遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及執(zhí)法中的應(yīng)用進(jìn)展①

陳博明

（湖南省生態(tài)環(huán)境事務(wù)中心，湖南 長(zhǎng)沙410014）

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一系列污染或破壞，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已成為制約人與自然和諧發(fā)展的重要問(wèn)題。 21 世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)實(shí)行經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，為了預(yù)防與控制生態(tài)環(huán)境中出現(xiàn)的污染問(wèn)題，必須大力加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。 2018年3 月，中共中央印發(fā)的《深化黨和國(guó)家機(jī)構(gòu)改革方案》中明確要求整合環(huán)境保護(hù)和國(guó)土、農(nóng)業(yè)、水利、海洋等部門(mén)分散的生態(tài)環(huán)境保護(hù)職責(zé)，由國(guó)家生態(tài)環(huán)境部統(tǒng)一行使生態(tài)和城鄉(xiāng)各類(lèi)污染排放監(jiān)管與行政執(zhí)法職權(quán)，加強(qiáng)環(huán)境污染治理，保障國(guó)家生態(tài)安全［1］。 生態(tài)環(huán)境部要求在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)中，充分發(fā)揮遙感技術(shù)的重要作用［2-3］。 本文就遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和執(zhí)法中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 遙感技術(shù)引入的必要性

1.1 遙感技術(shù)概述

生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與管理涉及面極廣，是一個(gè)動(dòng)態(tài)、大尺度、長(zhǎng)時(shí)間的工作。 傳統(tǒng)環(huán)境執(zhí)法工作主要包括：地方生態(tài)環(huán)境主管部門(mén)自查、上級(jí)生態(tài)環(huán)境主管部門(mén)檢查、社會(huì)監(jiān)督等。 環(huán)境執(zhí)法如果采用傳統(tǒng)地面調(diào)查手段，工作量巨大、時(shí)效性差，獲取的信息也不夠客觀，年度更新成本更高；且一些偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)法安裝、架設(shè)監(jiān)測(cè)儀器；部分企業(yè)為躲避監(jiān)管，排污手段層出不窮。 因此，現(xiàn)有環(huán)境執(zhí)法主要存在3 大難點(diǎn)：發(fā)現(xiàn)目標(biāo)難，確定位置難，分析空間信息難［4］。

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使遙感技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)成為可能。 遙感技術(shù)是從遠(yuǎn)距離感知目標(biāo)反射或自身輻射的電磁波、對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別的綜合技術(shù)，也是獲取地球表面所涵蓋的地理空間信息的主要手段。 人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，大大推動(dòng)了遙感技術(shù)的發(fā)展。 現(xiàn)代遙感技術(shù)主要包括信息的獲取、傳輸、存儲(chǔ)和處理等環(huán)節(jié)。 遙感系統(tǒng)由遙感器、遙感平臺(tái)、信息傳輸設(shè)備、接收裝置以及圖像處理設(shè)備等組成。 遙感的目的是通過(guò)對(duì)圖像的定性、定量分析，深入研究各種自然環(huán)境要素，且具有宏觀、綜合、動(dòng)態(tài)和快速等特點(diǎn)，能及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地獲得相關(guān)地理環(huán)境信息，有效減輕了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)人員工作壓力、勞動(dòng)強(qiáng)度。

生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)被視作生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)宏觀監(jiān)測(cè)最可行、最有效的手段［5］。 通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)，生態(tài)環(huán)境部下屬生態(tài)與環(huán)境衛(wèi)星應(yīng)用中心通過(guò)衛(wèi)星遙感保障了國(guó)家七部委制定的“綠盾行動(dòng)”順利進(jìn)行，為國(guó)家環(huán)境管理和決策提供了有力支持［6］。

1.2 政策法規(guī)對(duì)遙感技術(shù)應(yīng)用要求

為加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，我國(guó)于2014 年頒布了新的環(huán)境保護(hù)法。 該法中增加了生態(tài)保護(hù)紅線規(guī)則，并在關(guān)鍵生態(tài)功能區(qū)等區(qū)域指定了生態(tài)保護(hù)紅線，實(shí)施嚴(yán)格保護(hù)的環(huán)境敏感區(qū)和脆弱區(qū)域。 此外，國(guó)家科技部自2012 年起每年發(fā)布一份關(guān)于全球環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的年度報(bào)告，為全球環(huán)境監(jiān)測(cè)做出了貢獻(xiàn)，迄今為止已經(jīng)更新至《全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)2019 年度報(bào)告》。 近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)始大范圍推廣遙感技術(shù)，以便有效地進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，旨在建立用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的天地一體化觀測(cè)系統(tǒng)。 實(shí)施了一系列科學(xué)技術(shù)資助計(jì)劃，包括高分辨率地球觀測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目、全球生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和一帶一路評(píng)估等［6-7］。 國(guó)務(wù)院自2013 年9 月起，相繼出臺(tái)氣、水、土污染防治行動(dòng)計(jì)劃，即眾所周知的《大氣十條》《水十條》《土十條》，均強(qiáng)調(diào)了強(qiáng)化衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)管與環(huán)境監(jiān)察執(zhí)法中的應(yīng)用［8］。

2 環(huán)境監(jiān)測(cè)與執(zhí)法中應(yīng)用的遙感技術(shù)與裝備

在當(dāng)前的環(huán)境監(jiān)測(cè)與執(zhí)法中，已經(jīng)充分發(fā)揮“天基”衛(wèi)星遙感、“空基”無(wú)人機(jī)遙感以及“地基”的定位觀測(cè)、地面調(diào)查等各種技術(shù)手段優(yōu)勢(shì)，“天-空-地”一體化的自然保護(hù)監(jiān)測(cè)監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)體系正逐步完善，“遙感發(fā)現(xiàn)-地面核查-監(jiān)督執(zhí)法”的主動(dòng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)管體系日趨完善（見(jiàn)圖1）。

圖1 “天-空-地”一體化遙感衛(wèi)星體系

2.1 星載遙感

2008 年之前，環(huán)境監(jiān)測(cè)主要基于EOS-Terra，Envisat，Landsat，Quickbird 和SPOT 等國(guó)外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)集（見(jiàn)表1）。 此后，我國(guó)加快了對(duì)衛(wèi)星遙感的研究與科技攻關(guān)，并建立了一系列科學(xué)技術(shù)資助計(jì)劃，其中最典型的就是“十一五”期間重點(diǎn)實(shí)施的國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)——“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)”，它直接推動(dòng)了高分1～6 號(hào)衛(wèi)星的發(fā)射和應(yīng)用。 高分衛(wèi)星系列涵蓋了高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率和雷達(dá)系統(tǒng)在內(nèi)的主流傳感器［8］，高分衛(wèi)星收集的數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了極為重要的作用。

2.2 無(wú)人機(jī)遙感

盡管當(dāng)前地球觀測(cè)衛(wèi)星的數(shù)量激增，但目前極高空間分辨率（＜10 m）衛(wèi)星傳感器的時(shí)間分辨率和可獲得性通常不足，使得它們對(duì)地表環(huán)境過(guò)程動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)及據(jù)此開(kāi)展的督察執(zhí)法往往受到限制［9］。 如果需要快速地重訪周期（用于高時(shí)空頻次的監(jiān)測(cè)），獲取衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的成本極高。 相較于傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)，無(wú)人機(jī)可以在較低的高度開(kāi)展作業(yè)（5～200 m），能夠一定程度上規(guī)避了極端天氣和云層影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地獲取高精度遙感圖像［10］。 目前，無(wú)人機(jī)載遙感已經(jīng)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、野生動(dòng)植物研究、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、緊急風(fēng)險(xiǎn)管理等領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)踐并取得了較好的效果［9］。 此外，除了獲取遙感數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)在難以開(kāi)展原位采樣的地區(qū)對(duì)水體、土壤等樣本進(jìn)行采集作業(yè)、服務(wù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及執(zhí)法督察［11］。

2.3 地基遙感

把傳感器安置在地面、低塔、高塔和吊車(chē)上對(duì)地面進(jìn)行探測(cè)，這種方式叫“地基遙感”或“近地遙感”［12］。由于其極為便攜，且具有非破壞性、檢測(cè)效率高、精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)逐漸用于環(huán)境監(jiān)測(cè)。 盡管大多數(shù)物探方法誕生之初主要是針對(duì)地下深層測(cè)量開(kāi)發(fā)的，但其中一些方法（尤其是電磁方法）也可以用于淺層深度探測(cè)，尤其用于土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。 在常用的物探方法中，探地雷達(dá)（GPR）和電磁感應(yīng)（EMI）在土壤調(diào)查中應(yīng)用最廣泛。 GPR 測(cè)量土壤電介質(zhì)的介電常數(shù)，EMI 檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的變化，從而探測(cè)土壤水分、含鹽量、質(zhì)地、剖面性質(zhì)以及植被根系變化。 而近地高光譜技術(shù)憑借眾多的波段、光譜曲線完整且連續(xù)、具備高分辨率特性，并能提供空間域和光譜域雙重信息，近年來(lái)也得到長(zhǎng)足發(fā)展。 傳統(tǒng)星載遙感技術(shù)可以及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，而高光譜遙感可以提高監(jiān)測(cè)精度，目前高光譜遙感技術(shù)主要應(yīng)用于土壤、生態(tài)、大氣、地質(zhì)、水環(huán)境等領(lǐng)域［13-14］。

表1 遙感衛(wèi)星及其主要參數(shù)

3 遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的主要應(yīng)用

針對(duì)現(xiàn)有主要環(huán)境污染類(lèi)型（生態(tài)污染、空氣污染、水體污染、土壤污染等），本文歸納總結(jié)了遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況。

3.1 植被指數(shù)監(jiān)測(cè)

在遙感應(yīng)用領(lǐng)域，將衛(wèi)星可見(jiàn)光和近紅外波段進(jìn)行組合而形成的植被指數(shù)已被廣泛用來(lái)定性和定量評(píng)價(jià)植被覆蓋及其生長(zhǎng)活力。 常用的植被指數(shù)包括比率植被指數(shù)、歸一化植被指數(shù)、環(huán)境植被指數(shù)、綠色植被指數(shù)、垂直植被指數(shù)、土壤調(diào)整植被指數(shù)和差異環(huán)境植被指數(shù)等。 通過(guò)指數(shù)計(jì)算，可以對(duì)地表植被狀況進(jìn)行簡(jiǎn)單、有效和經(jīng)驗(yàn)度量。

在生態(tài)領(lǐng)域，利用植被指數(shù)實(shí)現(xiàn)土壤退化、水土流失、土地荒漠化、土地退化、森林破壞等方面監(jiān)測(cè)；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，利用植被指數(shù)進(jìn)行耕地提取、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量估算、農(nóng)作物各參數(shù)的提取等。 此外，這些指數(shù)可以直接用于水環(huán)境（湖庫(kù)水華、富營(yíng)養(yǎng)化城市黑臭水體、流域岸邊帶等）監(jiān)測(cè)方面，還可以通過(guò)指數(shù)組合結(jié)合遙感圖像突出顯示受到污染脅迫的植被生長(zhǎng)情況，有力支撐了我國(guó)的環(huán)境污染防治。

3.2 土壤污染監(jiān)測(cè)

遙感技術(shù)可以進(jìn)行土壤污染的識(shí)別、反演、監(jiān)管或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［15］。 在土壤污染分析監(jiān)測(cè)過(guò)程中，運(yùn)用光譜分析法對(duì)重金屬、有機(jī)污染物進(jìn)行分析已成為一種快速的例行分析方法。 植被冠層的光譜變化也可為識(shí)別土壤石油類(lèi)污染提供參考，與土壤特征光譜的反射率相比，植被指數(shù)能更好地表征這些光譜變化，利用地面或機(jī)載的多源光譜數(shù)據(jù)就可直接進(jìn)行識(shí)別［16］。 但需要注意的是，土壤中石油污染物的含量在識(shí)別時(shí)易受水分變化的影響，因此相對(duì)于海洋來(lái)講，基于遙感技術(shù)的土壤石油污染的識(shí)別研究仍然較少，且精度較低［16］。

3.3 大氣污染監(jiān)測(cè)

大氣中常見(jiàn)污染物包括氣溶膠、臭氧、二氧化氮、一氧化碳和二氧化硫。 針對(duì)當(dāng)前“散亂污”企業(yè)造成的嚴(yán)重污染，面臨管控困難的現(xiàn)狀，利用遙感技術(shù)準(zhǔn)確快速地確定環(huán)境督查重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，可有效提高現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境執(zhí)法效能。 傳統(tǒng)的大氣污染監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)地面觀測(cè)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榈孛鏈y(cè)量受到觀測(cè)站分布的限制，不具備空間連續(xù)性并且不能滿足區(qū)域研究的需求，具有一定的空間局限性。 衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了大氣污染監(jiān)測(cè)，從20 世紀(jì)70 年代中期開(kāi)始，開(kāi)展衛(wèi)星遙感氣溶膠的理論研究，伴隨著MODIS 傳感器的發(fā)射，氣溶膠遙感呈迅猛發(fā)展之勢(shì)。 衛(wèi)星遙感反演得到的大氣氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品數(shù)據(jù)對(duì)于各種尺度下的大氣污染研究發(fā)揮了重要作用。 研究學(xué)者在氣溶膠光學(xué)特性及時(shí)空分布規(guī)律、近地表顆粒物濃度預(yù)測(cè)與模擬、大氣污染動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、全球氣候變化影響等方面做了大量研究，并取得了較大進(jìn)展［17］。 考慮到污染源通常具有明顯的熱輻射效應(yīng)，地表溫度也是在污染溯源研究方面不可或缺的重要參數(shù)［18］。 主要有3 種主流反演算法：?jiǎn)瓮ǖ浪惴?、劈窗算法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，它們被廣泛用于反演地表溫度并結(jié)合大氣污染數(shù)據(jù)進(jìn)行溯源。 目前，遙感技術(shù)在秸稈焚燒、灰霾、沙塵、顆粒物、二氧化氮等監(jiān)測(cè)及溯源方面發(fā)揮了重要作用［14］。

3.4 水污染監(jiān)測(cè)

河流、湖泊、水庫(kù)等地表水受污染后，其物理、化學(xué)、生物特征也隨之發(fā)生變化。 各種污染物質(zhì)對(duì)電磁波具有不同的吸收及反射特性，某些化合物在特定波長(zhǎng)電磁波激發(fā)下還會(huì)產(chǎn)生特征熒光。 測(cè)量水體對(duì)特定電磁波吸收、反射或輻射等的差異，并利用計(jì)算機(jī)或光電儀器進(jìn)行信息加工或圖像處理，可了解水污染的種類(lèi)、范圍和程度。 水污染遙感監(jiān)測(cè)利用水中物質(zhì)對(duì)光波和電磁波的反射特性，以及物質(zhì)本身的熱輻射特性來(lái)探測(cè)漂浮在水面和懸浮于水體中的物質(zhì)以及某些溶解于水的化合物。 對(duì)于化學(xué)污染物可利用其熒光特性來(lái)探測(cè)，對(duì)于水中懸浮物質(zhì)則利用光吸收技術(shù)來(lái)探測(cè)。紅外遙感可測(cè)量水溫并繪制出大面積水體等溫線圖。紫外攝影可偵察水表面的油膜。 衛(wèi)星遙感技術(shù)可追蹤海上大面積油膜移動(dòng)的方向。

4 存在的不足及展望

遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和執(zhí)法督察中已取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但仍存在不足，需從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，以滿足新時(shí)代背景下國(guó)家統(tǒng)籌環(huán)境監(jiān)測(cè)與執(zhí)法督察的要求。

1） 促進(jìn)多源遙感數(shù)據(jù)融合。 多源遙感數(shù)據(jù)可以彌補(bǔ)單一類(lèi)型數(shù)據(jù)在時(shí)間分辨率、空間分辨率或光譜分辨率方面的不足，并提供補(bǔ)充信息。 因此，充分融合包括遙感數(shù)據(jù)、生態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)在內(nèi)的多源數(shù)據(jù)，進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)管與執(zhí)法督察是今后重要的研究方向。

2） 提高遙感參數(shù)反演效果。 考慮到遙感反演過(guò)程的不確定性，通過(guò)優(yōu)化模型和開(kāi)發(fā)地表數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，可以提高生態(tài)參數(shù)反演的準(zhǔn)確性。 此外，當(dāng)前生態(tài)指數(shù)的估算主要基于遙感數(shù)據(jù)與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，獲取原位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提升。 因此，對(duì)模型的準(zhǔn)確評(píng)估以及如何降低模型對(duì)地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的依賴(lài)程度是今后的研究方向。

3） 優(yōu)化遙感建模尺度效應(yīng)。 尺度效應(yīng)是環(huán)境遙感需要面對(duì)的主要問(wèn)題。 遙感反演的準(zhǔn)確性與所用數(shù)據(jù)集的空間和時(shí)間分辨率有關(guān)。 因此，有必要根據(jù)要求優(yōu)化遙感建模的合適時(shí)空尺度，從而進(jìn)一步選擇可用的遙感數(shù)據(jù)集。

4） 提高遙感產(chǎn)品自動(dòng)化水平。 除了產(chǎn)品的準(zhǔn)確性外，在許多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)性也有很高要求，這直接影響到實(shí)際決策支持的成敗與否。 未來(lái)工作的重點(diǎn)將是通過(guò)流程優(yōu)化、定制功能開(kāi)發(fā)和聚合計(jì)算資源來(lái)提高遙感產(chǎn)品的自動(dòng)化水平。

5） 增強(qiáng)遙感綜合分析能力。 利用環(huán)境遙感從單純監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂斜O(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)綜合能力的業(yè)務(wù)平臺(tái)，并加強(qiáng)結(jié)果的綜合分析。

5 結(jié) 論

1） 為了提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，應(yīng)充分融合包括遙感數(shù)據(jù)、生態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)在內(nèi)的多源數(shù)據(jù)。

2） 推進(jìn)衛(wèi)星遙感環(huán)境監(jiān)測(cè)與監(jiān)管應(yīng)用，可推動(dòng)我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)與執(zhí)法由點(diǎn)上向面上發(fā)展、由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)發(fā)展、由平面向立體發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)環(huán)保執(zhí)法精細(xì)化、信息化管理的重要手段。

3） 現(xiàn)階段遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和執(zhí)法督察中的應(yīng)用還不成熟，大部分需要人工干預(yù)，數(shù)據(jù)處理量大，不確定性較強(qiáng)，綜合化業(yè)務(wù)能力有待進(jìn)一步提高。

4） 遙感技術(shù)是不斷發(fā)展的新技術(shù)，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與執(zhí)法中，必須及時(shí)完善并引入新的遙感技術(shù)。