基于激光雷達(dá)組網(wǎng)的生態(tài)環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)方法研究

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)組網(wǎng)；生態(tài)環(huán)境污染；遙感監(jiān)測(cè)；RSEI；主成分分析法

中圖分類(lèi)號(hào)：X87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

隨著人類(lèi)社會(huì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯，并對(duì)人類(lèi)健康和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的影響。然而，要全面了解和監(jiān)測(cè)這些污染問(wèn)題的分布、來(lái)源和演變趨勢(shì)，傳統(tǒng)的野外調(diào)查方法受限于時(shí)間、空間和成本等方面的制約，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)的要求。

針對(duì)此問(wèn)題，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者也得到了一些較好的研究成果，例如：史浩東等人確定了光學(xué)信息采集、特性生成和傳輸機(jī)理、高分辨信息解混、重構(gòu)與增強(qiáng)以及識(shí)別反演，實(shí)現(xiàn)海洋生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。盧光華等人將航空遙感探測(cè)技術(shù)和場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合，以完成垃圾總體量和分布特點(diǎn)的分析，然后獲取水污染源的結(jié)構(gòu)和分布特點(diǎn)，并結(jié)合場(chǎng)地水文地質(zhì)條件設(shè)計(jì)地下水監(jiān)測(cè)方案。但是，不同地表類(lèi)型和大氣條件可能導(dǎo)致校正效果的差異，校正精度可能會(huì)降低。李家藝等人根據(jù)實(shí)地觀測(cè)照度設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵垣@得南京夜間亮度，利用夜間亮度獲取夜間光污染分布情況，實(shí)現(xiàn)光污染監(jiān)測(cè)。然而，該方法也存在一些弊端和限制，包括解混的準(zhǔn)確性挑戰(zhàn)、航空遙感的局限性和表觀輻射亮度改性的復(fù)雜與場(chǎng)景適應(yīng)性問(wèn)題。

為了解決上述方法中存在的問(wèn)題，提出基于激光雷達(dá)組網(wǎng)的生態(tài)環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)方法。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域

將山東省南四湖作為此次的研究區(qū)域，南四湖處于山東省的西南方向，屬于山東省最大的淡水湖，流域氣候?yàn)榕瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫在20℃左右。南四湖包括上、下兩級(jí)湖，全湖平均水深約為1.5m，上級(jí)湖包括邵陽(yáng)湖、獨(dú)山湖以及南陽(yáng)湖，此次研究區(qū)域即為上級(jí)湖和周邊位置。

1.2監(jiān)測(cè)方法

將激光雷達(dá)組網(wǎng)作為觀測(cè)儀器。激光雷達(dá)組網(wǎng)中具有多個(gè)功能與頻率不同的激光雷達(dá)，這些雷達(dá)負(fù)責(zé)獲取生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將搜集到的航跡與點(diǎn)跡數(shù)據(jù)發(fā)送給指揮中心；指通方艙負(fù)責(zé)將各個(gè)雷達(dá)搜集到的數(shù)據(jù)展開(kāi)統(tǒng)計(jì)匯總和上報(bào)，并將數(shù)據(jù)展開(kāi)融合處理、完成組網(wǎng)內(nèi)部所有雷達(dá)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)；指揮中心主要負(fù)責(zé)激光雷達(dá)組網(wǎng)的管理及分布優(yōu)化、數(shù)據(jù)顯示，確保雷達(dá)組網(wǎng)的安全運(yùn)行。激光雷達(dá)組網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

如圖1所示，激光雷達(dá)組網(wǎng)中包括n不同種類(lèi)的激光雷達(dá)，并形成了不同預(yù)警程度的數(shù)據(jù)探測(cè)網(wǎng)，能夠完成不同等級(jí)預(yù)警雷達(dá)的針對(duì)性配置、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)共享以及不同雷達(dá)之間的空域補(bǔ)償。對(duì)于激光雷達(dá)組網(wǎng)收集到的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，利用主成分分析法對(duì)大氣污染、土壤污染、飲用水體污染以及生活用水污染指標(biāo)展開(kāi)集成處理，將主成分的方差作為權(quán)重，首先對(duì)四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)展開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后根據(jù)得到的所有標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)展開(kāi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)思路如下：

1.2.1指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

基于遙感監(jiān)測(cè)收集到的指標(biāo)量綱存在差異的問(wèn)題，需要通過(guò)極差標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)所有指標(biāo)展開(kāi)處理，使全部指標(biāo)的量綱都為[0，1]，標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)NI定義如式（1）：

2結(jié)果與分析

2.1主成分分析

將指標(biāo)展開(kāi)主成分分析后得到的結(jié)果如表1所示（表中的PC1、PC2、PC3、PC4分別表示第一、二、三、四主成分），結(jié)果可分為三點(diǎn)：（1）指標(biāo)處理前、處理中與處理后階段的所有指標(biāo)第一主成分貢獻(xiàn)率為63.78%、73.92%與68.21%，這說(shuō)明第一主成分中包含了大氣污染、土壤污染、飲用水體污染和生活用水污染的大多數(shù)特征；（2）在第一主成分（PC1）中，大氣污染與飲用水體污染呈現(xiàn)正數(shù)，而土壤污染與生活用水污染呈現(xiàn)負(fù)數(shù)，因此大氣污染和飲用水體污染對(duì)南四湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生正面影響，而土壤污染與生活用水污染對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響；并且在處理前、中、后階段中，生活用水污染對(duì)應(yīng)的系數(shù)值最大，表示生活用水污染對(duì)南四湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生的影響最大；（3）在剩余主成分中，各指標(biāo)值的穩(wěn)定性較差，對(duì)結(jié)果分析的準(zhǔn)確率較低，因此根據(jù)第一主成分來(lái)建立RSEI污染模型。為使獲得的RSEI污染指數(shù)和南四湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)應(yīng)，通過(guò)1-PC1計(jì)算初始生態(tài)指數(shù)為RSEI₀，并對(duì)RSEI₀實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲得最終的RSEI值。

通過(guò)相關(guān)系數(shù)對(duì)RSEI污染模型的適用度展開(kāi)驗(yàn)證，如果相關(guān)系數(shù)越靠近1，則RSEI污染值越能反映四個(gè)指標(biāo)的特征，即RSEI虧染模型的適用度更高。設(shè)定A、W、T和D為適用度分析中的南四湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)，則指標(biāo)A的平均相關(guān)度VA定義如式（4）：

不同指標(biāo)之間以及和RSEI污染之間的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。

分析單指標(biāo)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四個(gè)指標(biāo)中相關(guān)度最高的為生活用水污染，處理前、中、后期的相關(guān)度平均值是0.777；剩下指標(biāo)的相關(guān)度按照從大到小的順序分別為大氣污染、土壤污染和飲用水體污染，對(duì)應(yīng)的相關(guān)度均值為0.726、0.688、0.659；根據(jù)RSEI污染和上述四個(gè)指標(biāo)間的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各階段的相關(guān)度均值都大于0.8，因此遙感生態(tài)指數(shù)RSEI污染比一個(gè)指標(biāo)更能體現(xiàn)南四湖生態(tài)環(huán)境污染程度。

2.2人類(lèi)活動(dòng)分析

由于國(guó)家出臺(tái)了退耕還草還林的相關(guān)政策，從2004年至2022年山東省南四湖附近山區(qū)共退耕還草還林約12286. 82km²，面積占2004年南四湖附近山區(qū)耕地面積的19.89%，占南四湖山區(qū)總面積的6.02%。實(shí)施退耕還草還林計(jì)劃的大部分區(qū)域都在五四湖附近山區(qū)。

為比較南四湖全部退耕還草還林區(qū)，現(xiàn)對(duì)沒(méi)有實(shí)施退耕的區(qū)域和南四湖附近山區(qū)整體的RSEI污染平均值與變化速率展開(kāi)計(jì)算，得到的結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)能夠得知，南四湖附近山區(qū)的退耕還草還林區(qū)域?qū)?yīng)的RSEI平均值為0.54，而全區(qū)和未退耕區(qū)域的RSEI平均值分別為0.50和0.39，表明退耕區(qū)域的RSEI平均值遠(yuǎn)高于南四湖山區(qū)全區(qū)和未退耕區(qū)；退耕區(qū)的RSEI變化速率為0.13，也高于全區(qū)的RSEI變化速率0.06和未退耕區(qū)的0.10。因此，對(duì)于南四湖附近山區(qū)而言，退耕還草還林區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量要比全區(qū)和未退耕區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高，即人類(lèi)采取的退耕還草還林活動(dòng)能夠有效降低生態(tài)環(huán)境的污染程度。

2.3生態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化分析

為了提高確保對(duì)生態(tài)環(huán)境污染的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，需要對(duì)山東省南四湖生態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化展開(kāi)可視化分析，將遙感生態(tài)指標(biāo)RSEI污染分為5個(gè)等級(jí)，分別是差（0～0.2）、較差（0.2～0.4）、中等（0.4～0.6）、良（0.6～0.8）、優(yōu)（0.8～1.0）.

如表4所示按照上述分級(jí)方式得到的1992年-2022年南四湖上級(jí)湖區(qū)域的遙感生態(tài)指標(biāo)RSEI污染分級(jí)結(jié)果。

如表4所示，南四湖西部的生態(tài)環(huán)境污染程度比東部的低，原因是東北部的大部分地區(qū)多為低山丘陵，導(dǎo)致水土流失現(xiàn)象頻繁發(fā)生。從1992年至2022年，南四湖東北區(qū)域的生態(tài)環(huán)境污染程度已有所降低，根本原因是在這30年間持續(xù)開(kāi)展的退耕還林還草活動(dòng)，加強(qiáng)了土壤的利用性，降低了水土流失的程度。南四湖的東南區(qū)域的礦區(qū)面積較大，且一直在實(shí)施煤礦的開(kāi)采活動(dòng)，使得部分區(qū)域發(fā)生地表沉降現(xiàn)象，這直接造成了草地、耕地和林地面積的減少，植被覆蓋度也隨之降低，從而使該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境等級(jí)由1992年的優(yōu)和良等級(jí)變?yōu)?022年的較差和差，生態(tài)系統(tǒng)的功能也更加脆弱。從全局來(lái)看，南四湖西部的生態(tài)環(huán)境等級(jí)較高，環(huán)境污染程度較低，但存在少部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差，遭受的環(huán)境污染在持續(xù)向四周擴(kuò)散，西部附近較多耕地改為房屋建設(shè)用地，建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生大量污染使得環(huán)境質(zhì)量下降。南四湖湖區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)在1992年時(shí)多為優(yōu)和良等級(jí)，到2022年時(shí)已降為中等等級(jí)，主要原因是湖區(qū)區(qū)域存在新安、湖西和濱湖三大煤礦，且三個(gè)煤礦計(jì)劃開(kāi)采煤量巨大，頻繁的開(kāi)采活動(dòng)降低了南四湖湖區(qū)的物種多樣性以及生態(tài)功能，使湖區(qū)自然生態(tài)環(huán)境較差，產(chǎn)生的污染問(wèn)題較為嚴(yán)重。

為了得到山東省南四湖區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境污染的定量分析和對(duì)比，現(xiàn)以每10年為間隔，根據(jù)1992年-2022年的各年份RSEI污染值變化情況，對(duì)不同的RSEI污染等級(jí)對(duì)應(yīng)的面積和所占比例展開(kāi)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

分析表5可知，從1992年-2022年，RSEI污染的優(yōu)級(jí)面積呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且面積下降的百分比為18.245%；從1992-至2012年，良等級(jí)和中等等級(jí)面積所占比例呈逐漸上升趨勢(shì)，但從2012年-2022年，面積所占比例又逐漸下降；從1992年-2012年，較差等級(jí)和差等級(jí)對(duì)應(yīng)的面積所占比例呈下降趨勢(shì)，從2012年-2022年，比例又逐漸上升。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)基于激光雷達(dá)組網(wǎng)的生態(tài)環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果展開(kāi)分析得到以下結(jié)論：在大氣污染、生活用水污染、飲用水體污染和土壤污染四個(gè)指標(biāo)中，指標(biāo)之間相關(guān)度最高的是生活用水污染，生活用水污染對(duì)生態(tài)環(huán)境污染程度的影響也最大，但RSEI污染指標(biāo)與上述四個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)度比單獨(dú)指標(biāo)間的相關(guān)度要高，表明遙感生態(tài)指標(biāo)RSEI污染能精準(zhǔn)地呈現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境污染程度。由于退耕還林還草等人類(lèi)活動(dòng)的實(shí)施，退耕還林還草區(qū)域的遙感生態(tài)污染指標(biāo)RSEI值和污染變化速率比南四湖附近山區(qū)整體更嚴(yán)重。南四湖的西部整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較高，但東南部受到煤礦開(kāi)采工作的影響，植被覆蓋度逐漸降低，土壤污染和生活用水污染指標(biāo)上升，說(shuō)明煤礦開(kāi)采工作會(huì)加重南四湖生態(tài)環(huán)境的污染情況，而植樹(shù)造林能夠防止水土流失，降低生態(tài)環(huán)境的污染程度。