卫星遥感支撑地球健康体检

文 | 李志忠 洪增林 陈霄燕 刘拓 孙萍萍 赵玮 赵君 王建华 贾俊

1.中国地质调查局西安地质调查中心 2.陕西省地质调查院

3.中国地质调查局西部绿色发展研究院 4.中国科学院空天信息创新研究院

一、引言

众所周知，空间遥感技术的发展为人类提供了从宏观角度认识地球的新方法与新手段。现在可以把地球作为一个完整的系统，来研究地球各圈层的空间结构、相互作用及耦合关系，通过遥感数据的定性定量分析，解决地球的资源与环境等问题。随着人类活动的不断加剧，已逐步影响到地球的健康状况，急需开展有效的地球健康诊断、识别与评估，这就需要充分利用卫星遥感体系的整体效能，获悉地球健康状态，对地球进行全面体检。

地球健康体检已成为21世纪地学研究的重点，谱遥感地球健康体检即综合运用卫星遥感、航空遥感和地面站点、手持终端、岩心光谱扫描等多种监测手段，基于数据挖掘、数据融合、数据协同等关键技术，形成一整套天空地一体化的光谱探测装备和数据处理系统，构建对中国和全球重点区域监测体系，并通过云服务和计算资源保障等，实现对地球健康实时监测；研究危害人体健康的地表表层环境的形成条件、作用机理、分布特点、时空变化规律，进而可用于分析环境条件与元素余缺、人体状态的关系，以及环境演化特点、方向和可变性，为人类科学开发资源、打造宜居宜业环境和防控疾病、应对重大灾害等提供依据。

二、地球健康体检与健康地学

1.谱遥感与健康地学

谱遥感地球健康体检技术是健康地学的重要内容，主要利用遥感等技术手段开展区域乃至全球的重大自然变化监测，具有很高的动态性和时效性，可以为健康地学提供重要基础数据，是健康地学研究的重要手段和工具。

健康地学属环境地球科学领域，是地学、环境学、生态学、医学等多门类交叉学科，主要研究自然环境与人类健康领域的关键科学问题。人是地球生物圈的一员，与岩石圈、水圈、大气圈和其他生物种群共同构成了地球生态系统。人类的健康也往往有着地域特征，与气候、地质条件等地理学背景密切相关。因此通过研究环境中各种元素的来源、聚集、运移，从地质角度寻找解决的技术方法，从而达到土壤或特定地质资源的健康利益产出最大化和有毒有害物质污染及人类暴露最小化，并以此为人体健康、土地规划、产业布局、经济建设提供数据和技术支撑[1]。

2.地球健康体检的主要内容

地球关键带是陆地生态系统中土壤圈及其与大气圈、生物圈、水圈和岩石圈物质迁移和能量交换的交汇区域，也是维系地球生态系统功能和人类生存的关键区域，依据地球关键带理论，将生物、土壤、水体、大气、地质体结构和地质灾害等作为地球体检的重点。借助谱遥感数据获取覆盖广、速度快、光谱连续且蕴藏信息丰富等优势，可从如下方面开展谱遥感地球健康体检项目。

（1）土地健康监测

根据地球健康体检的技术标准体系，基于无人机高光谱遥感技术与土壤地球化学调查技术协同进行土壤水分、有机碳、土壤盐渍化、荒漠化监测、重金属及农药污染等监测评估[2-3]，查明土壤地球化学元素异常分布区域，构建关联模型，从而实现广域范围的宜居土壤等级评价，为人体健康、土地规划、产业布局、经济建设提供数据和技术支撑。

（2）流域性水体健康监测

融合多源光学卫星影像，获取不同尺度水体空间分布特征，有助于流域水体健康监测及系统分析，具体可应用于：水域边界监测。通过比较多期岸线数据，实现水域边界动态变化监测，分析水体季节性变化特点，为汛期灾害防治、政府部门水域利用监管提供科学支撑；水质参数动态监测。分析一定波段内水体的辐射值而获得其光谱特性，据此建立相应的水质参数（泥沙含量、叶绿素浓度等）反演算法，从而实现各项水体水质参数动态监测，对区域水环境健康状况进行等级评价。

（3）大气污染环境健康监测

基于星载高光谱等遥感技术全球覆盖的特点，利用相应波段的高光谱数据对二氧化硫（SO2）和二氧化氮（NO2）等主要污染气体和二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）等温室气体进行定量反演，实现温室气体排放点源及排放量检测、大气污染物的空间分布监测及发展态势[4]。

（4）地质灾害识别与监测

采用多频段、多参数的天空地一体化观测技术，充分运用高分辨率光学影像、航空影像、卫星合成孔径雷达干涉（InSAR）、高光谱影像、激光雷达（LiDAR）等对地观测手段，与地球物理、地面常规探测和观测手段有机结合，有效判读地质灾害孕灾背景、灾害特征、变形速率以及发展趋势等信息，为地质灾害识别、监测、防治、评价以及突发地质灾害应急处置等提供决策依据，实现区域可持续发展[5]。

最终从土壤、水、大气和生态环境健康监测出发，建立典型区地球健康特征光谱库和样本库，并开展天空地一体化遥感调查与评价。构建地球健康评价要素与评价指标体系，研发谱遥感仪器并建设地球健康光谱监测网络及应用示范基地，确定健康地球的光谱谱系，进而完善地球健康高光谱评价技术体系，构建一套应用于大气圈、土壤圈及水圈等生态环境的天空地地球健康体检综合标准体系框架，实现地球健康综合评价。

三、卫星遥感技术与地球健康体检

1.遥感数据源不断改善

目前对地观测（遥感卫星）数据应用种类繁多，卫星遥感技术已显现出高空间分辨率、高光谱分辨率等新特征。

高空间分辨率对地观测。高空间分辨率对地观测技术可满足细节管理要求，用于自然资源、农业、生态、军事等领域的精细信息获取。国际上除常用美国陆地卫星（Landsat）/TM 30m，法国斯波特卫星（SPOT）2.5～20m，Landsat/ETM（全色波段）15m等多光谱数据外，应用较广的高空间分辨率遥感数据以美国世界观测卫星（WorldView）（2007—2016）系列遥感卫星0.3～0.5m、美国地球眼卫星（GeoEye）（2008）0.5m数据为代表，能够提供亚米级分辨率的高清晰地面图像。随着中国空间技术的快速发展，2014年发射的高分二号（GF-2）卫星全色谱段星下点空间分辨率达到0.8m，迈入了亚米级时代。

高光谱分辨率对地观测。高光谱遥感器成像光谱仪可获取连续的几十个甚至几百个光谱通道的地物辐射信息，因此具有“图谱合一”的特性，使地物目标的属性信息探测能力有所增强。常用的高光谱分辨率遥感数据的光谱范围在350～2500nm，覆盖可见光、近红外、短波红外光谱。我国2018年发射的高分五号（GF-5）卫星携带了国际首台宽谱宽幅星载高光谱成像载荷，突破了宽谱宽幅低畸变高灵敏度高光谱成像关键技术[6]。2021年我国先后成功发射高分五号02星及5米光学02星（资源一号02E星），全面提升我国大气、水体、陆地的高光谱观测及自然资源定量化调查监测能力，支撑及时掌控自然资源数量、质量、生态状况及变化趋势，满足在环境综合监测等方面的迫切需求。

2.卫星遥感技术应用不断深化

目前卫星遥感已进入了“精致为用”的新发展阶段，新型探测手段不断涌现，人工智能（AI）、大数据、云计算等前沿技术与遥感技术深度融合，已在国土资源调查、环境监测、防灾减灾、城乡规划、农作物估产等方面得到广泛应用[7]。陆地生态监测方面，我国利用遥感卫星数据已在全国范围内开展多次土地资源监测调查工作；早在2000—2002年，国家环境保护总局先后组织开展中国西部和中东部地区生态环境现状遥感调查[8]，专家学者利用遥感、GIS技术方法分析土地利用和景观格局时空变化特征及生态效益评估等；土地质量监测方面，专家学者基于土壤光谱特征，在土壤物质成分识别和定量反演、土地质量综合评价、土壤类型划分和制图等方面开展了研究分析。

2018年，中国地质调查局在黑龙江省海伦地区开展航空高光谱遥感土壤调查，反演影响土地质量的养分、有益元素、有害元素含量，对黑土地质量进行了综合评价[2-3]；典型湖泊生态监测方面，学者综合利用MODIS等多源遥感数据对内陆湖泊开展了水华、水质、富营养化等遥感监测[9]；大气环境监测方面，利用气象卫星数据分析区域NO2、CH4等温室气体时空变化特征，构建气溶胶光学厚度（AOT）等反演模型，实现区域大气环境污染动态监测[4]；在农业方面，国内外学者通过无监督模式（聚类分析、自组织神经网络等）、有监督模式以及半监督模式等进行作物识别，并开展作物长势监测、作物灾害监测以及作物产量估测等工作。

随着对地观测技术的不断更新发展，高光谱成像技术也将进一步得到提升。建立宽谱宽幅高光谱成像体系，提出更多新型分光方式，突破荧光探测载荷等各领域难题，均为高光谱成像技术未来发展方向。以星载荧光超高光谱探测技术研发为例，若实现该技术的突破，将会提高叶绿素荧光监测、温室气体污染等动态监测和预报的精度及效率，更利于地球健康环境监测，可为全球植被碳汇精准评估，碳中和目标的早日实现提供技术有力支撑。未来可选择有较强应用推广前景的典型地区,与地方区域开展应用集成研究，建立地方性遥感综合监测系统，提高对重大问题的预见和处理能力，也是对地观测技术应用不断深化的重点方向。

3.健康地球的光谱谱系和技术标准体系正在建立

为了能更好地重建健康地物光谱，提高健康地物光谱重建精度并对其真实性进行评价，需要建设一个具有国际先进水平、长期稳定可靠、开放的国家级光谱遥感几何和辐射定标及综合试验场。要通过真实性检验场网等基础设施，采集全球典型地区及典型地物的特征光谱作为“真值”，并建立相应的特征光谱库和样本库，从而形成健康地球的光谱图库。

目前已开展建立地球健康体检的技术标准建设,按照综合标准化研究的方法，构建一套应用于大气圈、土壤圈及水圈等生态环境的天空地地球健康体检综合标准体系的框架。利用构建的地球健康指标光谱分析系统，结合地球健康检查指标体系，可对全球典型地区的土壤养分、物化特性、生产力质量和水环境、大气环境、矿山环境等进行分析与评价。

四、基于遥感技术的地球健康体检

1.高精度小型化光谱传感器的研发

卫星遥感技术通过运用传感器/遥感器对物体实现目标和非接触目标地物电磁波的辐射、反射特性信息的获取。传统大型航天、航空多/高光谱传感器，虽然可实现大面积同步观测，且时效性强、获取信息受限条件少，但是也具有体积质量大、数据获取成本较高、数据精细程度不足等缺点。因此需加强便携式高精度小型光谱传感器的研发，以满足便携和实时性高精度检测需求。手持高精度小型化光谱传感器、轻小型无人机航空器等具有起飞环境要求低、实时性好、低空成像等优点，是卫星、有人机、地面高光谱遥感的有效补充。

2.地基地球健康光谱监测网络

地基遥感监测平台一般搭建于地表或地面以下，可以通过化学分析或光谱测量监测多种土壤、大气等参数。结合全球相关站点和我国真实性检验场网及生态考察站网，如农/牧/林/草业科技站网、国家或行业野外监测站网、水文/验潮站等，构建便携式地面遥感设备建设等遥感平台网与地面监测眼。同时可依据区域特点按不同密度布设不同范围的地面监测物联网，包括地表及地下各类传感器的布设（如联网叶面积指数—LAINet传感器、多功能植被指数—VINet传感器、土壤温湿度—SoilNet传感器、联网物候相机—PhotoNet传感器、联网光谱仪—SpectralNet传感器等）及地表气象站点、全自动太阳光度计等仪器的搭建，实现地物高光谱信息的联网自动观测及土壤温湿度、地表植被、太阳和天空辐射亮度、气候降水、蒸散发等参数的实时动态监测，以生成地表与大气环境的地基地球健康光谱监测网络。

3.空基地球健康光谱监测网络

采用空天同步，利用航空、航天器搭载传感器，可在全球及区域尺度上反映观测对象的宏观分布趋势。通过谱遥感卫星星座组网建设、航空及轻小型无人机遥感建设，联合国内外相关优势技术力量，构建空基地球健康光谱监测网络。

以卫星遥感为主，结合航空和地面遥感手段，形成长期稳定运行的天空地监测体系，通过搭建物联网平台，采用北斗、移动通信、ZigBee无线组网技术进行通信和数据传输，形成协同观测、技术交流、资料交换、数据共享、设施联网、开发利用等合作机制，实现对地球健康长期稳定、全面可靠、精准实时的有效监测[10]。

4.特征光谱重建与地球健康诊断评价

利用高光谱遥感数据，进行地物特征光谱重建与评价，将传感器记录的DN值转化为地物的本征光谱。除常规的波段匹配与校正、坏线修复、几何与辐射校正、噪声去除、遥感器定标等处理外，更需进行图像光谱真实性评价，即利用健康地球的光谱图库对处理后形成的图像光谱进行比对，评价其失真度并进行修正[10]。

基于遥感技术的各地球生态健康指标监测及信息特征提取，可通过遥感影像分类和特征参数定量反演等来实现。遥感影像分类方法主要有包括指数法、监督分类和非监督分类在内的传统算法，对野外实测数据和先验知识具有较强的依赖性；新型算法主要包括面向对象、神经网络、决策树、专家系统分类、随机森林、支持向量机和卷积神经网络分类等，对样本质量和人工智能技术有较强的依赖性，结合各站点实地采集数据，进行信息提取，生成数据集，进行后续分析[10]。

基于获取的地球体检遥感参数数据信息，构建地球健康评价体系并进行综合诊断评估分析，针对全球环境具有重大影响的土壤和生态环境，利用构建的地球健康指标光谱分析系统，对全球典型地区的土壤养分、物化特性、生产力质量和水环境、大气环境、矿山环境、林草/湿地、荒漠化/沙化、污染状况等，结合地球健康检查指标体系进行分析与综合诊断评价。

五、地球健康体检区域示范

本文选取黄河中上游地区、全球黑土关键带地区作为典型示范区开展地球健康体检示范应用，重点围绕土壤、山体关键带的综合监测需求，充分利用卫星、航空、地面高光谱遥感及地球化学调查等技术，以“土壤质量+生态环境”为核心，开展面向地球健康状况的高光谱数据光谱重建与评价，完成土地健康监测及地质灾害监测。

1.黄河中上游地区土地健康监测

黄河流域是我国重要的生态屏障和重要的经济地带，黄河源头三江源是我国重要的生态安全屏障，由于黄河中游地区生态环境脆弱，水土流失等问题突出，亟待系统开展黄河中上游地球健康监测工作。

据黄河中上游地区土地调查与健康监测，区内98.23%的土地无重金属污染风险，适宜绿色农业发展。因矿山开采、人为活动和地质背景等原因，在白银和铜川、兰州和西安、拉脊山等地存在不同程度的点状污染。区内一等优质土壤1221.15万亩，占比18.91%，土壤养分以氮（N）元素缺乏为主；圈定绿色富硒（Se）土地1304.89万亩（硒含量≥0.3mg/kg），为黄河中上游粮食安全、特色产业发展奠定了基础。

选取甘肃白银市为典型区，区内因矿山开采造成土地污染严重，为实现区内土壤生态风险的长期动态监测，应用卫星高光谱技术开展了区内土壤重金属反演，构建了铅（Pb）、砷（As）、镉（Cd）的多光谱预测模型并开展了四龙镇土壤环境质量评价。结果表明，铅、砷、镉元素含量都在一定程度上出现了超标，其中镉元素超标比较严重；高重金属含量在区域范围内没有呈现聚集特征，而是分散分布于区内的不同位置[5]。

2.黄河中上游地区地质灾害监测

在黄河中上游地区采用不同数据源的遥感影像开展了不同精度的地质灾害解译与识别。遥感解译过程中，综合考虑形状、大小、颜色、纹理、位置以及与周边地物的位置关系，基于斯波特五号卫星（SPOT-5）或资源三号卫星（ZY-3）数据开展地质灾害与环境地质条件解译，确定地质灾害种类（图1），划分重点调查区和一般调查区；基于快鸟（QuickBird）或艾科诺斯（IKONOS）卫星数据开展精细化解译，服务重点区域 1∶1万高精度地质灾害调查。

图1 基于资源三号卫星的不同类型地质灾害遥感影像（陕西宝鸡）

综合遥感解译、现场核查与调查结果显示黄河中上游共发育有滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害20504处，其中滑坡10517处，崩塌5768处，泥石流4579处。在此基础上，利用数字高程模型（DEM）进行坡度、坡高、坡向等信息提取，识别危险坡段，结合地形地貌、地层岩性、断裂、地震、降雨和人类工程活动等信息，开展地质灾害易发性区划或风险评价[5]。

3.全球黑土关键带调查与监测

全球黑土地主要发育在中纬度地区，由于其富含有机质，且土壤肥沃，是世界粮食安全的重要保障地区。经过多年高强度开垦，使得黑土地面临着很严重的退化问题，例如土壤侵蚀、盐碱化等，也有部分黑土地由于工业活动受到污染。因此，全球黑土地资源急需抢救性的调查和监测，明确保护方法，并做好可持续的土地利用规划。在全球黑土关键带（建三江、拜泉、海伦等多地）进行了卫星、航空、地面高光谱、地球化学分析准同步数据采集，构建了土壤质量航空高光谱综合评价模型，开展了地物特征光谱重建与评价工作，实现全球黑土关键带遥感调查与健康监测[2-3]。

应用高光谱短波红外航空光谱成像仪（SASI）资料，根据钾（K）、Se、粘土矿物之间的相关性及其光谱特征，通过逐步回归模型，对黑龙江省建三江创业农场中黑土的 K、Se及粘土矿物含量进行了预测，结果表明，利用粘土矿物光谱反演，结合实际地球化学分析结果，可准确预测土壤中硒含量。与传统地球化学图像预测相比，该方法具有更高的预测精度。并以海伦市农田黑土土壤为研究对象，利用111个土壤样本的地球化学测试数据和地面高光谱数据，探索土壤重金属与氧化铁的吸附赋存关系，构建基于氧化铁反演的土壤重金属间接反演模型，对重金属含量模型反演输出值与重金属实测值进行拟合比对，探讨微量重金属间接定量反演模型的可行性和准确性。

六、结语

健康地球的光谱谱系和技术标准体系尚在建立，对于综合运用卫星、航空、地面站点等多种遥感监测手段，实现谱遥感地球体检各项目监测的同时还需确定的参考值，即健康地球的光谱谱系，天空地一体化区域范围内监测体系的构建有待完善。未来卫星遥感地球健康体检要充分利用天空地一体化技术，分层次开展长时间序列大面积动态监测，以及重点区生物、岩石、森林、土壤和水资源等专项模型构建与监测；推动申报“健康地球重大国际计划”；研发谱遥感仪器并建设地球健康光谱监测网络及应用示范基地；将地质学、遥感学、生态学、土壤学、气象学等学科与技术有效结合，实现真正的协同和融合，为建设美丽中国、宜居地球，推动人与自然和谐共生作出贡献。