吉林一号卫星在生态环境保护领域的应用

文｜王春月 王栋 朱瑞飞 徐贵贵

1.长光卫星技术股份有限公司

2.吉林省卫星遥感应用技术重点实验室

一、引言

环境是影响人类生存和发展的大气资源、水资源、土地资源、生物资源等的总称，环境与社会和经济的可持续发展密切相关。近年来，随着我国城市化建设的迅速发展，对水土及矿产资源的不合理利用，导致生态环境不断恶化，产生了大气污染、水环境恶化、植被退化、生物多样性减少、水土流失等一系列生态环境问题[1]，严重制约了我国的可持续发展。加强环境保护工作和提高环境监测管理水平变得尤为重要，对人类的生存和发展具有重要意义。

由于技术的限制,传统环境监测手段在生态环境监测的数据采集、动态跟踪、信息处理和分析等方面存在一定的困难，已无法适应大区域生态环境问题的快速发现和生态环境修复监管。卫星遥感作为一种快速、连续、可追溯和范围广的技术,具有对恶劣气候较好的抗干扰能力，可显著缩小时间与人力成本，有利于解决环境保护问题[2]，为中国环保部门的管理工作提供强有力的技术支撑。

目前遥感在环保领域中已有不少应用研究，但是大部分研究利用的是国外卫星数据，不利于推广应用，更难以满足开展环境遥感业务化持续稳定运行的需求。本文以吉林一号卫星在大气环境、水体环境、土壤环境和生态评价及环境灾害等方面的应用为例，介绍吉林一号卫星遥感环保应用的实践情况。

二、吉林一号卫星介绍

吉林一号星座是长光卫星技术股份有限公司在建的核心工程，工程计划由138颗涵盖高分辨、大幅宽和视频等系列的高性能光学遥感卫星组成。目前，吉林一号在轨卫星数量72颗，可对全球任意地点实现每天23～25次重访，具备全球一张图一年更新2次、全国一张图一年更新6次的能力。

吉林一号卫星星座具有高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率、高覆盖率及快速响应能力等特点，可提供丰富的数据产品，包括高分辨推扫数据、视频数据、多光谱数据、夜光数据、立体数据以及惯性空间数据[3]。数据可为农林生产、环境保护、智慧城市、地理测绘、土地规划等领域提供高质量的遥感信息和产品服务。

三、吉林一号在生态环境保护领域的应用

1.大气环境

（1）大气污染溯源

大气监测的手段主要是以地面监测站的污染物测量值判断污染程度并推断污染物源，该方法成本高、范围局限，无法掌握大范围地区的污染情况。

以吉林一号宽幅01星系列高分辨率遥感数据为基础，结合多源遥感数据建立了包含建筑物、裸土扬尘源、工矿和道路等要素的大气污染源数据库，通过耦合大气化学模式和地基监测数据，借助定量反演和人工智能识别大气污染物指数以及污染物浓度的污染高值区，结合排污企业名录等外部数据，分析出长春市污染源类型及位置，实现对大气污染物的反演。长春市某县污染指数结果及对应污染企业位置图见图1。

图1 长春市某县污染指数结果及对应污染企业位置影像

（2）秸秆焚烧

目前我国每年有大量秸秆被当作废弃物焚烧。秸秆焚烧不仅加重了重污染“雾霾”天气，其产生的有毒有害物质也对人体健康带来严重威胁。传统的监管工作滞后严重且存在瞒报现象，卫星遥感技术的发展，为大区域秸秆焚烧提供了强有力的监管手段。

以吉林一号宽幅01星系列高分辨率遥感影像为依托，首先基于HRNet-OCR分割模型[4]与DeepLabv3+分割模型区分秸秆已离田地块与未离田地块；然后基于秸秆独特的光谱特征，通过遥感指数反演秸秆覆盖度；最后用气象卫星火点信息与吉林一号提取的秸秆焚烧地块相结合得到秸秆焚烧地块位置。

（3）裸土扬尘

地表裸土被带入到空气中形成的扬尘是导致大气颗粒物升高的主要因素，对人体健康和环境产生较大的危害。扬尘污染分布广泛，基于传统固定仪器监测和人工巡查的方式，难以发现大空间范围内的扬尘污染来源，且人工巡查的方式费时费力，效率低下，监管存在困难。遥感技术的快速发展为裸土的高效反演识别提供了极大的便利。

以吉林一号宽幅01星系列高分辨率遥感影像为数据源，以吉林省长春市为研究区，以DeeplabV3+算法为基础，耦合注意力网络进一步提高结果的准确性，实现裸土自动化提取，并通过后处理算法对自动化提取结果进行优化，为裸土扬尘源高精度、高频次和大范围的快速识别奠定了基础，裸土的卫星影像见图2。

图2 裸土卫星影像图

2.水体环境

（1）黑臭水体

黑臭水体由于存在底数不清、成因复杂和协调难度大等一系列难题，成为了目前国家和政府重点关注对象，高分辨率遥感技术可以有效识别和监测农村黑臭水体，为消除黑臭水体，提高农村生态环境质量，改善流域水环境提供数据支持[5]。

利用吉林一号宽幅01星对吉林省进行编程拍摄，使用分辨率优于1m的高分辨率卫星影像和分辨率5m的宽谱段卫星影像，选择多模型识别方法，综合反演得到黑臭水体识别模型。同时，配合地面检验设备对利用遥感方式得到的疑似点位进行水质参数测试，在遥感识别和水质测试的基础上形成吉林省农村黑臭水体识别排查清单。

（2）排污口

入河排污口是污染物直接进入水体的最后关口，是水资源保护和水污染防治的关键节点，加强排污口监管对于提高水环境质量和改善水生态具有重要意义。目前我国的入河排污口清查尚不完善，排污口数量、分布和排污规模等都不完全清楚，导致排污口治理因基础数据缺乏变得尤为困难。遥感应用技术的快速发展，不仅降低了人工排查的时间与人力成本，还可以高效准确地完成河道排污口清查工作，实现入河排污口的精准监控，为生态环境质量改善奠定了基础。

以吉林一号宽幅星系列高分辨率遥感影像为数据源，利用深度学习的方法对明渠、泵站和涵闸类型的排污口进行监测。以已处理好的卫星数据和已建立排污口样本库为基础，训练基于深度学习的全卷积单阶段目标识别模型（FCOS），实现对排污口的清查与监督工作（图3）。

图3 排污口卫星影像图

（3）河湖四乱

河湖四乱是指在河湖岸线进行乱占、乱采、乱堆和乱建的违法行为。河湖四乱的监管与治理是管理河湖水域岸线和保护水生态的重要前提。遥感影像具备覆盖范围广、数据量大、时效性强的特点，将遥感监测技术应用于河湖四乱问题的监督，能够减少实地调研的人力消耗，有效提高河湖岸线监管的准确性和时效性，为河湖保护和水政执法提供数据基础。

利用吉林一号宽幅01星对山东省市级河湖进行扫测，结合地物光谱特征、空间关系和几何特征等建立河湖四乱解译标志，通过人机交互手段监测河湖水域四乱行为，对河湖岸线违法信息（包括非法侵占水域、滩地、挖筑鱼塘、采砂、乱堆垃圾等行为）进行提取分析，并对岸线变化进行分析，形成乱占、乱采、乱堆、乱建图层和清单（图4），为河湖监管提供有效的技术手段。

图4 河湖四乱信息典型图斑

3.土壤环境

（1）土壤盐碱化

监测土壤盐碱化分布特征的方法较多，其中卫星遥感技术不需要大量的人力投入，具有探测范围大、光谱信息丰富和观测角度高等特点，可以宏观、快速地获取盐碱地信息，有利于监测区域土地盐碱化分布及程度，为盐碱地整治规划提供数据依据。

以吉林一号高分系列卫星影像为数据源，以吉林省乾安县为研究区，采用DeepLabv3+语义分割方法，引入特征融合策略，使网络保留了比较多的浅层信息，同时加入了深度可分离卷积来对分割网络的速度进行优化，最终得到较好的分割边界。经过DeepLabv3+模型预测得到的结果，再进行Majority/Minority Analysis实现后处理，优化提取结果。最后，使用测试集对提取结果进行精度验证。

（2）非正规垃圾

非正规垃圾堆的露天堆放，不仅侵占土地，还污染大气、水源及城市生活环境，严重影响人们的正常生活和身体健康[6]。传统人工实地调查方法耗时费力，效率低下，并不适合于分布广泛且堆放点易变的非正规垃圾堆，高分辨率遥感技术的发展为非正规垃圾堆的宏观检测和高效管理提供了应用方向。

利用吉林一号宽幅01星对吉林省进行扫测，分别利用DeepLabv3+和Alexnet网络模型模拟非正规垃圾堆放点的人工解译和人工质检的过程，相比于传统遥感人工目视解译方法，实现了非正规垃圾堆放点的自动识别工作，实际应用效果良好。DeepLabv3+模拟人工解译过程的总体精度为0.844，Alexnet网络模拟人工质检过程得到的总体精度为0.696，将此方法应用于2022年的验证样本得到的成果精度为0.690，该方法可在保证识别精度的同时，大大提升工作效率。

4.生态评价

（1）森林碳储量

森林作为陆地生态系统的主体和最大的碳库，对于保持陆地生态系统稳定和维持全球碳平衡具有重要的作用。利用遥感手段对森林碳储量的关键参数进行反演计算森林碳储量，可以有效解决地面调查方法和通量站观测统计方法存在的数据不充足和估算精度不够高的问题[7-9]。

利用吉林一号宽幅系列卫星对吉林省长春市净月高新技术产业开发区进行拍摄，利用CASA模型算法[10]，将遥感因子、温度因子和土壤因子作为输入信息建立光能利用率模型，并根据碳转换系数和分子转换系数，计算森林碳储量。研究结果表明，净月区森林碳储量多为碳储量中值区，高值区主要分布在东北部，低值区主要分布在道路沿线和西南部水库。自监测年5月至10月份，净月区森林碳储量先增加后逐渐降低，与天气存在较为一致的变化规律。并通过与实地调查采样数据对比，长春市净月区森林碳储量估算模型具有一定的可靠性和实用性，可作为森林碳汇估算的重要手段。

（2）自然保护区生态保护状况

生态保护评价可以对自然保护区的保护管理工作提供评价依据。传统方式在计算的过程中需要大量的人力、物力来提取保护区内的地表信息，且多数区域无法进行实地勘探，导致无法保障信息的准确性。通过“遥感数据+人工智能”的方式可以极大地提升自然保护区生态保护状况评价的自动化程度[11-12]。

利用吉林一号宽幅01星对吉林省龙湾国家级自然保护区进行扫测，选用多层感知卷积神经网络（MPCNet）算法作为主体分类技术，从面积适宜性、外来物种入侵度、生境质量和开发干扰程度四方面建立自然保护区生态保护评价指标体系，计算自然保护区生态保护状况指数（NEI），定量评价自然保护区生态保护等级。计算结果表明：吉林龙湾国家级自然保护区生态保护状况处于良好等级，保护区内植被覆盖度较高，水资源充足，主要保护对象的原生生境保护状况整体较好，但是保护区中仍存在部分人类干扰现象，影响生态环境，未来需要加强保护区内人类活动的监督工作。

（3）矿山生态环境质量

在高强度矿山开采背景下，传统的人工实地调查与采样和地面传感器站点观测等监测方法存在明显的时空尺度不匹配和效率低等问题[13]，高分辨率遥感技术由于大尺度、动态观测等特点，能够快速获取大范围的光谱信息，逐渐成为矿区生态监测不可或缺的方法[14-16]。

利用吉林一号宽幅01星对吉林省白山市浑江区矿山进行周期性扫测，利用人机交互的解译方式提取矿区，并利用耦合矿区绿度、湿度、热度和干度4大生态要素的遥感生态指数（RSEI）对浑江区矿山进行生态环境质量评价。评价结果显示，矿区的生态环境质量等级为差，城镇的生态环境质量等级也较差，林地和草地区域生态环境质量等级为优。自2009年至2021年，浑江区生态环境质量逐渐改善，整体由较差逐渐过渡到较优，但是由于缺少相应的矿山生态整治措施，导致矿区生态环境质量逐渐下降，从较差逐渐过渡到差。根据遥感生态环境质量评价结果，加强矿区生态环境监督，恢复矿区生态系统势在必行。

5.环境灾害

（1）洪涝灾害

传统的洪涝监测方法是人为对受灾地区进行测量制图，不仅人力成本高，监测范围受到极大限制，不能及时有效地传递洪水监测信息。遥感技术的蓬勃发展为洪涝灾害提供了强有力的监测手段，也为抢险救灾和灾后重建起到至关重要的作用。

2022年，广东省英德市“6·18”特大暴雨洪涝灾害中，以吉林一号宽幅星为数据源，以广东省英德市为研究区，通过使用DeepLabv3+语义分割网络提取英德市灾前和灾后的水体矢量，再经CascadePSP方法优化水体范围，实现针对高分辨率卫星遥感影像的洪涝监测（图5）。该方法效果理想，处理速度较快，可以为救灾抗灾、灾情评估、灾后重建提供重要的数据支撑。

图5 英德市洪涝灾害卫星遥感监测

（2）海洋溢油

海上溢油事故会产生大面积的油膜覆盖在海表，对海洋生态环境、海洋养殖业和沿海自然景观等造成破坏，因此需要对海洋溢油问题进行有效监测。采用遥感手段实现大范围、全天候的溢油动态监测，可以有效提升海洋溢油的遥感监测的准确度，降低溢油事故对海洋生态环境的危害。

利用吉林一号宽幅系列卫星对我国海洋进行周期性扫测，采用人机交互方式提取海洋海域船舶和石油平台分布信息，结合多源遥感分析溢油状况的光学影像特征，对不同溢油污染类型进行大范围和全天候的定性与定量监测，可为提高海洋海域溢油风险防控水平以及相应海洋溢油事故应急处理提供一定的技术支撑和方法借鉴。

四、结语

随着我国城市化建设的迅速发展，生态环境问题日益突出，给环境保护工作带来了新的挑战。吉林一号卫星星座高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率、高覆盖率及快速响应能力等特点，可提供多种数据产品，在我国环境保护中得到了广泛的应用，并且正在朝着更高空间分辨率和时间分辨率的方向快速发展，为生态环境保护提供强有力的技术支撑。