卫星遥感技术县域应用现状及前景分析

刘 剋

北华航天工业学院 河北廊坊 065000

一、概述

2005年国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》(国发〔2005〕44号)，将高分辨率对地观测系统(简称“高分专项”)确定为16个重大专项之一，得益于高分专项的引领和贡献，中国对地观测系统呈现出蓬勃发展的态势[1]。2015年《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)》(发改高技〔2015〕2429号)，提出了支持民间资本投资卫星研制和系统建设，增强发展活力，开拓了我国卫星遥感产业发展国家带头，民营跟进，百花齐放的新格局。2021年3月11日，十三届全国人大四次会议表决通过的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要的决议》也提出“建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施，增强数据感知、传输、存储和运算能力”。为卫星遥感以国家民用空间基础设施建设成果为基础，借助云计算、大数据和互联网+等，为开展更为精准的服务提供了契机。

遥感在地球科学、环境科学、资源科学与全球变化研究中具有宏观动态的优点，是不可替代的全球观测手段，是实施可持续发展战略的基础性技术支撑[2]。我国已形成以资源、海洋、风云等卫星系列为代表的遥感卫星监测体系，初步具备了全天时、全天候对地观测能力，构建了涵盖国土资源、农业、林业、环境保护、气象等多行业领域应用的对地观测和遥感应用技术体系。随着民营卫星遥感产业的不断壮大，已形成以国家遥感卫星为骨干，以民营遥感卫星为辅的从卫星遥感数据采集、提取到应用的全产业链条体系。随着无人机遥感技术的发展，“立体组网，协同观测”已逐步成熟，遥感应用与大数据、云计算、物联网和互联网+等信息技术深度融合，遥感应用已直接面向大众，空间信息服务开始步入千家万户[3]。

2020年，我国在轨运行的遥感卫星已超过200颗，光学和雷达卫星的最高地面分辨率均优于0.5m，卫星应用体系更加完善[4]。卫星遥感为国家和省级政府部门提供了长序列、可持续、科学的宏观辅助决策信息。我国有接近3000个县级行政区，美丽乡村建设的持续进行和遥感产业化向更深层次、更多领域发展，卫星遥感如何更好地服务于更小尺度的区(县)域地方经济和社会发展，是遥感产业化发展在满足政府服务需求的基础上，开展区域应用和大众应用的新途径。

二、县域遥感应用现状分析

鉴于县级行政区的管辖范围相对较小，遥感在县域的应用以多部门并行和协同为主，具有很强的综合性、地域性和微观性，且需求变化快，如何在较小的空间尺度(1000～2000km2)，甚至更小的空间细节上体现遥感观测优势，传统的卫星遥感数据获取、处理、地物及其现象的反演和预测，以及成果输出等应用模式方面，从中高尺度到小尺度的转换、更新和创新。所需的遥感卫星多以高空间、高时间和高光谱分辨率为主，同时，鉴于成本和精准度考虑，重点区域需辅以无人机数据服务，具体来说，遥感在县级行政区的应用现状按照行业可分述如下。

(一)国土资源

卫星遥感国土资源调查与监测主要包括：土地利用现状调查与分析、土地利用与覆被变化遥感监测、监管、矿产资源遥感调查与监测、矿山开发监测、地质灾害监测、地质隐患调查等国土资源微观调查与监管业务应用[5]。

县域土地利用现状调查是县域遥感的核心业务之一，鉴于卫星遥感的实时性、客观性以及详细的最新土地利用现状数据，可以从整体上了解县域经济和社会的发展现状，真实展示美丽乡村、精准扶贫等建设成果，利于辅助决策，因此，也是政府部门亟须的重要数据。土地利用现状调查的核心是高精度的土地利用分类，以GF-1和GF-2、ZY-3、Landsat-8、Sentinal-2以及部分小卫星星座等高、中等空间分辨率数据作为土地利用现状调查的主要数据源，野外核查以无人机和地面实勘为主。

不同时期的土地利用分类结果，可进行影像比对以及土地利用变化分析，及时发现违法的土地利用变更。如果与经济和社会发展数据相结合，利于获取土地利用变化影响因子及进行权重分析。另外，县域资源调查和分析因县而异，比如，煤矿产区可能需要煤矿的生态恢复的调查，而地质灾害易发区域，则需要进行崩塌、滑坡或泥石流等的常态化，可持续监测。

(二)农业

农业是遥感技术应用最重要和广泛的领域之一，涵盖了农田辐射传输机理及作物参量遥感反演、作物遥感分类与识别、农田养分遥感与变量施肥决策、作物产量与品质预测、农情遥感监测与预报、农业遥感监测空间决策支持系统等[6]。可概括为作物种植面积获取和作物长势监测，以及农业遥感监测的信息化，监测对象主要为大宗粮食作物和特色农业。

县级小尺度区域作物种植面积的获取，一般在基于农业用地掩膜的基础上，精确区分地块的作物种类，需要高空间和高光谱分辨率的卫星遥感数据，同时，还需考虑作物的物候信息等，要求精度高，作业难度大，既是县域农业遥感比较缺乏的基础资料，又是进行农作物长势监测的基础。作物长势监测涉及土壤墒情、土壤养分以及作物病虫害等。

土壤墒情监测与气象条件、土壤的物理特性和水分条件、作物种类及生长情况密切相关，通常以微波卫星遥感数据模型为主，光学卫星数据模型辅助的方法进行监测。土壤养分的遥感反演主要以裸土或稀疏覆盖下的土壤为研究对象，以土壤反射率光谱的形状和吸收特征为依据，建立反演模型。

遥感监测作物病虫害主要依赖于作物受不同胁迫影响后发生的光谱响应，作物在受到病虫侵害后，常破坏色素系统，导致不同波长范围的反射率改变，如红边蓝移现象[7]。病情程度和病害光谱诊断模型的构建方法较多，在确立病虫害的光谱响应特征后，通过更高精度卫星影像、无人机航拍或地表实勘的方法将这种关系扩展至地块、区域等较大的空间尺度，从而进行相关区域的病虫害监测。

随着我国经济的快速发展，特色农业已经是农业经济不可或缺的一部分，经济作物的种植状况监测也是县域遥感的重要内容，比如设施蔬菜、大蒜、生姜、油葵、橡胶等各具地域优势作物，以作物的种植面积监测为主，可为地方政府摸底管辖区域特色农业种植情况提供科学支撑。

(三)林业

县域林业遥感的应用主要涉及森林资源调查、森林病虫害、林火监测和乱砍滥伐等。森林资源调查是林业用地自然和非自然属性的调查，为合理地经营森林资源提供科学依据。森林资源清查分为三类，其中以县林业局(场)经营单位全面详查为二类森林资源清查，首要进行森林区划(林班、小班)，然后对小班中的各项因子进行详查，是县域林业遥感调查的主要内容，利用中高空间、高光谱分辨率卫星影像，与有人机、无人机航拍(光学、激光雷达)数据结合，参与森林覆盖率、森林蓄积量、森林区划、地类判读、部分林分因子的判读和量测，以及林相图的编绘等。

病虫害是森林的主要灾害。森林受到病虫害侵袭后，林木的外貌树冠形态和内部生理结构都会出现异常，影响到林木的反射率，表现为易于被遥感卫星传感器捕捉到的光谱特性的变化，从卫星遥感影像光谱值的变化和纹理结构的异常等可判断其受到的侵害程度[8]。卫星遥感可监测森林病虫害发生、发展的过程并估测损失，利用卫星遥感影像监测森林病虫害主要技术方法包括：影像分类、影像差值/比值、影像处理(缨帽变换、主成分分析、纹理分析等)、植被指数、光谱分析、数学方法(多元回归、人工神经网络与深度学习)等。

疑似火点的发现是林火监测的重点，过火面积的提取利于损失评估和灾后恢复的决策。疑似火点的发现强调准确性、及时性，通常以实时性强的气象卫星数据为主。我国已有利用NOAA、FY和MODIS(载荷)等遥感数据的林火监测系统。同时，在火灾发生时，利用GF-4等凝视卫星，可以近实时动态监测火势的变化。利用卫星遥感技术估计过火面积，主要是根据火灾前后地表辐射特征的变化来确定过火像元，主要体现在近红外波段地物反射率的迅速下降，通过选择过火像元和未过火像元在近红外通道反射率的差异，利用域值法可以提取过火区。针对县级区域的乱砍滥伐则较少，主要为森林覆盖率高的局部小区域由林地变成农田、建设用地等用地性质的变化。

(四)环境保护

大气、水、土壤和城市环境，是环境遥感的主要监测对象。大气环境监测以大气污染监测为主，目的是解析大气多组分污染物时空分布，县级行政区城乡结合部散乱企业污染严重，准确快速地确定环境污染重点区域是县域大气环境遥感监测的主要内容，通常监测的指标为灰霾、PM2.5、PM10和SO2浓度等相关大气环境参数。灰霾识别是灰霾监测分析和统计的基础，通过灰霾光学厚度的反演，开展灰霾污染等级划分以及灰霾频次和面积的统计分析。PM2.5浓度反演主要有两种方法：其一，反演不同尺度的气溶胶光学厚度，结合气象因子进行近地面的PM2.5浓度估算；其二，以卫星遥感的气溶胶光学厚度监测结果为数据源，辅以气象要素通过统计分析来估算PM2.5浓度[8]。PM10浓度反演和PM2.5类似。SO2气体容易氧化形成硫酸盐气溶胶，是城市大气细颗粒的重要组成部分，遥感反演SO2柱浓度通常以OMI传感器数据为基础，通过主成分分析或波段残差法获取。同时，不同时空污染情况和空间化的污染源(相关企业等)进行空间数据的叠加，并建立缓冲区，可进行污染溯源分析。

水环境遥感以水体面积获取和水体污染状况分析为主，内陆水体多为二类水体，以大江大湖等比较宽广的水域监测为主，县域遥感则以中小河流、坑塘监测为主。卫星遥感提取水域面积的方法很多，提取瞬时面积精度较高，但水域面积变动大。常规的水质监测参数主要有水体富营养化程度(Chl_a)、总悬浮物(SS)浓度、化学耗氧量(COD)、生物耗氧量(BOD)、总磷(TP)和总氮(TN)等，由于小面积水域易于受到外界影响，水体污染指数不稳定。同时，根据河流、坑塘的污染时空差异程度，可进行污染溯源分析。

土壤环境监测以土壤重金属含量监测为主，县域遥感开展较少，城市环境遥感的监测以城市热环境监测为主，通常以气温或者LST的城郊差异作为城市热岛强度，县级行政区市区面积相对较少，对城市热岛现象的关注较少。

(五)其他行业

遥感技术已广泛应用于国土、农业、林业、环保、城建、地质、海洋、气象、国安、军事等众多领域。在县级较小的城市区域内，城市建设与遥感结合可应用于城市测绘、环境和规划等；遥感应用于地质调查和资源勘查以区域地质调查、工程地质勘查、矿产地质勘查、环境地质勘查以及地质灾害的监测和预警为主；县域海洋遥感与近岸养殖联系较多；遥感与“雪亮工程”等结合，可提供空间化的信息检索和监测。

三、遥感在县域应用中的问题分析

卫星遥感的应用涉及依据监测区域的要求进行的数据获取、处理、分析以及建模和显示的过程。县域遥感的应用起步较晚，不可避免会遇到较多的问题。基层人员的遥感认知能力、卫星遥感的数据获取能力、遥感技术应用的空间尺度转换、应用需求的复杂性等方面都存在需要克服的问题。

(一)遥感知识认知程度的偏差

遥感是一门新兴交叉学科，是一门先进的、实用的探测技术。遥感与气象学、生态学、地理学、环境科学等诸多学科的深度交叉，提供了大气、陆地、海洋等地球不同圈层复杂多变的物理、化学、生物学信息，刻画多尺度空间异质性和长时间动态变化过程[9]。遥感知识专业性强，门槛高，如何突破遥感应用瓶颈所在，深入应用一线，是开拓遥感应用领域的关键。县级基层人员普遍缺乏遥感应用的专业知识，在初期的应用需求对接中，进行较为系统的遥感基础知识的培训十分必要，利于遥感与一线业务结合，客观地认识和利用遥感的应用能力。

(二)遥感应用需求的特殊性和个性化

县域遥感的应用由于和业务关联度高，一般较为具体，兼具遥感应用的普适性和特殊性，普适性表现在农业中的作物种植面积、林业中的森林资源普查和环境保护中的大气环境、河长制水环境等遥感应用较为成熟的领域；而特殊性表现在地域特色和遥感监测需求的个性化，地域特色主要体现在本域所特有的经济作物，矿山生态、地质灾害以及设施蔬菜等，个性化需求则体现在林火的预判、病虫害的预判、小水电改造监测等方面。因此，遥感应用要协调好监测成本和监测效果。

(三)遥感数据获取的高时空分辨率要求

高时间、高光谱分辨率的卫星遥感数据像元尺度普遍在百米以上，而高空间分辨率的数据重复周期则较长，且多云多雨区域获取难度更高。县域遥感应用的特殊性普遍要求数据的高时空特性，其原因一是遥感专业人员和基层应用人员的知识能力差异造成的理解偏差，其二为县域遥感本身要求的具体化，因此需要遥感卫星的协同观测，在必要的情况下，开展“天空地”一体化立体组网，尤其是南方多云多雨区域，高精度的数据要求会大大提升监测成本。

(四)遥感应用技术空间尺度的转换

卫星遥感应用以全球、国家级和省级区域为主，而县级行政区多在2000km2以内，遥感的定量反演的模型存在尺度上的时空差异，鉴于此，县域遥感的应用多数为专业技术人员通过经验判断、识别和大量人工运算获取遥感信息产品，大大降低了遥感应用的实时性和作业效率。因此，建立一套适合于微小尺度应用的遥感应用理论、技术和方法，更利于遥感应用深入基层。

四、遥感在县域应用中的前景分析

随着小卫星星座、无人机等平台的迅猛发展，遥感技术将具备多尺度时空同步智能对地观测的新阶段，其空间、光谱和时间分辨率都会有极大的提高，对县域行业领域应用需要的范围小、精度高、频次强且具地域特色的要求，将提供更为客观的数据和信息产品。同时，大数据、云计算和机器学习技术大大推进了海量遥感数据的快速处理和分析，互联网+拉近了遥感和用户之间的距离。基于此，卫星遥感在县域国土资源、农业、林业、环境保护等行业的应用将更具智能化，更贴近用户。县域国土资源遥感的应用将在自动高精度土地利用分类的基础上，动态变化的常态化监测将为国土执法、国土规划等提供及时的科学支撑，为矿山生态恢复等提供持续的跟踪和多期遥感评价；农业遥感的应用将精确到地块，实现土壤墒情、作物长势和作物估产的精细农业遥感分析，并实现设施蔬菜、经济作物等的精确定量反演；县域林业遥感将参与碳交易，高光谱遥感将提供自然林的树种识别能力，针对经济林的经济产出进行评价，同时，实现森林病虫害和林火的及时发现、动态跟踪、治理效果以及灾后恢复的遥感诊断和分析。在环境保护领域，随着我国绿水青山、美丽乡村建设的不断深入，卫星遥感将为保护县域大气、水、土壤和城市环境，维护居民安居乐业提供可持续的、周期性的服务。随着智慧城市建设的进行，县域遥感的应用深度将不断加深，应用领域不断扩展。

五、结论

目前我国已形成“高分”“资源”“风云”“海洋”和“环境”等卫星系列的业务化运行能力，随着高景一号、吉林一号、珠海一号等越来越多的小卫星星座不断完善，具备了全天时、全天候的对地观测能力和种类齐全的对地观测服务体系，可为国家和各级政府部门提供大量科学的辅助决策数据和信息。

我国有1300多个县、2800多个县级行政区，随着我国由“航天大国”向“航天强国”的不断迈进，卫星遥感在县域经济和社会发展中将具有很大的应用潜力。在传统遥感应用的基础上，随着基层人员对遥感认识的不断深入和遥感专业化门槛的不断降低，基于云计算和云存储的一站式遥感服务支持下，通过互联网+移动客户端的帮助，针对县域多领域遥感的信息服务产品生产、产品精度验证和遥感常态化服务将更加适宜于非专业人员，为卫星遥感服务于基层提供更为全面的数据、更为快速的运算和更为贴切的服务。