高分一號衛(wèi)星環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用示范研究

● 文| 趙少華王橋楊一鵬朱利王中挺江東1.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心2.國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所

高分一號衛(wèi)星環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用示范研究

● 文| 趙少華1, 2王橋1, 2楊一鵬1, 2朱利1, 2王中挺1, 2江東3
1.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心
2.國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所

摘 要：高分一號衛(wèi)星成功發(fā)射以來，在大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境中的精細(xì)化和定量化遙感監(jiān)測方面發(fā)揮了積極作用。作為高分一號衛(wèi)星的主要用戶，環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心利用高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展了大量應(yīng)用示范工作，本文以其對氣溶膠光學(xué)厚度、水華、水質(zhì)、自然保護(hù)區(qū)人類活動等遙感監(jiān)測和評價內(nèi)容為例，介紹了高分一號衛(wèi)星在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用示范情況。

一、引言

高分一號衛(wèi)星自2013年4月26日成功發(fā)射以來，在我國環(huán)境遙感的精細(xì)化和定量化監(jiān)測方面發(fā)揮了積極作用。高分一號衛(wèi)星搭載了具有60km幅寬的2m全色分辨率/8m多光譜分辨率相機(jī)和800km幅寬的16m多光譜分辨率相機(jī)，不僅可以用于精細(xì)探測局部的環(huán)境污染狀況，還可用于水環(huán)境、大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等大范圍的宏觀監(jiān)測與評價[1]。

作為高分一號衛(wèi)星主要用戶，環(huán)保部利用其高空間分辨率和大幅寬的優(yōu)勢，在大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等遙感監(jiān)測與評價中開展了大量應(yīng)用示范工作，包括在京津冀、長三角、太湖、南京夾江、青海三江源、內(nèi)蒙古等示范區(qū)，持續(xù)開展對氣溶膠、水華、水質(zhì)、自然保護(hù)區(qū)人類活動干擾等環(huán)境要素的高分遙感監(jiān)測、評價等應(yīng)用示范，下面分別進(jìn)行介紹。

二、大氣環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用示范

高分一號衛(wèi)星的大幅寬優(yōu)勢比較適合重點(diǎn)城市群的區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測。環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心基于其16m寬覆蓋相機(jī)的時間序列數(shù)據(jù)，采用暗目標(biāo)法等反演了2013年天津地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）[2-3]，進(jìn)而初步間接反映區(qū)域城市灰霾的時空分布格局變化，結(jié)果如圖1。從圖可以看出，2013年8月10日天津及周邊地區(qū)AOD較厚，分布為北高南低；8月30日大大減輕，空氣質(zhì)量較好；9月28日華北地區(qū)有大范圍灰霾分布，氣溶膠又較為嚴(yán)重，主要分布在中部地區(qū)；10月9日較為減輕，特別是東部得到較大緩解。這與當(dāng)時地面的實(shí)際天氣情況較為符合，從而表明高分一號衛(wèi)星在區(qū)域空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測方面的優(yōu)勢。

三、水環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用示范

環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心主要利用高分一號衛(wèi)星寬覆蓋數(shù)據(jù)，在太湖、巢湖、滇池等大型內(nèi)陸湖體，以及南京夾江、北京官廳水庫、天津于橋水庫等重點(diǎn)飲用水源地，持續(xù)開展了水華、葉綠素α、懸浮物、透明度和營養(yǎng)狀態(tài)等水質(zhì)的時間序列遙感監(jiān)測應(yīng)用示范。

圖2是基于高分一號衛(wèi)星寬覆蓋數(shù)據(jù)，對江蘇太湖和安徽巢湖的水華進(jìn)行的遙感監(jiān)測。從2014年10月15日太湖水華分布圖上可以看出，這次太湖水華爆發(fā)較嚴(yán)重，水華主要集中于太湖的西北部和西部，面積達(dá)到了416.203km2。在2014年7月21日的巢湖水華監(jiān)測圖中，水華主要分布在巢湖的西北部，南部亦有少量分布，水華分布面積為21.5km2，占到巢湖水體面積的2.9%。

圖1 2013年天津地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度高分一號衛(wèi)星多時相遙感監(jiān)測圖

圖2 2014年10月15日太湖（左）和7月21日巢湖（右）水華高分一號衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖

圖3是基于2014年11月4日高分一號衛(wèi)星寬覆蓋數(shù)據(jù)對太湖水質(zhì)的遙感監(jiān)測示例。從圖3中可以看出，葉綠素α濃度在空間上分布比較均勻，但在北部和南部部分區(qū)域濃度較其他區(qū)域高。懸浮物濃度南部區(qū)域偏高，北部部分區(qū)域濃度較高，西部普遍比東部區(qū)域濃度高。透明度南部區(qū)域偏低，北部部分區(qū)域較高，東部普遍比西部區(qū)域高。營養(yǎng)狀態(tài)分為中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)兩級。

圖3 2014年11月4日太湖水質(zhì)高分一號衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖

圖4是基于2014年4月14日、5月5日、6月27日和8月7日的高分一號衛(wèi)星寬覆蓋數(shù)據(jù)，對天津于橋水庫的營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行的時間序列多時相遙感監(jiān)測示例。從4月14日的監(jiān)測圖可以看出，于橋水庫的營養(yǎng)狀態(tài)分級分布較為均衡，中部偏東湖區(qū)處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)，其他區(qū)域處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。從5月5日監(jiān)測圖上可以看出，于橋水庫營養(yǎng)狀態(tài)分級在空間上分布較為復(fù)雜，從中南部沿岸到東北部沿岸區(qū)域?yàn)檩p度富營養(yǎng)，但是西部壩前區(qū)域、北部沿岸區(qū)域、東南部區(qū)域?yàn)橹卸雀粻I養(yǎng)化，湖岸有小部分區(qū)域?yàn)橹卸雀粻I養(yǎng)化。從6月27日監(jiān)測圖上可以看出，于橋水庫水體富營養(yǎng)化特別嚴(yán)重，中部湖區(qū)處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)，湖岸區(qū)域處于重度富營養(yǎng)狀態(tài)。從8月7日監(jiān)測圖上可以看出，于橋水庫營養(yǎng)狀態(tài)分級呈現(xiàn)明顯的從中部偏東湖心區(qū)圓周形向外擴(kuò)展的趨勢。中部偏東區(qū)為輕度富營養(yǎng)化，從中心往湖岸方向?yàn)橹卸雀粻I養(yǎng)化，岸邊部分區(qū)域?yàn)橹囟雀粻I養(yǎng)化。

圖4 2014年天津于橋水庫營養(yǎng)狀況的高分一號衛(wèi)星多時相遙感監(jiān)測圖

上述水環(huán)境要素的遙感監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際調(diào)查或其他衛(wèi)星的監(jiān)測結(jié)果較為符合，表明高分一號衛(wèi)星可以有效監(jiān)測水環(huán)境質(zhì)量狀況。

四、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用示范

環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心主要利用高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在青海、內(nèi)蒙古、北京等地區(qū)開展了自然保護(hù)區(qū)人類活動干擾、城市固廢與開發(fā)區(qū)、礦山開發(fā)環(huán)境破壞等生態(tài)環(huán)境的時間序列高分遙感監(jiān)測應(yīng)用示范。

圖5是基于2013年12月10日與2014年8月1日的高分一號衛(wèi)星8m分辨率多光譜數(shù)據(jù)，對內(nèi)蒙古西鄂爾多斯國家級自然保護(hù)區(qū)的人類活動情況進(jìn)行遙感監(jiān)測，并以2013年12月10日的數(shù)據(jù)為參照，利用2014年8 月1日的影像對新增人類活動進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明保護(hù)區(qū)人類活動增加明顯，包括居民點(diǎn)、人工設(shè)施和采石場3類，各功能區(qū)均有新增人類活動。保護(hù)區(qū)內(nèi)工礦面積在2014年有所縮減。

圖5 2013年12月10日（左圖）和2014年8月1日（右圖）內(nèi)蒙古西鄂爾多斯國家自然保護(hù)區(qū)人類活動干擾高分一號衛(wèi)星遙感監(jiān)測圖

圖6 2013年8月10日北京高分一號衛(wèi)星2m/8m影像城市固體廢棄物分布圖

圖6是基于2013年8月10日的高分一號衛(wèi)星2m全色/8m多光譜融合數(shù)據(jù)，對北京城區(qū)城市固體廢棄物堆放點(diǎn)的位置和類型等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立城市固體廢棄物堆放點(diǎn)的光譜、紋理和空間形狀等解譯特征和遙感信息提取模型，提取城市固體廢棄物堆放點(diǎn)信息。實(shí)際調(diào)查表明其識別精度較高，表明了高分一號衛(wèi)星可以有效監(jiān)測城市固體廢棄物空間分布情況。

五、總結(jié)

高分一號衛(wèi)星作為我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的首發(fā)星，正在我國的大氣環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。由于高分一號衛(wèi)星擁有多行業(yè)用戶，加上高分環(huán)境應(yīng)用示范系統(tǒng)還在緊張研制過程，目前其在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域尚處于示范應(yīng)用階段。2014年8月，空間分辨率達(dá)1m的高分二號衛(wèi)星也已經(jīng)成功發(fā)射，隨著高分環(huán)境應(yīng)用示范系統(tǒng)的全面建成，高分一號、二號衛(wèi)星以及未來陸續(xù)發(fā)射的高分專項系列衛(wèi)星將有望逐步進(jìn)入環(huán)境保護(hù)的主體業(yè)務(wù)，將全面提升我國環(huán)境監(jiān)測的定量化和精細(xì)化水平，提高我國環(huán)境監(jiān)測天地一體化能力，為我國的環(huán)境保護(hù)和管理工作提供重要技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]趙少華,王橋,張峰,等.高分一號衛(wèi)星環(huán)境遙感應(yīng)用示范研究[J].航天器工程，2014，23（增刊）:118-124. [2]王橋,厲青,陳良富,等.大氣環(huán)境衛(wèi)星遙感技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[3]陳良富,李莘莘,陶金花,等.氣溶膠遙感定量反演研究與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版,2011.