新时期我国环保领域卫星遥感技术的应用与发展

赵少华，刘思含，毛学军，吴艳婷，杨一鹏

(环境保护部卫星环境应用中心 国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100094)

新时期我国环保领域卫星遥感技术的应用与发展

赵少华，刘思含，毛学军，吴艳婷，杨一鹏

(环境保护部卫星环境应用中心 国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100094)

卫星遥感技术在环保领域有着广泛的应用，环境一号、高分一号等卫星遥感数据已在环保部的日常监测、监管工作中实现业务运行，在环保工作中发挥了不可或缺的重要作用。结合新时期我国环境保护工作的特点和需求，分别总结了卫星遥感技术在我国大气环境、水环境、土壤环境和生态环境中的应用情况，提出未来发展的趋势。高分辨率卫星遥感技术的发展，特别是我国高分专项系列卫星和国家空间基础设施规划的后续卫星的发射，将大幅提升我国环境监测、监管的定量化和精细化水平。

大气环境；水环境；土壤环境；生态环境；高分辨率

0 引言

当前，我国环境形势依然严峻，卫星遥感技术具有快速、连续、大范围和重复观测等优势，可在环保工作中发挥重要作用，其应用在环保领域始于20世纪80年代，即天津-环渤海环境遥感试验[1]，到90年代，郭之怀[1]总结了截至1993年环境遥感的发展历程，张九根[2]分析了环保工作对卫星遥感技术的迫切需求及应用前景。21世纪以来，快速发展的卫星遥感技术在环保领域得到了迅速应用，2000～2002年，国家环境保护总局组织开展利用Landsat和资源卫星等遥感数据的全国生态环境现状遥感调查。2008年9月环境一号卫星发射以来，卫星环境遥感技术更是得到了长足发展，王桥[3]介绍了卫星遥感技术在国内外环保领域中的应用进展和挑战，特别是环境一号卫星工程的进展，指出了环境遥感应用面临的问题，并提出对策和建议。杨香云[4]分析了环保工作中遥感技术的应用现状，介绍了大气环境、水污染、海洋监测、地表监测方面的进展和应用趋势。王桥等[5]全面总结了环境遥感的进展、环境一号卫星的研制发射，并详细介绍了大气环境、水环境和生态环境的卫星遥感监测关键技术方法、技术规范和应用系统的组成建设情况。杨一鹏等[6]总结了水环境、大气环境和生态环境遥感监测技术进展，结合环境一号卫星提出了卫星遥感技术在我国环保应用中面临的主要问题、对策和建议。为加强环境遥感技术的应用推广，进一步推动遥感技术向深度和广度发展，王桥等[7]以太湖流域为例，系统总结了区域生态环境遥感监测技术应用领域、业务运行模式与成果等，以指导地方环境遥感监测业务工作。赵少华等[8-11]系统总结了高光谱、红外、雷达和高分辨率等卫星遥感技术在环保领域中的应用进展情况。

作为环境监测与监管的有力工具，卫星遥感技术已在我国环保工作中实现了业务化应用。自环境一号卫星发射以来，环境保护部卫星环境应用中心(以下简称环保部卫星中心)基于我国环境一号、高分一号、高分二号和美国TERRA/AQUA等卫星数据，持续开展了大气环境、水环境和生态环境的有效遥感监测。目前，卫星中心已建成环境卫星和高分卫星等监测应用系统平台，构建了环境遥感技术体系，形成2级数据处理、专题和应用产品生产、数据分发和产品服务的业务运行能力[12]，卫星遥感技术全面进入国家主要污染物总量减排、流域和区域污染防治、生态保护及环境应急等环保主体工作，在环境保护、环境管理与决策方面发挥了重要作用，成为环境质量监测与评价中不可缺少的重要数据源。如每日对太湖、巢湖和滇池蓝藻水华进行监测，为防范水体蓝藻水华爆发提供了宏观动态的监测手段；每日对全国秸秆焚烧火点进行监测，为保障上海世博会、广州亚运会、西安园博会、APEC峰会和G20峰会等重要国际会议的环境空气质量提供了快捷有效的技术支持；先后对全国近400个自然保护区进行了大规模核查，为生态监管提供了客观可靠的信息支撑；为应对环境突发事件，开展了大连海上溢油、松花江化学品桶打捞、玉树地震、舟曲泥石流、北方沙尘暴和黄海海域浒苔等遥感应急监测和评估；为加强核安全监管，对大亚湾和田湾等核电站温排水情况进行了遥感监测。此外，环境一号卫星数据还应用于全国生态环境10年变化(2000～2010年)遥感调查与评估等国家重大工程项目中，带动了全国环保系统环境遥感应用及水平提升。

随着中国卫星环境监测能力迅速提升和自主环境遥感应用技术不断发展，新时期环境保护工作对遥感的需求将大幅增加[12]， 比如《大气污染防治行动计划》、《水污染防治行动计划》、《土壤污染防治行动计划》和《关于加快推进生态文明建设的意见》等国家重要文件的发布，使得环保工作对卫星遥感技术提出了更高的需求，特别是土壤污染遥感监测，其研究和应用都比较少，并存在很大的困难。目前，卫星遥感技术水环境方面可实现对叶绿素a、悬浮物、透明度、溢油和水华等遥感监测，大气方面可实现对气溶胶、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳和甲烷等遥感监测，生态方面可实现对土地覆盖、植被覆盖度、叶面积指数、土壤水分、蒸散、地表温度和干旱等遥感监测，但还有很多应用的关键技术需要攻关，其系统化和业务化应用的程度还有待提高，因此有必要对新时期卫星环境遥感的应用现状和存在问题进行梳理，分析和展望未来的发展趋势，提高环境遥感应用水平。

1 卫星遥感技术在大气环境领域中的应用和发展

卫星遥感技术在大气环境中主要应用于气溶胶光学厚度、颗粒物、灰霾、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、甲烷、秸秆焚烧和沙尘等全国重点城市群空气质量、污染气体和温室气体遥感监测，目前已在环保部实现日常业务运行，下面以灰霾、秸秆焚烧和污染气体遥感监测为例分别进行介绍。图1是环保部卫星中心采用国外TERRA/AQUA-MODIS数据，对2016年9月26日京津冀地区的灰霾分布进行监测，由图1可知MODIS数据可以很好地反映灰霾的空间分布情况。图2是环保部卫星中心采用2010年6月25日MODIS数据对长三角地区的秸秆焚烧情况进行监测，可以看出，当日秸秆焚烧火点主要分布在长三角苏北地区。

图1 2016年9月26日京津冀及周边地区灰霾遥感监测

图2 2010年6月25日长三角地区秸秆焚烧火点分布卫星遥感监测

环保部卫星中心基于2014年12月的AURA卫星OMI数据L2级Grid产品，对京津冀地区污染气体的分布情况进行监测，结果如图3所示，由图3可知二氧化硫和二氧化氮分布呈西北低东南高的特点，这与周春艳等[13]基于OMI数据分析的京津冀城市群2005～2014年NO2变化情况相符，此外，其研究还发现2005～2011年NO2逐渐升高，2012～2014年逐渐降低，以2014年下降最为显著，这可能与国家发布《大气污染防治行动计划》后采取一系列的防治措施有关，也反映了防治的成效显著。周春艳等[14]还利用OMI对流层NO2垂直柱浓度产品分析了“十二五”期间京津冀、长三角和珠三角三大城市群对流层NO2柱浓度时空变化，结果表明，京津冀浓度最高，呈西北低东南高的趋势；长三角次之，呈中间高、北部次之、南部低的趋势；珠三角最低，呈中间高、周边低的趋势。相比2010年NO2排放量，2015年3个区域分别下降24.74%、27.73%和26.28%。

未来，针对大气污染防治工作，还需利用大气激光雷达等主被动、紫外、红外、偏振、多角度、高光谱、高时间和大幅宽等遥感技术，结合地基观测、大气模式和数据同化等手段，建立近地表大气颗粒物浓度遥感反演模型及灰霾遥感监测方法、全国秸秆焚烧火点分布及生态影响遥感监测方法、污染气体高精度遥感反演方法、港口/船舶大气污染遥感监测方法、全球和重点区域温室气体遥感监测方法等，开展大气环境质量综合监测和预警等工作。

图3 2014年12月京津冀地区二氧化硫和二氧化氮卫星遥感监测分布

2 卫星遥感技术在水环境领域中的应用和发展

卫星遥感技术在水环境中主要应用于水质、水华、水表温度、热污染、赤潮、溢油和核电厂温排水等大型内陆水体/饮用水源地、城市黑臭水体和近海遥感监测，目前已在环保部实现日常业务运行，下面以水质、溢油和核电厂温排水遥感监测为例分别进行介绍。图4是环保部卫星中心基于2014年11月4日高分一号卫星宽覆盖数据对太湖水质的遥感监测示例，可以看出，叶绿素a浓度在空间上分布比较均匀，但在北部和南部部分区域浓度较其他区域高。南部区域的悬浮物浓度偏高，北部部分区域浓度较高，西部普遍比东部区域浓度高。南部区域的透明度偏低，北部部分区域较高，东部普遍比西部区域高。营养状态分为中度富营养和重度富营养2级[15]。图5是环保部卫星中心利用Radarsat SAR影像，对2010年7月26日的渤海溢油提取，提取的油膜区域大小为291 km2[11]。图6是环保部卫星中心基于2012年11月6日的HJ-1B数据对大亚湾核电厂温排水进行遥感监测，可以明显看出核电厂周边海域的温升情况，为国家的核安全监管提供重要技术支持[10]。

未来，针对水污染防治工作，还需利用主被动、紫外、红外、多角度、高空间、高光谱、高时间和大幅宽等遥感技术，结合地基观测和数据同化等手段，建立大型水体水华、水质遥感监测方法、城市黑臭水体高精度遥感监测方法、典型水污染源遥感监测、饮用水源地风险源识别及安全评价等，开展水环境质量综合监测和预警等工作。

图4 2014年11月4日太湖水质高分一号卫星遥感监测

图5 2010年7月26日渤海溢油SAR遥感监测

图6 2012年11月6日大亚湾核电站温排水遥感监测

3 卫星遥感技术在土壤环境领域中的应用和发展

环保工作中，对土壤环境监测的重点是土壤污染，但其研究和应用还很少，也多集中在实验室、地面和机载观测，且面临诸多的困难。虽然个别研究表明了卫星遥感技术监测土壤污染的可行性，例如王璐等[16]根据传感器的光谱响应函数，将原始土壤光谱曲线转换为模拟的TM和ASTER工作波段，利用该波段估算重金属含量，结果表明，多光谱数据具有估算土壤重金属元素含量的潜力，TM的第3波段和ASTER的第2、4、5波段是预测土壤重金属含量最佳波段。蔡东全等[17]选择山东省龙口市2013年10月三景HSI高光谱遥感影像，结合实地采样检测的土壤重金属含量数据，建立土壤重金属含量与高光谱数据的偏最小二乘回归模型，反演龙口污水灌溉区土壤重金属(Cu、Mn、Ni、Pb和As)含量，结果较好。但土壤中重金属含量相对较低，在卫星遥感影像上的信号较弱，所以监测效果还是不理想。

目前土壤环境遥感监测应用较多的是在土壤水分、蒸发、干旱和地表温度等方面，主要利用可见近红外、短波红外、热红外和微波技术等。图7是陈晶等[18]采用2008年7月11日甘肃黑河流域的双极化Envisat-ASAR数据，基于高级积分方程模型，提出一种仅需双极化的雷达数据就能实现土壤水分的反演方法，该法无需测量地面粗糙度，尤其适用于大面积干旱区域的地表土壤水分反演，Zhao等[19]也改进提出一个不依赖地面先验知识，仅需相邻时相同双极化的半经验雷达散射模型，可快速监测裸土土壤水分。

图7 ASAR影像双极化数据反演裸土土壤含水量(陈晶等,2013)

短波红外波段和近红外波段的组合可以很好地反映土壤干旱情况，Zhao等[20]基于MODIS的第2、6和7波段构建的短波红外水分胁迫指数来监测宁夏平原的干旱情况，如图8所示，该指数越大，表明越干旱，从图中可以看出，当天宁夏的中西部较为干旱，北部为黄河灌溉区较湿润，这与实际情况较为相符。

图8 MODIS影像2008年9月18日的宁夏平原干旱指数遥感监测分布

未来，针对土壤污染防治工作，还需利用可见光、红外、高光谱、高空间、高时间和大幅宽等卫星遥感技术，特别是高轨环境卫星，结合地面试验、模型模拟和仿真分析等手段，优化构建土壤污染遥感监测的敏感波段，建立全国土壤污染场地/污染源动态监测与评估、设施农业土壤污染监测与评估、矿产资源集中开采区土壤污染监测与分析、城市及其周边区域土壤环境监测与风险评估等模型方法，开展土壤环境质量评估等工作。

4 卫星遥感技术在生态环境领域中的应用和发展

卫星遥感技术在生态环境中主要应用于土地利用分类、植被覆盖、生境信息和地表温度等自然保护区人类活动干扰、生物多样性、矿山开发环境破坏、农村生态环境和城市生态环境等遥感监测方面，目前已在环保部实现日常业务运行，下面以自然保护区人类活动干扰、城市热岛遥感监测为例分别进行介绍。图9是环保部卫星中心基于2013年12月10日与2014年8月1日的高分一号卫星8 m分辨率多光谱数据，对该自然保护区的人类活动情况进行遥感监测，并以2013年12月10日的数据为参照，利用2014年8月1日的影像对新增人类活动进行动态监测，结果表明保护区人类活动增加明显，包括居民点、人工设施和采石场3类，各功能区均有新增人类活动，主要在实验区，保护区内工矿面积在2014年有缩减[15]。图10是环保部卫星中心采用2008年HJ-1B卫星的热红外数据监测北京市城市热岛效应分布情况，可以看出，北京城区热岛效应明显，中心城区热岛强度较高，从中心城区向城外逐渐减弱，这与实际情况较为相符[10]。

未来，针对生态环境质量监测评估工作，还需利用可见光、红外、高空间、高时间、高光谱和大幅宽等遥感技术，结合地面试验、过程模型和数据同化等手段，建立地物精细化分类、生态系统关键参数高精度反演、生物多样性监测、生态红线监管、生态资产和生态承载力遥感评价等模型方法，开展生态环境质量评估等工作。

图9 内蒙西鄂尔多斯国家自然保护区人类活动干扰高分1号卫星遥感监测图

图10 2008年10月10日北京城市热岛效应强度分布

5 结束语

虽然卫星遥感技术在中国的环境保护领域得到了广泛的应用，但面对当前我国总体依然严峻的环境形势，诸如一些重点流域、海域水污染严重，部分区域和城市大气灰霾现象突出，许多地区主要污染物排放量超过环境容量、农村土壤污染严重等突出的环境问题，目前卫星遥感还存在土壤污染高精度反演、颗粒物高精度反演、城市黑臭水体高精度监测、高光谱数据快速处理、雷达数据快速处理、多尺度影像处理、天地一体化数据同化和信息协同处理技术、遥感产品真实性检验技术、高精度几何校正、辐射校正、大气校正技术、多源生态环境数据同化、异构环境数据协同建模、星地环境数据融合与挖掘等系列关键技术瓶颈，以及国产环境专用卫星和载荷缺乏、应用系统建设严重滞后等不足。

未来5～10年，环境遥感监测将进入一个高分辨率、多层、立体、多角度、全方位和全天候对地观测的新时代。空间对地观测系统将向集成一体化、全方位、精细化和主被动综合观测等方向发展，环境遥感卫星将向高、中、低轨道并存，载荷系统向专业化、多样化和智能化方向发展，数据资源将更加丰富。定量遥感技术将不断深入，环境遥感监测将向天空地协同、物联网技术方向发展，高精度遥感模型与参数反演、遥感产品真实性检验、遥感数据与地球系统模式同化等是未来研究的前沿[21]。环境应用系统将向大数据管理的云计算和云服务网络化平台发展，环境遥感应用将向业务化和实用化方向发展。随着国内外卫星的不断发射，特别是我国高分系列卫星、空间基础设施规划的环境监测系列卫星的发射，卫星遥感技术在我国环保领域中的应用必将越来越广泛，其将进一步推广到环境预警预测、综合评估、环境决策和定量考核等更深入的应用，为国家环境管理和决策提供更重要的信息服务。

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赵少华 男，(1980—)，高级工程师，北京大学博士后。现任环保部卫星中心综合部副主任、中心学术委员会委员、中国电子学会高级会员、中国电子学会遥感遥测遥控分会委员会委员、中国遥感应用学会光学遥感专委会委员等，主要从事环境遥感研究，担任Remote sensing of environment等期刊审稿人。曾主持国家自然科学基金、高分重大专项课题等，荣获国家、省部级科技进步奖4项，出版专著1部，发表学术论文80篇。

刘思含 女，(1983—)，博士，高级工程师，主要从事定量遥感等研究。担任中国遥感应用学会环境遥感协会委员。曾主持全国生态环境十年变化遥感调查与评估项目课题等。目前已获授权专利2项，合作出版专著6部，发表学术论文12篇。

Application and Development of Satellite Remote Sensing Technology in China Environmental Protection in New Period

ZHAO Shao-hua,LIU Si-han,MAO Xue-jun,WU Yan-ting,YANG Yi-peng

(SatelliteEnvironmentalCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofSatelliteRemoteSensing,Beijing100094,China)

The satellite remote sensing technology has been widely applied and plays an important role in environmental protection work in China,and the operational applications have been achieved by using HJ-1 and GF-1 satellites.In view of the characteristics of environmental protection work in new period in China,this paper analyzes the applications of satellite remote sensing technology in the atmospheric environment,water environment,soil environment and ecological environment,and puts forward the future development trends.The development of high-resolution satellite remote sensing technology and the launch of high-resolution earth observation system satellites in China will promote significantly the quantification and refinement level of environmental monitoring in China.

atmospheric environment;water environment;soil environment;ecological environment;high resolution

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.01

赵少华,刘思含,毛学军,等.新时期我国环保领域卫星遥感技术的应用与发展[J].无线电工程,2017,47(3):1-7.

2016-12-18

国家高分辨率对地观测重大专项基金资助项目(E05-Y30B02-9001-13/15-1)。

TP79

A

1003-3106(2017)03-0001-07