衛(wèi)星遙感技術(shù)在我國環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

郭 浩

(遼寧省大連生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 116023)

0 引言

20 世紀(jì)80 年代末期，國外研究人員開始利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)水環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]。我國衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)雖起步相對(duì)較晚，但近年來也開展了一系列區(qū)域及全國范圍的生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作，如“一江兩河”、“西部十二省”和“全國生態(tài)環(huán)境十年變化遙感調(diào)查與評(píng)估”等。衛(wèi)星遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是獲取監(jiān)測(cè)地域的資料速度快、精度高、覆蓋范圍廣、不受氣候條件限制。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)越來越廣。目前，我國應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的衛(wèi)星主要有高分1 號(hào)、高分2號(hào)和資源3 號(hào)。它們可以對(duì)同一地域獲得3 個(gè)不同觀測(cè)視角的三維立體圖像信息，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重大的作用[2,3]。隨著中共中央、國務(wù)院出臺(tái)的《關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》和《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》中關(guān)于“利用衛(wèi)星遙感等技術(shù)手段，對(duì)自然資源和生態(tài)環(huán)境保護(hù)狀況開展全天候監(jiān)測(cè)”、“強(qiáng)化衛(wèi)星遙感等高新技術(shù)應(yīng)用，提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)立體化水平，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與監(jiān)管聯(lián)動(dòng)”等要求，衛(wèi)星遙感技術(shù)將更多地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，并在監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)、監(jiān)管等方面提供有力支撐。本文分別從水環(huán)境、大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面綜合介紹衛(wèi)星遙感技術(shù)在我國環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 衛(wèi)星遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用—以飲用水源保護(hù)區(qū)和赤潮監(jiān)測(cè)為例

衛(wèi)星遙感技術(shù)可以廣泛應(yīng)用在飲用水源保護(hù)區(qū)、水華、赤潮、船體溢油事故及工業(yè)廢水排放等水環(huán)境監(jiān)測(cè)中。

1.1 飲用水源保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)

清潔的飲用水是人類賴以生存的基本條件[4]，國家要求優(yōu)先保護(hù)飲用水水源地。飲用水水源安全直接影響人體健康和社會(huì)穩(wěn)定。針對(duì)近年來幾次涉及飲用水安全的重大環(huán)境事故[5]，保護(hù)飲用水水源安全已成為環(huán)境保護(hù)工作的重中之重。然而，目前對(duì)飲用水源保護(hù)區(qū)的監(jiān)測(cè)主要側(cè)重于水體水質(zhì)，方法也多為人工采樣，實(shí)驗(yàn)室分析，或者采用水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，治理重點(diǎn)也放在保護(hù)區(qū)內(nèi)排污企業(yè)和排污口取締上[6]，這些工作都客觀存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大，監(jiān)測(cè)周期長，獲取數(shù)據(jù)慢、運(yùn)維成本高等缺點(diǎn)。事實(shí)上，水源地的保護(hù)需要針對(duì)一切對(duì)水體有直接或間接影響的所有污染源或風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)測(cè)與監(jiān)管，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[7]對(duì)飲用水源保護(hù)區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)便顯得尤為必要。除此之外，衛(wèi)星遙感技術(shù)獲得的圖像信息也能監(jiān)測(cè)到飲用水源保護(hù)區(qū)的植被覆蓋情況，植被覆蓋率指標(biāo)能夠反映飲用水水源保護(hù)區(qū)內(nèi)開發(fā)利用程度。植被覆蓋率高，表明人為活動(dòng)對(duì)保護(hù)區(qū)水體干擾少，水質(zhì)相應(yīng)較好；植被覆蓋率低，水土流失等情況則較為嚴(yán)重，水源涵養(yǎng)差，水質(zhì)相應(yīng)較差。圖1 為某水庫水位下降后，被人為改成耕地耕種。

1.2 赤(綠)潮監(jiān)測(cè)

赤潮是海洋污染的三大公害之一[8]，赤潮的發(fā)生會(huì)使近海環(huán)境遭到極大的破壞。隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，大量工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排放入海，水體富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致赤潮災(zāi)害頻繁發(fā)生。赤潮的爆發(fā)通常具有突然性、空間尺度大、直接觀測(cè)難等特點(diǎn)，一般的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)難以及時(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)赤潮的污染程度。而衛(wèi)星遙感技術(shù)利用赤潮發(fā)生時(shí)的海水水溫和水色變化，提供幾米到幾公里的圖像信息，經(jīng)過校正、圖像合成、分析、解譯等過程，反演出海洋水體中的葉綠素濃度、微生物含量、泥沙含量等各種信息[9]，從而判斷赤潮的特征和發(fā)展規(guī)律，能有效地防止或減少赤潮造成的損失和危害，對(duì)采取有效措施治理赤潮災(zāi)害有著十分重要的意義。圖2 為某海灣綠潮爆發(fā)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，左圖為正常海域，右圖為綠潮爆發(fā)后海域衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖像。

圖2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)某海灣綠潮發(fā)生前后對(duì)比圖

2 衛(wèi)星遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用—以秸稈焚燒和揚(yáng)塵源監(jiān)測(cè)為例

衛(wèi)星遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中主要應(yīng)用在秸稈焚燒、沙塵、揚(yáng)塵和大氣氣溶膠厚度、溫室氣體及工業(yè)廢氣排放監(jiān)測(cè)等方面。

2.1 秸稈焚燒監(jiān)測(cè)

秸稈通常指的是農(nóng)作物在收獲籽實(shí)后的剩余部分，如稻草、麥秸、薯類、花生藤曼、豆秸、玉米稈等。每年在夏收、秋收后，大多數(shù)秸稈被當(dāng)作廢棄物焚燒。而露天焚燒秸稈產(chǎn)生的大量煙塵不僅污染大氣環(huán)境，破壞生態(tài)平衡，還會(huì)給公路交通和航空運(yùn)輸造成安全隱患。由于秸稈焚燒具有隨機(jī)性和分散性特點(diǎn)，地面人工監(jiān)測(cè)不能提供及時(shí)有效的信息，面對(duì)廣袤的地域環(huán)境難以開展監(jiān)察工作，衛(wèi)星遙感技術(shù)可以解決這一問題。衛(wèi)星遙感火點(diǎn)監(jiān)測(cè)是利用衛(wèi)星遙感圖像，隨著秸稈燃燒時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的像元溫度不斷增加，在中紅外和熱紅外波段輻射能量也相應(yīng)增加，并與背景常溫像元比較形成的差異來識(shí)別地面火點(diǎn)[10]。根據(jù)環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心2017年統(tǒng)計(jì)的火點(diǎn)報(bào)告，基于TERRA/MODIS 和AQUA/MODSI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)共監(jiān)測(cè)到全國秸稈焚燒火點(diǎn)為10987 個(gè)，主要集中在3-4 月份和10-11 月份，占比為54.8%和33.8%，涉及27 個(gè)省、自治區(qū)和直轄市，占比前五位的依次為黑龍江省55.2%、吉林省18.3%、內(nèi)蒙古自治區(qū)9.1%、遼寧省5.9%、河北省4.4%。衛(wèi)星遙感技術(shù)不僅可以快速的獲取大范圍的秸稈焚燒火點(diǎn)位置，為監(jiān)管部門提供及時(shí)的信息支持，也可以為區(qū)域性的環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考依據(jù)。從圖3 可以看出全國范圍性的秸稈焚燒火點(diǎn)涉及的面積較為廣泛。

圖3 某日衛(wèi)星遙感火點(diǎn)監(jiān)測(cè)圖

2.2 揚(yáng)塵源監(jiān)測(cè)

氣候條件相同的情況下,土地表面的不同利用方式、不同生態(tài)特征對(duì)于揚(yáng)塵的產(chǎn)生起著決定性的作用。如果將水域視為不揚(yáng)塵的生態(tài)域，那么按照土地生態(tài)特征來分類，抑塵效果依次應(yīng)為水域＞林地＞草地＞裸地，而裸地按照利用方式也分為交通道路、采礦用地、施工工地、堆場(chǎng)等。隨著城市的開發(fā)建設(shè)，大量土地也隨之改變了生態(tài)特征，林地、草地、山體遭到破壞，天然植被消失，生態(tài)結(jié)構(gòu)和服務(wù)功能退化，造成水土流失和環(huán)境生態(tài)失衡問題也時(shí)有發(fā)生。為了避免裸露地面揚(yáng)塵造成空氣污染，損害人體健康[11]，利用遙感技術(shù)對(duì)裸地的監(jiān)測(cè)顯得十分必要。監(jiān)測(cè)部門可利用環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與實(shí)地考察驗(yàn)證相結(jié)合，對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，全面掌握土地的利用形式，對(duì)易產(chǎn)生揚(yáng)塵的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控或采取必要的抑塵手段。圖4～圖7 為衛(wèi)星遙感揚(yáng)塵源監(jiān)測(cè)圖，依次為裸地、礦山、采石場(chǎng)、施工工地。

圖4 裸地

圖5 礦山

圖6 采石場(chǎng)

圖7 施工工地

3 衛(wèi)星遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——以自然保護(hù)區(qū)和生態(tài)功能區(qū)監(jiān)測(cè)為例

衛(wèi)星遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面主要應(yīng)用于自然保護(hù)區(qū)、生態(tài)功能區(qū)、土壤含水量、土壤墑情等生態(tài)環(huán)境要素的關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)，也可應(yīng)用于地表溫度、城市熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)等。

3.1 自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)

圖8 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)某自然保護(hù)區(qū)內(nèi)施工項(xiàng)目擴(kuò)張

根據(jù)環(huán)保部2015 年全國自然保護(hù)區(qū)名錄中的統(tǒng)計(jì)，全國共有2741 個(gè)自然保護(hù)區(qū)，總面積約9692.6hm2，約占國土面積的10.1%，主要類型包括森林、草原、荒漠、濕地、海洋海岸等[12-15]。環(huán)保部下發(fā)的《自然保護(hù)區(qū)人類活動(dòng)遙感監(jiān)測(cè)及檢查處理辦法》（試行）中規(guī)定了國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)常規(guī)遙感監(jiān)測(cè)每半年開展一次，省級(jí)自然保護(hù)區(qū)常規(guī)遙感監(jiān)測(cè)每年開展一次。自然保護(hù)區(qū)是地球生態(tài)系統(tǒng)的本底反映，也是物種多樣性的重要載體，更是生物物種基因庫。自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的人類活動(dòng)對(duì)土地的利用和覆蓋變化將影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的功能[16,17]。通過衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的人為活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將會(huì)為相關(guān)部門的規(guī)劃和管理提供快速、直觀、準(zhǔn)確的依據(jù)。圖8 為某自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)的施工項(xiàng)目突破紅線進(jìn)入緩沖區(qū)。

3.2 生態(tài)功能區(qū)監(jiān)測(cè)

圖9 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)生態(tài)功能區(qū)植被覆蓋變化情況

國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)作為國家生態(tài)安全的屏障，具有防風(fēng)固沙、水土保持、水源涵養(yǎng)和生物多樣性維護(hù)等生態(tài)功能，這些區(qū)域是國家生態(tài)保護(hù)紅線，是國家持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。目前，生態(tài)功能區(qū)調(diào)查包括土地利用、植被覆蓋、河流湖泊水源水質(zhì)、土壤質(zhì)量、水土保持狀況及野生動(dòng)植物資源等，而調(diào)查方式多采用人工調(diào)查，此種調(diào)查方式易受地域地形的限制?；谛l(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域方面的優(yōu)勢(shì)，可為生態(tài)功能區(qū)的監(jiān)測(cè)及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量考核提供有力的技術(shù)支撐[18]。2009 年，環(huán)境保護(hù)部與財(cái)政部啟動(dòng)了國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)縣域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量考核評(píng)價(jià)工作，工作開展至今，已經(jīng)建立了一套成熟的考核工作機(jī)制，既“天—空—地”一體化的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)體系?！疤臁笔抢眯l(wèi)星完成大尺度的生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)，獲取變化信息；“空”是利用無人機(jī)技術(shù)在小尺度上精確的獲取生態(tài)環(huán)境變化信息；“地”是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，驗(yàn)證衛(wèi)星與無人機(jī)獲取的信息結(jié)果，進(jìn)一步地了解生態(tài)環(huán)境變化的原因，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理提供及時(shí)、準(zhǔn)確的信息。圖9 為某生態(tài)功能區(qū)內(nèi)原始綠地被改成人工經(jīng)濟(jì)林項(xiàng)目。

4 結(jié)語

近年來，我國越來越重視自然環(huán)境和原始生態(tài)的保護(hù)，專項(xiàng)資金的投入也逐年遞增，國家先后出臺(tái)了一系列的政策和指導(dǎo)方案，衛(wèi)星遙感技術(shù)等手段應(yīng)用在水環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中也越發(fā)廣泛。隨著計(jì)算機(jī)性能和衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，其監(jiān)測(cè)空間尺度大、獲取數(shù)據(jù)及時(shí)等優(yōu)勢(shì)也將為環(huán)境監(jiān)測(cè)、區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警、環(huán)保執(zhí)法等提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)支撐。