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站下發(fā)的投影轉(zhuǎn)換控制影像，使用Erdas軟件的幾何校正（Geometric Correction）功能將衛(wèi)星影像和高程數(shù)據(jù)的投影坐標(biāo)系（WGS1984）轉(zhuǎn)換到阿爾伯斯圓錐等面積投影，為下一步進(jìn)行農(nóng)膜覆蓋面積統(tǒng)計(jì)分析奠定基礎(chǔ)。

1.3 影像解譯及質(zhì)量核查

參考生態(tài)監(jiān)測(cè)工作中的遙感影像解譯方法，對(duì)經(jīng)過(guò)幾何校正處理的高分辨率Google Earth衛(wèi)星影像，在ArcGIS軟件中使用矢量數(shù)據(jù)編輯器勾勒出試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村的農(nóng)膜覆蓋范圍，見(jiàn)圖4、圖5，解譯結(jié)果保存為ArcGIS Shape文件格式。同時(shí)根據(jù)遙感解譯質(zhì)量核查方法對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽查，確保農(nóng)膜覆蓋解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究還對(duì)試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村周邊區(qū)域集中使用農(nóng)膜的區(qū)域也進(jìn)行了粗略的解譯和分析，為將來(lái)進(jìn)一步開(kāi)展大范圍的農(nóng)膜覆蓋情況和鄰苯二甲酸酯類(lèi)污染狀況調(diào)查提供一定的參考。

圖4 農(nóng)膜覆蓋范圍解譯

圖5 農(nóng)膜覆蓋范圍解譯結(jié)果

使用ArcGIS工具箱（ArcToolBox）里空間分析工具的按掩膜提?。‥xtract by Mask）功能，按上一步驟的解譯結(jié)果提取高程數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高程數(shù)據(jù)的裁剪，見(jiàn)圖6。

圖6 高程數(shù)據(jù)裁剪結(jié)果

1.5 面積統(tǒng)計(jì)計(jì)算

使用ArcGIS的三維分析（3D Analyst）工具條里的面積和體積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（Area and Volume Statistics）工具可以對(duì)高程數(shù)據(jù)裁剪結(jié)果進(jìn)行表面積的匯總計(jì)算，提高復(fù)雜地形上的農(nóng)膜覆蓋面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2 結(jié)果分析

1）根據(jù)2009年谷歌地球衛(wèi)星影像和ASTER高程數(shù)據(jù)的解譯和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村農(nóng)膜覆蓋范圍的平面投影面積約為14.7 hm2，不規(guī)則地形表面積約為15.4 hm2；不規(guī)則地形表面積占該村總表面積（約68.7 hm2）的22.4%，計(jì)算結(jié)果接近于該村金桔統(tǒng)計(jì)種植面積（約為17.8 hm2），準(zhǔn)確度較高。

2）試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村周邊區(qū)域農(nóng)膜覆蓋的粗略解譯結(jié)果表明，試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村周邊區(qū)域農(nóng)膜覆蓋比重（23.2%）高于試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村。將來(lái)可以選擇其中的部分典型范圍作為重點(diǎn)區(qū)域，開(kāi)展金桔園農(nóng)膜覆蓋情況和土壤中鄰苯二甲酸酯類(lèi)污染狀況的詳細(xì)調(diào)查，為管理部門(mén)制定防治方案提供參考。

3 結(jié)語(yǔ)

利用衛(wèi)星影像和高程數(shù)據(jù)判讀農(nóng)膜覆蓋程度，進(jìn)而推測(cè)土壤中鄰苯二甲酸酯類(lèi)污染范圍和需要重點(diǎn)關(guān)注的污染區(qū)域，為將來(lái)深入調(diào)查鄰苯二甲酸酯類(lèi)污染范圍提供了便捷的方法。相對(duì)于常規(guī)的地面監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)方法，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)具有感測(cè)范圍大、獲取的信息量廣、效率高、成本低、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高等多種優(yōu)點(diǎn)，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。充分利用高程數(shù)據(jù)進(jìn)行不規(guī)則地形表面積的計(jì)算，可為丘陵地區(qū)、山區(qū)等地勢(shì)不平的地區(qū)提供更加準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

研究使用目視解譯方法識(shí)別農(nóng)膜覆蓋范圍，效率不高；所用的高程數(shù)據(jù)空間分辨率較低，統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在一定誤差；因經(jīng)費(fèi)、時(shí)間所限，調(diào)查范圍、內(nèi)容不夠廣泛。將來(lái)可通過(guò)研究農(nóng)膜的光譜特征來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助解譯，提高解譯效率；獲取更高空間分辨率的衛(wèi)星影像和高程數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高面積估算精度；開(kāi)展多個(gè)典型區(qū)域的調(diào)查，研究不同波段、不同空間分辨率、不同時(shí)間分辨率的衛(wèi)星影像和高程數(shù)據(jù)、不同面積規(guī)模、不同類(lèi)型的地形對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果精度的影響。此外還可進(jìn)一步探索鄰苯二甲酸酯類(lèi)等污染物沿山坡的擴(kuò)散和分布規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)鄰苯二甲酸酯類(lèi)污染狀況的準(zhǔn)確分析和預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)，為環(huán)境管理決策提供科學(xué)服務(wù)。

［1］李桂祥，羅星曄，毛羽.桂林市農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量試點(diǎn)監(jiān)測(cè)村土壤酞酸酯類(lèi)污染調(diào)查［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2011，28（5）：125?127.

［2］王瑩瑩，郭長(zhǎng)青，周海平，等.鄰苯二甲酸酯類(lèi)增塑劑的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.塑料包裝，2011，21（3）：22?25.

［3］宋耀遠(yuǎn)，丁慎剛，馬旦林，等.地膜殘留監(jiān)測(cè)試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2010，3：32?33.

［4］程乾，王人潮.數(shù)字高程模型和多時(shí)相MODIS數(shù)據(jù)復(fù)合的水稻種植面積遙感估算方法研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（5）：89?92.

［5］廉娟.塔里木河流域生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)述［J］.內(nèi)蒙古水利，2010，4：61?62.

［6］牛志春，李旭文，張?jiān)?，?太湖流域水環(huán)境天地一體化監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建與應(yīng)用［J］.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2012，4（1）：1?5.

Application of Satellite Image and Digital Elevation Model in Rural Environmental Quality Monitoring

JIANG Ming，LI Wei，WEN Jian?hui
Guilin Environmental Monitoring Centre，Guilin 541002，China

Heave and long?term usage of agricultural plastic film caused the concentration of PAEs（Phthalate esters）to exceed control standard.The situation of PAEs pollution was not optimistic.In this paper，combined with the work of rural environmental quality monitoring in Guilin，referring to the technical methods of national work of monitoring and evaluating of ecological environment，area estimation of the coverage of agricultural plastic film in the pilot monitoring village was carried out using high?resolution satellite remote sensing images.According to the hilly landform characteristics of Guilin，digital elevation model was used to correct the area estimation.In addition，the coverage situation of agricultural plastic film around the pilot monitoring village was roughly estimated and analyzed to determine the key area for further investigation and to provide reference for pollution survey of PAEs and making countermeasure in the future.

satellite image；digital elevation model；survey on coverage；remote sensing monitoring；rural environmental quality monitoring

X87

A

1002?6002（2014）06?0184?04

2013?11?06；

2014?01?01

桂林市環(huán)保專(zhuān)項(xiàng)資金（市財(cái)建［2011］137號(hào)）

蔣 明（1983?），男，廣西桂林人，碩士，工程師.