卫星遥感技术在环境保护中的应用

郭凤云，刘 波，姬勇力，李胜林

（1.中国电子科技集团公司第二十二研究所，河南 新乡 453000）

近年来，卫星遥感技术在环境保护中的应用越来越受到国际社会的认可，美国、日本及欧洲的一些国家近年来也大力发展环境遥感监测技术，目前在轨运行的国外遥感卫星为环境监测所提供的空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率越来越高。随着我国高分系列卫星的发射和运行，国内已初步形成了资源、环境、气象、海洋等系列的遥感卫星体系，具备准实时、全天候获取各种空间数据的能力，形成集高空间、高光谱、高时间分辨率等的对地观测系统。在卫星资源大幅度改善的情况下，如何做好环境监测规划，利用好现有资源才是我们更应该关注和解决的问题[1]。

1 基于卫星遥感的地面固体污染源监测

随着社会快速发展，无论是乡村还是城镇，固体废弃物的排放量逐年增多，市政建设、棚户区改造、房地产开发等领域高速发展，其中建筑施工过程中裸土工地扬尘成为影响城区空气质量的重要来源。常规裸土工地监测手段主要为人工现场检查，对于较大工地或者较远县区的施工项目存在监测不全面、人工监测成本较高的问题。利用高分辨率遥感卫星影像信息提取技术开展裸土工地污染源遥感监测，实现大范围、全覆盖的裸土工地监测，为环保部门的污染源监测及执法工作提供依据，如图1、2所示。

图1 数据处理流程

图2 施工裸土图斑

针对环境保护这方面的需求，获取监测区域2019年4月高分二号（0.8 m分辨率）卫星遥感数据，应用ENVI5.3对数据进行正射校正，图像融合等一系列预处理，最终对监测区域的施工裸土图斑进行边界提取和经纬度提取，监测区域面积共有103.091 97 km2，其中施工裸土图斑124个，占地面积7.276 52 km2。

基于以上图斑信息和经纬度、面积等统计信息，可为当地环保执法部门提供客观的数据支撑，节省人力成本的同时也提高了执法的精准高效（如表1）。

表1 部分图斑的面积及经纬度提取

2 基于卫星遥感的新乡大气污染物监测

大气气溶胶是分布在大气中的固态或液态悬浮微粒组成的体系，是影响大气环境质量的一个重要因子，而气溶胶光学厚度（aerosol optical depth，AOD）是大气气溶胶最重要的参数之一。卫星遥感[2]手段反演气溶胶的原理主要是基于太阳辐射在经大气传输到地表的过程中，受到气溶胶粒子的散射和吸收作用会发生变化，根据太阳辐射的变化程度可以反演气溶胶的光学特性。卫星遥感反演气溶胶具有大范围同步观测、时效性强、获取方便能优点，可解决现有的地面环境监测无法进行大尺度区域环境空气质量监测的问题，弥补了传统技术的缺陷，有效提高监测能力。

2.1 大气气溶胶反演

气溶胶的反演方法有多种，大体上可分为5 类[3]：单通道和多通道法、基于对比度差异的空间结构法、基于多角度数据的反演方法、基于偏振数据的反演方法和基于星载激光雷达数据的反演方法。本文采用多通道反演方法中最为广泛应用的暗像元法[4]，又叫浓密植被法，选取MODIS数据是MOD02 L1B 1km数据，处理流程如图3所示。

图3 大气气溶胶数据处理流程

基于上述所示流程图，选取新乡市2019年春、夏、秋、冬4个季节云量较少某日的MODIS数据进行暗像元法气溶胶光学厚度反演，并构建AOD与PM10线性回归[5-6]相关模型，得到的结果如图4～7所示。

图4～7是基于气溶胶光学厚度反演得到的PM10的空间分布态势分析图。由图可知，不同季节PM10呈现不同的分布特征，由于大气环境比较复杂，影响气溶胶光学厚度的因素很多，本文不作深入探讨。

图4 春季某日PM10浓度分布图

图5 夏季某日PM10浓度分布图

图6 秋季某日PM10浓度分布图

图7 冬季某日PM10浓度分布图

2.2 地面站数据验证分析

获取了新乡市2019年11月及12月地面监测站PM10数据，并提取新乡市2019-11-28～2019-12-31的所有成图数据对应地面站点的PM10的值（共11 d的对比数据），如表2所示。

表2 获取的两组数据

对11组PM10数据以地面站点数据为Y轴卫星影像数据为X轴，做回归分析得出回归统计结果为复相关系数值为0.916，说明地面监测站点获取的PM10数据与卫星影像获取的PM10数据呈正相关且相关性很强；F显著性水平值为7.42E-05，该值小于0.005即Sig F值的显著性较强，说明回归模型的回归效果较好，即遥感影像数据能很好地反应地面PM10浓度的变化趋势；因此可以得出卫星影像数据PM10与地面监测站点PM10的值呈线性正相关，即卫星影像数据能准确反映地面监测站PM10变化趋势（图8）。

图8 反演数据与地面数据线性拟合图

通过对11组新乡市地面站点及卫星影像PM10数据进行回归分析，结果显示地面站点数据与卫星影像数据存在很强的相关性，通过卫星影像数据进行地面PM10污染监测可靠且有效。

3 结 语

结合本地环境保护领域应用迫切需求，本文将现有遥感技术应用到实际案例中，并实现了文中所述的两项遥感技术的业务化服务，但由于大气气溶胶多变的时空特性、探测技术精度的限制及地域关键信息的缺失，气溶胶定量反演技术并不完善，城市地区的地表类型复杂，进行气溶胶反演时地表反射率的精度确定非常困难[7]，大气气溶胶定量反演技术仍有较大的提升空间，尤其在气溶胶光学厚度AOD与当地PM10污染指数建立相关模型时具有一定的区域局限性，研究其他区域时，需要重新建立适合的模型。