衛星影像和高程數據在農村環境質量試點監測中的應用

蔣 明，李 維，文建輝

桂林市環境監測中心站，廣西桂林541002

衛星影像和高程數據在農村環境質量試點監測中的應用

蔣 明，李 維，文建輝

桂林市環境監測中心站，廣西桂林541002

大量長期地使用農用塑料薄膜，導致鄰苯二甲酸酯類的監測結果出現超標。鄰苯二甲酸酯類的污染形勢不容樂觀。結合桂林市農村環境質量試點監測工作，參考全國生態環境監測與評價工作的技術方法，利用高分辨率衛星遙感影像對試點監測村進行了農膜覆蓋面積的統計。針對桂林市的丘陵地貌特征，利用高程數據對統計結果進行修正，提高了農膜覆蓋面積統計的準確度。同時還對試點監測村周邊區域的農膜覆蓋情況進行了粗略統計和分析，確定了將來的重點調查目標區域，為將來深入調查鄰苯二甲酸酯類污染狀況、制定防治方案提供了一定的參考。

衛星影像；高程數據；覆蓋調查；遙感監測；農村環境質量監測

2010年，桂林市開展了農村環境質量試點監測工作，在試點監測村的13個土壤監測點均檢出有鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二（2?乙基己基）酯，并且各測點的鄰苯二甲酸二丁酯濃度均高于美國土壤中鄰苯二甲酸酯類的控制標準限值［1］。近年來，該試點監測村及周邊區域大力發展金桔等水果產業，果農使用農用塑料薄膜（以下簡稱“農膜”）對金桔樹進行完全覆蓋以防雨、保溫、避曬。大量長期地使用農膜，加上南方高溫濕熱，會導致農膜中的增塑劑（鄰苯二甲酸酯類析出）對土壤以至水體造成污染。鄰苯二甲酸酯類具有生理毒性和中度蓄積作用，還具有致突變、致畸作用［2］。試點監測村的鄰苯二甲酸酯類污染形勢不容樂觀。該文針對試點監測村及周邊區域的農膜覆蓋情況開展大面積的調查，為將來深入調查鄰苯二甲酸酯類污染狀況、制定防治方案提供一定的參考。

宋耀遠等［3］選擇了少量典型地塊對土壤中的農膜殘留數量進行了監測，對于面積較大的區域，類似的常規地面監測和統計方法往往需要耗費大量的人力、物力和時間。近年來，遙感技術在監測工作中的應用越來越廣泛。中國環境監測總站從2005年起開展了全國生態環境監測與評價工作（以下簡稱“生態監測工作”），利用Landsat TM衛星遙感影像監測全國土地利用、覆蓋面積和分布情況。生態監測工作所用的Landsat TM衛星遙感影像具有較低的空間分辨率（30 m），不利于小鄉村范圍農膜覆蓋面積的準確調查。生態監測工作所用的技術方法未考慮到地形起伏不平對面積統計結果的影響，也不利于丘陵地帶農膜覆蓋面積的準確調查。

結合桂林市農村環境質量試點監測工作，參考生態監測工作的技術方法，利用高分辨率衛星遙感影像對試點監測村的農膜覆蓋面積情況進行了統計。針對桂林市的丘陵地貌特征，利用數字高程模型（DEM，以下簡稱“高程數據”）對統計結果進行修正，提高了農膜覆蓋面積統計的準確度。同時還對試點監測村周邊區域的農膜覆蓋情況進行了粗略統計和分析，確定了將來的重點調查目標區域。

1 技術方法及路線

試點監測村全村總面積約為66.7 hm2，所在鄉鎮是桂林市的主要金桔產區。據當地村委會估算，2010年全村共有果園約33.3 hm2，其中金桔園約17.8 hm2，人均擁有果園約0.1 hm2。此外，試點監測村的周邊區域（面積約為3 300 hm2）也種植了大范圍的金桔。大面積使用農膜時，高分辨率衛星遙感影像上會呈現出易于識別的白色條紋（圖1）。可以利用高分辨率衛星影像確定各個地塊農膜覆蓋范圍的形狀和大小，進而統計目標區域內的農膜覆蓋情況。

圖1 農膜覆蓋的高分辨率衛星遙感影像

由于衛星遠離地球表面，對地形復雜、地勢變化較大的地區，利用遙感衛星影像直接計算出來的相關結果往往與現實情況不一致，如斜面上的投影面積計算結果可能會小于實際的曲面表面積（圖2）。

圖2 三維地形平面投影示意圖

因此，參考生態監測工作的技術方法，使用高分辨率衛星影像對農膜覆蓋情況進行解譯，并利用高程數據對統計結果進行修正，以提高面積統計的準確度。主要技術流程如圖3所示。

圖3 技術流程圖

1.1 衛星影像和高程數據的選取

1.1.1 衛星影像

目前，中國可接收、利用的多光譜衛星影像有Landsat 5 TM、CBERS?2、IRS?P6等，其中大部分衛星影像空間分辨率較低，無法用于進行試點監測村農膜覆蓋情況的準確調查；分辨率較高的衛星影像有的是灰度的，有的價格較高，受到的限制較大。選擇免費的谷歌地球（Google Earth）衛星影像數據（更新周期約為4 a，城市及部分鄉鎮區域空間分辨率約為2 m，屬于真彩色，空間坐標系為WGS1984）來進行農膜覆蓋情況的研究。

谷歌地球是一款由Google公司開發的虛擬地球儀軟件，它把衛星照片、航空影像和GIS數據布置在一個三維地球模型上。用戶可以通過下載軟件，免費瀏覽全球各地的高清晰度衛星圖片。谷歌地球上的全球地貌影像的有效空間分辨率通常為30 m（例如中國大陸），針對大城市、著名風景區、建筑物區域會提供空間分辨率為1 m甚至0.5 m左右的高清影像（如桂林市區的空間分辨率可達1 m）。

患者平臥固定架，體膜固定患者上身，開激光定位燈，患者體膜兩側和前面激光燈定位腫瘤中心，熱塑體膜上貼“十”字膠布與激光燈重合，“十”字中心處標記。CT掃描，患者呼吸保持平穩，掃描范圍下頜下緣至肺下緣[4]。放療后需修改計劃時，再次 CT 定位，掃描條件與初次掃描條件一致。

調查的試點監測村鄰近漓江，谷歌地球在該區域內提供了空間分辨率為0.5 m左右的衛星影像（圖1）。影像拍攝日期為2009年12月5日，這為針對試點監測村及其周邊區域的農膜覆蓋情況開展遙感調查提供了極大的便利。

1.1.2 高程數據

出于國防安全的考慮，國內范圍精度較高的地面高程數據由測繪部門獲取、更新以及保管，一般不會向外界公開。對高精度的高程數據有需求的部門，在向測繪部門申請領用相關數據時，需要經過嚴格的保密制度審查，同時還需要繳納高額費用。選擇世界范圍內公開的ASTER全球數字高程模型（ASTER GDEM）進行農膜覆蓋情況的統計。

ASTER的全球數字高程模型由日本經濟貿易產業省（METI）和美國國家航空航天局（NA SA）共同開發，采用ASTER星載地球觀測光學儀器收集的數據生成，空間分辨率為30 m，坐標系為WGS1984，文件格式為柵格數據。

1.2 幾何校正

WGS1984坐標系屬于地理坐標系統（Geo graphic Coordinate System），受到地球不規則橢球形的影響，不能直接用于調查范圍的面積統計，因此需要將相關數據的空間坐標系由WGS1984轉換為 投影 坐 標 系 統 （Projection Coordinate System）。在生態監測工作中，統一采用的標準投影坐標系統為阿爾伯斯圓錐等面積投影（Albers Conical Equal Area Projection，橢球體為Krasovsky 1940，中央經線為東經110°，雙標準緯線為北緯25°、47°，投影起始緯度12°，中央經線偏差和起始點偏差均為0）。為準確統計農膜覆蓋情況，利用廣西壯族自治區環境監測中心站下發的投影轉換控制影像，使用Erdas軟件的幾何校正（Geometric Correction）功能將衛星影像和高程數據的投影坐標系（WGS1984）轉換到阿爾伯斯圓錐等面積投影，為下一步進行農膜覆蓋面積統計分析奠定基礎。

1.3 影像解譯及質量核查

參考生態監測工作中的遙感影像解譯方法，對經過幾何校正處理的高分辨率Google Earth衛星影像，在ArcGIS軟件中使用矢量數據編輯器勾勒出試點監測村的農膜覆蓋范圍，見圖4、圖5，解譯結果保存為ArcGIS Shape文件格式。同時根據遙感解譯質量核查方法對解譯結果進行現場抽查，確保農膜覆蓋解譯結果的準確性。研究還對試點監測村周邊區域集中使用農膜的區域也進行了粗略的解譯和分析，為將來進一步開展大范圍的農膜覆蓋情況和鄰苯二甲酸酯類污染狀況調查提供一定的參考。

圖4 農膜覆蓋范圍解譯

圖5 農膜覆蓋范圍解譯結果

使用ArcGIS工具箱（ArcToolBox）里空間分析工具的按掩膜提取（Extract by Mask）功能，按上一步驟的解譯結果提取高程數據，可實現對高程數據的裁剪，見圖6。

圖6 高程數據裁剪結果

1.5 面積統計計算

使用ArcGIS的三維分析（3D Analyst）工具條里的面積和體積統計數據（Area and Volume Statistics）工具可以對高程數據裁剪結果進行表面積的匯總計算，提高復雜地形上的農膜覆蓋面積統計結果的準確度。

2 結果分析

1）根據2009年谷歌地球衛星影像和ASTER高程數據的解譯和統計結果，試點監測村農膜覆蓋范圍的平面投影面積約為14.7 hm2，不規則地形表面積約為15.4 hm2；不規則地形表面積占該村總表面積（約68.7 hm2）的22.4%，計算結果接近于該村金桔統計種植面積（約為17.8 hm2），準確度較高。

2）試點監測村周邊區域農膜覆蓋的粗略解譯結果表明，試點監測村周邊區域農膜覆蓋比重（23.2%）高于試點監測村。將來可以選擇其中的部分典型范圍作為重點區域，開展金桔園農膜覆蓋情況和土壤中鄰苯二甲酸酯類污染狀況的詳細調查，為管理部門制定防治方案提供參考。

3 結語

利用衛星影像和高程數據判讀農膜覆蓋程度，進而推測土壤中鄰苯二甲酸酯類污染范圍和需要重點關注的污染區域，為將來深入調查鄰苯二甲酸酯類污染范圍提供了便捷的方法。相對于常規的地面監測和統計方法，衛星遙感監測技術具有感測范圍大、獲取的信息量廣、效率高、成本低、數據準確性高等多種優點，具有極高的應用價值。充分利用高程數據進行不規則地形表面積的計算，可為丘陵地區、山區等地勢不平的地區提供更加準確的統計結果。

研究使用目視解譯方法識別農膜覆蓋范圍，效率不高；所用的高程數據空間分辨率較低，統計結果存在一定誤差；因經費、時間所限，調查范圍、內容不夠廣泛。將來可通過研究農膜的光譜特征來實現計算機輔助解譯，提高解譯效率；獲取更高空間分辨率的衛星影像和高程數據，進一步提高面積估算精度；開展多個典型區域的調查，研究不同波段、不同空間分辨率、不同時間分辨率的衛星影像和高程數據、不同面積規模、不同類型的地形對統計結果精度的影響。此外還可進一步探索鄰苯二甲酸酯類等污染物沿山坡的擴散和分布規律，為實現鄰苯二甲酸酯類污染狀況的準確分析和預測提供科學依據，為環境管理決策提供科學服務。

［1］李桂祥，羅星曄，毛羽.桂林市農村環境質量試點監測村土壤酞酸酯類污染調查［J］.農業環境與發展，2011，28（5）：125?127.

［2］王瑩瑩，郭長青，周海平，等.鄰苯二甲酸酯類增塑劑的應用研究進展［J］.塑料包裝，2011，21（3）：22?25.

［3］宋耀遠，丁慎剛，馬旦林，等.地膜殘留監測試驗總結報告［J］.現代農業，2010，3：32?33.

［4］程乾，王人潮.數字高程模型和多時相MODIS數據復合的水稻種植面積遙感估算方法研究［J］.農業工程學報，2005，21（5）：89?92.

［5］廉娟.塔里木河流域生態遙感監測系統簡述［J］.內蒙古水利，2010，4：61?62.

［6］牛志春，李旭文，張詠，等.太湖流域水環境天地一體化監測體系構建與應用［J］.環境監控與預警，2012，4（1）：1?5.

Application of Satellite Image and Digital Elevation Model in Rural Environmental Quality Monitoring

JIANG Ming，LI Wei，WEN Jian?hui
Guilin Environmental Monitoring Centre，Guilin 541002，China

Heave and long?term usage of agricultural plastic film caused the concentration of PAEs（Phthalate esters）to exceed control standard.The situation of PAEs pollution was not optimistic.In this paper，combined with the work of rural environmental quality monitoring in Guilin，referring to the technical methods of national work of monitoring and evaluating of ecological environment，area estimation of the coverage of agricultural plastic film in the pilot monitoring village was carried out using high?resolution satellite remote sensing images.According to the hilly landform characteristics of Guilin，digital elevation model was used to correct the area estimation.In addition，the coverage situation of agricultural plastic film around the pilot monitoring village was roughly estimated and analyzed to determine the key area for further investigation and to provide reference for pollution survey of PAEs and making countermeasure in the future.

satellite image；digital elevation model；survey on coverage；remote sensing monitoring；rural environmental quality monitoring

X87

A

1002?6002（2014）06?0184?04

2013?11?06；

2014?01?01

桂林市環保專項資金（市財建［2011］137號）

蔣 明（1983?），男，廣西桂林人，碩士，工程師.