楊 一 鵬,韓 福 麗,王 橋,蔣 衛(wèi) 國(guó)
衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用:進(jìn)展、問(wèn)題及對(duì)策
楊 一 鵬1,韓 福 麗2,王 橋1,蔣 衛(wèi) 國(guó)3
(1.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094;2.武警北京指揮學(xué)院科技教研室,北京 100012;3.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)
從國(guó)家環(huán)境保護(hù)管理對(duì)衛(wèi)星遙感技術(shù)的需求入手,主要論述了水環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)展情況,介紹了環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星工作進(jìn)展以及已開展的環(huán)境遙感基礎(chǔ)研究及應(yīng)用示范工作現(xiàn)狀;從環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)專用衛(wèi)星載荷、應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)及業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)等方面指出了衛(wèi)星遙感技術(shù)在我國(guó)環(huán)保應(yīng)用中面臨的主要問(wèn)題,并針對(duì)性地提出了環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)與應(yīng)用方面的對(duì)策和建議。
衛(wèi)星遙感;環(huán)境保護(hù);水環(huán)境;大氣環(huán)境;生態(tài)環(huán)境
隨著全球環(huán)境問(wèn)題日益突出,環(huán)境災(zāi)害與環(huán)境事故頻發(fā),衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理中得到大量應(yīng)用,在環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮的作用受到國(guó)際社會(huì)的高度重視。美國(guó)、日本及歐洲的一些國(guó)家近年來(lái)都在大力發(fā)展環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)。目前在軌運(yùn)行的和計(jì)劃發(fā)展的國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星傳感器提供數(shù)據(jù)的空間分辨率已從公里級(jí)發(fā)展到亞米級(jí),重復(fù)觀測(cè)頻率從月周期發(fā)展到幾小時(shí),光譜波段跨越了可見光、紅外到微波,光譜分辨率從多波段發(fā)展到超光譜,遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)正走向?qū)崟r(shí)化和精確化,衛(wèi)星遙感應(yīng)用正在向定量化和業(yè)務(wù)化快速發(fā)展[1]。
當(dāng)前,我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)十分繁重,特別是對(duì)基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)有著迫切需求。1)水環(huán)境質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)方面,需要監(jiān)測(cè)淮河、海河、遼河、松花江、三峽庫(kù)區(qū)、太湖、滇池、巢湖等流域和湖泊的水質(zhì)環(huán)境,需要監(jiān)測(cè)渤海、東海、長(zhǎng)江口、珠江口等重點(diǎn)海域和河口地區(qū)水質(zhì)環(huán)境,需要開展飲用水源地水土保持、水源涵養(yǎng)、面源污染遙感監(jiān)測(cè),調(diào)查和監(jiān)控有毒有害物質(zhì)的工業(yè)污染源及工業(yè)污水排放口。2)大氣環(huán)境質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)方面,需要監(jiān)測(cè)京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角三大區(qū)域以及遼寧中部、山東半島、武漢城市群、長(zhǎng)株潭、成渝、臺(tái)灣海峽西岸六大城市群大氣污染,對(duì)重工業(yè)區(qū)的二氧化硫和氮氧化物排放進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè),對(duì)大中城市及其近郊酸雨污染嚴(yán)重和大氣二氧化硫排放量較大的重點(diǎn)污染源進(jìn)行遙感監(jiān)控,對(duì)煙塵排放濃度高的火電廠進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè),對(duì)有毒廢氣污染源進(jìn)行遙感核查。3)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)方面,需要對(duì)區(qū)域和流域生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),對(duì)全國(guó)和重點(diǎn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行定期評(píng)價(jià)。如對(duì)自然保護(hù)區(qū)、重要水源涵養(yǎng)區(qū)、防風(fēng)固沙區(qū)、水土保持區(qū)、重要物種資源集中分布區(qū)等國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)以及天然林保護(hù)、草原植被恢復(fù)、退耕還林、防沙治沙等生態(tài)治理工程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),對(duì)重點(diǎn)區(qū)域和流域土壤環(huán)境、農(nóng)村生態(tài)環(huán)境進(jìn)行遙感調(diào)查。4)重大環(huán)境災(zāi)害與事故遙感監(jiān)測(cè)方面,需要監(jiān)測(cè)地震、滑坡、泥石流、干旱、洪澇、雪災(zāi)等重大自然環(huán)境災(zāi)害,需要對(duì)水華暴發(fā)、沙塵暴、化學(xué)品泄漏、赤潮、海上溢油等重大環(huán)境事故進(jìn)行監(jiān)測(cè),跟蹤調(diào)查重大環(huán)境災(zāi)害及事故的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程,并綜合應(yīng)用3S技術(shù)對(duì)重大環(huán)境災(zāi)害、事故危害及影響程度進(jìn)行全面評(píng)估,對(duì)環(huán)境災(zāi)害及事故恢復(fù)重建進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。5)國(guó)家及地方重大工程項(xiàng)目環(huán)境影響遙感監(jiān)測(cè)方面,需要監(jiān)測(cè)三峽工程、南水北調(diào)工程、青藏鐵路工程、西氣東輸工程、京滬高鐵工程等重大工程的環(huán)境影響及其變化,并綜合應(yīng)用3S技術(shù)進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)。6)全球環(huán)境變化遙感監(jiān)測(cè)方面,需要開展二氧化碳、甲烷等溫室氣體以及碳通量、碳平衡等監(jiān)測(cè),及時(shí)反映全球變化敏感區(qū)域的環(huán)境動(dòng)態(tài)變化,為國(guó)家參與國(guó)際溫室氣體減排、碳貿(mào)易談判以及履行《聯(lián)合國(guó)氣候變化公約》、《京都議定書》規(guī)定的各項(xiàng)義務(wù)提供技術(shù)支撐。由此可見,衛(wèi)星遙感技術(shù)在我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與實(shí)際的應(yīng)用范圍及領(lǐng)域非常廣,是當(dāng)前環(huán)境保護(hù)管理的重要技術(shù)手段之一,為我國(guó)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。
水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)由于遙感機(jī)理不同分為海洋水色衛(wèi)星遙感和內(nèi)陸水體衛(wèi)星遙感。內(nèi)陸水體環(huán)境比海洋水體環(huán)境復(fù)雜得多,水域面積相對(duì)小且污染類型多樣,要求衛(wèi)星遙感有更高的空間分辨率和光譜分辨率。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在海洋水色衛(wèi)星遙感方面已開展業(yè)務(wù)化運(yùn)行,監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要為葉綠素a、懸浮物、水溫等,代表性的衛(wèi)星平臺(tái)和傳感器有美國(guó)的 Seastar/SeaWiFS、EOS-TERRA&AQUA/MODIS及 歐 空 局 的 ENVISAT/MERIS、日 本 的ADEOS/GLI、印度的IRS/OCM 等;在內(nèi)陸水體衛(wèi)星遙感應(yīng)用方面處于科研和應(yīng)用示范階段,尚未達(dá)到業(yè)務(wù)化運(yùn)行程度,監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要為葉綠素a、懸浮物、可溶性有機(jī)物、水溫、透明度等。通常用空間分辨率較高的陸地衛(wèi)星系列,如美國(guó)的Landsat/TM系列、法國(guó)的 SPOT/HRV 系列、印度的IRS-1/LISS-Ⅲ系列以及高光譜衛(wèi)星如美國(guó)的EO-1/Hyperion等[2-4]。我國(guó)在海洋水色遙感方面已基本開展業(yè)務(wù)化運(yùn)行,監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要為海洋水溫、葉綠素a、懸浮物、海冰等,衛(wèi)星有海洋衛(wèi)星系列的HY-1A、HY-1B和風(fēng)云衛(wèi)星系列的FY1C和FY1D;在內(nèi)陸水體衛(wèi)星遙感方面,受高時(shí)空分辨率和高光譜分辨率的限制,目前我國(guó)主要是利用歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)[5]。環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星(HJ-1)、中巴資源衛(wèi)星(CBERS)等國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星受技術(shù)因素限制,對(duì)內(nèi)陸水環(huán)境指標(biāo)反演效果不甚理想。目前我國(guó)內(nèi)陸水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)主要集中在太湖、巢湖、滇池及三峽庫(kù)區(qū)的藍(lán)藻水華動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
20世紀(jì)70年代以來(lái),歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在使用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠、臭氧(O3)、二氧化硫(SO2)、二 氧 化 氮 (NO2)、二 氧 化 碳 (CO2)、甲 烷(CH4)等氣體的光學(xué)厚度和濃度方面取得了顯著進(jìn)展。在大氣氣溶膠、O3、沙塵暴監(jiān)測(cè)等方面基本達(dá)到業(yè)務(wù)化應(yīng)用程度,在SO2、NO2、CO2、CH4、CO 等污染氣體監(jiān)測(cè)方面正在進(jìn)行科學(xué)研究和應(yīng)用示范??傮w看,由于這些物理量的成分較小,且波譜特征較為簡(jiǎn)單,衛(wèi)星遙感對(duì)大氣污染參數(shù)監(jiān)測(cè)能力較弱,多數(shù)偏重于氣溶膠、溫度、濕度等氣象參數(shù)以及O3、CH4等溫室氣體監(jiān)測(cè)。但是由于大氣成分監(jiān)測(cè)對(duì)象在紫外、可見光、紅外波段的吸收特性和對(duì)不同波段太陽(yáng)輻射的差異,綜合利用常規(guī)的可見光、紫外等高光譜遙感,仍然可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境的遙感監(jiān)測(cè)和分析。用于大氣監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星傳感器主要有美國(guó)的NOAA/AVHRR、EOS-TERRA&AQUA/MODIS、TERRA/MOPITT 和 歐 空 局 的 ENVISAT/SCIAMACHY、ERS-2/GOME、METOP-1/GOME-2及日本的 ADEOS-Ⅱ/TOMS&TOVS等[6-8]。我國(guó)用于大氣污染監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星傳感器較少,主要為風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星(FY)和環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星(HJ-1),可進(jìn)行氣溶膠、臭氧探測(cè)、沙塵暴等監(jiān)測(cè)。
近30年來(lái),美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家和聯(lián)合國(guó)等國(guó)際組織利用多源遙感信息,在土地利用/土地覆蓋分類、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)、大尺度生態(tài)系統(tǒng)狀況評(píng)估、生物物理參數(shù)信息提?。ㄈ缰脖恢笖?shù)NDVI、葉面積指數(shù)LAI、蒸散量ET、初級(jí)生產(chǎn)力NPP、地表反照率Albedo、陸地表面溫度LST等)等方面取得了突出成績(jī)。生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)通常用空間分辨率較高的陸地衛(wèi)星和傳感器,如美國(guó)的Landsat/TM 系列、法國(guó)SPOT/HRV 系列、印度IRS-1系列以及高光譜衛(wèi)星如美國(guó)的EO-1/ALI等。20世紀(jì)90年代以來(lái),美國(guó)環(huán)保局(EPA)聯(lián)合有關(guān)部門開展了多尺度土地覆蓋項(xiàng)目,建立了以Landsat TM/ETM+為信息源的國(guó)家級(jí)一、二級(jí)分類的土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù),并實(shí)現(xiàn)5年左右周期的動(dòng)態(tài)更新。聯(lián)合國(guó)于2001年6月啟動(dòng)了千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估項(xiàng)目(MA),其主評(píng)估報(bào)告在2005年發(fā)布,該項(xiàng)研究綜合利用衛(wèi)星遙感等技術(shù),以生態(tài)系統(tǒng)與人類福祉為核心,首次在全球尺度上系統(tǒng)、全面地揭示了各類生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)、未來(lái)變化的情景和應(yīng)采取的對(duì)策,對(duì)國(guó)際社會(huì)和許多國(guó)家產(chǎn)生了重要影響[9]。我國(guó)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)起步相對(duì)較晚,但在土地利用/土地覆蓋分類、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)、大尺度生態(tài)系統(tǒng)狀況評(píng)估、生物物理參數(shù)信息提取等方面基本跟上了發(fā)達(dá)國(guó)家的步伐。首次系統(tǒng)、全面地采用遙感技術(shù)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作始于1999-2002年開展的中國(guó)西部地區(qū)和中東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查,通過(guò)采用美國(guó)的Landsat/TM系列、法國(guó)SPOT/HRV系列、中巴資源衛(wèi)星CBERS系列等多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行土地生態(tài)分類、水土流失監(jiān)測(cè),以景觀生態(tài)學(xué)的方法進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估,并在一些典型的生態(tài)區(qū)/流域開展了區(qū)域生態(tài)評(píng)估與脆弱性分析,取得了較好的成效[10]。
環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座系統(tǒng)是我國(guó)繼氣象、海洋、資源衛(wèi)星系列之后的新型對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。1998年,原國(guó)家環(huán)??偩?、國(guó)家減災(zāi)委、航天科技集團(tuán)聯(lián)合提出了建立環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座的建議。2002年,國(guó)家批準(zhǔn)該星座立項(xiàng)。項(xiàng)目計(jì)劃第一期建立由2顆光學(xué)小衛(wèi)星(HJ-1A、B)和1顆合成孔徑雷達(dá)小衛(wèi)星(HJ-1C)組成的“2+1”星座,簡(jiǎn)稱“環(huán)境一號(hào)”(代號(hào)HJ-1)。此后,計(jì)劃采取資源共享和國(guó)際合作方式,最終完成由4顆光學(xué)小衛(wèi)星和4顆合成孔徑雷達(dá)小衛(wèi)星組成的“4+4”星座;其總體目標(biāo)是通過(guò)建立由多顆小衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng),提高我國(guó)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)能力,實(shí)現(xiàn)大范圍、全天候、全天時(shí)、動(dòng)態(tài)的環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測(cè)。
2008年9月6日,環(huán)境一號(hào)A、B衛(wèi)星成功發(fā)射。目前衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)良好,A、B衛(wèi)星到達(dá)預(yù)定軌道位置,環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星星座系統(tǒng)初步建立,衛(wèi)星搭載的寬覆蓋多光譜可見光相機(jī)(CCD)、紅外和高光譜相機(jī)運(yùn)行基本正常,形成了同一地區(qū)兩天覆蓋一次的數(shù)據(jù)獲取能力。環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)初步建立后,隨即開展了環(huán)境一號(hào)A、B衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)和在軌應(yīng)用測(cè)試工作,完成了大型水體水華遙感監(jiān)測(cè)、秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)、自然保護(hù)區(qū)遙感監(jiān)測(cè)、重要生態(tài)功能區(qū)遙感監(jiān)測(cè)等應(yīng)用測(cè)試工作。在軌測(cè)試結(jié)果顯示,衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)紋理基本清晰,地物類型影像特征反映較好,數(shù)據(jù)質(zhì)量較高,在水環(huán)境、大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面具有一定應(yīng)用潛力。
目前環(huán)境保護(hù)部負(fù)責(zé)建設(shè)的環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng)工程項(xiàng)目基本完成,國(guó)家已批復(fù)設(shè)立環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心機(jī)構(gòu)。為滿足衛(wèi)星業(yè)務(wù)化應(yīng)用,環(huán)境保護(hù)部初步建立了水環(huán)境、大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)。下一步將利用環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)及其它衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)太湖、巢湖、滇池及三峽庫(kù)區(qū)的藍(lán)藻水華進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),對(duì)全國(guó)焚燒秸稈造成的大氣污染進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),定期對(duì)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià),不定期對(duì)沙塵暴、霧霾等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前,環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心共向50多家單位提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)18 000多景,數(shù)據(jù)量約6.5 T,推進(jìn)了地方環(huán)境遙感應(yīng)用,提高了相關(guān)單位開展環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用的積極性和水平。
水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)方面,初步開展了水環(huán)境可遙感指標(biāo)體系研究,對(duì)葉綠素a、懸浮物、有色可溶性有機(jī)物、溶解性有機(jī)碳、水面溫度、透明度等監(jiān)測(cè)指標(biāo)的光譜特征和規(guī)律進(jìn)行了研究;初步開展了環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星在水環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力分析研究;初步開展了水環(huán)境指標(biāo)(如葉綠素a、懸浮物、水溫)遙感反演與信息提取的技術(shù)流程研究。
大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)方面,初步開展了大氣可遙感指標(biāo)體系研究,對(duì)氣溶膠、懸浮顆粒物、O3、SO2、NO2、CO2、CH4等監(jiān)測(cè)指標(biāo)的光譜特征和規(guī)律進(jìn)行了研究;初步開展了環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星在大氣環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力分析研究以及大氣環(huán)境指標(biāo)(如氣溶膠光學(xué)厚度)遙感反演與信息提取的技術(shù)流程研究。
生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)方面,初步開展了生態(tài)環(huán)境可遙感指標(biāo)體系研究,對(duì)地表溫度、土壤含水量、地表蒸散量、地表反照率、歸一化植被指數(shù)、葉面積指數(shù)、植被覆蓋度、初級(jí)生產(chǎn)力等監(jiān)測(cè)指標(biāo)的光譜特征和規(guī)律進(jìn)行了研究;初步開展了環(huán)境一號(hào)A、B衛(wèi)星在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力研究以及土地生態(tài)自動(dòng)分類技術(shù)方法流程研究,開展了生物物理參數(shù)、景觀狀態(tài)參數(shù)等遙感反演與信息提取的技術(shù)流程研究。
另外,針對(duì)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星應(yīng)用,開展了衛(wèi)星各個(gè)傳感器輻射定標(biāo)、真實(shí)性檢驗(yàn)和輻射傳輸模型研究,總結(jié)了可用于環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星各個(gè)傳感器的輻射定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn)的方法以及常用的輻射傳輸模型,探討了環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星遙感定量化的基礎(chǔ)技術(shù)。
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)環(huán)保系統(tǒng)的環(huán)境遙感應(yīng)用業(yè)務(wù)得到了快速發(fā)展,衛(wèi)星遙感技術(shù)在全國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況調(diào)查、內(nèi)陸水體水華監(jiān)測(cè)、區(qū)域環(huán)境空氣污染監(jiān)測(cè)、秸稈焚燒、沙塵暴監(jiān)測(cè)以及應(yīng)對(duì)突發(fā)環(huán)境事件等方面取得了突出成績(jī),為國(guó)家環(huán)境管理提供了重要決策支持。
水環(huán)境遙感應(yīng)用示范方面,針對(duì)太湖、巢湖、滇池、三峽水庫(kù)等內(nèi)陸水體水華開展了遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范,尤其是2008年4-6月每日對(duì)太湖藍(lán)藻水華進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè),多次上報(bào)監(jiān)測(cè)結(jié)果,得到了國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)的高度重視。2008年6月底,奧運(yùn)賽區(qū)青島海域綠藻滸苔大規(guī)模暴發(fā),嚴(yán)重影響了奧運(yùn)賽區(qū)籌備工作,環(huán)保部門及時(shí)利用衛(wèi)星遙感技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)綠藻滸苔發(fā)生、發(fā)展過(guò)程,為賽區(qū)海域綠藻滸苔的迅速清理提供了主要參考。另外,還開展了近海海域溢油遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作。
大氣環(huán)境遙感應(yīng)用示范方面,以北京和南京大氣氣溶膠監(jiān)測(cè)為例,開展了城市環(huán)境空氣遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)應(yīng)用示范;利用氣象衛(wèi)星、MODIS數(shù)據(jù)等開展了沙塵及沙塵暴動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作;以MODIS數(shù)據(jù)為主開展了全國(guó)秸稈焚燒動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估應(yīng)用試驗(yàn)。尤其是2008年奧運(yùn)會(huì)期間、2010年上海世博會(huì)和廣州亞運(yùn)會(huì)期間,每日對(duì)北京周邊、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)秸稈焚燒情況進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè),為環(huán)境監(jiān)察部門的執(zhí)法工作提供了重要依據(jù),為保障北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)和廣州亞運(yùn)會(huì)期間空氣質(zhì)量做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。
生態(tài)環(huán)境遙感應(yīng)用示范方面,自2008年以來(lái)先后對(duì)300多個(gè)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)人為活動(dòng)開展了遙感監(jiān)測(cè)和評(píng)估,協(xié)助生態(tài)管理部門監(jiān)控自然保護(hù)區(qū)內(nèi)違章建筑,為生態(tài)管理提供了重要技術(shù)支持。此外,對(duì)青海木里、陜西榆神府礦區(qū)等礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)生態(tài)狀況進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)和示范,對(duì)呼倫貝爾防風(fēng)固沙生態(tài)功能區(qū)、西藏拉魯濕地、三江源、遼河流域等典型區(qū)進(jìn)行了生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)和示范。
環(huán)境事件應(yīng)急遙感應(yīng)用示范方面,2008年汶川特大地震、2010年舟曲特大滑坡泥石流、2010年西南極端氣象干旱、2011年云南盈江地震和長(zhǎng)江中下游重大干旱發(fā)生后,環(huán)保部門利用各種遙感衛(wèi)星開展災(zāi)區(qū)環(huán)境影響及損毀遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估、生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)遙感評(píng)價(jià),及時(shí)編制災(zāi)區(qū)衛(wèi)星圖集,為抗震救災(zāi)和恢復(fù)重建工作提供了重要技術(shù)支持。
目前我國(guó)沒(méi)有專門用于環(huán)境保護(hù)的衛(wèi)星有效載荷。風(fēng)云氣象衛(wèi)星系列主要是針對(duì)大尺度天氣情況監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)而設(shè)計(jì),海洋衛(wèi)星系列主要是針對(duì)大尺度海洋水色遙感監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)而設(shè)計(jì),資源衛(wèi)星系列主要是針對(duì)國(guó)土、礦產(chǎn)等資源調(diào)查而設(shè)計(jì),這些衛(wèi)星有效載荷雖然部分可用于環(huán)境監(jiān)測(cè),但是功能非常有限。環(huán)境一號(hào)A、B衛(wèi)星雖然擁有CCD相機(jī)、紅外相機(jī)、超光譜成像儀等多種有效載荷,但其有效載荷空間分辨率(30~300 m)、時(shí)間分辨率(2~4 d)、光譜分辨率不夠高,光譜段設(shè)置不夠合理,沒(méi)有攜帶專門針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星有效載荷,許多國(guó)家環(huán)境管理迫切需要的環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)(如總懸浮顆粒物、可吸入顆粒物、SO2、NOX、COD、BOD 等)目前無(wú)法探測(cè),也不能做到全天候、全天時(shí)的環(huán)境監(jiān)測(cè)。環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)專用衛(wèi)星載荷的缺乏已經(jīng)對(duì)環(huán)境管理的效能造成了嚴(yán)重制約。
從時(shí)間分辨率角度看,環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)要求在0.5~1 d以內(nèi),陸域環(huán)境污染動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)頻率要求在1 d以內(nèi),生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)頻率要求在5~30 d。目前我國(guó)已進(jìn)入環(huán)境污染事件高發(fā)期,環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星的重訪周期為2~4 d,尚不能滿足環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)的需要。從空間分辨率角度看,在對(duì)河流重污染團(tuán)、化學(xué)危險(xiǎn)品泄漏等污染事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí),空間分辨率需要優(yōu)于10 m,而環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD相機(jī)空間分辨率為30 m,超光譜成像儀空間分辨率為100 m,無(wú)法很好地表征河段信息,基本上無(wú)法提取污染團(tuán)信息。從光譜和輻射分辨率角度看,環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵是利用遙感數(shù)據(jù)提取水環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等環(huán)境質(zhì)量狀況和環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)的定量信息,對(duì)遙感器輻射和光譜分辨率要求很高,但是環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星有效載荷定標(biāo)精度較低、帶寬不夠精細(xì)、信噪比較低,在SO2、NOX、O3等大氣環(huán)境指標(biāo)和COD、BOD等水環(huán)境指標(biāo)的定量提取方面無(wú)能為力。
我國(guó)環(huán)境遙感應(yīng)用技術(shù)雖自進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)得到了快速發(fā)展,但與環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)化要求仍有很大差距,環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究薄弱?,F(xiàn)有環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)研究多表現(xiàn)為經(jīng)驗(yàn)性和局部性,系統(tǒng)性和實(shí)用性較差,與國(guó)際先進(jìn)的環(huán)境遙感應(yīng)用研究水平和環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)實(shí)際需要存在很大差距,難以滿足環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的大范圍、多目標(biāo)、多專題、定量化的需要。
另外,我國(guó)環(huán)境遙感應(yīng)用技術(shù)從衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、參數(shù)反演、應(yīng)用模型研發(fā)、專題數(shù)據(jù)生產(chǎn)到業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)仍然有許多關(guān)鍵技術(shù)未能解決。例如,環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星雖已發(fā)射,但衛(wèi)星業(yè)務(wù)化應(yīng)用的許多關(guān)鍵技術(shù)如衛(wèi)星高光譜、雷達(dá)等圖像處理與信息提取關(guān)鍵技術(shù)、環(huán)境空氣指標(biāo)定量遙感反演技術(shù)、水環(huán)境指標(biāo)定量遙感反演技術(shù)、生態(tài)環(huán)境指標(biāo)定量遙感反演技術(shù)、突發(fā)性環(huán)境事件應(yīng)急響應(yīng)及跟蹤監(jiān)測(cè)技術(shù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與地面常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的同化技術(shù)、環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系等還處于研究和探索階段,衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)工作剛剛起步,這已成為制約我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星業(yè)務(wù)化應(yīng)用發(fā)展的突出問(wèn)題,如得不到有效解決不僅直接影響環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星投入使用和運(yùn)行、貽誤我國(guó)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展,而且將影響到國(guó)家提出的建設(shè)天地一體化環(huán)境監(jiān)測(cè)體系目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
多年來(lái),我國(guó)一直存在“重衛(wèi)星發(fā)射、輕衛(wèi)星應(yīng)用”的思想,導(dǎo)致有些衛(wèi)星雖然在軌運(yùn)行,但地面應(yīng)用系統(tǒng)未建成或尚不健全,嚴(yán)重影響了衛(wèi)星社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮,造成了很大的資源浪費(fèi)。針對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)嚴(yán)重滯后這一突出問(wèn)題,2007年國(guó)家發(fā)布的《航天發(fā)展“十一五”規(guī)劃》中明確提出要初步建成天地統(tǒng)籌、地面協(xié)調(diào)的衛(wèi)星地面系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng),并提出應(yīng)用衛(wèi)星和衛(wèi)星應(yīng)用初步實(shí)現(xiàn)由試驗(yàn)應(yīng)用型向業(yè)務(wù)服務(wù)型轉(zhuǎn)變。
經(jīng)過(guò)多年的環(huán)境遙感應(yīng)用基礎(chǔ)研究和應(yīng)用示范,環(huán)保部門初步形成了一套環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估業(yè)務(wù)流程,但距離環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行尚有較大差距。具體表現(xiàn)為:缺乏統(tǒng)一業(yè)務(wù)調(diào)度、任務(wù)驅(qū)動(dòng)的功能,不能滿足環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、處理、應(yīng)用、服務(wù)一體化管理的需求;缺乏對(duì)遙感數(shù)據(jù)幾何精糾正、正射校正、自動(dòng)化配準(zhǔn)、圖像鑲嵌、融合自動(dòng)化處理功能,不能滿足對(duì)多源、多載荷遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)?;焖偬幚淼男枨?缺乏對(duì)已研究的模型、算法集成的軟件系統(tǒng),不能滿足快速、規(guī)?;a(chǎn)土地利用分類、生態(tài)系統(tǒng)分類、生物物理參數(shù)、地表參數(shù)等環(huán)境專題數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求,不能滿足對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量分析和真實(shí)性檢驗(yàn)的需求;缺乏對(duì)已研究的環(huán)境特征信息提取模型、算法建立的軟件系統(tǒng),不能滿足快速、批量化生產(chǎn)環(huán)境遙感應(yīng)用產(chǎn)品的需求。
環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命僅為3年,目前已經(jīng)在超期運(yùn)行。為了保障環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的穩(wěn)步推進(jìn)和可持續(xù)發(fā)展,應(yīng)盡快發(fā)展環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星后續(xù)星,研發(fā)環(huán)境遙感專用衛(wèi)星載荷。總體思路是:以國(guó)家環(huán)境保護(hù)和衛(wèi)星遙感規(guī)劃為導(dǎo)向,以滿足我國(guó)環(huán)境保護(hù)需求為目標(biāo),緊密圍繞我國(guó)重點(diǎn)環(huán)境問(wèn)題,天地統(tǒng)籌安排,發(fā)展有鮮明特色的環(huán)境二號(hào)衛(wèi)星,形成環(huán)境衛(wèi)星系列,大大提升環(huán)境污染和生態(tài)變化監(jiān)測(cè)的快速響應(yīng)能力??傮w目標(biāo)是:研發(fā)多模式的多光譜環(huán)境成像儀、高光譜水環(huán)境成像儀、大氣吸收光譜儀、紅外高光譜大氣環(huán)境探測(cè)儀、多極化合成孔徑雷達(dá)等環(huán)境遙感專用載荷,構(gòu)建環(huán)境二號(hào)衛(wèi)星星座,形成天地一體化環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)我國(guó)陸域水污染、大氣污染和城市污染等主要環(huán)境污染問(wèn)題的全天時(shí)、全天候、定量化監(jiān)測(cè),滿足環(huán)境保護(hù)業(yè)務(wù)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和應(yīng)急響應(yīng)監(jiān)測(cè)的需要。
環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射后環(huán)境業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)以及環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星后續(xù)星發(fā)展,都迫切需要環(huán)境衛(wèi)星遙感應(yīng)用專項(xiàng),加大環(huán)境遙感應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究,切實(shí)推進(jìn)衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用向業(yè)務(wù)服務(wù)型轉(zhuǎn)變。具體包括:1)攻克環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星業(yè)務(wù)化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。緊密圍繞國(guó)家環(huán)境管理需求,針對(duì)水環(huán)境、大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化應(yīng)用,開展相應(yīng)的污染物遙感信息提取技術(shù)攻關(guān)。2)加大環(huán)境遙感應(yīng)用機(jī)理研究、前期試驗(yàn)和模擬研究。特別是針對(duì)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星后續(xù)星專用衛(wèi)星載荷研制,至少應(yīng)提前3~5年時(shí)間開展遙感應(yīng)用需要、可行性綜合研究與評(píng)估,同時(shí)加強(qiáng)環(huán)境遙感機(jī)理研究,開展前期試驗(yàn)和模擬研究,指導(dǎo)專用衛(wèi)星載荷研制。3)加強(qiáng)環(huán)境遙感應(yīng)用技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系研究?;诃h(huán)境一號(hào)衛(wèi)星業(yè)務(wù)化應(yīng)用研究有關(guān)基礎(chǔ),進(jìn)一步強(qiáng)化環(huán)境遙感技術(shù)本身基礎(chǔ)性和應(yīng)用性技術(shù)研究,形成系統(tǒng)的環(huán)境遙感物理學(xué)基礎(chǔ),以及遙感定標(biāo)、遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和信息提取技術(shù)流程、技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系。
在現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,補(bǔ)充完善環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃,將環(huán)境遙感技術(shù)成熟部分納入環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)能力建設(shè);針對(duì)區(qū)域生態(tài)、非點(diǎn)源污染監(jiān)測(cè)和評(píng)估等,以環(huán)境遙感技術(shù)作為主要的監(jiān)測(cè)手段,充分發(fā)揮環(huán)境遙感的技術(shù)優(yōu)勢(shì);大力推動(dòng)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境評(píng)價(jià)、環(huán)境監(jiān)察等業(yè)務(wù)工作中的應(yīng)用,切實(shí)服務(wù)于國(guó)家環(huán)境管理。1)建立以環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)為主體、地面生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)為補(bǔ)充的區(qū)域生態(tài)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)全國(guó)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià);對(duì)自然保護(hù)區(qū)、重要水源涵養(yǎng)區(qū)等國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);對(duì)草原植被恢復(fù)、退耕還林、防沙治沙等生態(tài)治理工程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);對(duì)三峽工程、南水北調(diào)工程、青藏鐵路工程等國(guó)家重大工程項(xiàng)目的環(huán)境影響及其變化進(jìn)行綜合評(píng)估。2)建立以地面水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)為主體、環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)為補(bǔ)充的天地一體化水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),對(duì)淮河、海河、遼河、松花江、三峽庫(kù)區(qū)、太湖、滇池、巢湖以及渤海等重點(diǎn)海域和河口地區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警預(yù)報(bào)。3)建立以現(xiàn)有環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)為主體、環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)為補(bǔ)充的區(qū)域環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng),逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)三角、珠三角、京津冀城市群等區(qū)域環(huán)境空氣中顆粒物、氮氧化物、二氧化硫以及酸雨的遙感監(jiān)測(cè);利用遙感技術(shù)開展二氧化碳、甲烷等溫室氣體以及碳通量和碳平衡監(jiān)測(cè),及時(shí)反映全球變化敏感區(qū)域與敏感生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境動(dòng)態(tài)變化,為環(huán)境談判和履約服務(wù)。4)建立環(huán)境遙感技術(shù)與城市地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合的天地一體化監(jiān)測(cè)體系,將遙感技術(shù)融入城市環(huán)境綜合定量考核中。
環(huán)境遙感應(yīng)用涉及水、氣、生態(tài)、土壤、固廢、公共安全、全球環(huán)境變化等諸多領(lǐng)域,隨著環(huán)境遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步,環(huán)境遙感業(yè)務(wù)必將不斷擴(kuò)展。另外,為充分發(fā)揮環(huán)境衛(wèi)星社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,應(yīng)在地方相關(guān)單位大力推廣衛(wèi)星應(yīng)用。因此,應(yīng)從機(jī)構(gòu)編制、資金條件、實(shí)施基礎(chǔ)等方面為環(huán)境遙感機(jī)構(gòu)和人才隊(duì)伍的建立提供保障,力爭(zhēng)在環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心組建完成后,逐步在省級(jí)建成具有環(huán)境遙感數(shù)據(jù)處理、分析應(yīng)用和分發(fā)服務(wù)能力的環(huán)境遙感機(jī)構(gòu),形成一支環(huán)境遙感應(yīng)用的專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍。
環(huán)境遙感業(yè)務(wù)化應(yīng)用工作在我國(guó)環(huán)保系統(tǒng)屬于新興領(lǐng)域,應(yīng)大力宣傳和普及環(huán)境遙感應(yīng)用技術(shù),使各級(jí)環(huán)境管理與決策人員認(rèn)識(shí)遙感技術(shù)在解決生態(tài)環(huán)境問(wèn)題中的重要作用,真正地走近遙感、認(rèn)識(shí)遙感、應(yīng)用遙感,使遙感技術(shù)真正成為環(huán)境管理決策的實(shí)用工具;大力加強(qiáng)對(duì)省級(jí)和地市級(jí)專業(yè)技術(shù)人員環(huán)境遙感應(yīng)用技術(shù)的培訓(xùn),使省級(jí)和地市級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)與科研單位具備從事環(huán)境遙感應(yīng)用技術(shù)的專業(yè)人才,充分發(fā)揮環(huán)境衛(wèi)星的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益;跟蹤國(guó)外環(huán)境遙感應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向,開展以區(qū)域性環(huán)境問(wèn)題、全球環(huán)境變化為中心的國(guó)際技術(shù)交流與合作,提高環(huán)境遙感有效載荷研制水平和衛(wèi)星應(yīng)用水平,推動(dòng)我國(guó)環(huán)境遙感技術(shù)及應(yīng)用事業(yè)不斷進(jìn)步。
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Application of Remote Sensing Technique in Environmental Protection:Progress,Problems and Countermeasures
YANG Yi-peng1,HAN Fu-li2,WANG Qiao1,JIANG Wei-guo3
(1.ApplicationCenterforSatelliteEnvironmentalMonitoring,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100094;2.BeijingCommandCollegeoftheChinesePeople′sArmedPoliceForce,Beijing100012;3.KeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandNaturalDisaster,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)
According to the demand of national environmental protection management on remote sensing technology,the progress of water,atmospheric and ecological environment remote sensing technology was discussed.The work progress of the HJ-1 satellite and the current situation of the remote sensing application in environmental protection were introduced.Then,the main problems about remote sensing satellite payload and key application technology in environmental protection were discussed.Finally,the corresponding countermeasure and suggestion was offered.
satellite remote sensing;environmental protection;water environment;atmospheric environment;ecological environment
TP79
A
1672-0504(2011)06-0084-06
2011-03- 10;
2011-06-30
國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“基于環(huán)境一號(hào)等國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)及軟件研究”(2008BAC34B00);環(huán)境保護(hù)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200909113、201009021、2011467026)
楊一鵬(1974-),男,高級(jí)工程師,從事環(huán)境遙感應(yīng)用研究,出版著作1部,發(fā)表論文20余篇。E-mail:yipeng_yang@163.com