基于北斗高分系統(tǒng)環(huán)境保護(hù)應(yīng)用

張 銳

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

隨著政府職能轉(zhuǎn)變和加強(qiáng)，在空間技術(shù)與移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)時(shí)代到來(lái)的大背景下，面對(duì)政府環(huán)境保護(hù)和監(jiān)管領(lǐng)域多元化、業(yè)務(wù)豐富化、周期頻繁化的需求，通過(guò)衛(wèi)星遙感、攝影測(cè)量、激光雷達(dá)、傾斜攝影、北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)等技術(shù)手段，建立環(huán)境保護(hù)北斗高分應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)打通遙感數(shù)據(jù)推送獲取鏈路，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感數(shù)據(jù)處理、分析、專題產(chǎn)品制作，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的定位、通信服務(wù)，提高環(huán)保移動(dòng)執(zhí)法的效率[1-4]。

1 總體設(shè)計(jì)

建設(shè)環(huán)境保護(hù)北斗應(yīng)用系統(tǒng)整合多源生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星遙感、航空遙感數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、人工定期定點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等智能信息技術(shù)，建設(shè)集數(shù)據(jù)匯交、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)共享等功能為一體的開(kāi)放性生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)資源承載平臺(tái)。各監(jiān)測(cè)站分別為環(huán)保執(zhí)法人員配備北斗手持RDSS終端，為環(huán)保執(zhí)法車配備北斗車載終端，通過(guò)示范可保證環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性，同時(shí)能確保環(huán)保動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集。其中包括了環(huán)保監(jiān)控子系統(tǒng)和環(huán)保遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用子系統(tǒng)。

1.1 環(huán)保監(jiān)控子系統(tǒng)

環(huán)保監(jiān)控子系統(tǒng)主要包括對(duì)環(huán)保監(jiān)測(cè)即執(zhí)法人員基礎(chǔ)信息管理、任務(wù)規(guī)劃、人員調(diào)度、定點(diǎn)采樣取證以及對(duì)環(huán)保執(zhí)法車的實(shí)時(shí)監(jiān)管。在系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)手持北斗/GPS雙模定位對(duì)巡查人員信息的有效監(jiān)控，通過(guò)車載北斗/GPS雙模實(shí)時(shí)車輛信息的有效監(jiān)控，同時(shí)結(jié)合GIS地圖服務(wù)，提高對(duì)指定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤、水體等取樣巡檢管理，提升執(zhí)法人員和執(zhí)法車輛的工作效率。圖1為環(huán)保監(jiān)控子系統(tǒng)。

圖1 環(huán)保監(jiān)控子系統(tǒng)

系統(tǒng)具有以下功能：

人員實(shí)時(shí)跟蹤：通過(guò)本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)巡查人員實(shí)時(shí)定位，并在電子地圖上實(shí)時(shí)顯示人員的行動(dòng)軌跡。

人員軌跡回放：實(shí)現(xiàn)對(duì)巡查人員在指定時(shí)間段的巡查軌跡進(jìn)行查詢。

信息下發(fā)：將環(huán)保執(zhí)法取樣點(diǎn)位置及任務(wù)信息下發(fā)給執(zhí)法人員，指導(dǎo)執(zhí)法人員進(jìn)行環(huán)保信息采樣。

執(zhí)法記錄/取樣取證：執(zhí)法人員通過(guò)手持終端實(shí)時(shí)記錄執(zhí)法信息，通過(guò)文字、照片、視頻方式記錄并通過(guò)終端將信息錄入系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)執(zhí)法人員上報(bào)信息，生成表單，詳細(xì)記錄發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)間、地點(diǎn)、污染情況等信息作為日后執(zhí)法依據(jù)。對(duì)于環(huán)境樣本取樣工作，平臺(tái)對(duì)比GIS數(shù)據(jù)和取樣點(diǎn)位置信息，通過(guò)北斗手持終端引導(dǎo)取樣人員精確取樣。

偏離監(jiān)測(cè)：確保執(zhí)法人員在執(zhí)法采樣過(guò)程覆蓋指定采樣地點(diǎn)環(huán)保數(shù)據(jù)采樣工作。

人員任務(wù)調(diào)度：各級(jí)監(jiān)管系統(tǒng)可以通過(guò)平臺(tái)直接向終端設(shè)備發(fā)送任務(wù)信息。同時(shí)系統(tǒng)也可以根據(jù)當(dāng)前巡查人員所在位置、任務(wù)所在區(qū)域，區(qū)域負(fù)責(zé)人等信息綜合考量，自動(dòng)指派任務(wù)。系統(tǒng)自動(dòng)記錄平臺(tái)向終端設(shè)備下發(fā)的信息，并提供下發(fā)信息的查詢功能。

電子圍欄：通過(guò)平臺(tái)對(duì)執(zhí)法人員的監(jiān)測(cè)，在地圖上設(shè)置電子圍欄，當(dāng)執(zhí)法人員在執(zhí)法過(guò)程中發(fā)送越界行為則進(jìn)行報(bào)警。

車輛實(shí)時(shí)跟蹤：通過(guò)本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單車、多車同時(shí)進(jìn)行跟蹤，并可以通過(guò)多窗口的展現(xiàn)形式實(shí)現(xiàn)車輛的分窗口跟蹤監(jiān)控，并在電子地圖上實(shí)時(shí)標(biāo)注車輛的行駛軌跡。在車輛行駛過(guò)程中，車輛的行駛信息可以動(dòng)態(tài)的傳輸至監(jiān)控窗口，用戶可以自行配置車輛行駛信息的顯示。

執(zhí)法路線制定：按照城市環(huán)境監(jiān)測(cè)中大氣、噪聲和輻射監(jiān)測(cè)的要求，制定執(zhí)法車輛巡檢路線，指導(dǎo)執(zhí)法車巡檢線路特定污染物進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，如對(duì)二氧化硫、氮氧化物、工業(yè)煙粉塵、重點(diǎn)行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物、可吸入顆粒物、環(huán)境噪聲、輻射等進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)北斗高分綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)公布。

1.2 環(huán)保遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用子系統(tǒng)

充分發(fā)掘遙感、氣象等衛(wèi)星數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，針對(duì)環(huán)境保護(hù)工作的重要內(nèi)容，基于國(guó)內(nèi)外氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，包括極軌衛(wèi)星、靜止衛(wèi)星等，以及多時(shí)相、多源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從宏觀與微觀兩個(gè)層面提供環(huán)保遙感監(jiān)測(cè)工具集。結(jié)合“氣象宏觀監(jiān)測(cè)、遙感微觀感知”的一體化服務(wù)方式，利用氣象數(shù)據(jù)得到的宏觀處理結(jié)果，利用遙感微觀處理結(jié)果對(duì)氣象宏觀處理結(jié)果進(jìn)行區(qū)域詳情補(bǔ)充，從大氣環(huán)境、水體環(huán)境、生態(tài)環(huán)境三個(gè)方面開(kāi)展環(huán)境保護(hù)行業(yè)應(yīng)用示范，滿足政府用戶對(duì)環(huán)境保護(hù)的決策支持和行業(yè)用戶的業(yè)務(wù)化需求。

選取晉城市作為示范區(qū)域，每年實(shí)現(xiàn)每季度一次環(huán)保遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范，主要包括氣溶膠監(jiān)測(cè)反演、葉綠素a濃度反演、水體懸浮物濃度、水體富營(yíng)養(yǎng)化程度、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水土保持監(jiān)測(cè)等專題產(chǎn)品輸出；如遇應(yīng)急突發(fā)狀況，則按需提供相應(yīng)專題產(chǎn)品。圖2為環(huán)保遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用子系統(tǒng)。

以下為該系統(tǒng)功能:

遙感影像分析組件集：主要為遙感、氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供輻射定標(biāo)、大氣校正、氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理、影像融合、幾何校正、影像匹配、影像鑲嵌、勻光勻色和影像分類等影像分析功能，植被狀態(tài)指數(shù)VCI、偏差植被指數(shù)DVI、距平植被指數(shù)AVI等基礎(chǔ)影像產(chǎn)品分析等功能。

遙感影像處理組件集：主要為遙感、氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供各種影像處理工具，包括格式轉(zhuǎn)換工具、投影轉(zhuǎn)換工具、ROI工具、重采樣工具、顏色轉(zhuǎn)換工具、柵格計(jì)算工具、波段合成工具、影像裁剪工具、影像增強(qiáng)工具和影像濾波工具等影像處理功能。

氣溶膠監(jiān)測(cè)反演：通過(guò)氣象數(shù)據(jù)處理可以獲取區(qū)域地表的大氣信息，依據(jù)氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè)，結(jié)合宏觀氣溶膠監(jiān)測(cè)產(chǎn)品與遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)微觀氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行精細(xì)反演，并與宏觀監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證。

葉綠素a濃度反演：利用水體葉綠素a提取模塊處理得到水體葉綠素a濃度，對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化、水體污染等提供基礎(chǔ)信息支持。

水體懸浮物濃度：針對(duì)河流、湖泊、大型水庫(kù)等大面積水體，利用極軌氣象衛(wèi)星進(jìn)行水體黃色懸浮物反演，監(jiān)測(cè)泥沙等懸浮物。

水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)：基于水體葉綠素濃度，計(jì)算富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)，利用水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)模塊處理得到水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，同時(shí)，基于長(zhǎng)時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)，可以提供大型水利設(shè)施對(duì)水體水質(zhì)的持續(xù)影響情況。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)：基于氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取大范圍區(qū)域內(nèi)的水體懸浮物、藍(lán)藻水華等信息，再利用遙感衛(wèi)星影像分析具體小范圍水體的富營(yíng)養(yǎng)化、熱工業(yè)污染、泥沙含量、水華等基礎(chǔ)信息，應(yīng)用于水體水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)水質(zhì)變化分析以及大型水利設(shè)施對(duì)水體水質(zhì)的影響等業(yè)務(wù)方向。

水土保持監(jiān)測(cè)：通過(guò)氣象數(shù)據(jù)處理宏觀層面的大氣含水量、植被指數(shù)、陸表溫度等基本信息，利用中高分辨率影像確定植被分布的區(qū)域、類型及變化信息，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、水體保持、生物多樣性保護(hù)等提供信息服務(wù)。

2 領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與遙感數(shù)據(jù)的結(jié)合，可極大提高環(huán)境監(jiān)管力度，提升全省環(huán)境質(zhì)量，使環(huán)境治理由先污染后治理的落后辦法轉(zhuǎn)變?yōu)樘嵩绨l(fā)現(xiàn)，預(yù)先治理。提高人民滿意度，有效減少環(huán)境恢復(fù)治理所造成的資金浪費(fèi)。通過(guò)對(duì)手持終端的示范推廣，提高巡查人員和取證人員的工作效率，減少因傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)耗費(fèi)的人力、物力、財(cái)力資源；解決環(huán)境治理成本，提高人民滿意度。另外，對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站配備北斗數(shù)傳終端，可有效減少用戶對(duì)VPN線路的維護(hù)、鋪設(shè)、管理費(fèi)用。北斗在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的示范及應(yīng)用極大提高生態(tài)保護(hù)相關(guān)業(yè)務(wù)部門的業(yè)務(wù)辦公效率，提高社會(huì)公信度；同時(shí)，通過(guò)與科研院所及高校合作，研究新技術(shù)、新方法，提升相關(guān)業(yè)務(wù)部門辦公水平；為解決經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的矛盾，為發(fā)展與保護(hù)并重、“雙贏”提供科學(xué)的決策依據(jù)；對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境起到非常關(guān)鍵的作用。