新時期我國環保領域衛星遙感技術的應用與發展

趙少華，劉思含，毛學軍，吳艷婷，楊一鵬

(環境保護部衛星環境應用中心 國家環境保護衛星遙感重點實驗室，北京 100094)

新時期我國環保領域衛星遙感技術的應用與發展

趙少華，劉思含，毛學軍，吳艷婷，楊一鵬

(環境保護部衛星環境應用中心 國家環境保護衛星遙感重點實驗室，北京 100094)

衛星遙感技術在環保領域有著廣泛的應用，環境一號、高分一號等衛星遙感數據已在環保部的日常監測、監管工作中實現業務運行，在環保工作中發揮了不可或缺的重要作用。結合新時期我國環境保護工作的特點和需求，分別總結了衛星遙感技術在我國大氣環境、水環境、土壤環境和生態環境中的應用情況，提出未來發展的趨勢。高分辨率衛星遙感技術的發展，特別是我國高分專項系列衛星和國家空間基礎設施規劃的后續衛星的發射，將大幅提升我國環境監測、監管的定量化和精細化水平。

大氣環境；水環境；土壤環境；生態環境；高分辨率

0 引言

當前，我國環境形勢依然嚴峻，衛星遙感技術具有快速、連續、大范圍和重復觀測等優勢，可在環保工作中發揮重要作用，其應用在環保領域始于20世紀80年代，即天津-環渤海環境遙感試驗[1]，到90年代，郭之懷[1]總結了截至1993年環境遙感的發展歷程，張九根[2]分析了環保工作對衛星遙感技術的迫切需求及應用前景。21世紀以來，快速發展的衛星遙感技術在環保領域得到了迅速應用，2000～2002年，國家環境保護總局組織開展利用Landsat和資源衛星等遙感數據的全國生態環境現狀遙感調查。2008年9月環境一號衛星發射以來，衛星環境遙感技術更是得到了長足發展，王橋[3]介紹了衛星遙感技術在國內外環保領域中的應用進展和挑戰，特別是環境一號衛星工程的進展，指出了環境遙感應用面臨的問題，并提出對策和建議。楊香云[4]分析了環保工作中遙感技術的應用現狀，介紹了大氣環境、水污染、海洋監測、地表監測方面的進展和應用趨勢。王橋等[5]全面總結了環境遙感的進展、環境一號衛星的研制發射，并詳細介紹了大氣環境、水環境和生態環境的衛星遙感監測關鍵技術方法、技術規范和應用系統的組成建設情況。楊一鵬等[6]總結了水環境、大氣環境和生態環境遙感監測技術進展，結合環境一號衛星提出了衛星遙感技術在我國環保應用中面臨的主要問題、對策和建議。為加強環境遙感技術的應用推廣，進一步推動遙感技術向深度和廣度發展，王橋等[7]以太湖流域為例，系統總結了區域生態環境遙感監測技術應用領域、業務運行模式與成果等，以指導地方環境遙感監測業務工作。趙少華等[8-11]系統總結了高光譜、紅外、雷達和高分辨率等衛星遙感技術在環保領域中的應用進展情況。

作為環境監測與監管的有力工具，衛星遙感技術已在我國環保工作中實現了業務化應用。自環境一號衛星發射以來，環境保護部衛星環境應用中心(以下簡稱環保部衛星中心)基于我國環境一號、高分一號、高分二號和美國TERRA/AQUA等衛星數據，持續開展了大氣環境、水環境和生態環境的有效遙感監測。目前，衛星中心已建成環境衛星和高分衛星等監測應用系統平臺，構建了環境遙感技術體系，形成2級數據處理、專題和應用產品生產、數據分發和產品服務的業務運行能力[12]，衛星遙感技術全面進入國家主要污染物總量減排、流域和區域污染防治、生態保護及環境應急等環保主體工作，在環境保護、環境管理與決策方面發揮了重要作用，成為環境質量監測與評價中不可缺少的重要數據源。如每日對太湖、巢湖和滇池藍藻水華進行監測，為防范水體藍藻水華爆發提供了宏觀動態的監測手段；每日對全國秸稈焚燒火點進行監測，為保障上海世博會、廣州亞運會、西安園博會、APEC峰會和G20峰會等重要國際會議的環境空氣質量提供了快捷有效的技術支持；先后對全國近400個自然保護區進行了大規模核查，為生態監管提供了客觀可靠的信息支撐；為應對環境突發事件，開展了大連海上溢油、松花江化學品桶打撈、玉樹地震、舟曲泥石流、北方沙塵暴和黃海海域滸苔等遙感應急監測和評估；為加強核安全監管，對大亞灣和田灣等核電站溫排水情況進行了遙感監測。此外，環境一號衛星數據還應用于全國生態環境10年變化(2000～2010年)遙感調查與評估等國家重大工程項目中，帶動了全國環保系統環境遙感應用及水平提升。

隨著中國衛星環境監測能力迅速提升和自主環境遙感應用技術不斷發展，新時期環境保護工作對遙感的需求將大幅增加[12]， 比如《大氣污染防治行動計劃》、《水污染防治行動計劃》、《土壤污染防治行動計劃》和《關于加快推進生態文明建設的意見》等國家重要文件的發布，使得環保工作對衛星遙感技術提出了更高的需求，特別是土壤污染遙感監測，其研究和應用都比較少，并存在很大的困難。目前，衛星遙感技術水環境方面可實現對葉綠素a、懸浮物、透明度、溢油和水華等遙感監測，大氣方面可實現對氣溶膠、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳和甲烷等遙感監測，生態方面可實現對土地覆蓋、植被覆蓋度、葉面積指數、土壤水分、蒸散、地表溫度和干旱等遙感監測，但還有很多應用的關鍵技術需要攻關，其系統化和業務化應用的程度還有待提高，因此有必要對新時期衛星環境遙感的應用現狀和存在問題進行梳理，分析和展望未來的發展趨勢，提高環境遙感應用水平。

1 衛星遙感技術在大氣環境領域中的應用和發展

衛星遙感技術在大氣環境中主要應用于氣溶膠光學厚度、顆粒物、灰霾、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、甲烷、秸稈焚燒和沙塵等全國重點城市群空氣質量、污染氣體和溫室氣體遙感監測，目前已在環保部實現日常業務運行，下面以灰霾、秸稈焚燒和污染氣體遙感監測為例分別進行介紹。圖1是環保部衛星中心采用國外TERRA/AQUA-MODIS數據，對2016年9月26日京津冀地區的灰霾分布進行監測，由圖1可知MODIS數據可以很好地反映灰霾的空間分布情況。圖2是環保部衛星中心采用2010年6月25日MODIS數據對長三角地區的秸稈焚燒情況進行監測，可以看出，當日秸稈焚燒火點主要分布在長三角蘇北地區。

圖1 2016年9月26日京津冀及周邊地區灰霾遙感監測

圖2 2010年6月25日長三角地區秸稈焚燒火點分布衛星遙感監測

環保部衛星中心基于2014年12月的AURA衛星OMI數據L2級Grid產品，對京津冀地區污染氣體的分布情況進行監測，結果如圖3所示，由圖3可知二氧化硫和二氧化氮分布呈西北低東南高的特點，這與周春艷等[13]基于OMI數據分析的京津冀城市群2005～2014年NO2變化情況相符，此外，其研究還發現2005～2011年NO2逐漸升高，2012～2014年逐漸降低，以2014年下降最為顯著，這可能與國家發布《大氣污染防治行動計劃》后采取一系列的防治措施有關，也反映了防治的成效顯著。周春艷等[14]還利用OMI對流層NO2垂直柱濃度產品分析了“十二五”期間京津冀、長三角和珠三角三大城市群對流層NO2柱濃度時空變化，結果表明，京津冀濃度最高，呈西北低東南高的趨勢；長三角次之，呈中間高、北部次之、南部低的趨勢；珠三角最低，呈中間高、周邊低的趨勢。相比2010年NO2排放量，2015年3個區域分別下降24.74%、27.73%和26.28%。

未來，針對大氣污染防治工作，還需利用大氣激光雷達等主被動、紫外、紅外、偏振、多角度、高光譜、高時間和大幅寬等遙感技術，結合地基觀測、大氣模式和數據同化等手段，建立近地表大氣顆粒物濃度遙感反演模型及灰霾遙感監測方法、全國秸稈焚燒火點分布及生態影響遙感監測方法、污染氣體高精度遙感反演方法、港口/船舶大氣污染遙感監測方法、全球和重點區域溫室氣體遙感監測方法等，開展大氣環境質量綜合監測和預警等工作。

圖3 2014年12月京津冀地區二氧化硫和二氧化氮衛星遙感監測分布

2 衛星遙感技術在水環境領域中的應用和發展

衛星遙感技術在水環境中主要應用于水質、水華、水表溫度、熱污染、赤潮、溢油和核電廠溫排水等大型內陸水體/飲用水源地、城市黑臭水體和近海遙感監測，目前已在環保部實現日常業務運行，下面以水質、溢油和核電廠溫排水遙感監測為例分別進行介紹。圖4是環保部衛星中心基于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，可以看出，葉綠素a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。南部區域的懸浮物濃度偏高，北部部分區域濃度較高，西部普遍比東部區域濃度高。南部區域的透明度偏低，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2級[15]。圖5是環保部衛星中心利用Radarsat SAR影像，對2010年7月26日的渤海溢油提取，提取的油膜區域大小為291 km2[11]。圖6是環保部衛星中心基于2012年11月6日的HJ-1B數據對大亞灣核電廠溫排水進行遙感監測，可以明顯看出核電廠周邊海域的溫升情況，為國家的核安全監管提供重要技術支持[10]。

未來，針對水污染防治工作，還需利用主被動、紫外、紅外、多角度、高空間、高光譜、高時間和大幅寬等遙感技術，結合地基觀測和數據同化等手段，建立大型水體水華、水質遙感監測方法、城市黑臭水體高精度遙感監測方法、典型水污染源遙感監測、飲用水源地風險源識別及安全評價等，開展水環境質量綜合監測和預警等工作。

圖4 2014年11月4日太湖水質高分一號衛星遙感監測

圖5 2010年7月26日渤海溢油SAR遙感監測

圖6 2012年11月6日大亞灣核電站溫排水遙感監測

3 衛星遙感技術在土壤環境領域中的應用和發展

環保工作中，對土壤環境監測的重點是土壤污染，但其研究和應用還很少，也多集中在實驗室、地面和機載觀測，且面臨諸多的困難。雖然個別研究表明了衛星遙感技術監測土壤污染的可行性，例如王璐等[16]根據傳感器的光譜響應函數，將原始土壤光譜曲線轉換為模擬的TM和ASTER工作波段，利用該波段估算重金屬含量，結果表明，多光譜數據具有估算土壤重金屬元素含量的潛力，TM的第3波段和ASTER的第2、4、5波段是預測土壤重金屬含量最佳波段。蔡東全等[17]選擇山東省龍口市2013年10月三景HSI高光譜遙感影像，結合實地采樣檢測的土壤重金屬含量數據，建立土壤重金屬含量與高光譜數據的偏最小二乘回歸模型，反演龍口污水灌溉區土壤重金屬(Cu、Mn、Ni、Pb和As)含量，結果較好。但土壤中重金屬含量相對較低，在衛星遙感影像上的信號較弱，所以監測效果還是不理想。

目前土壤環境遙感監測應用較多的是在土壤水分、蒸發、干旱和地表溫度等方面，主要利用可見近紅外、短波紅外、熱紅外和微波技術等。圖7是陳晶等[18]采用2008年7月11日甘肅黑河流域的雙極化Envisat-ASAR數據，基于高級積分方程模型，提出一種僅需雙極化的雷達數據就能實現土壤水分的反演方法，該法無需測量地面粗糙度，尤其適用于大面積干旱區域的地表土壤水分反演，Zhao等[19]也改進提出一個不依賴地面先驗知識，僅需相鄰時相同雙極化的半經驗雷達散射模型，可快速監測裸土土壤水分。

圖7 ASAR影像雙極化數據反演裸土土壤含水量(陳晶等,2013)

短波紅外波段和近紅外波段的組合可以很好地反映土壤干旱情況，Zhao等[20]基于MODIS的第2、6和7波段構建的短波紅外水分脅迫指數來監測寧夏平原的干旱情況，如圖8所示，該指數越大，表明越干旱，從圖中可以看出，當天寧夏的中西部較為干旱，北部為黃河灌溉區較濕潤，這與實際情況較為相符。

圖8 MODIS影像2008年9月18日的寧夏平原干旱指數遙感監測分布

未來，針對土壤污染防治工作，還需利用可見光、紅外、高光譜、高空間、高時間和大幅寬等衛星遙感技術，特別是高軌環境衛星，結合地面試驗、模型模擬和仿真分析等手段，優化構建土壤污染遙感監測的敏感波段，建立全國土壤污染場地/污染源動態監測與評估、設施農業土壤污染監測與評估、礦產資源集中開采區土壤污染監測與分析、城市及其周邊區域土壤環境監測與風險評估等模型方法，開展土壤環境質量評估等工作。

4 衛星遙感技術在生態環境領域中的應用和發展

衛星遙感技術在生態環境中主要應用于土地利用分類、植被覆蓋、生境信息和地表溫度等自然保護區人類活動干擾、生物多樣性、礦山開發環境破壞、農村生態環境和城市生態環境等遙感監測方面，目前已在環保部實現日常業務運行，下面以自然保護區人類活動干擾、城市熱島遙感監測為例分別進行介紹。圖9是環保部衛星中心基于2013年12月10日與2014年8月1日的高分一號衛星8 m分辨率多光譜數據，對該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，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，主要在實驗區，保護區內工礦面積在2014年有縮減[15]。圖10是環保部衛星中心采用2008年HJ-1B衛星的熱紅外數據監測北京市城市熱島效應分布情況，可以看出，北京城區熱島效應明顯，中心城區熱島強度較高，從中心城區向城外逐漸減弱，這與實際情況較為相符[10]。

未來，針對生態環境質量監測評估工作，還需利用可見光、紅外、高空間、高時間、高光譜和大幅寬等遙感技術，結合地面試驗、過程模型和數據同化等手段，建立地物精細化分類、生態系統關鍵參數高精度反演、生物多樣性監測、生態紅線監管、生態資產和生態承載力遙感評價等模型方法，開展生態環境質量評估等工作。

圖9 內蒙西鄂爾多斯國家自然保護區人類活動干擾高分1號衛星遙感監測圖

圖10 2008年10月10日北京城市熱島效應強度分布

5 結束語

雖然衛星遙感技術在中國的環境保護領域得到了廣泛的應用，但面對當前我國總體依然嚴峻的環境形勢，諸如一些重點流域、海域水污染嚴重，部分區域和城市大氣灰霾現象突出，許多地區主要污染物排放量超過環境容量、農村土壤污染嚴重等突出的環境問題，目前衛星遙感還存在土壤污染高精度反演、顆粒物高精度反演、城市黑臭水體高精度監測、高光譜數據快速處理、雷達數據快速處理、多尺度影像處理、天地一體化數據同化和信息協同處理技術、遙感產品真實性檢驗技術、高精度幾何校正、輻射校正、大氣校正技術、多源生態環境數據同化、異構環境數據協同建模、星地環境數據融合與挖掘等系列關鍵技術瓶頸，以及國產環境專用衛星和載荷缺乏、應用系統建設嚴重滯后等不足。

未來5～10年，環境遙感監測將進入一個高分辨率、多層、立體、多角度、全方位和全天候對地觀測的新時代。空間對地觀測系統將向集成一體化、全方位、精細化和主被動綜合觀測等方向發展，環境遙感衛星將向高、中、低軌道并存，載荷系統向專業化、多樣化和智能化方向發展，數據資源將更加豐富。定量遙感技術將不斷深入，環境遙感監測將向天空地協同、物聯網技術方向發展，高精度遙感模型與參數反演、遙感產品真實性檢驗、遙感數據與地球系統模式同化等是未來研究的前沿[21]。環境應用系統將向大數據管理的云計算和云服務網絡化平臺發展，環境遙感應用將向業務化和實用化方向發展。隨著國內外衛星的不斷發射，特別是我國高分系列衛星、空間基礎設施規劃的環境監測系列衛星的發射，衛星遙感技術在我國環保領域中的應用必將越來越廣泛，其將進一步推廣到環境預警預測、綜合評估、環境決策和定量考核等更深入的應用，為國家環境管理和決策提供更重要的信息服務。

[1] 郭之懷.遙感技術在環境保護領域中的應用現狀[J].環境科學,1993,14(4):28-33.

[2] 張九根.衛星遙感在我國環境保護中的開發應用展望[J].環境科學研究,1996,9(3):10-13.

[3] 王 橋.衛星遙感技術在環境保護領域中應用的進展與挑戰[J].中國環境監測,2009,25 (4):53-56.

[4] 楊香云.遙感技術在環境保護中的應用現狀與展望[J].長江大學學報(社會科學版)，2009,32(4):384-385.

[5] 王 橋,魏 斌,王昌佐,等.基于環境一號衛星的生態環境遙感監測[M].北京:科學出版社,2010.

[6] 楊一鵬,韓福麗,王 橋,等.衛星遙感技術在環境保護中的應用:進展、問題及對策[J].地理與地理信息科學,2011,27(6):84-89.

[7] 王 橋,張 峰,劉思含.區域生態環境遙感應用綜合示范—以太湖流域為例[M].北京:科學出版社,2013.

[8] 趙少華，張 峰，王 橋,等.高光譜遙感技術在國家環保領域中的應用[J].光譜學與光譜分析,2013,33(12):3 343-3 348.

[9] 趙少華,張 峰,李自杰,等.雷達遙感在環境保護工作中的應用概述[J].微波學報,2014,30(1):90-96.

[10] 趙少華,王 橋,游代安,等.衛星紅外遙感技術在我國環保領域中的應用與發展分析[J].地球信息科學學報,2015,17(7):855-861.

[11] 趙少華,王 橋,游代安,等.高分辨率衛星在環境保護領域中的應用[J].國土資源遙感,2015,27(4):1-7.

[12] 王 橋,劉思含.國家環境遙感監測體系研究與實現[J].遙感學報,2016,20(5):1 161-1 169.

[13] 周春艷,厲 青,王中挺,等.2016.2005年-2014年京津冀對流層NO2柱濃度時空變化及影響因素[J].遙感學報,20(3):468-480.

[14] 周春艷,高彥華,陳 輝,等.“十二五”期間三大城市群對流層NO2柱濃度時空變化及對比[J].環境與可持續發展,2016,40(3):65-69.

[15] 趙少華,王 橋,楊一鵬,等.高分一號衛星環境遙感監測應用示范研究[J].衛星應用,2015(3):37-40.

[16] 王 璐,藺啟忠,賈 東,等.基于反射光譜預測土壤重金屬元素含量的研究[J].遙感學報,2007(6):906-913.

[17] 蔡東全,吳泉源,曹學江,等.基于HJ1A-HSI的龍口污水灌溉區土壤重金屬含量反演[J].安全與環境工程,2015(5):33-39.

[18] 陳 晶,賈 毅,余 凡.雙極化雷達反演裸露地表土壤水分[J].農業工程學報,2013,29(10):109-115.

[19] ZHAO Shao-hua,ZHANG Cheng-ming,XIONG Yu-jiu,et al.Soil Moisture Mapping Using Two Scenes SAR Imagery Without Knowing Information on Surface Parameters[J].Journal of the Indian Society of Remote Sensing,2016,44(4):651-656.

[20] ZHAO Shao-hua,QIN Qi-ming,YOU Lin,et al.Application of Two Shortwave Infrared Water Stress Indices to Drought Monitoring over Northwestern China[J]∥IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS 2009),2009(3):530-533.

[21] 徐冠華,柳欽火,陳良富,等.遙感與中國可持續發展:機遇和挑戰[J].遙感學報,2016,20(5):679-688.

趙少華 男，(1980—)，高級工程師，北京大學博士后。現任環保部衛星中心綜合部副主任、中心學術委員會委員、中國電子學會高級會員、中國電子學會遙感遙測遙控分會委員會委員、中國遙感應用學會光學遙感專委會委員等，主要從事環境遙感研究，擔任Remote sensing of environment等期刊審稿人。曾主持國家自然科學基金、高分重大專項課題等，榮獲國家、省部級科技進步獎4項，出版專著1部，發表學術論文80篇。

劉思含 女，(1983—)，博士，高級工程師，主要從事定量遙感等研究。擔任中國遙感應用學會環境遙感協會委員。曾主持全國生態環境十年變化遙感調查與評估項目課題等。目前已獲授權專利2項，合作出版專著6部，發表學術論文12篇。

Application and Development of Satellite Remote Sensing Technology in China Environmental Protection in New Period

ZHAO Shao-hua,LIU Si-han,MAO Xue-jun,WU Yan-ting,YANG Yi-peng

(SatelliteEnvironmentalCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofSatelliteRemoteSensing,Beijing100094,China)

The satellite remote sensing technology has been widely applied and plays an important role in environmental protection work in China,and the operational applications have been achieved by using HJ-1 and GF-1 satellites.In view of the characteristics of environmental protection work in new period in China,this paper analyzes the applications of satellite remote sensing technology in the atmospheric environment,water environment,soil environment and ecological environment,and puts forward the future development trends.The development of high-resolution satellite remote sensing technology and the launch of high-resolution earth observation system satellites in China will promote significantly the quantification and refinement level of environmental monitoring in China.

atmospheric environment;water environment;soil environment;ecological environment;high resolution

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.01

趙少華,劉思含,毛學軍,等.新時期我國環保領域衛星遙感技術的應用與發展[J].無線電工程,2017,47(3):1-7.

2016-12-18

國家高分辨率對地觀測重大專項基金資助項目(E05-Y30B02-9001-13/15-1)。

TP79

A

1003-3106(2017)03-0001-07