衛星遙感技術在農業非點源污染評價中的應用分析

陳 強，胡 勇，鞏彩蘭

(1.中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083;2.中國科學院研究生院，北京 100049)

衛星遙感技術在農業非點源污染評價中的應用分析

陳 強1，2，胡 勇1，鞏彩蘭1

(1.中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083;2.中國科學院研究生院，北京 100049)

非點源污染物是水污染的重要來源，已成為影響水環境狀況的決定性因素之一。目前常用的農業非點源污染評價模型包括統計模型和機理模型兩大類，而無論采用哪種建模方法，多類型數據的獲取和評價結果的精度驗證都是研究的主要瓶頸。為了使人們對衛星遙感技術在農業非點源污染評價中的應用有所了解，從非點源污染研究所需數據種類的角度，對衛星遙感技術的獲取能力和可行性進行了應用分析，并對衛星遙感技術在農業非點源污染評價結果的精度驗證中的應用潛力進行了展望。

衛星遙感;農業非點源;污染評價;應用分析

0 引言

環境問題是當今全球關注的熱點，環境保護已經成為關乎國計民生的一件大事，水環境狀況惡化是我國環境問題的突出表現之一。水環境污染物按其來源可分為點源污染和非點源污染兩類［1］，對于點源污染，我國正在采取制定相應的政策法規等措施，有效地限制了污染物通過排污口等點源方式直接進入并污染受納水體的過程。非點源污染是指污染物從非特定的地點，在降水(或融雪)的沖刷作用下，通過地表徑流過程而匯入受納水體，并引起水體的富營養化或其他形式的污染［2］。由于污染物的主要來源是農業生產中使用的農藥、化肥和飼養禽畜的糞便等，因此也將水體非點源污染通稱為農業非點源污染。相關研究表明，農業非點源污染已經成為水體污染物的最主要來源。農業非點源污染具有隨機性、廣泛性、滯后性、不確定性及潛伏性等特點，對其控制和治理的難度大，因此開展農業非點源污染的調研、評估、模擬和對其提出相應的治理方案等很有意義［3］。

目前常采用的農業非點源污染負荷估算與評價算法主要有以下兩大類:一類是采用統計建模的方法，即通過農業生產試驗活動，先建立農業產污和排污系數表，再獲取各種農業生產的實況數據，進而計算得到污染負荷［4－6］;另一類是采用物理建模的方法，即根據污染發生的機理、污染物的傳播過程和各污染物的濃度變化等指標建立機理模型，對污染狀況進行定量評價。常用的農業非點源污染模型有AnnAGNPS、SWAT、CREAMS、ANSWERS 等［7－9］。

在環境監測領域，遙感技術發揮著越來越重要的作用，對污染的來源、程度、趨勢預測等已從定性評價逐漸向定量評估發展。農業非點源污染研究與遙感技術結合有其必然性，其中大量數據源的獲取和結果精度評價是問題的關鍵。衛星遙感數據具有效率高、經濟性好、可重復性強、尺度大等特點，可相應解決目前農業非點源污染數據獲取中，數據獲取過程耗時長、人力物力花費大、數據實效性差、所需數據跨越較廣等瓶頸問題，可與傳統的野外采集的數據和統計資料互為補充和驗證，因此在農業非點源污染研究中發揮越來越大的作用。

本文按照農業非點源污染研究中涉及的5類數據，分析了衛星遙感技術在農業非點源污染評價中的應用及潛力。

1 遙感獲取非點源污染數據的可行性分析

農業非點源污染研究中涉及的數據種類主要有水文、土地(包括土地利用狀況和土壤類型)、地形、氣象和農業生產活動5大類數據。下面分別對衛星遙感技術獲取這5類數據的能力和可行性進行分析。

1.1 水文數據

水文觀測數據是農業非點源污染計算機模擬方法所需的基礎數據之一。由于降水地表徑流是農業非點源污染物轉化和遷移的主要動力源，直接影響降水量的觀測精度和污染物進入受納水體的模擬精度。用農業非點源污染模型對地表徑流進行模擬，主要是根據研究區域的降雨量和蒸發量，結合地表狀況和地形起伏等因素，對徑流總量、徑流流速等進行模擬計算。整個模擬過程中，區域降雨量數據的獲取最為重要，常規的降雨量獲取方法是依靠地面水文站和氣象站點實測的降雨量觀測數據，也是目前最便捷的降雨量獲取方法。這種數據獲取方式受地面站點位置分布的影響較大，因為降雨量的空間分布有很大的區域差異性，如果研究區域內沒有氣象和水文站點的分布，那么采用就近站點的觀測數據，就會影響模型反演精度;同時，對地面站點觀測值進行空間插值也會影響精度。

用遙感技術獲取降雨量數據主要是通過測雨雷達。日本、美國合作的熱帶降雨測量衛星(TRMM)的測雨雷達(PR)是全球第一臺星載測雨雷達，于1997年8月發射，執行熱帶降雨量監測任務。全球降水測量計劃(GPM)由美國國家航空航天局(NASA)和日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)主導，其目的是基于TRMM數據，通過將衛星的觀測區域擴展到高緯度地區來實現更準確、更頻繁的熱帶降雨觀測［10－11］。GPM計劃包括一顆主衛星和大約7顆用于組網的衛星，組網衛星將具有每3 h進行一次全球降水觀測的能力。截至目前，相關學者利用TRMM衛星的測雨雷達(PR)和衛星微波成像儀(TMI)數據進行了區域降雨量反演工作，取得了不錯的效果。但不足的是，該項工作對于較小降水量(6 ～10 mm/h)的反演精度較差［12］。

1.2 土地數據

土地利用狀況和土壤類型數據是農業非點源污染研究的重要數據，無論是統計模型或者物理模型，都需要這兩類數據作為基礎。不同的土地利用狀況和土壤類型決定了污染物的遷移方向、速度和阻力等。同時，由于土地利用狀況是人工干預最易實現的環節，也是水環境保護與管理的重要實施手段，因此不同土地利用狀況對污染過程影響的研究是當前農業非點源污染研究的熱點。

對土地利用狀況的研究要求獲取大區域范圍的地物分類數據。相比于地形數據等，土地利用數據的年變化較強，需要更高的實時性。常規的地面調查方法耗時耗力，且經濟性、實時性均較差，因此采用衛星遙感技術獲取土地利用數據已成為水體非點源污染研究者首選的技術。農業非點源污染研究所需的土地利用數據較細，除了第1級的土地利用分類外，還需要第2級的作物細分信息［13－14］。在分類指標體系上，要對農業用地再進行多級細分，而對其他諸如城鎮、工業用地等則可以簡化。針對不同傳感器類型，不同分類指標體系的計算機自動分類技術仍是遙感圖像處理的研究重點。

土壤類型也影響著污染物的下滲和流失速度。目前土壤數據的獲取仍以野外調查為主，但對于干旱裸地的土壤類型和侵蝕狀況數據可以由遙感監測獲得。第二次全國土壤普查所獲取的1∶100萬土壤類型圖大多采用了航片和衛片土壤解譯成圖技術。此外，土壤濕度也是遙感技術可以監測獲取的變量指標，研究者發現，可以用熱紅外遙感通過探測地表的熱慣量來反演土壤濕度［15－16］，也可以采用植被指數和短波紅外光譜特性分析技術來建立土壤濕度的反演模型［17－19］。這些方法都能取得不錯的效果。

1.3 地形數據

農業非點源污染的計算機模擬方法大多要采用數字高程模型(DEM)作為研究起點，即通過對DEM數據進行空間分析來模擬流域地表徑流和部分水文信息。因此，地形數據的精度影響著整個模擬過程。

常規地形數據的獲取主要依靠野外測量完成，雖費時費力，但是精度較高，且一次測量獲取的地形數據的年際變化不大，可以供多年使用。但是大比例尺地形圖屬于國家機密，不易獲取，且對于地形復雜多變、生態環境惡劣的區域則更難以獲取實地的地形資料。目前，用衛星遙感技術來獲取DEM數據的方法已比較成熟，主要的反演算法有兩類:一種是利用多角度遙感，通過觀測獲取立體像對數據來反演高程信息［20－21］;另一種是利用微波雷達遙感技術來獲取地面高程信息［22］。目前國外的研究組織已提供了多種遙感數據源的DEM數據下載方式，如美國的SRTM數據庫(90 m地面分辨率雷達影像)和日本的ASTER GDEM數據庫(30 m地面分辨率光學影像)。

1.4 氣象數據

氣象要素數據是研究農業非點源污染的一種輔助數據，主要包括:日最高溫度、日最低溫度、日降水量、日露點溫度、風速、風向等。與水文數據中的降水量數據類似，在有氣象站點分布的情況下，地面觀測獲取數據的能力和精度都占優勢，但在地面氣象站點分布距研究區域較遠的情況下，如需獲取高精度的氣象數據，則需要借助遙感技術手段。此外，遙感反演的氣象數據(如氣溫等)還具有直接獲取空間連續數據的優勢。

熱紅外遙感可以探測地表溫度，反演精度已達到1 K 以內［23－24］，但從地表溫度到氣溫的反演，還需要參考地面觀測數據作為參考，通過建立模型才能完成［25］。我國FY－3號氣象衛星搭載的微波濕度計已能完成大氣垂直濕度的探測和降水量的估算［26］。對于風向風速等要素的觀測目前也可以通過雷達散射計來進行反演［27］。

對于地面氣象數據的遙感獲取，現有的傳感器的種類和反演算法都還不成熟，還處于試驗性研究階段，且相對于地面站點的觀測來說，遙感監測的觀測周期過長，尚不具備業務運行的能力。因此，對于區域高精度長時間序列的氣象數據獲取仍應以地面常規觀測數據為主，輔以衛星遙感觀測數據。

1.5 農業生產活動數據

農業非點源污染研究所關注的其他農業生產活動數據包括種植業、禽畜飼養、水產養殖和日常生活數據等，由這一類農業生產活動產生的污染物會以非點源的形式流入水體，是目前水體污染物的主要來源，其成分和數量直接關系模擬結果中的各種污染物含量。

目前這類數據的獲取，部分(如農田種植面積、種植種類、產量估算、水產養殖面積、禽畜飼養規模等)可以通過衛星遙感技術獲取和間接估算，其他更詳盡的數據仍要以政府部門的統計數據和野外調查數據為主。隨著遙感技術的進一步發展，對于水產養殖種類、禽畜飼養種類，甚至農藥化肥施用情況都有可能通過水體、土壤、植被的高光譜特性和高空間分辨率的遙感技術來直接或間接獲取。

2 遙感在非點源污染評價精度驗證中的應用潛力

在農業非點源污染評價的研究中，由于非點源污染發生的廣泛性、特殊性和不確定性，對于評價結果的精度驗證也是難點之一。某種程度上說，對于污染負荷的直接定量驗證幾乎是無法實現的，只能通過間接的水質指標等來對評價結果進行定性驗證。

目前農業非點源污染評價的精度驗證主要是采用水質監測的實測數據方法，即根據水體采樣點的水質指標來估算農業污染負荷。這種方法的主要問題在于監測耗時、費用大，可重復性差，并且只能獲得監測點數據，并非整個水域的水質狀況，因而缺乏代表性。衛星遙感技術的優勢可以有效地彌補這些不足。

對于水質指標的遙感反演，相關反演算法的研究較多，但受水體信號響應率低、大氣校正難度大、水環境變化復雜等因素的影響，目前，除了對葉綠素a濃度、總懸浮物濃度和黃色物質等水質指標的監測技術相對比較成熟外，水環境遙感反演算法無論是精度，還是模型適用性等方面均離真正的定量遙感要求還有差距。因此，在特定的區域范圍內，以實測光譜數據為參考，先建立在軌傳感器與水質指標的半經驗模型，再利用光譜特性實現水質指標的定量化監測，進而對非點源污染負荷評價結果進行定性評價，無疑是精度驗證的一條可取思路。

3 結論

針對農業非點源評價中的數據獲取和評價結果精度驗證兩大難題，衛星對地觀測技術已經從輔助手段逐漸過渡成主要手段。農業非點源污染模型所需的水文、土地、地形、氣象及農業生產活動5大類數據，衛星遙感技術都有一定的獲取能力。相對而言，土地和地形數據的獲取是比較成熟的，也是普遍采用的方法;水文數據、氣象數據獲取屬于遙感對地觀測技術目前的前沿應用領域，相關傳感器和算法仍在不斷完善中，而用遙感技術獲取農業生產活動數據則是今后一段時期內的發展方向。對于反演結果的精度評價驗證，衛星遙感技術也不失為一種有效的手段。具體的應用領域和優勢潛力詳見表1。

表1 遙感技術在農業非點源污染評價研究中應用領域與優勢潛力Tab.1 The applications and potential advantages of remote sensing technology in agricultural non －point source pollution assessment

4 展望

本文從農業非點源污染研究應用需求出發，按不同數據種類進行分析，結果表明衛星遙感技術在數據獲取和評價結果的精度驗證中均能發揮重要的作用。

隨著衛星對地觀測技術的深入發展和不斷實踐，以及較高光譜分辨率、高空間分辨率、高重訪周期、高數據質量、高定標精度的星載和航空遙感器綜合對地觀測系統的建立，定量遙感的處理算法和計算精度正在研究實踐中不斷地得到改善和提高，對于水環境、土壤環境、地表覆蓋等的觀測能力也有了大幅度的提高，因此對于非點源污染數據源的獲取和污染負荷的評價驗證，有望通過衛星對地觀測技術得到有效的提高和解決。

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Analysis of Satellite Remote Sensing Technology in the Evaluation of Agricultural Non－point Source Pollution

CHEN Qiang1，2，HU Yong1，GONG Cai－ lan1
(1.Shanghai Institute of Technical Physics，CAS，Shanghai 200083，China;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Non－point source pollution is an important source of water pollution，thus constituting one of the decisive factors affecting water environment.The commonly used agricultural non－point source pollution evaluation methods include statistical models and physical models of the computer.No matter what kind of modeling the

researchers adopt，a variety of data acquisition types and the evaluation of the accuracy of the verification results make up the main bottleneck.In order to make people aware of the importance of satellite remote sensing technology in agricultural non－point source pollution evaluation，this paper made an application analysis of the access capability and feasibility of the satellite remote sensing technology from the angle of data types required by the study of the non－point source pollution，and also forecast the application potential of the satellite remote sensing technology in the precision verification of the agricultural non － point source pollution evaluation results.

Satellite remote sensing;Agricultural non－point source;Pollution assessment;Application analysis

TP 79;X 839.2

A

1001－070X(2011)04－0001－05

2011－01－12;

2011－03－14

陳 強(1983－)，男，博士研究生，主要從事環境遙感應用方面的研究。

(責任編輯:李 瑜)