遥感卫星在生态环境监测领域的应用满足度分析

·文|航天恒星科技有限公司 胡 沅 成丹 王剑 丁火平

遥感卫星在生态环境监测领域的应用满足度分析

·文|航天恒星科技有限公司 胡 沅 成丹 王剑 丁火平

本文分析了生态环境监测的任务特性，从监测对象为切入点，分析监测元素的评价指标；然后进一步分析各探测波段对这些评价元素和指标的探测能力。最后通过分析在轨国内外卫星各载荷设置情况及其观测特性，结合未来5年中国卫星的规划，研究国产卫星布局的合理性，是否满足生态环境监测应用需求，并提出改进意见。本文的研究成果为面向卫星遥感数据应用的各行业用户选择数据源提供技术支持，并为卫星规划和载荷设计人员开拓思路提供参考。

遥感 生态环境 监测评价指标 光谱探测特性

一、引言

1.生态环境及监测的概念

生态学的概念早在1869年由德国生物学家E·海克尔提出，认为它是研究动物与植物之间、动植物及环境之间相互影响的一门学科。生态是指生物（原核生物、原生生物、动物、真菌、植物五大类）之间和生物与周围环境之间的相互联系、相互作用。自然环境即人类周围的自然界。包括大气、水、土壤、生物和岩石等。

生态环境是生态和环境两个名词的组合，所以生态环境指的是由生物群落及其相关的无机环境共同组成的功能系统，或称为生态系统。

生态环境监测，就是利用遥感或其他探测手段,在时间和空间上对特定区域范围内生态系统组合体的类型、结构和功能及其组合要素等进行系统地测定和观察的过程。监测的结果则用于评价和预测生物活动对生态系统的影响，为合理利用资源、改善生态环境和自然保护提供决策依据。

2．生态环境监测任务特点

（1）立体监测对象

生态环境监测主要侧重于宏观的、大区域的生态系统破坏问题，监测对象应包括农田、森林、草原、荒漠、湿地、湖泊、海洋、气象、物候和动植物等内容。生态监测区别于单一元素的监测，是从不同尺度上对生态系统结构和功能的时空格局的立体度量,主要通过监测生态系统内各组成元素的条件变化、评估系统内生物与环境之间的影响趋势。

（2）监测任务时间特点

生态环境监测需具有长期性。任何一次性（或短期）的、静态性的数据不可能对生态环境的变化趋势作出准确的判断，必须进行长期的动态监测，才能从大量的数据中揭示或预测其变化规律和趋势。同时，生态环境监测需具有周期性。生态变化过程是缓慢的，受人类活动的影响反应也极为缓慢，因此监测时间的周期较长；另外，生态系统本身具有自我调控功能，它的变化趋势可发生变化，所以需采用周期性的间断监测,而不是非间断的连续监测。

（3）监测手段多样性

由于监测对象涵盖空气、水体、土壤、植被等客体，监测手段应考虑适应观测对象的不同遥感探测器类型，如气象卫星载荷中某些气体专用探测器、红外探测器、含不同波段的多/高光谱探测器、空间分辨率较高的全色探测器、可探测地下资源的微波探测器等。

由于不同应用领域的遥感卫星的轨道高度、载荷类型及观测分辨率均不同，所以要完成同一区域全方位的生态监测，需利用多个卫星联合观测。

二、国内外生态环境监测研究现状

1．国外研究进展

（1） 生态监测组织现状

人与生物圈计划（MAB）是联合国教科文组织于1971年发起的一项对人和环境关系进行生态学研究的一项政府间多学科的综合研究计划。其宗旨是对生物圈不同区域的结构和功能进行系统研究，并预测人类活动引起的生物圈及其资源的变化，及这种变化对人类本身的影响。

联合国环境规划署下属的全球和地区环境监测的协调中心，简称GEMS于1975年正式成立。它系统地收集、分析和评价各种环境状况变化因素的数据和环境在时间和空间上的变化情况。它将国际监测项目分为4大类：生态监测，污染物监测，自然灾害监测，环境监测研究。其中生态监测任务主要有：①全球土壤和植被监测：土壤退化评价，森林植被、农田资源评价等。②水资源监测:国际水文监测与服务，冰川调查，水体中同位素浓度调查等。③生物圈监测：野生生物标本采集和分析，野生生物监测，化学农药残留监测等。④海洋生物资源监测。

1992年联合国环境与发展大会以后,各生态系统研究和监测中心相继成立。其中最著名的有国际地圈生物圈计划（IGBP），美国的长期生态学研究网络（LTER），英国的环境变化研究网络（ECN）。委内瑞拉也于1990年建立了8个试验站组成的生态网。巴西、加拿大等国家相继建立了生态环境监测网络。

（2）生态监测现状

国外生态监测发展起来的标志是科尔克维茨和马森于二十世纪初提出的污水生物系统。其后，克列门茨把植物个体及群落对于各种因素的反应作为指标，应用于农林牧业。他还积极提倡植物监测器。经许多学者（Liebman,津田松苗）深入的研究，使得70年代后在生态监测理论和方法上更加丰富。

近几十年国外遥感卫星技术蓬勃发展，主要有美国的陆地卫星Landsat、地球观测系统EOS和法国的SPOT以及印度资源卫星IRS和加拿大太空署的Radarsat系列。很多国家都已经将遥感应用到了工程建设生态环境监测与评估中，其中比较具有代表性的是:从1980 至1993 年,埃塞俄比亚研究人员利用航摄照片和卫星图像对一条高速公路沿线的环境变化做了长期监视和分析, 通过数据分析, 得到了生态环境时空演化的过程与发展趋势。美国研究人员利用遥感影像,通过对铁的氧化物和氢氧化物分布信息的提取, 研究了科罗拉多州废弃矿山对生态环境的影响等。

2.国内研究进展

（1）生态监测组织现状

中国于1972年参加人与生物圈计划并当选为理事国，并于1978年成立人与生物圈国家委员会。中国有10个课题被纳入该计划，有26个自然保护区加入了世界生物圈保护区。

中国医学科学院卫生研究所被指定为GEMS在中国的活动中心并负责对外联系工作。中国从1978年起先后参加了大气污染监测、水质监测、食品污染监测、人体接触环境污染物评价点监测等活动。

中科院生态环境研究中心（简称中心）始建于1975年。1996年启用中国科学院、国家环境保护总局生态环境研究中心。中心主要研究领域包括环境化学、环境工程学和系统生态学。

中国环境监测总站成立于1980年。几十多年来收集和汇总全国环境监测数据，综合分析评价全国环境质量状况；不断开展环境监测科学研究，开发推广环境监测新技术和新方法；拟定全国环境监测技术标准，对全国环境监测网络进行技术指导和技术协调。

（2）生态环境监测现状

中国生态环境监测起步较晚，1955年水利部对全国土壤水蚀面积进行了初步估查，这是土壤侵蚀宏观监测最早的全国性工作项目。20世纪80年代后随着遥感技术的普及，促进了中国生态系统研究的发展。代表性研究有国家“六五”科技攻关项目内蒙古草场资源遥感调查；“七五”期间“三北”防护林遥感调查、黄土高原遥感调查；新疆环境监测中心站利用NOAA-12 卫星5个波段影像数据完成了全区土地荒漠现状的评价工作。近10多年来，国产卫星已初步形成资源、气象、海洋、环境减灾和军用遥感等几大系列。各相关部门和单位如国家环保部、中国科学院、农业部、国家林业局、国家海洋局、国家气象局、国家测绘地理信息局等，以及中国一些城市已经应用这些遥感数据制作了大量专题应用产品，在监测牧场产量、农作物产量、土壤普查、资源调查、水土保持状况和灾害预测等方面都取得了一定的成果。

三、生态环境遥感监测对遥感卫星的需求分析

由于利用遥感图像可迅速、周期性的获取大区域地物信息,从而为大范围生态环境动态监测提供技术支持。本节主要从生态监测对象出发，对各对象所监测的要素进行分析，再分析监测这些要素所需探测波段要求，继而可以为面向卫星遥感数据的各应用行业单位在选择卫星各载荷数据源时提供技术支持。最后汇总分析了在轨的国内外遥感卫星特点及未来中国卫星的规划布局，对是否满足面向生态监测应用领域的使用需求，提出相关建议，为卫星规划设计单位提供技术支持。

1.生态环境监测要素指标分析

利用遥感图像获取生态对象的监测信息，就要形成一套基于遥感光谱信息的生态环境评价模型，即获取反映生态环境现状质量、环境容量、环境恢复能力的一系列评价参数,并能就生态环境质量现状、变化趋势等进行快速、定量评价,形成能适应业务化运行的遥感本底值体系。

生态系统从宏观角度上可分为陆地、海洋两大生态系统。

（1）陆地生态系统包括：森林生态系统、草原生态系统、内陆水域和湿地生态系统、荒漠生态系统、农田生态系统和城市生态系统。其指标体系可由气象要素、空气质量要素、水文要素、地质要素、土壤要素、植物要素、动物要素和微生物要素构成。

（2）海洋生态系统包括：海洋、海岸带和咸水湖泊。指标体系可由气象要素、空气质量要素、水文要素、水质要素、底质要素、游泳动物要素、浮游植物要素、底栖生物要素、微生物要素等构成。

主要监测要素的评价参数指标如下：

植物指标：种类及组成、指示群落、种群密度、覆盖度、菌体量、生长量、凋落物量。

动物指标：种类、种群密度、菌体量及时空动态、能量和物质收支、热值。

微生物指标：种类、分布及其密度和季节动态变化、菌体量、热值。

浮游植物指标：种群数量、分布。

游泳动物指标：生物种群与数量、洄游规律、食物链、丰富度。

底栖生物指标：种群构成及数量、优势种及动态。

气象指标：气温、湿度、风向风速、降水量及其分布、蒸发量、日照和辐射收支、臭氧含量；

空气质量指标：CO2、SO2、NXOX等含量，颗粒物分布/总量，气溶胶厚度。

水文指标：地表径流量及其化学组成、地下水位。

地质指标：地貌特征、地物类型、土地利用状况。

土壤指标：养分含量及有效态含量、pH值、交换性酸（盐）及其组成、阴离子交换量、有机质含量、土壤颗粒组成、团粒结构组成、容重、孔隙度、透水率、饱和水量及凋谢水量。

水质指标：叶绿素a、水表温度、水体透明度、营养状态指数、水华、赤潮、水体热污染；

底质指标：有机质、总氮、总磷、pH、重金属、农药、氰化物。

2.面向生态环境监测指标的探测波段和光谱分辨率需求

根据上文分析的生态监测任务特点可知，由于监测对象是宏观的、大区域的特点且采用长周期的间断监测方式，所以生态监测对图像空间分辨率、时间分辨率的要求不高，在下文中重点分析生态环境监测对光谱分辨率的需求。

本节对国内外在轨运行卫星搭载的多光谱相机、成像光谱仪的波段设置参数进行综合分析，总结了不同光谱范围具有的探测特性，进一步分析哪种遥感探测数据可以解译生态监测指标体系中的各评价指标。具体如表1所示。

表1 卫星波段参数对地物探测特性对照表

续表1

在综合分析各卫星载荷谱段设置参数时，虽然波段范围略有不同，但是上述划分能够较全面的反映各波段区域特有的探测特性。

从上表可以看出多数生态监测评价指标可以从0.05～0.3μm光谱分辨率的波段探测数据进行分析获得，但是对某些评价指标还没有探测能力，需要较高的光谱分辨率，如底质指标、浮游植物指标、底栖生物指标等。若应用需要关注这些指标，可用高光谱数据来补充获取。另外，气象指标探测波段都较特殊，一般不在遥感卫星载荷波段设置范围中，需从气象卫星数据获取。

3.生态环境监测星源满足度分析

（1）在轨卫星状况

目前用于生态监测的数据来源以国产卫星为主，兼顾Landsat/SPOT等国外卫星数据。本节对在轨的国内外卫星载荷参数、特性进行了分析总结，如表2、表3所示。

表2 国产在轨卫星资源情况

续表2

表3 应用效益较好的国外在轨卫星资源情况

续表3

由于生态监测对象和评价指标是一个立体范畴，所需的监测星源需包括多种类型探测器。由于卫星的总体质量、空间等限制，同一卫星上不可能具有多类探测器。所以满足生态监测应用的星源应该是卫星组合体。近10多年中国国产卫星已初步形成资源、气象、海洋、环境减灾等几大系列，这些卫星涵盖了可见光、红外、多光谱、高光谱、SAR载荷，其观测数据联合使用分析，可基本满足全方位生态对象监测的目标。同时，美国陆地卫星和法国SPOT卫星已积累了大量20世纪70～90年代的地球资源与环境记录,可以利用这些信息进行过去、现在和将来的生态环境动态分析与监测。

（2）规划的卫星状况

根据国家陆地观测卫星计划，未来5年内拟发射的民用遥感卫星有CBERS-03/04/05/06星、资源三号02星、“4＋4”环境减灾卫星星座、北京二号、电磁探测卫星、二代地震电磁探测卫星、1m/5m多频段多极化雷达卫星、4m/16m光学卫星等。另外，根据高分辨率对地观测系统重大专项的规划，“十二五”、“十三五”期间规划了7颗民用卫星，分别是2m全色/8m多光谱/16m宽覆盖的光学成像卫星2颗、1m全色/4m多光谱光学成像卫星、50m地球同步轨道光学成像卫星、1m分辨率C频段多极化SAR成像卫星、高光谱观测卫星、高分辨率国土资源测绘卫星各1颗。

（3）星源满足度分析

规划卫星与现有在轨卫星相比，在分辨率、覆盖宽度、覆盖周期等方面都大有提升，完成了国产卫星系列化、接力性的布局，更好地满足长期性、周期性的生态监测任务需求。根据以上分析，各行业用户可参照各卫星及载荷情况和观测特点，配合行业监测对象需求，选择相应数据源。

同时，借鉴国外同类卫星的性能，建议卫星规划和载荷设计人员考虑以下几个方面的可行性：

除了气象、海洋系列卫星外，一般遥感卫星搭载的多光谱相机设置的波段都是兰、红、绿、常用近红外波段。光谱分辨率不足以满足某些监测目标的要求。若是跨平台结合使用气象卫星、海洋卫星的数据，制作专题图，就要克服很多具体问题，如气象海洋卫星处理系统的设计针对的是其业内用户，在辐射处理、波段配准处理等方面薄弱，不足以满足其他行业用户对数据的要求。另外时相、覆盖区域不同等带来的处理问题，也是造成气象海洋卫星数据在其他领域的利用率低。所以建议在一般遥感卫星设置多光谱相机的同时，辅助配置一些专用探测仪，如植被探测仪VGT、海洋水色扫描仪等，可以针对性的为某些用户的监测目标设置谱段范围。提高各系列卫星遥感产品的实际使用价值。

目前的多谱段载荷不是4波段多光谱，就是高光谱。因为目前HJ-1A的高光谱的成像原理较为复杂，载荷输出的是干涉条纹灰度值，要反映输入光谱的信息，还需将干涉条纹灰度值复原成光谱灰度值，这个过程是基于数学模型而非物理光路，所以导致外场辐射定标方法存在异议。探测器光谱信息的输入输出关系，并不像其他CCD探测器的定标那样直观的获取，它实际获取的是光谱与干涉信号灰度值的关系。干涉信号经过傅里叶变换才是光谱信息灰度值，但这并不是简单的线性关系，所以实际光谱与光谱灰度值的定标数学模型很值得推敲。这样导致定量反演的监测指标的应用效果有待考究。同时，基于物理分光的高光谱相机因光谱分辨率高必然要求光路设计装配极为苛刻，多谱段配准合成是否存在问题不得而知。所以建议设计一些中高光谱分辨率的成像仪，如8～20个波段。为某些目标监测提供便利。例如FY-3气象卫星的中分辨率成像仪。比普通多光谱相机，多设置一些近红外、短波红外波段。

四、总结

随着遥感对地观测技术在应用领域的发展，遥感产品将从资源普查应用走向精细化目标监测应用，大大提升了遥感卫星的利用价值。遥感应用的发展需求同样也推动了航天技术的发展，给新型载荷的优化设计和卫星总体设计提出了更高的要求。

本文在从遥感应用的终端即专题应用开始，来反推分析了对遥感数据的需求，从而汇总浅析了对卫星和载荷的需求。旨在抛砖引玉，相关数据和应用经验还需多方研究人员的共同分析和探索。