吉林一號(hào)衛(wèi)星在生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

文｜王春月 王棟 朱瑞飛 徐貴貴

1.長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司

2.吉林省衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

一、引言

環(huán)境是影響人類生存和發(fā)展的大氣資源、水資源、土地資源、生物資源等的總稱，環(huán)境與社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。近年來，隨著我國(guó)城市化建設(shè)的迅速發(fā)展，對(duì)水土及礦產(chǎn)資源的不合理利用，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境不斷惡化，產(chǎn)生了大氣污染、水環(huán)境惡化、植被退化、生物多樣性減少、水土流失等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]，嚴(yán)重制約了我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展。加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)工作和提高環(huán)境監(jiān)測(cè)管理水平變得尤為重要，對(duì)人類的生存和發(fā)展具有重要意義。

由于技術(shù)的限制,傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)手段在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)跟蹤、信息處理和分析等方面存在一定的困難，已無法適應(yīng)大區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題的快速發(fā)現(xiàn)和生態(tài)環(huán)境修復(fù)監(jiān)管。衛(wèi)星遙感作為一種快速、連續(xù)、可追溯和范圍廣的技術(shù),具有對(duì)惡劣氣候較好的抗干擾能力，可顯著縮小時(shí)間與人力成本，有利于解決環(huán)境保護(hù)問題[2]，為中國(guó)環(huán)保部門的管理工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

目前遙感在環(huán)保領(lǐng)域中已有不少應(yīng)用研究，但是大部分研究利用的是國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)，不利于推廣應(yīng)用，更難以滿足開展環(huán)境遙感業(yè)務(wù)化持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的需求。本文以吉林一號(hào)衛(wèi)星在大氣環(huán)境、水體環(huán)境、土壤環(huán)境和生態(tài)評(píng)價(jià)及環(huán)境災(zāi)害等方面的應(yīng)用為例，介紹吉林一號(hào)衛(wèi)星遙感環(huán)保應(yīng)用的實(shí)踐情況。

二、吉林一號(hào)衛(wèi)星介紹

吉林一號(hào)星座是長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司在建的核心工程，工程計(jì)劃由138顆涵蓋高分辨、大幅寬和視頻等系列的高性能光學(xué)遙感衛(wèi)星組成。目前，吉林一號(hào)在軌衛(wèi)星數(shù)量72顆，可對(duì)全球任意地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)每天23～25次重訪，具備全球一張圖一年更新2次、全國(guó)一張圖一年更新6次的能力。

吉林一號(hào)衛(wèi)星星座具有高時(shí)間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率、高覆蓋率及快速響應(yīng)能力等特點(diǎn)，可提供豐富的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括高分辨推掃數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、多光譜數(shù)據(jù)、夜光數(shù)據(jù)、立體數(shù)據(jù)以及慣性空間數(shù)據(jù)[3]。數(shù)據(jù)可為農(nóng)林生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、智慧城市、地理測(cè)繪、土地規(guī)劃等領(lǐng)域提供高質(zhì)量的遙感信息和產(chǎn)品服務(wù)。

三、吉林一號(hào)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.大氣環(huán)境

（1）大氣污染溯源

大氣監(jiān)測(cè)的手段主要是以地面監(jiān)測(cè)站的污染物測(cè)量值判斷污染程度并推斷污染物源，該方法成本高、范圍局限，無法掌握大范圍地區(qū)的污染情況。

以吉林一號(hào)寬幅01星系列高分辨率遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù)建立了包含建筑物、裸土揚(yáng)塵源、工礦和道路等要素的大氣污染源數(shù)據(jù)庫(kù)，通過耦合大氣化學(xué)模式和地基監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，借助定量反演和人工智能識(shí)別大氣污染物指數(shù)以及污染物濃度的污染高值區(qū)，結(jié)合排污企業(yè)名錄等外部數(shù)據(jù)，分析出長(zhǎng)春市污染源類型及位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣污染物的反演。長(zhǎng)春市某縣污染指數(shù)結(jié)果及對(duì)應(yīng)污染企業(yè)位置圖見圖1。

圖1 長(zhǎng)春市某縣污染指數(shù)結(jié)果及對(duì)應(yīng)污染企業(yè)位置影像

（2）秸稈焚燒

目前我國(guó)每年有大量秸稈被當(dāng)作廢棄物焚燒。秸稈焚燒不僅加重了重污染“霧霾”天氣，其產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)也對(duì)人體健康帶來嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的監(jiān)管工作滯后嚴(yán)重且存在瞞報(bào)現(xiàn)象，衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，為大區(qū)域秸稈焚燒提供了強(qiáng)有力的監(jiān)管手段。

以吉林一號(hào)寬幅01星系列高分辨率遙感影像為依托，首先基于HRNet-OCR分割模型[4]與DeepLabv3+分割模型區(qū)分秸稈已離田地塊與未離田地塊；然后基于秸稈獨(dú)特的光譜特征，通過遙感指數(shù)反演秸稈覆蓋度；最后用氣象衛(wèi)星火點(diǎn)信息與吉林一號(hào)提取的秸稈焚燒地塊相結(jié)合得到秸稈焚燒地塊位置。

（3）裸土揚(yáng)塵

地表裸土被帶入到空氣中形成的揚(yáng)塵是導(dǎo)致大氣顆粒物升高的主要因素，對(duì)人體健康和環(huán)境產(chǎn)生較大的危害。揚(yáng)塵污染分布廣泛，基于傳統(tǒng)固定儀器監(jiān)測(cè)和人工巡查的方式，難以發(fā)現(xiàn)大空間范圍內(nèi)的揚(yáng)塵污染來源，且人工巡查的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下，監(jiān)管存在困難。遙感技術(shù)的快速發(fā)展為裸土的高效反演識(shí)別提供了極大的便利。

以吉林一號(hào)寬幅01星系列高分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源，以吉林省長(zhǎng)春市為研究區(qū)，以DeeplabV3+算法為基礎(chǔ)，耦合注意力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)裸土自動(dòng)化提取，并通過后處理算法對(duì)自動(dòng)化提取結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，為裸土揚(yáng)塵源高精度、高頻次和大范圍的快速識(shí)別奠定了基礎(chǔ)，裸土的衛(wèi)星影像見圖2。

圖2 裸土衛(wèi)星影像圖

2.水體環(huán)境

（1）黑臭水體

黑臭水體由于存在底數(shù)不清、成因復(fù)雜和協(xié)調(diào)難度大等一系列難題，成為了目前國(guó)家和政府重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，高分辨率遙感技術(shù)可以有效識(shí)別和監(jiān)測(cè)農(nóng)村黑臭水體，為消除黑臭水體，提高農(nóng)村生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，改善流域水環(huán)境提供數(shù)據(jù)支持[5]。

利用吉林一號(hào)寬幅01星對(duì)吉林省進(jìn)行編程拍攝，使用分辨率優(yōu)于1m的高分辨率衛(wèi)星影像和分辨率5m的寬譜段衛(wèi)星影像，選擇多模型識(shí)別方法，綜合反演得到黑臭水體識(shí)別模型。同時(shí)，配合地面檢驗(yàn)設(shè)備對(duì)利用遙感方式得到的疑似點(diǎn)位進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)測(cè)試，在遙感識(shí)別和水質(zhì)測(cè)試的基礎(chǔ)上形成吉林省農(nóng)村黑臭水體識(shí)別排查清單。

（2）排污口

入河排污口是污染物直接進(jìn)入水體的最后關(guān)口，是水資源保護(hù)和水污染防治的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，加強(qiáng)排污口監(jiān)管對(duì)于提高水環(huán)境質(zhì)量和改善水生態(tài)具有重要意義。目前我國(guó)的入河排污口清查尚不完善，排污口數(shù)量、分布和排污規(guī)模等都不完全清楚，導(dǎo)致排污口治理因基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏變得尤為困難。遙感應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，不僅降低了人工排查的時(shí)間與人力成本，還可以高效準(zhǔn)確地完成河道排污口清查工作，實(shí)現(xiàn)入河排污口的精準(zhǔn)監(jiān)控，為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善奠定了基礎(chǔ)。

以吉林一號(hào)寬幅星系列高分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源，利用深度學(xué)習(xí)的方法對(duì)明渠、泵站和涵閘類型的排污口進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以已處理好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和已建立排污口樣本庫(kù)為基礎(chǔ)，訓(xùn)練基于深度學(xué)習(xí)的全卷積單階段目標(biāo)識(shí)別模型（FCOS），實(shí)現(xiàn)對(duì)排污口的清查與監(jiān)督工作（圖3）。

圖3 排污口衛(wèi)星影像圖

（3）河湖四亂

河湖四亂是指在河湖岸線進(jìn)行亂占、亂采、亂堆和亂建的違法行為。河湖四亂的監(jiān)管與治理是管理河湖水域岸線和保護(hù)水生態(tài)的重要前提。遙感影像具備覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)量大、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，將遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于河湖四亂問題的監(jiān)督，能夠減少實(shí)地調(diào)研的人力消耗，有效提高河湖岸線監(jiān)管的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，為河湖保護(hù)和水政執(zhí)法提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

利用吉林一號(hào)寬幅01星對(duì)山東省市級(jí)河湖進(jìn)行掃測(cè)，結(jié)合地物光譜特征、空間關(guān)系和幾何特征等建立河湖四亂解譯標(biāo)志，通過人機(jī)交互手段監(jiān)測(cè)河湖水域四亂行為，對(duì)河湖岸線違法信息（包括非法侵占水域、灘地、挖筑魚塘、采砂、亂堆垃圾等行為）進(jìn)行提取分析，并對(duì)岸線變化進(jìn)行分析，形成亂占、亂采、亂堆、亂建圖層和清單（圖4），為河湖監(jiān)管提供有效的技術(shù)手段。

圖4 河湖四亂信息典型圖斑

3.土壤環(huán)境

（1）土壤鹽堿化

監(jiān)測(cè)土壤鹽堿化分布特征的方法較多，其中衛(wèi)星遙感技術(shù)不需要大量的人力投入，具有探測(cè)范圍大、光譜信息豐富和觀測(cè)角度高等特點(diǎn)，可以宏觀、快速地獲取鹽堿地信息，有利于監(jiān)測(cè)區(qū)域土地鹽堿化分布及程度，為鹽堿地整治規(guī)劃提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

以吉林一號(hào)高分系列衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，以吉林省乾安縣為研究區(qū)，采用DeepLabv3+語義分割方法，引入特征融合策略，使網(wǎng)絡(luò)保留了比較多的淺層信息，同時(shí)加入了深度可分離卷積來對(duì)分割網(wǎng)絡(luò)的速度進(jìn)行優(yōu)化，最終得到較好的分割邊界。經(jīng)過DeepLabv3+模型預(yù)測(cè)得到的結(jié)果，再進(jìn)行Majority/Minority Analysis實(shí)現(xiàn)后處理，優(yōu)化提取結(jié)果。最后，使用測(cè)試集對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。

（2）非正規(guī)垃圾

非正規(guī)垃圾堆的露天堆放，不僅侵占土地，還污染大氣、水源及城市生活環(huán)境，嚴(yán)重影響人們的正常生活和身體健康[6]。傳統(tǒng)人工實(shí)地調(diào)查方法耗時(shí)費(fèi)力，效率低下，并不適合于分布廣泛且堆放點(diǎn)易變的非正規(guī)垃圾堆，高分辨率遙感技術(shù)的發(fā)展為非正規(guī)垃圾堆的宏觀檢測(cè)和高效管理提供了應(yīng)用方向。

利用吉林一號(hào)寬幅01星對(duì)吉林省進(jìn)行掃測(cè)，分別利用DeepLabv3+和Alexnet網(wǎng)絡(luò)模型模擬非正規(guī)垃圾堆放點(diǎn)的人工解譯和人工質(zhì)檢的過程，相比于傳統(tǒng)遙感人工目視解譯方法，實(shí)現(xiàn)了非正規(guī)垃圾堆放點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別工作，實(shí)際應(yīng)用效果良好。DeepLabv3+模擬人工解譯過程的總體精度為0.844，Alexnet網(wǎng)絡(luò)模擬人工質(zhì)檢過程得到的總體精度為0.696，將此方法應(yīng)用于2022年的驗(yàn)證樣本得到的成果精度為0.690，該方法可在保證識(shí)別精度的同時(shí)，大大提升工作效率。

4.生態(tài)評(píng)價(jià)

（1）森林碳儲(chǔ)量

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體和最大的碳庫(kù)，對(duì)于保持陸地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和維持全球碳平衡具有重要的作用。利用遙感手段對(duì)森林碳儲(chǔ)量的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算森林碳儲(chǔ)量，可以有效解決地面調(diào)查方法和通量站觀測(cè)統(tǒng)計(jì)方法存在的數(shù)據(jù)不充足和估算精度不夠高的問題[7-9]。

利用吉林一號(hào)寬幅系列衛(wèi)星對(duì)吉林省長(zhǎng)春市凈月高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)進(jìn)行拍攝，利用CASA模型算法[10]，將遙感因子、溫度因子和土壤因子作為輸入信息建立光能利用率模型，并根據(jù)碳轉(zhuǎn)換系數(shù)和分子轉(zhuǎn)換系數(shù)，計(jì)算森林碳儲(chǔ)量。研究結(jié)果表明，凈月區(qū)森林碳儲(chǔ)量多為碳儲(chǔ)量中值區(qū)，高值區(qū)主要分布在東北部，低值區(qū)主要分布在道路沿線和西南部水庫(kù)。自監(jiān)測(cè)年5月至10月份，凈月區(qū)森林碳儲(chǔ)量先增加后逐漸降低，與天氣存在較為一致的變化規(guī)律。并通過與實(shí)地調(diào)查采樣數(shù)據(jù)對(duì)比，長(zhǎng)春市凈月區(qū)森林碳儲(chǔ)量估算模型具有一定的可靠性和實(shí)用性，可作為森林碳匯估算的重要手段。

（2）自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)狀況

生態(tài)保護(hù)評(píng)價(jià)可以對(duì)自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)管理工作提供評(píng)價(jià)依據(jù)。傳統(tǒng)方式在計(jì)算的過程中需要大量的人力、物力來提取保護(hù)區(qū)內(nèi)的地表信息，且多數(shù)區(qū)域無法進(jìn)行實(shí)地勘探，導(dǎo)致無法保障信息的準(zhǔn)確性。通過“遙感數(shù)據(jù)+人工智能”的方式可以極大地提升自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)狀況評(píng)價(jià)的自動(dòng)化程度[11-12]。

利用吉林一號(hào)寬幅01星對(duì)吉林省龍灣國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行掃測(cè)，選用多層感知卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MPCNet）算法作為主體分類技術(shù)，從面積適宜性、外來物種入侵度、生境質(zhì)量和開發(fā)干擾程度四方面建立自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，計(jì)算自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)狀況指數(shù)（NEI），定量評(píng)價(jià)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)等級(jí)。計(jì)算結(jié)果表明：吉林龍灣國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)狀況處于良好等級(jí)，保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋度較高，水資源充足，主要保護(hù)對(duì)象的原生生境保護(hù)狀況整體較好，但是保護(hù)區(qū)中仍存在部分人類干擾現(xiàn)象，影響生態(tài)環(huán)境，未來需要加強(qiáng)保護(hù)區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)的監(jiān)督工作。

（3）礦山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量

在高強(qiáng)度礦山開采背景下，傳統(tǒng)的人工實(shí)地調(diào)查與采樣和地面?zhèn)鞲衅髡军c(diǎn)觀測(cè)等監(jiān)測(cè)方法存在明顯的時(shí)空尺度不匹配和效率低等問題[13]，高分辨率遙感技術(shù)由于大尺度、動(dòng)態(tài)觀測(cè)等特點(diǎn)，能夠快速獲取大范圍的光譜信息，逐漸成為礦區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)不可或缺的方法[14-16]。

利用吉林一號(hào)寬幅01星對(duì)吉林省白山市渾江區(qū)礦山進(jìn)行周期性掃測(cè)，利用人機(jī)交互的解譯方式提取礦區(qū)，并利用耦合礦區(qū)綠度、濕度、熱度和干度4大生態(tài)要素的遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）對(duì)渾江區(qū)礦山進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為差，城鎮(zhèn)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)也較差，林地和草地區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)。自2009年至2021年，渾江區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸改善，整體由較差逐漸過渡到較優(yōu)，但是由于缺少相應(yīng)的礦山生態(tài)整治措施，導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸下降，從較差逐漸過渡到差。根據(jù)遙感生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，加強(qiáng)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)督，恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)勢(shì)在必行。

5.環(huán)境災(zāi)害

（1）洪澇災(zāi)害

傳統(tǒng)的洪澇監(jiān)測(cè)方法是人為對(duì)受災(zāi)地區(qū)進(jìn)行測(cè)量制圖，不僅人力成本高，監(jiān)測(cè)范圍受到極大限制，不能及時(shí)有效地傳遞洪水監(jiān)測(cè)信息。遙感技術(shù)的蓬勃發(fā)展為洪澇災(zāi)害提供了強(qiáng)有力的監(jiān)測(cè)手段，也為搶險(xiǎn)救災(zāi)和災(zāi)后重建起到至關(guān)重要的作用。

2022年，廣東省英德市“6·18”特大暴雨洪澇災(zāi)害中，以吉林一號(hào)寬幅星為數(shù)據(jù)源，以廣東省英德市為研究區(qū)，通過使用DeepLabv3+語義分割網(wǎng)絡(luò)提取英德市災(zāi)前和災(zāi)后的水體矢量，再經(jīng)CascadePSP方法優(yōu)化水體范圍，實(shí)現(xiàn)針對(duì)高分辨率衛(wèi)星遙感影像的洪澇監(jiān)測(cè)（圖5）。該方法效果理想，處理速度較快，可以為救災(zāi)抗災(zāi)、災(zāi)情評(píng)估、災(zāi)后重建提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

圖5 英德市洪澇災(zāi)害衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)

（2）海洋溢油

海上溢油事故會(huì)產(chǎn)生大面積的油膜覆蓋在海表，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境、海洋養(yǎng)殖業(yè)和沿海自然景觀等造成破壞，因此需要對(duì)海洋溢油問題進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。采用遙感手段實(shí)現(xiàn)大范圍、全天候的溢油動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以有效提升海洋溢油的遙感監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，降低溢油事故對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的危害。

利用吉林一號(hào)寬幅系列衛(wèi)星對(duì)我國(guó)海洋進(jìn)行周期性掃測(cè)，采用人機(jī)交互方式提取海洋海域船舶和石油平臺(tái)分布信息，結(jié)合多源遙感分析溢油狀況的光學(xué)影像特征，對(duì)不同溢油污染類型進(jìn)行大范圍和全天候的定性與定量監(jiān)測(cè)，可為提高海洋海域溢油風(fēng)險(xiǎn)防控水平以及相應(yīng)海洋溢油事故應(yīng)急處理提供一定的技術(shù)支撐和方法借鑒。

四、結(jié)語

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的迅速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境問題日益突出，給環(huán)境保護(hù)工作帶來了新的挑戰(zhàn)。吉林一號(hào)衛(wèi)星星座高時(shí)間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率、高覆蓋率及快速響應(yīng)能力等特點(diǎn)，可提供多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在我國(guó)環(huán)境保護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且正在朝著更高空間分辨率和時(shí)間分辨率的方向快速發(fā)展，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。