基于PIE遙感圖像處理軟件的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用

文|廖麗華 航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司

一、引言

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測是生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)。遙感技術(shù)能夠滿足生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及時化、系統(tǒng)化、科學(xué)化、精細(xì)化、信息化的需求，為相關(guān)政府部門進(jìn)行決策分析提供重要的技術(shù)支撐，對生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司（以下簡稱航天宏圖）針對我國衛(wèi)星應(yīng)用的核心需求，自主研發(fā)了高度自動化、簡單易用的PIE國產(chǎn)遙感圖像處理軟件，該軟件集多源遙感影像處理和智能信息提取于一體，面向國內(nèi)外主流的遙感影像數(shù)據(jù)提供遙感圖像處理、輔助解譯、信息提取及專題制圖功能。軟件采用多核并行計(jì)算技術(shù)，可更好地適應(yīng)大數(shù)據(jù)量的處理需要；采用組件化設(shè)計(jì)，可根據(jù)用戶具體需求對軟件進(jìn)行靈活定制，具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性。目前，基于PIE遙感圖像處理軟件開發(fā)的行業(yè)應(yīng)用解決方案已廣泛應(yīng)用于氣象、海洋、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、國土、環(huán)保等多個領(lǐng)域。

二、大氣污染熱點(diǎn)網(wǎng)格遙感監(jiān)控

2018年9月，石家莊市政府提出“確保從2019年起三年內(nèi)我市大氣質(zhì)量退出全國重點(diǎn)城市排名倒十”的要求，雖然此前已經(jīng)頒布了《河北省大氣污染防治行動計(jì)劃實(shí)施方案》、《石家莊市大氣污染防治攻堅(jiān)行動方案（2013-2017年）》、《石家莊市散煤污染整治專項(xiàng)行動方案》等措施，大氣污染治理取得一定成效，但在全國168個空氣質(zhì)量重點(diǎn)城市排名中仍處后位，大氣污染防治形勢依然嚴(yán)峻。

石家莊環(huán)境保護(hù)局從2017年起持續(xù)開展大氣污染熱點(diǎn)網(wǎng)格遙感監(jiān)控項(xiàng)目。該項(xiàng)目基于PIE遙感圖像處理軟件，通過多源遙感衛(wèi)星、無人機(jī)、移動監(jiān)測設(shè)備、車載激光雷達(dá)等不同的技術(shù)手段，對霧霾、PM2.5、PM10、沙塵、霧等的分布情況進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測，并將監(jiān)測區(qū)域劃分成1km×1km的網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)對大氣污染物濃度的計(jì)算，如圖1所示。

圖1 石家莊市大氣污染熱點(diǎn)網(wǎng)格分布圖

同時，該項(xiàng)目對城市中易產(chǎn)生大氣污染物的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，從點(diǎn)到線、從線到面形成長期連續(xù)監(jiān)測能力。以燃煤電廠、鋼鐵廠、焦化廠、制藥廠、水泥廠等作為點(diǎn)狀污染源，城市交通重點(diǎn)擁堵路段為線狀污染源，建筑施工裸地、灰堆煤堆料堆、夏秋時節(jié)秸稈焚燒區(qū)域和傳統(tǒng)燒柴居民聚集區(qū)等為面狀污染源，每日將監(jiān)測結(jié)果中的異常區(qū)域以手機(jī)報告、APP、衛(wèi)星大氣監(jiān)控系統(tǒng)、微信群、QQ群等方式推送給一線監(jiān)察人員，為開展應(yīng)急情況處置提供有力依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境污染事件的及時發(fā)現(xiàn)、動態(tài)跟蹤和證據(jù)鎖定。圖2為對多種城市大氣污染源進(jìn)行監(jiān)測的案例。

圖2 石家莊市大氣污染源監(jiān)測

經(jīng)過持續(xù)監(jiān)測和有針對性的治理，石家莊市空氣質(zhì)量改善明顯。從2019年8月全國大氣污染物排名來看，石家莊市PM2.5的月平均濃度僅為27μg／m3，同比下降18.2%，退出了168個空氣質(zhì)量重點(diǎn)城市排名的倒數(shù)二十。

三、黑臭水體遙感監(jiān)測

根據(jù)國務(wù)院《水污染防治行動計(jì)劃》提出的“到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除”的目標(biāo)，《北京市進(jìn)一步聚焦攻堅(jiān)加快推進(jìn)水環(huán)境治理工作實(shí)施方案》明確了全市范圍內(nèi)排查出的黑臭水體名單和對應(yīng)處理時間表。為解決傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測手段時間長、費(fèi)用高、無法快速獲得統(tǒng)一時間內(nèi)監(jiān)測成果的弊端，北京市政府于2017年開展了黑臭水體遙感監(jiān)測項(xiàng)目。

該項(xiàng)目中的黑臭水體監(jiān)測產(chǎn)品基于PIE遙感圖像處理軟件開發(fā)，以高分辨率遙感數(shù)據(jù)為主，采用人機(jī)交互解譯方式，結(jié)合黑臭水體參數(shù)遙感定量反演模型，提取黑臭水體位置及等級信息。項(xiàng)目對2017-2018年北京市141條河流遙感監(jiān)測結(jié)果與水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比對，遙感監(jiān)測精度為80%左右，多數(shù)月份可達(dá)85%以上；對2019年市內(nèi)河流1-10月遙感監(jiān)測結(jié)果與水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比對，平均吻合度達(dá)85%以上，多數(shù)月份吻合度超過90%。

北京市水環(huán)境監(jiān)測中心在常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過與高分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，對北京市141條段、長度約665千米的黑臭水體的分布、新增黑臭水體、黑臭水體的治理進(jìn)度進(jìn)行月度動態(tài)連續(xù)監(jiān)測，不僅有效解決了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測“點(diǎn)上有，面上無”的不足，還可以篩查遺漏黑臭水體、動態(tài)監(jiān)測水體黑臭程度變化、定量評價黑臭水體治理成效等。北京市黑臭水體監(jiān)測平臺界面如圖3所示。

圖3 北京市黑臭水體監(jiān)測平臺界面

2019年，生態(tài)環(huán)境部組織對全國地級及以上城市黑臭水體整治情況開展了現(xiàn)場排查，根據(jù)排查結(jié)果，各地通過監(jiān)管和整治有效提升了城市水污染防治水平，但黑臭水體治理不平衡、不協(xié)調(diào)的情況依然突出，治理任務(wù)十分繁重。實(shí)踐表明，利用遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測黑臭水體的技術(shù)手段越來越成熟、穩(wěn)定，并在一定程度上逐步取代了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測手段，及時監(jiān)控治理效果反彈、偷排漏排、新增突發(fā)等狀況，為治理工作提供了充分的證據(jù)保障，在保證生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的同時，也對各排污企業(yè)起到了警示和監(jiān)督的作用。

四、礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)遙感監(jiān)測

為進(jìn)一步規(guī)范土地、礦產(chǎn)資源管理秩序，建立反映資源消耗、環(huán)境損害、環(huán)境恢復(fù)和生態(tài)保護(hù)等礦產(chǎn)資源開發(fā)全流程的監(jiān)測體系，自2006年起，中國地質(zhì)調(diào)查局先后啟動了礦產(chǎn)資源開發(fā)多目標(biāo)遙感調(diào)查與監(jiān)測、礦山開發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測等多項(xiàng)礦山遙感監(jiān)測項(xiàng)目，對全國礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況和礦山環(huán)境進(jìn)行遙感調(diào)查與監(jiān)測，調(diào)查過程中采用了PIE軟件。

內(nèi)蒙古自治區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，但隨著礦山開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，礦山地質(zhì)環(huán)境不斷惡化，引發(fā)了一系列環(huán)境問題。當(dāng)?shù)卣?017年啟動礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)遙感監(jiān)測項(xiàng)目，該項(xiàng)目以滿足礦山地質(zhì)環(huán)境管理為目標(biāo)，對重點(diǎn)礦區(qū)的衛(wèi)星、航空、低空無人機(jī)等遙感影像進(jìn)行解譯，圈定各類礦業(yè)活動圖斑，結(jié)合礦產(chǎn)開發(fā)規(guī)劃和審批數(shù)據(jù)，判別圖斑的合法性，對判定為疑似違法的圖斑進(jìn)行外業(yè)實(shí)地調(diào)查與核查，實(shí)現(xiàn)對礦產(chǎn)資源開發(fā)情況的監(jiān)測、調(diào)查與管理。圖4為內(nèi)蒙古自治區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測成果對比分析示意圖。

圖4 內(nèi)蒙古自治區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測成果對比分析

同時，該項(xiàng)目利用遙感技術(shù)對地面塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害情況進(jìn)行監(jiān)測，針對災(zāi)區(qū)開展事中、事后的解譯工作，確定地質(zhì)災(zāi)害的類型、邊界、規(guī)模、形態(tài)特征，形成地質(zhì)災(zāi)害圖件報告，上報減災(zāi)救災(zāi)有關(guān)部門。

2016年，內(nèi)蒙古自治區(qū)實(shí)現(xiàn)了全境國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋，2017年實(shí)現(xiàn)了常態(tài)化監(jiān)測，建立了礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺，有效支撐外業(yè)人員的工作，對后續(xù)常態(tài)化遙感監(jiān)測具有重大意義。

五、結(jié)語

圍繞生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的建設(shè)理念，充分利用遙感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云服務(wù)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)等，開展遙感、氣象、地面監(jiān)測等多源數(shù)據(jù)監(jiān)測與融合能力建設(shè)，基于PIE遙感圖像處理軟件搭建環(huán)境遙感監(jiān)測信息化服務(wù)平臺，為環(huán)境趨勢預(yù)警、環(huán)境變化監(jiān)測、環(huán)境靶向性治理與效果評估等提供數(shù)據(jù)及平臺支持，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測能力與生態(tài)文明建設(shè)相統(tǒng)一的協(xié)同發(fā)展。