遙感技術在環(huán)境監(jiān)測中的應用進展與思考

侍昊，李旭文*，牛志春，姜晟，張悅，王甜甜，紀軒禹

(1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心 江蘇 南京 210019; 2.江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控有限公司 江蘇 南京 210019)

近年來，環(huán)境監(jiān)測充分發(fā)揮生態(tài)保護的“頂梁柱”和“生命線”的作用，全力支撐打好污染防治攻堅戰(zhàn)，持續(xù)推進環(huán)境質量明顯改善[1]。在這個轉變的階段，遙感技術的快速發(fā)展有效帶動了環(huán)境多元監(jiān)測能力的提升，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)逐步從單一化向全要素轉變，監(jiān)測范圍逐步從孤立的點位，發(fā)展到城市、區(qū)域、乃至更大尺度空間[2]。目前環(huán)境遙感逐步從可見光向全譜段、從被動向主被動協(xié)同、從低分辨率向高精度轉變，獲取數(shù)據(jù)的時效性大幅增強，信息提取和定量反演精度明顯提高，應用領域也逐步擴大，充分支撐了生態(tài)環(huán)境保護工作，取得顯著成效[3]。

1 我國環(huán)境遙感監(jiān)測發(fā)展歷程

從20世紀90年代至今，國家組織開展的多次大規(guī)模、綜合性的專項工作帶動了環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務工作，并取得了長足的進步。1992—1995年，中國科學院、農(nóng)業(yè)部組織實施了國家資源環(huán)境遙感宏觀調查和動態(tài)研究，以資源環(huán)境組合分類系統(tǒng)為核心成套技術方法，初步分析了我國基本資源環(huán)境現(xiàn)狀[4]。2000—2002年，原國家環(huán)境保護總局以遙感技術為主、地面調查為輔，組織開展了全國及區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀遙感調查[5]。2003年，中國環(huán)境監(jiān)測總站初步提出生態(tài)環(huán)境質量評價指標體系，以省為單元，評價全國生態(tài)環(huán)境質量狀況；2005年起開始組織全國31個省(自治區(qū)、直轄市)環(huán)境監(jiān)測中心(站)利用遙感影像、環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)等對生態(tài)環(huán)境質量進行系統(tǒng)評價[6]。2011年，原環(huán)境保護部和中國科學院綜合利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，組織開展了全國生態(tài)環(huán)境10年(2000—2010年)變化遙感調查與評估專項工作，隨后又連續(xù)組織了2010—2015年、2015—2020年全國生態(tài)環(huán)境狀況變化遙感調查評估任務工作，從國家、典型流域(區(qū)域)和省域等不同空間尺度，利用遙感技術對生態(tài)環(huán)境狀況開展調查評估[7]。

在中國知網(wǎng)上，以“環(huán)境”“遙感監(jiān)測”為主題詞，從1978年至今共搜索到各類學術期刊論文1 280余篇，主要表現(xiàn)出以下幾個方面的特點：(1)遙感監(jiān)測技術的熱點不斷變化。1978年吳錦[8]首次介紹了70年代以來國外遙感技術在環(huán)境污染監(jiān)測中的應用(注重技術介紹，最早可查文獻)；1997年劉紀遠[4]系統(tǒng)介紹了國家資源環(huán)境遙感宏觀調查與動態(tài)監(jiān)測，形成了快速宏觀調查與動態(tài)監(jiān)測的技術方法體系(注重方法體系，被引次數(shù)最多)；2013年謝濤等[9]詳細介紹了當前流行的無人機遙感傳感器、航空圖像拼接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P鍵技術及環(huán)境監(jiān)測應用(注重新型裝備，下載次數(shù)最多)。(2)遙感監(jiān)測技術的應用領域百花齊放。環(huán)境遙感監(jiān)測的文獻從20世紀80年代的零星發(fā)表增長到現(xiàn)在每年100多篇的刊文量(圖1)，發(fā)表內容也從最初簡單的方法理論介紹逐步擴展到環(huán)境監(jiān)測可遙感的各個領域。(3)遙感監(jiān)測技術的應用更切實際。中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所、生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心等業(yè)務化應用單位發(fā)表了一批值得借鑒學習的研究成果，更偏向于工作中的實際使用。同時也出現(xiàn)了以江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心為代表的地方應用單位，長期高度重視環(huán)境遙感監(jiān)測工作，具備較強的業(yè)務化應用能力和較為穩(wěn)定的遙感監(jiān)測人才隊伍(圖2)。

圖1 1978—2020年國內學術期刊環(huán)境遙感監(jiān)測論文數(shù)量

圖2 1978—2020年發(fā)表環(huán)境遙感監(jiān)測論文數(shù)量排名前10名的機構名稱

2 江蘇省環(huán)境遙感監(jiān)測應用情況

江蘇省位于中國大陸東部沿海，北接山東，東瀕黃海，東南與浙江和上海毗鄰，西接安徽，省域經(jīng)濟綜合競爭力居全國前列，是中國經(jīng)濟最活躍的省份之一。江蘇以占全國1%的國土面積，承載著全國6%的人口，創(chuàng)造了超過全國10%的經(jīng)濟總量[10]。面對人類活動干擾大，環(huán)境承載能力弱的基礎條件，運用遙感監(jiān)測技術及時掌握生態(tài)環(huán)境質量現(xiàn)狀及動態(tài)變化顯得尤為重要。

2.1 水環(huán)境遙感監(jiān)測應用不斷拓展

江蘇省共有大小河道2 900多條，湖泊近300個，水庫1 100多座，水面面積占全省陸地面積的17%[11]。針對河流眾多、水網(wǎng)密布的特點，利用遙感技術監(jiān)測全省水環(huán)境狀況的歷史始于20世紀80年代末至90年代初期，相關技術人員在蘇南大運河、太湖地區(qū)開展相關水環(huán)境衛(wèi)星和航空遙感監(jiān)測的探索，在反映水體質量優(yōu)劣程度和變化趨勢上取得一定的進展，為后期工作開展積累了有益經(jīng)驗[12-14]。2007年5月底，太湖暴發(fā)嚴重影響無錫供水的藍藻水華事件后，江蘇省于當年7月初率先建立國內環(huán)保系統(tǒng)首個MODIS數(shù)據(jù)DVBS廣播式接收系統(tǒng)，解決了藍藻水華衛(wèi)星遙感信息的獲取問題。通過積極參加國家“863”、環(huán)境衛(wèi)星應用示范、“十一五”水專項等專項課題研究，水環(huán)境遙感監(jiān)測應用的頻次及范圍逐步擴大，監(jiān)測因子不斷增多，持續(xù)開展野外水質遙感參數(shù)光譜采集與分析實驗，根據(jù)水體光譜的吸收、散射、形態(tài)特征等，建立水體光學信息提取模型，在水色、水質、藻類以及水生植被等方面開展了一系列業(yè)務工作。2011年起，江蘇省構建了藍藻預警監(jiān)測遙感數(shù)據(jù)實時接收和解譯系統(tǒng)，在半小時內實現(xiàn)從衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收、處理、解譯、制圖等全流程的快速、自動化處理及時空變化分析，形成較為完整的水環(huán)境遙感業(yè)務產(chǎn)品[15-17]，凸顯了應用遙感技術開展藻情監(jiān)測范圍大、間隔時間短的優(yōu)勢。“十三五”以來，在利用Terra/Aqua衛(wèi)星MODIS、Landsat衛(wèi)星TM/ETM+、GF衛(wèi)星CCD等常規(guī)影像數(shù)據(jù)開展工作的基礎上，水環(huán)境遙感監(jiān)測向以下方面不斷拓展：(1)利用Sentinel系列面向水色遙感且具有較高空間分辨率的新型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化藍藻水華、水生植被等的精細化提取算法，逐步提升監(jiān)測精度，提高實效[18-21]；(2)嘗試使用無人機等新技術逐步向城市河道及農(nóng)村支流支浜等細小水域擴展，更快速、精細地捕捉和監(jiān)測水環(huán)境變化及物理生境情況[22-23]；(3)2019年起升級構建新一代衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，實現(xiàn)了對國內外主流衛(wèi)星Terra/Aqua、NPP等9顆高時間分辨率，GF 1-6、ZY3、ZY302等11顆國產(chǎn)高空間分辨率，Landsat-8、Sentinel-2 A/B等4顆中高分辨率，Sentinel-3A/B、Sentinel-5P等4顆快時間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的實時接收和傳輸，使得江蘇省主要水體和海域的監(jiān)測頻次從日級提升到了日內小時級響應。

2.2 大氣環(huán)境遙感監(jiān)測應用初顯規(guī)模

2012年起，江蘇省細顆粒物(PM2.5)監(jiān)測納入空氣質量監(jiān)測范圍和《大氣污染防治行動計劃》中，受到越來越多的關注[24]。在空氣質量點位常規(guī)監(jiān)測的基礎上，衛(wèi)星遙感監(jiān)測能夠在宏觀尺度上及時獲取大氣污染物分布、來源及路徑等，一定程度上彌補了地面監(jiān)測手段在區(qū)域尺度上的不足，為大氣污染的全方位立體監(jiān)測提供了技術支撐[25]。與水環(huán)境遙感監(jiān)測相比，江蘇省大氣環(huán)境遙感監(jiān)測起步較晚，但近年來發(fā)展迅速。

2011年起，江蘇省開始嘗試利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，結合地面實測數(shù)據(jù)和氣象資料，開展秸稈焚燒、大氣氣溶膠、能見度、灰霾等遙感監(jiān)測業(yè)務等，研究探索衛(wèi)星光學探測與大氣能見度、PM2.5質量濃度探測之間的定量關系，優(yōu)化調整東部地區(qū)秸稈焚燒遙感監(jiān)測偽火點去除的關鍵技術。針對早期地面環(huán)境空氣監(jiān)測零星的數(shù)據(jù)以及缺少空氣質量的系統(tǒng)化站網(wǎng)監(jiān)測資料積累，且大氣污染帶來的氣溶膠增多首先表現(xiàn)為環(huán)境光學問題如區(qū)域能見度下降等，李旭文等[26-27]利用自1984年以來Landsat 衛(wèi)星系列TM/ETM+/OLI等傳感器獲得的全球連續(xù)性最好的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，分析了區(qū)域經(jīng)濟社會活動與區(qū)域大氣清潔度的關聯(lián)，為中長期空氣質量歷史回溯提供一定的參考。牛志春等[28]從霾污染遙感監(jiān)測業(yè)務化流程出發(fā)，梳理數(shù)據(jù)獲取、資料歸集及遙感評價等關鍵技術，較好地反映霾污染狀況的空間分布及地域差異，初步形成了空氣質量遙感監(jiān)測的業(yè)務化產(chǎn)品?！笆濉币詠?，遙感監(jiān)測產(chǎn)品更加趨向于高精度、靶向性應用，如對工地、裸露地塊的揚塵源和工業(yè)排放源進行定位和排放強度遙感監(jiān)測，全面服務支撐大氣污染防控工作。

2.3 生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測應用日益精細

近年來，江蘇省已建立包括3個國家級自然保護區(qū)在內的各級自然保護區(qū)共31個，占江蘇省面積的5.5%，全省自然濕地保護率高達46.2%。2018年江蘇省政府出臺《江蘇省國家級生態(tài)保護紅線規(guī)劃》，劃定全省國家級生態(tài)保護紅線區(qū)域總面積為18 150.34 km2，占全省陸海統(tǒng)籌國土總面積的13.14%[11]。“十二五”以來，通過大范圍、高精度的衛(wèi)星影像提高對各類重要保護區(qū)域的遙感監(jiān)測能力，初步形成便于監(jiān)管的生態(tài)保護體系。系統(tǒng)開展了生物物理及地表遙感參數(shù)反演、生態(tài)系統(tǒng)自動分類、生態(tài)質量評價因子信息提取、生態(tài)系統(tǒng)遙感評估等相關工作，注重將生態(tài)遙感監(jiān)測與評價分析深度結合，逐步形成對重要生態(tài)管控區(qū)域、突出生態(tài)問題的精細化監(jiān)管應用。一方面，引入ZY-3衛(wèi)星等高分遙感數(shù)據(jù)源對生態(tài)保護紅線區(qū)域開展監(jiān)測與評估應用，為省級生態(tài)補償轉移支付資金測算提供了重要依據(jù)[29-31]；另一方面注重與地理學、氣象學、景觀生態(tài)學等交叉融合，嘗試對城市擴張、生態(tài)修復等對環(huán)境影響較大的熱點事件開展連續(xù)性跟蹤監(jiān)測評價[32-33]。

江蘇省環(huán)境遙感監(jiān)測應用情況見圖3。由圖3可見，伴隨著遙感數(shù)據(jù)源從以衛(wèi)星為主轉變?yōu)樾l(wèi)星、航空、無人機遙感交叉協(xié)同，江蘇省的環(huán)境遙感監(jiān)測應用體系呈現(xiàn)出要素眾多、手段多樣、精度定量化高的特點，監(jiān)測業(yè)務同步向土壤、海洋、面源污染、環(huán)境應急、核安全、生物多樣性等多個領域擴展[34-35]。

圖3 江蘇省環(huán)境遙感監(jiān)測應用情況

3 思考與建議

通過遙感技術獲取的大范圍、周期性以及長時間序列數(shù)據(jù)，對于了解、掌握和管理區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化發(fā)揮著不可替代的作用。在初步形成的由航空與衛(wèi)星、監(jiān)測技術、業(yè)務產(chǎn)品構成江蘇省特色遙感監(jiān)測體系的背景下，遙感技術在監(jiān)測現(xiàn)狀、追溯過去、預測未來等方面還有許多工作值得進一步探索思考。

3.1 重視數(shù)據(jù)同質處理，不束縛于特定傳感器

遙感對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測時效性取決于數(shù)據(jù)源的時間分辨率。觀測設備重訪周期越短、空間分辨率越高、監(jiān)測時效性就越強。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球擁有對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)的國家和機構運營已有超過30個，共有600多顆對地觀測衛(wèi)星在軌運行[36]。在中國，已形成以高分、資源、風云、海洋、環(huán)境等衛(wèi)星系列為主的較為完善的對地觀測衛(wèi)星體系，可獲取的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)將從TB級迅猛增長到PB級甚至EB級，呈現(xiàn)出明顯的“大數(shù)據(jù)”特征。

面對數(shù)據(jù)爆炸式增長，省級生態(tài)環(huán)境監(jiān)測機構的遙感數(shù)據(jù)處理能力仍處于對某幾類傳感器、單要素、粗放式的水平。大數(shù)據(jù)的利用率低，處理速度慢，得不到充分利用，卻占用有限的存儲空間，甚至造成一定程度的浪費。因此，需要根據(jù)區(qū)域的監(jiān)測業(yè)務特點(如一些區(qū)域重點關注水質藻情、空氣污染過程等情況)，形成不同的監(jiān)測尺度和指標的要求，建立規(guī)則化、模型化、流程化的遙感數(shù)據(jù)處理流程，形成技術標準規(guī)范，制作真正可協(xié)同應用的標準化產(chǎn)品，使遙感監(jiān)測結果能夠在時間、空間、傳感器、反演算法等方面可對比、可集成、可統(tǒng)計，為下一步工作的開展提供扎實的數(shù)據(jù)基礎。

3.2 重視實地調查驗證，監(jiān)測方法選取要合理

實地調研遙感監(jiān)測結果的真實性和準確性，是評價遙感技術方法可靠的重要途徑，是實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)到遙感信息轉換的關鍵環(huán)節(jié)，但這一工作往往是現(xiàn)在遙感監(jiān)測中最容易忽視的。通過對生態(tài)環(huán)境、水環(huán)境、大氣環(huán)境3個領域共5個具有代表性的要素(土地利用/土地覆蓋、葉面積指數(shù)LAI、水華、葉綠素a、秸稈焚燒)的驗證發(fā)現(xiàn)，實地調查驗證中尺度轉換與遙感影像產(chǎn)品驗證中影像自身精度，是影響環(huán)境遙感監(jiān)測方法精度的關鍵[37]。

在某一地區(qū)或尺度，各載荷獲取數(shù)據(jù)的時間、外部條件一致，如果采用特定監(jiān)測方法能夠保證較高的結果精度。但考慮到區(qū)域尺度大范圍及異質性的特征，僅僅參照使用某一監(jiān)測方法可能給遙感監(jiān)測結果帶來較大誤差，影響了環(huán)境監(jiān)測的公信力和權威性。因此，根據(jù)自身的業(yè)務及區(qū)域特點，重視實地反復調查驗證，優(yōu)化改進遙感監(jiān)測的算法，使獲取的結果最大程度地接近真實值，努力拓展定性或半定量向精準定量監(jiān)測發(fā)展，做到從海量數(shù)據(jù)中去偽存真，快速、自動地挖掘隱藏在其后的各種信息，真正為解決各種生態(tài)環(huán)境管理工作提供靶向依據(jù)。

3.3 重視基礎設施建設，特色應用匹配要充分

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國以生態(tài)環(huán)境部為主用戶的環(huán)境遙感監(jiān)測在軌衛(wèi)星共4顆，7顆環(huán)境監(jiān)測后續(xù)衛(wèi)星也已獲批立項，在國家層面已經(jīng)建成了可同時接收多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地面配套設施，配備了服務器、存儲設備、圖形工作站等一批先進的硬件設備[38]。地方層面先后發(fā)射了吉林一號、高景衛(wèi)星、深圳一號、珠海一號、北京二號等各類商業(yè)衛(wèi)星。

但目前由各地方發(fā)射的各類衛(wèi)星總體上仍處于討論和探索階段，呈現(xiàn)高端不足、低端過剩、波段設置不能有效滿足監(jiān)測需求等現(xiàn)象。而環(huán)境遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)仍主要依靠國內外大型機構的分發(fā)或購買等，獲取的途徑有限，時效性、針對性不足。兩者之間呈現(xiàn)供需不平衡，應用價值未被充分挖掘，硬件建設與業(yè)務應用匹配度不強。例如,對于太湖等省內大型湖泊(水體)富營養(yǎng)化及藻藍蛋白的遙感監(jiān)測，國際、國內只有地面分辨率偏粗的Sentinel-3設置了620 nm等特征峰波段等。鑒于此，江蘇可以根據(jù)大氣、地表水、土壤、海洋、省域生態(tài)系統(tǒng)等典型問題的需求，積極謀劃能夠與全省地表水、空氣自動站網(wǎng)、PM2.5及揮發(fā)性有機物(VOCs)熱點網(wǎng)格高度協(xié)同的“江蘇一號”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星立項建設，形成具有特色的遙感衛(wèi)星服務能力。同時可邀請地方政府、社會資本、科研機構等共同參與，將衛(wèi)星發(fā)射、參數(shù)測控、軌道資源、數(shù)據(jù)交換等統(tǒng)籌考慮，真正形成環(huán)境、資源動態(tài)變化的全方位、高精度、實時化監(jiān)測能力。

3.4 重視熱點問題挖掘，不局限于常規(guī)業(yè)務工作

現(xiàn)有的環(huán)境遙感監(jiān)測產(chǎn)品內容豐富、品類齊全，包括了影像產(chǎn)品、指標產(chǎn)品、業(yè)務產(chǎn)品、服務產(chǎn)品以及基礎數(shù)據(jù)、觀測驗證數(shù)據(jù)等6大類30余個小類[3]。如目前生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心、江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心等已開展了十幾年的大型湖泊、水庫水體的藍藻水華遙感監(jiān)測業(yè)務工作，全面支撐了水環(huán)境監(jiān)測預警工作。

目前的工作大多數(shù)仍局限于對要素本身的遙感觀測，對某一熱點問題的綜合研判及深度分析上明顯支撐不足，總體上屬事后和管理驅動較多。如水環(huán)境遙感監(jiān)測中，欠缺具有全流域視角的熱點關聯(lián)，信息挖掘不充分，對社會和管理關注較多的區(qū)域性污染源位置、排放量、污染物輸移過程等說不清[39]，主動發(fā)現(xiàn)和鎖定熱點問題的能力不及時。如遙感監(jiān)測在碳中和、碳達峰上還處于起步階段，對管理的精細化支撐幾乎空白。因此，需要緊密結合大氣污染防治、水污染防治、土壤污染防治、生態(tài)紅線監(jiān)管等熱點管理需求，堅持目標導向、問題導向，利用大數(shù)據(jù)挖掘等關鍵技術深度分析，發(fā)展輿情語義信息驅動式遙感監(jiān)測，進一步形成全視角的監(jiān)測成果，并逐步推廣到環(huán)境預警預測、綜合評估、定量考核、政策制定等更深入的應用中去，提升對環(huán)境管理的支撐的主動性、針對性。

3.5 重視人才隊伍發(fā)展，加強專業(yè)化能力培養(yǎng)

隨著遙感監(jiān)測發(fā)揮的作用不斷加強，專業(yè)人才隊伍素質不斷提升，高層次人才數(shù)量有所增加，初步建立人才培養(yǎng)制度。2019年起，江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心逐步建立了無人機監(jiān)測隊伍，強化新技術在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領域的應用。

目前生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測隊伍仍存在人才專業(yè)結構參差不齊、高層次人才較為缺乏、人才梯度尚未形成等問題，較難適應監(jiān)測監(jiān)控快速發(fā)展的需求。未來遙感監(jiān)測工作將涉及更多高精度的衛(wèi)星、智能監(jiān)測儀器設備以及更為復雜的數(shù)據(jù)處理和傳輸系統(tǒng)等，亟需一支精細化的專業(yè)人才隊伍。因此，要進一步加強自身人才隊伍建設；引進人才、積極配齊配強專業(yè)人才；實施人才隊伍高質量提升工程，不斷提高隊伍整體素質和能力水平，提升生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測引領和支撐環(huán)境管理決策的能力。

4 結語

經(jīng)過40多年的發(fā)展，環(huán)境遙感監(jiān)測逐步向高時間、空間及光譜分辨的新時代邁進，有效帶動了監(jiān)測工作從定點離散擴展到空間連續(xù)，從靜態(tài)采樣擴展到動態(tài)跟蹤。但在省域層面的環(huán)境遙感監(jiān)測大數(shù)據(jù)、深度學習應用等業(yè)務化能力尚在起步階段，還存在諸多挑戰(zhàn)，距說清污染源狀況、說清環(huán)境質量現(xiàn)狀及其變化趨勢、說清潛在環(huán)境風險尚有明顯差距。未來，環(huán)境遙感監(jiān)測應逐步健全大氣環(huán)境、水環(huán)境、生態(tài)狀況、污染源、海洋環(huán)境、核安全等多要素的綜合遙感監(jiān)測業(yè)務網(wǎng)絡，進一步提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的權威性和公信力，加快推動向集成化、智能化、快速化、定量化、精細化、熱點化方向發(fā)展，真正發(fā)揮出遙感“千里眼”的作用，為生態(tài)環(huán)境保護工作提供更加有力的技術支撐和信息服務。