高分一號衛星環境遙感監測應用示范研究

● 文| 趙少華王橋楊一鵬朱利王中挺江東1.環境保護部衛星環境應用中心2.國家環境保護衛星遙感重點實驗室.中國科學院地理科學與資源研究所

高分一號衛星環境遙感監測應用示范研究

● 文| 趙少華1, 2王橋1, 2楊一鵬1, 2朱利1, 2王中挺1, 2江東3
1.環境保護部衛星環境應用中心
2.國家環境保護衛星遙感重點實驗室
3.中國科學院地理科學與資源研究所

摘 要：高分一號衛星成功發射以來，在大氣環境、水環境和生態環境中的精細化和定量化遙感監測方面發揮了積極作用。作為高分一號衛星的主要用戶，環境保護部衛星環境應用中心利用高分一號衛星數據開展了大量應用示范工作，本文以其對氣溶膠光學厚度、水華、水質、自然保護區人類活動等遙感監測和評價內容為例，介紹了高分一號衛星在環保領域中的應用示范情況。

一、引言

高分一號衛星自2013年4月26日成功發射以來，在我國環境遙感的精細化和定量化監測方面發揮了積極作用。高分一號衛星搭載了具有60km幅寬的2m全色分辨率/8m多光譜分辨率相機和800km幅寬的16m多光譜分辨率相機，不僅可以用于精細探測局部的環境污染狀況，還可用于水環境、大氣環境和生態環境質量等大范圍的宏觀監測與評價[1]。

作為高分一號衛星主要用戶，環保部利用其高空間分辨率和大幅寬的優勢，在大氣環境、水環境和生態環境質量等遙感監測與評價中開展了大量應用示范工作，包括在京津冀、長三角、太湖、南京夾江、青海三江源、內蒙古等示范區，持續開展對氣溶膠、水華、水質、自然保護區人類活動干擾等環境要素的高分遙感監測、評價等應用示范，下面分別進行介紹。

二、大氣環境遙感監測應用示范

高分一號衛星的大幅寬優勢比較適合重點城市群的區域空氣質量監測。環境保護部衛星環境應用中心基于其16m寬覆蓋相機的時間序列數據，采用暗目標法等反演了2013年天津地區氣溶膠光學厚度（AOD）[2-3]，進而初步間接反映區域城市灰霾的時空分布格局變化，結果如圖1。從圖可以看出，2013年8月10日天津及周邊地區AOD較厚，分布為北高南低；8月30日大大減輕，空氣質量較好；9月28日華北地區有大范圍灰霾分布，氣溶膠又較為嚴重，主要分布在中部地區；10月9日較為減輕，特別是東部得到較大緩解。這與當時地面的實際天氣情況較為符合，從而表明高分一號衛星在區域空氣質量遙感監測方面的優勢。

三、水環境遙感監測應用示范

環境保護部衛星環境應用中心主要利用高分一號衛星寬覆蓋數據，在太湖、巢湖、滇池等大型內陸湖體，以及南京夾江、北京官廳水庫、天津于橋水庫等重點飲用水源地，持續開展了水華、葉綠素α、懸浮物、透明度和營養狀態等水質的時間序列遙感監測應用示范。

圖2是基于高分一號衛星寬覆蓋數據，對江蘇太湖和安徽巢湖的水華進行的遙感監測。從2014年10月15日太湖水華分布圖上可以看出，這次太湖水華爆發較嚴重，水華主要集中于太湖的西北部和西部，面積達到了416.203km2。在2014年7月21日的巢湖水華監測圖中，水華主要分布在巢湖的西北部，南部亦有少量分布，水華分布面積為21.5km2，占到巢湖水體面積的2.9%。

圖1 2013年天津地區的氣溶膠光學厚度高分一號衛星多時相遙感監測圖

圖2 2014年10月15日太湖（左）和7月21日巢湖（右）水華高分一號衛星遙感監測圖

圖3是基于2014年11月4日高分一號衛星寬覆蓋數據對太湖水質的遙感監測示例。從圖3中可以看出，葉綠素α濃度在空間上分布比較均勻，但在北部和南部部分區域濃度較其他區域高。懸浮物濃度南部區域偏高，北部部分區域濃度較高，西部普遍比東部區域濃度高。透明度南部區域偏低，北部部分區域較高，東部普遍比西部區域高。營養狀態分為中度富營養和重度富營養兩級。

圖3 2014年11月4日太湖水質高分一號衛星遙感監測圖

圖4是基于2014年4月14日、5月5日、6月27日和8月7日的高分一號衛星寬覆蓋數據，對天津于橋水庫的營養狀態進行的時間序列多時相遙感監測示例。從4月14日的監測圖可以看出，于橋水庫的營養狀態分級分布較為均衡，中部偏東湖區處于中度富營養狀態，其他區域處于輕度富營養狀態。從5月5日監測圖上可以看出，于橋水庫營養狀態分級在空間上分布較為復雜，從中南部沿岸到東北部沿岸區域為輕度富營養，但是西部壩前區域、北部沿岸區域、東南部區域為中度富營養化，湖岸有小部分區域為中度富營養化。從6月27日監測圖上可以看出，于橋水庫水體富營養化特別嚴重，中部湖區處于中度富營養狀態，湖岸區域處于重度富營養狀態。從8月7日監測圖上可以看出，于橋水庫營養狀態分級呈現明顯的從中部偏東湖心區圓周形向外擴展的趨勢。中部偏東區為輕度富營養化，從中心往湖岸方向為中度富營養化，岸邊部分區域為重度富營養化。

圖4 2014年天津于橋水庫營養狀況的高分一號衛星多時相遙感監測圖

上述水環境要素的遙感監測結果與實際調查或其他衛星的監測結果較為符合，表明高分一號衛星可以有效監測水環境質量狀況。

四、生態環境遙感監測應用示范

環境保護部衛星環境應用中心主要利用高分一號衛星數據，在青海、內蒙古、北京等地區開展了自然保護區人類活動干擾、城市固廢與開發區、礦山開發環境破壞等生態環境的時間序列高分遙感監測應用示范。

圖5是基于2013年12月10日與2014年8月1日的高分一號衛星8m分辨率多光譜數據，對內蒙古西鄂爾多斯國家級自然保護區的人類活動情況進行遙感監測，并以2013年12月10日的數據為參照，利用2014年8 月1日的影像對新增人類活動進行動態監測。監測結果表明保護區人類活動增加明顯，包括居民點、人工設施和采石場3類，各功能區均有新增人類活動。保護區內工礦面積在2014年有所縮減。

圖5 2013年12月10日（左圖）和2014年8月1日（右圖）內蒙古西鄂爾多斯國家自然保護區人類活動干擾高分一號衛星遙感監測圖

圖6 2013年8月10日北京高分一號衛星2m/8m影像城市固體廢棄物分布圖

圖6是基于2013年8月10日的高分一號衛星2m全色/8m多光譜融合數據，對北京城區城市固體廢棄物堆放點的位置和類型等統計數據，建立城市固體廢棄物堆放點的光譜、紋理和空間形狀等解譯特征和遙感信息提取模型，提取城市固體廢棄物堆放點信息。實際調查表明其識別精度較高，表明了高分一號衛星可以有效監測城市固體廢棄物空間分布情況。

五、總結

高分一號衛星作為我國高分辨率對地觀測系統的首發星，正在我國的大氣環境、水環境和生態環境遙感監測中發揮著重要作用。由于高分一號衛星擁有多行業用戶，加上高分環境應用示范系統還在緊張研制過程，目前其在環境保護領域尚處于示范應用階段。2014年8月，空間分辨率達1m的高分二號衛星也已經成功發射，隨著高分環境應用示范系統的全面建成，高分一號、二號衛星以及未來陸續發射的高分專項系列衛星將有望逐步進入環境保護的主體業務，將全面提升我國環境監測的定量化和精細化水平，提高我國環境監測天地一體化能力，為我國的環境保護和管理工作提供重要技術支撐。

參考文獻

[1]趙少華,王橋,張峰,等.高分一號衛星環境遙感應用示范研究[J].航天器工程，2014，23（增刊）:118-124. [2]王橋,厲青,陳良富,等.大氣環境衛星遙感技術及其應用[M].北京:科學出版社,2011.

[3]陳良富,李莘莘,陶金花,等.氣溶膠遙感定量反演研究與應用[M].北京:科學出版,2011.