通導(dǎo)遙一體化技術(shù)在生態(tài)環(huán)境保護中的應(yīng)用初探

文｜張銳 鄒蒙蒙 馬澤雯 張麗麗 王東

1.哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 2.中國空間技術(shù)研究院 3.航天恒星科技有限公司

一、前言

為了落實黨中央、國務(wù)院對生態(tài)文明建設(shè)工作的要求，更好地對生態(tài)資源實現(xiàn)保護、修復(fù)、監(jiān)管、治理等職責(zé)，衛(wèi)星遙感技術(shù)已成為生態(tài)環(huán)境保護中不可或缺、難以替代的重要手段[1]。

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、高分辨率對地觀測系統(tǒng)為代表的國家空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)用工作取得重大成效，以北斗、高分等衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)與人工智能、5G等新興技術(shù)相融合的應(yīng)用模式已成為提升生態(tài)環(huán)境保護的重要手段及趨勢之一[2]。本文針對生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)管、執(zhí)法等業(yè)務(wù)，探索基于北斗導(dǎo)航、5G、高分遙感一體化協(xié)同應(yīng)用，打造以天地一體化感知、動靜態(tài)數(shù)據(jù)融合挖掘為特點的生態(tài)環(huán)境巡護執(zhí)法模式，為生態(tài)環(huán)境巡護執(zhí)法提供宏觀大面積監(jiān)測手段，為違法事件追溯提供客觀的歷史時序數(shù)據(jù)支撐，明確巡護執(zhí)法目標，提高巡護執(zhí)法的工作效率。

二、通導(dǎo)遙一體化技術(shù)

1.北斗網(wǎng)格碼構(gòu)建統(tǒng)一時空基礎(chǔ)

北斗網(wǎng)格位置碼是為提供一致的空間區(qū)位標識，在大數(shù)據(jù)時代背景下實現(xiàn)信息的整合和共享應(yīng)用而提出并設(shè)計的，是以GeoSOT為基礎(chǔ)對地球空間區(qū)域位置的一種網(wǎng)格化代碼標識，即一個網(wǎng)格一個單位空間，網(wǎng)格位置碼作為單位空間的唯一標識可以將單位空間內(nèi)的實體及空間內(nèi)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)項關(guān)聯(lián)，形成統(tǒng)一的時空信息基準，便于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與地理時空數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理及分析應(yīng)用[3]。

北斗網(wǎng)格碼其核心是將地球完整剖分成32級、無縫嵌套、最小尺度為1.5cm2的網(wǎng)格群，同時為每個網(wǎng)格賦予一個全球唯一的整型數(shù)編碼。北斗網(wǎng)格碼與環(huán)境業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)示意圖見圖1。

圖1 北斗網(wǎng)格碼與環(huán)境業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)示意圖

2.北斗RDSS及5G數(shù)據(jù)高效傳輸協(xié)調(diào)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、5G作為我國重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施，全面融入到了我國環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)、城市管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，是社會信息化、數(shù)字化的重要支撐。本文通過將北斗短報文通信與4G/5G通信融合[4]，構(gòu)建5G+北斗RDSS的一體化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳輸網(wǎng)絡(luò)。生態(tài)環(huán)境綜合執(zhí)法人員利用北斗手持終端實現(xiàn)綜合指揮調(diào)度及關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，北斗RDSS及5G數(shù)據(jù)傳輸圖見圖2。

圖2 北斗RDSS及5G數(shù)據(jù)傳輸圖

3.高分遙感多源融合應(yīng)用

充分發(fā)掘遙感、氣象等衛(wèi)星數(shù)據(jù)的特點，針對區(qū)域環(huán)境保護工作的重要內(nèi)容，基于國內(nèi)外氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，包括極軌衛(wèi)星、靜止衛(wèi)星等，以及多時相、多源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從宏觀與微觀兩個層面提供環(huán)保遙感監(jiān)測工具集。結(jié)合“氣象宏觀監(jiān)測、遙感微觀感知”的一體化服務(wù)方式，利用氣象數(shù)據(jù)得到宏觀處理結(jié)果，利用遙感微觀處理結(jié)果對氣象宏觀處理結(jié)果進行區(qū)域詳情補充，從大氣環(huán)境、水體環(huán)境、生態(tài)環(huán)境三個方面開展生態(tài)環(huán)保行業(yè)應(yīng)用建設(shè)，獲取區(qū)域環(huán)境保護相關(guān)要素，以便迅速獲取環(huán)境狀況的變化信息，及時預(yù)警并提供決策意見，滿足政府用戶對環(huán)境保護的決策支持和行業(yè)用戶的業(yè)務(wù)化需求（圖3）。

圖3 高分遙感多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用

三、生態(tài)環(huán)境保護巡護執(zhí)法系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于“北斗+高分”的生態(tài)環(huán)境巡護執(zhí)法體系，依托天地一體化感知手段，通過衛(wèi)星通信、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、4G/5G等數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將信息匯集到生態(tài)環(huán)境巡護執(zhí)法系統(tǒng)中，利用高分遙感時序變化檢測技術(shù)，開展面向人類活動監(jiān)管、生態(tài)環(huán)境綜合評估和生態(tài)環(huán)境巡護執(zhí)法的數(shù)據(jù)挖掘處理[5]，同時將專題分析數(shù)據(jù)與自然保護區(qū)域內(nèi)的北斗定位信息深度融合，將形成的巡護執(zhí)法電子導(dǎo)航地圖嵌入到手持終端中，基于北斗定位手持終端指導(dǎo)巡護人員開展現(xiàn)場巡護執(zhí)法工作，通導(dǎo)遙一體化生態(tài)環(huán)境保護系統(tǒng)架構(gòu)見圖4。

圖4 通導(dǎo)遙一體化生態(tài)環(huán)境保護系統(tǒng)架構(gòu)

2.生態(tài)環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)流程設(shè)計

環(huán)保執(zhí)法人員可通過分析環(huán)境監(jiān)測站點、遙感衛(wèi)星監(jiān)測的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及環(huán)保部下派的任務(wù)，對重點監(jiān)測部位進行日常巡查、監(jiān)測取樣工作，并將監(jiān)測、巡查結(jié)果上報生態(tài)環(huán)保北斗高分應(yīng)用系統(tǒng)，完成對生態(tài)環(huán)境的日常監(jiān)測和環(huán)境執(zhí)法人員的任務(wù)管理，通導(dǎo)遙技術(shù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的業(yè)務(wù)流程見圖5。

圖5 通導(dǎo)遙技術(shù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)流程

3.通導(dǎo)遙一體化技術(shù)在生態(tài)環(huán)保中的主要應(yīng)用

（1）生態(tài)環(huán)境巡護執(zhí)法

以高分遙感數(shù)據(jù)為核心開展生態(tài)環(huán)境區(qū)的宏觀大面積監(jiān)測，識別有影響的自然資源開發(fā)利用活動、環(huán)境污染事故和生態(tài)破壞事件等違法行為案件圖斑[6]。以北斗導(dǎo)航巡護調(diào)度為核心，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）空間數(shù)據(jù)違法行為案件圖斑數(shù)據(jù)，根據(jù)巡護人員位置、巡護區(qū)域給出最佳巡護路徑。巡護執(zhí)法人員到達現(xiàn)場后，通過手持APP終端回傳違法行為位置信息、現(xiàn)場照片或視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)，對執(zhí)法案件進行遙感歷史時序數(shù)據(jù)追溯。

（2）人類活動監(jiān)管

人類活動監(jiān)管主要通過北斗導(dǎo)航信息和遙感數(shù)據(jù)，對自然保護區(qū)內(nèi)的工程建設(shè)、資源開發(fā)、生態(tài)破壞、環(huán)境污染等人類活動進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)和定位存在生態(tài)環(huán)境破壞的人類活動，并根據(jù)所屬區(qū)域下發(fā)到各巡護執(zhí)法人員進行核查、處置和反饋，最后對保護區(qū)內(nèi)整體人類活動進行分析和評估。

（3）生態(tài)環(huán)境綜合評估

生態(tài)環(huán)境綜合評估利用多年遙感數(shù)據(jù)，對氣溶膠、水體懸浮物濃度等關(guān)鍵指標進行監(jiān)測，通過對生態(tài)環(huán)境過去、現(xiàn)在、未來進行客觀演繹，開展生態(tài)環(huán)境綜合評價，指導(dǎo)科學(xué)保護。其主要監(jiān)測內(nèi)容如下：

氣溶膠監(jiān)測反演：通過氣象數(shù)據(jù)處理可以獲取區(qū)域地表的大氣信息，依據(jù)氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)對氣溶膠產(chǎn)品進行宏觀監(jiān)測，結(jié)合宏觀氣溶膠監(jiān)測產(chǎn)品與遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對微觀氣溶膠產(chǎn)品進行精細反演，并與宏觀監(jiān)測結(jié)果進行對比分析驗證。

葉綠素a濃度反演：利用水體葉綠素a提取模塊處理得到水體葉綠素a濃度，對水體富營養(yǎng)化、水體污染等提供基礎(chǔ)信息支持。

水體懸浮物濃度：針對河流、湖泊、大型水庫等大面積水體，利用極軌氣象衛(wèi)星進行水體黃色懸浮物反演，監(jiān)測泥沙等懸浮物。

水質(zhì)監(jiān)測：基于氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取大范圍區(qū)域內(nèi)的水體懸浮物、藍藻水華等信息，再利用遙感衛(wèi)星影像分析具體小范圍水體的富營養(yǎng)化、熱工業(yè)污染、泥沙含量、水華等基礎(chǔ)信息，應(yīng)用于水體水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測、長時間內(nèi)水質(zhì)變化分析以及大型水利設(shè)施對水體水質(zhì)的影響等業(yè)務(wù)方向。

水土保持監(jiān)測：通過氣象數(shù)據(jù)處理宏觀層面的大氣含水量、植被指數(shù)、陸表溫度等基本信息，利用中高分辨率影像確定植被分布的區(qū)域、類型及變化信息，對環(huán)境監(jiān)測、水體保持、生物多樣性保護等提供信息服務(wù)。

四、結(jié)束語

借助北斗三號系統(tǒng)全球組網(wǎng)完成、5G應(yīng)用高速發(fā)展的重大發(fā)展機遇，利用北斗三號系統(tǒng)定位導(dǎo)航功能，加大北斗三號終端、高分遙感數(shù)據(jù)、5G數(shù)據(jù)傳輸在生態(tài)環(huán)境保護、綜合執(zhí)法方向的應(yīng)用，構(gòu)建基于通導(dǎo)遙一體化協(xié)同應(yīng)用的生態(tài)環(huán)境保護監(jiān)測執(zhí)法系統(tǒng)，主要實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境巡護執(zhí)法、生態(tài)環(huán)境綜合評估等功能，為新時期的生態(tài)環(huán)境監(jiān)管、執(zhí)法等提供有效技術(shù)手段，提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)管、執(zhí)法效率，最終為生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)的決策依據(jù)，全面提升生態(tài)環(huán)境治理效能。