衛星遙感技術在我國環境監測領域中的應用

郭 浩

(遼寧省大連生態環境監測中心 116023)

0 引言

20 世紀80 年代末期，國外研究人員開始利用衛星遙感技術對水環境、大氣環境、生態環境等進行監測[1]。我國衛星遙感監測技術雖起步相對較晚，但近年來也開展了一系列區域及全國范圍的生態環境遙感監測與評價工作，如“一江兩河”、“西部十二省”和“全國生態環境十年變化遙感調查與評估”等。衛星遙感技術的優勢是獲取監測地域的資料速度快、精度高、覆蓋范圍廣、不受氣候條件限制。隨著計算機性能的提高，衛星技術的發展，衛星遙感技術的應用也會越來越廣。目前，我國應用于環境監測領域的衛星主要有高分1 號、高分2號和資源3 號。它們可以對同一地域獲得3 個不同觀測視角的三維立體圖像信息，在環境監測中發揮了重大的作用[2,3]。隨著中共中央、國務院出臺的《關于加快推進生態文明建設的意見》和《生態環境監測網絡建設方案》中關于“利用衛星遙感等技術手段，對自然資源和生態環境保護狀況開展全天候監測”、“強化衛星遙感等高新技術應用，提高生態環境監測立體化水平，實現監測與監管聯動”等要求，衛星遙感技術將更多地應用于環境監測領域中，并在監測、評價、監管等方面提供有力支撐。本文分別從水環境、大氣環境和生態環境監測方面綜合介紹衛星遙感技術在我國環境監測領域中的應用。

1 衛星遙感技術在水環境監測中的應用—以飲用水源保護區和赤潮監測為例

衛星遙感技術可以廣泛應用在飲用水源保護區、水華、赤潮、船體溢油事故及工業廢水排放等水環境監測中。

1.1 飲用水源保護區監測

清潔的飲用水是人類賴以生存的基本條件[4]，國家要求優先保護飲用水水源地。飲用水水源安全直接影響人體健康和社會穩定。針對近年來幾次涉及飲用水安全的重大環境事故[5]，保護飲用水水源安全已成為環境保護工作的重中之重。然而，目前對飲用水源保護區的監測主要側重于水體水質，方法也多為人工采樣，實驗室分析，或者采用水環境自動監測系統，治理重點也放在保護區內排污企業和排污口取締上[6]，這些工作都客觀存在著勞動強度大，監測周期長，獲取數據慢、運維成本高等缺點。事實上，水源地的保護需要針對一切對水體有直接或間接影響的所有污染源或風險源進行及時有效的監測與監管，利用衛星遙感技術的優勢[7]對飲用水源保護區實時監測便顯得尤為必要。除此之外，衛星遙感技術獲得的圖像信息也能監測到飲用水源保護區的植被覆蓋情況，植被覆蓋率指標能夠反映飲用水水源保護區內開發利用程度。植被覆蓋率高，表明人為活動對保護區水體干擾少，水質相應較好；植被覆蓋率低，水土流失等情況則較為嚴重，水源涵養差，水質相應較差。圖1 為某水庫水位下降后，被人為改成耕地耕種。

1.2 赤(綠)潮監測

赤潮是海洋污染的三大公害之一[8]，赤潮的發生會使近海環境遭到極大的破壞。隨著我國經濟高速發展，大量工農業廢水和生活污水排放入海，水體富營養化日趨嚴重，導致赤潮災害頻繁發生。赤潮的爆發通常具有突然性、空間尺度大、直接觀測難等特點，一般的監測和預報難以及時準確的反應赤潮的污染程度。而衛星遙感技術利用赤潮發生時的海水水溫和水色變化，提供幾米到幾公里的圖像信息，經過校正、圖像合成、分析、解譯等過程，反演出海洋水體中的葉綠素濃度、微生物含量、泥沙含量等各種信息[9]，從而判斷赤潮的特征和發展規律，能有效地防止或減少赤潮造成的損失和危害，對采取有效措施治理赤潮災害有著十分重要的意義。圖2 為某海灣綠潮爆發衛星遙感監測，左圖為正常海域，右圖為綠潮爆發后海域衛星監測圖像。

圖2 衛星遙感監測某海灣綠潮發生前后對比圖

2 衛星遙感技術在大氣環境監測中的應用—以秸稈焚燒和揚塵源監測為例

衛星遙感技術在大氣環境監測中主要應用在秸稈焚燒、沙塵、揚塵和大氣氣溶膠厚度、溫室氣體及工業廢氣排放監測等方面。

2.1 秸稈焚燒監測

秸稈通常指的是農作物在收獲籽實后的剩余部分，如稻草、麥秸、薯類、花生藤曼、豆秸、玉米稈等。每年在夏收、秋收后，大多數秸稈被當作廢棄物焚燒。而露天焚燒秸稈產生的大量煙塵不僅污染大氣環境，破壞生態平衡，還會給公路交通和航空運輸造成安全隱患。由于秸稈焚燒具有隨機性和分散性特點，地面人工監測不能提供及時有效的信息，面對廣袤的地域環境難以開展監察工作，衛星遙感技術可以解決這一問題。衛星遙感火點監測是利用衛星遙感圖像，隨著秸稈燃燒時內部產生的像元溫度不斷增加，在中紅外和熱紅外波段輻射能量也相應增加，并與背景常溫像元比較形成的差異來識別地面火點[10]。根據環保部衛星環境應用中心2017年統計的火點報告，基于TERRA/MODIS 和AQUA/MODSI衛星遙感數據共監測到全國秸稈焚燒火點為10987 個，主要集中在3-4 月份和10-11 月份，占比為54.8%和33.8%，涉及27 個省、自治區和直轄市，占比前五位的依次為黑龍江省55.2%、吉林省18.3%、內蒙古自治區9.1%、遼寧省5.9%、河北省4.4%。衛星遙感技術不僅可以快速的獲取大范圍的秸稈焚燒火點位置，為監管部門提供及時的信息支持，也可以為區域性的環境空氣質量預報預警提供參考依據。從圖3 可以看出全國范圍性的秸稈焚燒火點涉及的面積較為廣泛。

圖3 某日衛星遙感火點監測圖

2.2 揚塵源監測

氣候條件相同的情況下,土地表面的不同利用方式、不同生態特征對于揚塵的產生起著決定性的作用。如果將水域視為不揚塵的生態域，那么按照土地生態特征來分類，抑塵效果依次應為水域＞林地＞草地＞裸地，而裸地按照利用方式也分為交通道路、采礦用地、施工工地、堆場等。隨著城市的開發建設，大量土地也隨之改變了生態特征，林地、草地、山體遭到破壞，天然植被消失，生態結構和服務功能退化，造成水土流失和環境生態失衡問題也時有發生。為了避免裸露地面揚塵造成空氣污染，損害人體健康[11]，利用遙感技術對裸地的監測顯得十分必要。監測部門可利用環境質量監測數據和衛星遙感數據與實地考察驗證相結合，對衛星遙感數據進行分析比對，全面掌握土地的利用形式，對易產生揚塵的重點區域進行監控或采取必要的抑塵手段。圖4～圖7 為衛星遙感揚塵源監測圖，依次為裸地、礦山、采石場、施工工地。

圖4 裸地

圖5 礦山

圖6 采石場

圖7 施工工地

3 衛星遙感技術在生態環境監測中的應用——以自然保護區和生態功能區監測為例

衛星遙感技術在生態環境監測方面主要應用于自然保護區、生態功能區、土壤含水量、土壤墑情等生態環境要素的關鍵參數監測，也可應用于地表溫度、城市熱島效應監測等。

3.1 自然保護區監測

圖8 衛星遙感監測某自然保護區內施工項目擴張

根據環保部2015 年全國自然保護區名錄中的統計，全國共有2741 個自然保護區，總面積約9692.6hm2，約占國土面積的10.1%，主要類型包括森林、草原、荒漠、濕地、海洋海岸等[12-15]。環保部下發的《自然保護區人類活動遙感監測及檢查處理辦法》（試行）中規定了國家級自然保護區常規遙感監測每半年開展一次，省級自然保護區常規遙感監測每年開展一次。自然保護區是地球生態系統的本底反映，也是物種多樣性的重要載體，更是生物物種基因庫。自然保護區內的人類活動對土地的利用和覆蓋變化將影響整個生態系統的功能[16,17]。通過衛星遙感技術對自然保護區內的人為活動進行監測，將會為相關部門的規劃和管理提供快速、直觀、準確的依據。圖8 為某自然保護區實驗區的施工項目突破紅線進入緩沖區。

3.2 生態功能區監測

圖9 衛星遙感監測生態功能區植被覆蓋變化情況

國家重點生態功能區作為國家生態安全的屏障，具有防風固沙、水土保持、水源涵養和生物多樣性維護等生態功能，這些區域是國家生態保護紅線，是國家持續發展的基礎。目前，生態功能區調查包括土地利用、植被覆蓋、河流湖泊水源水質、土壤質量、水土保持狀況及野生動植物資源等，而調查方式多采用人工調查，此種調查方式易受地域地形的限制。基于衛星遙感技術在環境監測領域方面的優勢，可為生態功能區的監測及生態環境質量考核提供有力的技術支撐[18]。2009 年，環境保護部與財政部啟動了國家重點生態功能區縣域生態環境質量考核評價工作，工作開展至今，已經建立了一套成熟的考核工作機制，既“天—空—地”一體化的生態環境監測與評估技術體系。“天”是利用衛星完成大尺度的生態環境變化監測，獲取變化信息；“空”是利用無人機技術在小尺度上精確的獲取生態環境變化信息；“地”是現場實地調查，驗證衛星與無人機獲取的信息結果，進一步地了解生態環境變化的原因，為環境監測和管理提供及時、準確的信息。圖9 為某生態功能區內原始綠地被改成人工經濟林項目。

4 結語

近年來，我國越來越重視自然環境和原始生態的保護，專項資金的投入也逐年遞增，國家先后出臺了一系列的政策和指導方案，衛星遙感技術等手段應用在水環境、大氣環境、生態環境等環境監測領域中也越發廣泛。隨著計算機性能和衛星技術的發展，其監測空間尺度大、獲取數據及時等優勢也將為環境監測、區域空氣質量預報預警、環保執法等提供強有力的技術支撐和數據支撐。