基于北斗高分系统环境保护应用

张 锐

(山西省信息产业技术研究院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

随着政府职能转变和加强，在空间技术与移动通信、物联网、云计算、大数据时代到来的大背景下，面对政府环境保护和监管领域多元化、业务丰富化、周期频繁化的需求，通过卫星遥感、摄影测量、激光雷达、倾斜摄影、北斗导航定位系统等技术手段，建立环境保护北斗高分应用系统，该系统打通遥感数据推送获取链路，实现对遥感数据处理、分析、专题产品制作，结合北斗卫星导航的定位、通信服务，提高环保移动执法的效率[1-4]。

1 总体设计

建设环境保护北斗应用系统整合多源生态环境监测数据，包括卫星遥感、航空遥感数据以及监测站点实时采集数据、人工定期定点采样数据，充分利用“互联网+”、物联网和大数据等智能信息技术，建设集数据汇交、数据处理、数据共享等功能为一体的开放性生态环境大数据中心和数据资源承载平台。各监测站分别为环保执法人员配备北斗手持RDSS终端，为环保执法车配备北斗车载终端，通过示范可保证环境监测数据传输的实时性、可靠性，同时能确保环保动态监测数据的精准采集。其中包括了环保监控子系统和环保遥感监测应用子系统。

1.1 环保监控子系统

环保监控子系统主要包括对环保监测即执法人员基础信息管理、任务规划、人员调度、定点采样取证以及对环保执法车的实时监管。在系统应用过程中，通过手持北斗/GPS双模定位对巡查人员信息的有效监控，通过车载北斗/GPS双模实时车辆信息的有效监控，同时结合GIS地图服务，提高对指定监测点的土壤、水体等取样巡检管理，提升执法人员和执法车辆的工作效率。图1为环保监控子系统。

图1 环保监控子系统

系统具有以下功能：

人员实时跟踪：通过本系统可以实现巡查人员实时定位，并在电子地图上实时显示人员的行动轨迹。

人员轨迹回放：实现对巡查人员在指定时间段的巡查轨迹进行查询。

信息下发：将环保执法取样点位置及任务信息下发给执法人员，指导执法人员进行环保信息采样。

执法记录/取样取证：执法人员通过手持终端实时记录执法信息，通过文字、照片、视频方式记录并通过终端将信息录入系统。系统根据执法人员上报信息，生成表单，详细记录发现问题的时间、地点、污染情况等信息作为日后执法依据。对于环境样本取样工作，平台对比GIS数据和取样点位置信息，通过北斗手持终端引导取样人员精确取样。

偏离监测：确保执法人员在执法采样过程覆盖指定采样地点环保数据采样工作。

人员任务调度：各级监管系统可以通过平台直接向终端设备发送任务信息。同时系统也可以根据当前巡查人员所在位置、任务所在区域，区域负责人等信息综合考量，自动指派任务。系统自动记录平台向终端设备下发的信息，并提供下发信息的查询功能。

电子围栏：通过平台对执法人员的监测，在地图上设置电子围栏，当执法人员在执法过程中发送越界行为则进行报警。

车辆实时跟踪：通过本系统可以实现对单车、多车同时进行跟踪，并可以通过多窗口的展现形式实现车辆的分窗口跟踪监控，并在电子地图上实时标注车辆的行驶轨迹。在车辆行驶过程中，车辆的行驶信息可以动态的传输至监控窗口，用户可以自行配置车辆行驶信息的显示。

执法路线制定：按照城市环境监测中大气、噪声和辐射监测的要求，制定执法车辆巡检路线，指导执法车巡检线路特定污染物进行动态监测，如对二氧化硫、氮氧化物、工业烟粉尘、重点行业挥发性有机物、可吸入颗粒物、环境噪声、辐射等进行综合监测，并将监测结果通过北斗高分综合应用服务平台公布。

1.2 环保遥感监测应用子系统

充分发掘遥感、气象等卫星数据的特点，针对环境保护工作的重要内容，基于国内外气象卫星数据，包括极轨卫星、静止卫星等，以及多时相、多源遥感卫星数据，从宏观与微观两个层面提供环保遥感监测工具集。结合“气象宏观监测、遥感微观感知”的一体化服务方式，利用气象数据得到的宏观处理结果，利用遥感微观处理结果对气象宏观处理结果进行区域详情补充，从大气环境、水体环境、生态环境三个方面开展环境保护行业应用示范，满足政府用户对环境保护的决策支持和行业用户的业务化需求。

选取晋城市作为示范区域，每年实现每季度一次环保遥感监测应用示范，主要包括气溶胶监测反演、叶绿素a浓度反演、水体悬浮物浓度、水体富营养化程度、水质监测、水土保持监测等专题产品输出；如遇应急突发状况，则按需提供相应专题产品。图2为环保遥感监测应用子系统。

以下为该系统功能:

遥感影像分析组件集：主要为遥感、气象数据产品提供辐射定标、大气校正、气象数据预处理、影像融合、几何校正、影像匹配、影像镶嵌、匀光匀色和影像分类等影像分析功能，植被状态指数VCI、偏差植被指数DVI、距平植被指数AVI等基础影像产品分析等功能。

遥感影像处理组件集：主要为遥感、气象数据产品提供各种影像处理工具，包括格式转换工具、投影转换工具、ROI工具、重采样工具、颜色转换工具、栅格计算工具、波段合成工具、影像裁剪工具、影像增强工具和影像滤波工具等影像处理功能。

气溶胶监测反演：通过气象数据处理可以获取区域地表的大气信息，依据气象卫星数据对气溶胶产品进行宏观监测，结合宏观气溶胶监测产品与遥感卫星数据，对微观气溶胶产品进行精细反演，并与宏观监测结果进行对比分析验证。

叶绿素a浓度反演：利用水体叶绿素a提取模块处理得到水体叶绿素a浓度，对水体富营养化、水体污染等提供基础信息支持。

水体悬浮物浓度：针对河流、湖泊、大型水库等大面积水体，利用极轨气象卫星进行水体黄色悬浮物反演，监测泥沙等悬浮物。

水体富营养化监测：基于水体叶绿素浓度，计算富营养化指数，利用水体富营养化监测模块处理得到水体富营养化程度，同时，基于长时间序列的监测，可以提供大型水利设施对水体水质的持续影响情况。

水质监测：基于气象卫星数据获取大范围区域内的水体悬浮物、蓝藻水华等信息，再利用遥感卫星影像分析具体小范围水体的富营养化、热工业污染、泥沙含量、水华等基础信息，应用于水体水质现状监测、长时间内水质变化分析以及大型水利设施对水体水质的影响等业务方向。

水土保持监测：通过气象数据处理宏观层面的大气含水量、植被指数、陆表温度等基本信息，利用中高分辨率影像确定植被分布的区域、类型及变化信息，对环境监测、水体保持、生物多样性保护等提供信息服务。

2 领域优势

北斗卫星导航技术与遥感数据的结合，可极大提高环境监管力度，提升全省环境质量，使环境治理由先污染后治理的落后办法转变为提早发现，预先治理。提高人民满意度，有效减少环境恢复治理所造成的资金浪费。通过对手持终端的示范推广，提高巡查人员和取证人员的工作效率，减少因传统数据采集技术耗费的人力、物力、财力资源；解决环境治理成本，提高人民满意度。另外，对自动监测站配备北斗数传终端，可有效减少用户对VPN线路的维护、铺设、管理费用。北斗在生态环境监测方面的示范及应用极大提高生态保护相关业务部门的业务办公效率，提高社会公信度；同时，通过与科研院所及高校合作，研究新技术、新方法，提升相关业务部门办公水平；为解决经济社会发展与生态保护的矛盾，为发展与保护并重、“双赢”提供科学的决策依据；对于改善生态环境起到非常关键的作用。