遥感技术在生态环境监测领域的应用探讨

遥感技术在生态环境监测领域的应用探讨

黄璐,付惠麟,李小娇

（湖南中测湘源检测有限公司，长沙 410007）

摘要：遥感技术已成为环境监测与监管不可缺少的手段，对掌握环境状况发挥着巨大作用。本文简要介绍了遥感技术的基本原理及其在我国环境监测的应用情况，随后分析了遥感技术在水环境、大气环境、土壤环境、自然生态环境等领域的具体应用，旨在为新时期环境遥感监测的研究及应用提供参考。

关键词：遥感技术；生态环境；环境监测

Abstract: Remote sensing technology has become an indispensable means of environmental monitoring, monitoring and control of environmental conditions play a huge role. This paper introduces the principle of remote sensing technology and its application in environmental monitoring in China. Then, analyzes the application of remote sensing technology in water environment, air environment, soil environment, ecological status assessment, in order to provide reference for the research and application of environmental monitoring in the new era.

Key words: Remote sensing technology; Ecological environment; Environmental Monitoring

生态环境监测是生态环境保护的基础，是生态文明建设的重要支撑。遥感技术是实现生态环境监测现代化的重要手段，是实现环境治理能力现代化的重要基础。近年来，随着航空航天技术的快速发展，尤其是我国高分辨率对地观测系统重大专项的深入推进，目前国内已经形成了资源、环境、气象、海洋等系列的遥感卫星体系，已经基本具备准实时、全天候获取各种空间数据的能力。各类遥感卫星为我国环境监测监管所提供的空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率越来越高，加上无人机、飞艇等载具的研发和应用，进一步拓展了数据获取的途径，遥感技术在环境保护中的应用越来越广。国家《“十四五”生态环境监测规划》明确提出，十四五期间应重点提高遥感技术与遥感监测结果的业务化应用水平。在卫星资源大幅度改善的情况下，如何利用好现有卫星遥感资源是当前应该关注和解决的问题。

1 遥感技术原理

遥感技术是一种利用卫星、飞行器（飞机、无人机、气球、飞艇）或铁塔等从太空或者高空观测地球表面或大气层的技术。根据载具和遥感平台的不同，可以分为航天遥感、航空遥感和地基遥感。航天遥感通常是指卫星遥感，使用航天飞机、空间站、行星探测器等携带载荷进行观测也属于航天遥感的范畴；航空遥感泛指使用飞机、无人机、气球、飞艇等空中平台进行观测的遥感系统；地基遥感则包括从铁塔、高楼等地基平台实施遥感观测的系统。从遥感系统是否带有辐射源，又可以分为主动遥感和被动遥感，雷达遥感主动发射穿透能力强的雷达波，不受天气和太阳光照等影响，可以实施全天候的观测，因此被广泛应用。遥感使用电磁频谱的一部分或几个部分波段记录地球表面反射或发射的电磁能量，这意味着遥感技术可以在不与物体或区域直接接触的情况下获取有关地球表面物体或区域的信息。由于不同物体所反射的光谱并非一致，从而遥感传感器所接收到的反射光谱也不同，由此可用于区分监测对象，并从组合光谱特征中获取所关注的生态环境专题信息。从遥感诞生之日起，环境遥感就是遥感应用的最重要领域之一。

分辨率是遥感影像应用价值的重要技术指标。分辨率是传感器输出影像细节能力的度量，通常包括空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率和时间分辨率。空间分辨率是指传感器能够分辨的最小地物目标大小，目前我国高分系列卫星空间分辨率已经达到亚米级，如高分2号，其全色波段空间分辨率为0.5米。光谱分辨率是指传感器所能区分的最小波长间隔，光谱分辨率对于地物分类具有重要意义，常用的哨兵2号卫星是典型的多光谱卫星，具有13个波段，而我国商用高光谱卫星则有32个波段，具备2.5纳米的光谱分辨率。辐射分辨率是指传感器区分地物辐射能量细微变化的能力，即传感器的灵敏度。时间分辨率是指对同一地点的重访周期，如常用的MODIS卫星重访周期为一天，可以对同一区域实施连续观测。受电磁波能量密度、数据存储与传输能力、卫星轨道高度等影响，不同的分辨率因素之间相互制约，无法同时提高。通常实际应用中需要根据环境监测的需求选择合适分辨率的数据。

2 遥感技术在环境监测中的具体应用

由于遥感技术可以对指定区域进行长期跟踪测量，且可快速获取环境的时空变化规律和全局信息，和便于监测突发性的生态环境问题和观测人工难以直接观测地点，其在生态环境监测与保护的应用越来越广泛。2000年以来，生态环境部联合中国科学院等相关部门完成了3次全国生态状况调查评估。特别是2018年完成的全国生态状况变化（2010-2015年）调查评估，为生态保护红线划定、京津冀和长江经济带等区域生态环境保护规划编制提供了重要支撑。为落实《中共中央办公厅 国务院办公厅关于甘肃祁连山国家级自然保护区生态环境问题督查处理情况及其教训的通报》精神，生态环境部等七部委组织了“绿盾2017”专项行动，并延续至今，该专项行动以卫星遥感技术为重要手段，对自然保护地范围内的人类活动进行监测监管，取得了较好的成效，并未后续环保督察提供了重要支撑。生态环境部环境卫星应用中心也对太湖等湖区开展了水华遥感监测预警工作，已经形成业务化的监测和预警能力，有效指导了太湖流域水污染防治工作。2019年2月，生态环境部选取天津、内蒙古、黑龙江、江苏、浙江、陕西、甘肃、青海等8个省（区、市）和山东济南、江苏泰州、山西运城等3个地级市开展生态环境遥感监测试点工作，试点内容包括水环境遥感监测、大气环境遥感监测、土壤环境遥感监测、生态状况遥感监测与评估、核安全和环评规划遥感监测、生态环境执法和应急遥感监测六大方面。基于遥感技术的生态环境监测工作，在我国各地逐渐展开，可以预见“十四五”期间，遥感技术在生态环境监测领域的应用将会越来越多。

遥感技术在我国环境监测中的具体运用领域较广泛，包括水、气、土环境遥感监测、生物多样性评估、生态环境状况评估、固体废弃物监测、生态系统服务功能、森林生态系统生物量以及碳汇估测等，但部分领域遥感技术尚未完全成熟，仍需继续完善遥感监测方法。

2.1 水环境遥感监测

地球表面水域面积占比达到了74%，水体遥感是环境遥感监测的重要领域。水体遥感在环境监测中有广泛的应用。天然水体的反射率在可见光范围内总体偏低，其光波大多被水体本身吸收，且随着波长增大反射率逐渐降低，在近红外波段几乎完全吸收，因此水体在遥感影像上呈暗色调。基于这一水体光谱特点，研究人员开发了一系列水体指数实施水体的提取，其中1996年McFeeters提出的归一化水体指数（NDWI）、2005年徐涵秋提出的改进的归一化差异水体指数（MNDWI）应用最广。近年来随着人工智能技术的演进，基于深度学习的水体提取方法也在快速发展。对于雷达影像，水体后向散射强度弱，水体灰度值小，通常表现为黑色，与其他地物有着较为明显的区别。基于这一水体影像特征，一般采用阈值法即可快速提取水体。雷达遥感不受云层覆盖等的天气因素影响，因此在环境应急监测中广泛使用。

水质遥感监测通过遥感影像不同波段组合计算相关水质指数，并与同位置同时段的水质实测数据进行比对，建立相关关系，并进一步使用统计学的办法建立反演模型，从而实现大范围的水质指标反演。近年来，许多学者利用卫星遥感技术反演水体中叶绿素a（chla）、藻密度（FAI）、悬浮物浓度、浊度、透明度、水温等水质理化指标，并使用时间序列数据进行大尺度、多时序的分析，解决常规监测手段无法覆盖的问题，取得较好的成效。随着高分多光谱卫星数据的推广应用，对城市、农村黑臭水体的遥感监测也逐渐推广，有效解决了人工排查的时效性不佳，工作周期长的问题。

2.2 大气环境遥感监测

大气环境遥感监测主要利用大气污染物中的微量成分的光谱特征，以及植物受污染程度所呈现出的光谱颜色变化来判断大气环境质量。遥感技术在监测气溶胶光学厚度、大气痕量气体的空间分布与变化规律等具有独到的优势，可以快速反映大尺度区域的空气质量。Aura卫星搭载的臭氧监测仪（OMI）可用于臭氧、HCHO、NO2、SO2柱浓度和廓线以及气溶胶光合厚度的反演。欧空局哨兵5号卫星（S5P）搭载的TROPOMI传感器可以有效的观测全球各地大气中痕量气体组分，包括NO2、O3、SO2、HCHO、CH4和CO等重要的与人类活动密切相关的指标。近年来大气遥感应用逐步推广，如赵剑桥等通过MODIS遥感影像数据反演气溶胶光合厚度，从而实现大气灰霾的监测（赵剑桥，2018）。此外，生态环境部使用风云、葵花、MODIS等重访周期短的卫星，对秸秆焚烧火点进行实时监测，在环境空气质量监测和应急管理中发挥了重要作用。北京市利用卫星遥感监测技术进行裸地监管，成为全国首个大范围应用遥感技术动态监管全市裸地、辅助扬尘治理的城市。

2.3 土壤环境遥感监测

遥感技术可以获取土壤含水量、盐度、温度等理化性质参数，并具有高效、快速和覆盖面广的优点，使得其在土壤环境监测方面广泛应用。土壤污染过程中，土壤成分、物理化学性质往往会改变，遥感光谱特征则是组分与理化性质变化的整体反应。遥感技术已广泛应用于土地沙化、水土流失和盐渍化等动态监测。如麦霞梅等利用高分卫星影像对山东省济宁市内的矿区进行了土壤含水量遥感反演，对矿区土壤污染和土地损毁程度评价提供了参考依据。近年来随着传感器技术的提升，高光谱遥感逐渐应用于土壤重金属监测。通过高分辨率卫星对污染场地、尾矿库污染现状及修复成效等进行动态监测也具有一定的应用前景。

2.4 生态状况遥感监测与评估

遥感技术在自然生态监管领域的应用包括对生态系统格局、生态系统质量、生态系统服务功能、生态退化问题等的监测。通过不同分辨率的卫星影像解译识别生态系统类型及其在空间上的分布；通过不同波段组合评估植被生长状况，并据此反演生态系统质量；辅以水热土壤地形等基础数据，可以评估生态系统服务功能和生态退化问题。卫星遥感技术在生态状况监测评估中具有明显的优势。

遥感技术的发展，使区域生态环境质量评价的指标和方法不断地改进。EI指数在重点生态功能区县域考核中发挥了重要作用。徐涵秋等选取绿度、湿度、热度、干度等完全基于遥感的指标，利用主成分分析法构建了遥感生态指数RSEI。该指数完全基于遥感、与EI具有一定的相关性和可比性，RSEI指数受到了许多研究者的青睐，在定量评价区域生态环境状况中得到了广泛应用。

近年来，在自然保护地人类活动监管专项行动（绿盾）中，遥感技术得到广泛应用。2017年以来，各级生态环境部门按照“卫星遥感发现问题线索—现场核实确认问题清单—整改整治验收销号—整治成效评估评价”的总体思路，对自然保护区人类活动开展动态监管，并将监测监管对象从自然保护区逐步扩展到所有自然保护地。该专项以卫星遥感发现问题为主线，充分发挥卫星天眼的优势，有效解决了自然保护地监管面临的点多面广、时效性不强的问题。

3 讨论

环境遥感监测技术在我国生态环境监测与监管中起步较晚，但已经在水、气、土、固、生态等领域有一定的成功案例，取得了积极的成效。随着我国环境治理体系和治理能力现代化的不断深入，环境遥感技术在环境监测领域的的业务需求将逐步增加。

遥感技术的优势在于可以一次性获取大区域尺度的监测数据，基于多源数据可以实现多次重复观测，具有传统监测手段所不具备的覆盖能力和成本优势。遥感技术由于不与监测对象直接接触，受气溶胶等辐射传播介质的影响，其监测精度等有待进一步提升。随着定量遥感技术的不断突破，计算机数据存储与处理数据的能力不断增强，人工智能等技术的发展进步，环境遥感监测的技术瓶颈将逐步突破，环境遥感将更加广泛的应用于现代环境监测监管，为生态环境保护工作提供更全面的支撑。

参考文献：

王联友，林建涛，袁伟俭. 基于遥感的城市水环境监测方法研究.测绘与空间地理信息,2020,43(11).

赵剑桥. 遥感技术在雾霾监测中的应用.农村经济与科技,2018,5.

麦霞梅，胡振琪，赵艳玲.基于高分二号卫星影像高潜水位煤矿区沉陷地土壤含水量监测.煤炭学报,2019,44(2).

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