空間遙感技術在紹興市“無廢城市”建設中的應用

逄雅潔 邰佳怡 盧瑛瑩 陳 樑 胡正峰# 慎 利

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 611756；2.浙江省生態環境科學設計研究院，浙江 杭州 310007；3.紹興市生態環境局，浙江 紹興312000)

生態文明是工業文明發展到一定階段的產物，是實現人與自然和諧發展的新要求，生態文明建設是關系中華民族永續發展的根本大計。以“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念為引領的發展模式，逐漸成為國家提倡和社會廣泛認可的先進城市管理方式。隨著我國國民經濟的不斷提升、國家工業化和城鎮化建設的高速發展，城鄉固廢產量的增速不容小覷，與人民對日益增長的優美生態環境需要相去甚遠。相關資料顯示，我國每年產生的城市固廢達2億t左右，從增長趨勢來看，城市固廢年產量尚未達到峰值[1]。城市固廢的無序堆放、粗放管理和隨意處置等現象使得城市環境污染的問題愈發嚴重。2017年，我國學者倡導從廢物源頭進行管制，促進資源的最大程度利用和固廢最小總量填埋，提出了“無廢城市”的戰略概念。2018年，國務院辦公廳印發《“無廢城市”建設試點工作方案》和《“無廢城市”建設指標體系》，并在2019年初公布了包括浙江省紹興市在內的首批“無廢城市”建設試點名單，旨在通過試點城市的實踐工作，不斷總結出可復制可推廣的“無廢城市”經驗做法，以點帶面不斷深化生態格局優化。

在國家加大科技投入，全力推進“無廢城市”試點建設工作中，信息遙感技術近年來憑借自身的宏觀、高效等特點，通過獲取物質發射或反射的電磁波獲取遠距離物體的信息，逐步成為現代環境監測與治理工作中重要技術之一，具有效率高、探測范圍廣、信息量大、自然速度快和用途多等優勢，為“無廢城市”建設的科技后盾提供了更多的手段和可能性。

1 遙感技術在紹興市“無廢城市”建設中的具體應用

作為浙江省唯一的試點城市，紹興市圍繞“雙城記、兩業經、活力城”要求，通過浙江省固廢全過程管理的信息化、智慧化平臺建設、建立健全農業廢棄包裝物、廢舊農膜回收處置體系、創新固廢處置標準體系等亮點工作，取得了“無廢城市”建設的較好成效，形成一系列“紹興樣板”，為紹興市堅決打好污染防治攻堅戰奠定了堅實的基礎。

然而，紹興市對信息技術的利用還不能完全達到精準監測和實時管控的程度，主要表現在：(1)無序堆放的固廢較難統計；(2)調查主要依靠基層上報數據，數據不夠客觀高效，較難滿足實時需求。

為給紹興市“無廢城市”平臺管理提供更為全面的技術支撐，將空間遙感技術引入生態環境治理能力的領域，討論將遙感技術融入“無廢城市”建設工作的意義，對4種應用場景可用的衛星進行了簡單總結，并根據應用情況給出具體意見或建議。

1.1 固廢堆場監測

目前，我國城市化建設的不斷推進導致總量隨著持續增長，使城市固廢堆場的無序混倒、非法堆積、不規范處置等現象越發嚴峻，對城鎮居民生活產生了惡劣影響。根據《紹興市“無廢城市”建設試點工作實施方案》《浙江省工業固體廢物專項整治行動實施方案》等要求，紹興市開展一系列治廢工作加強對轄區工業固廢產生者的督導，從源頭加強管控，不斷補充和完善監管制度以提高固廢監管信息化。

截至2020年中旬，紹興市雖已有4 900家固廢產生單位注冊使用浙江省固體廢物監管系統，但在擴大固廢監管覆蓋面積和提高監管信息化等工作方面仍有提升空間。以往的監管工作主要依賴人工監察和信訪舉報等途徑，而多數違規固廢堆場相對隱蔽分散，在人力物力有限的條件下，采用遙感手段監測固廢堆場具有覆蓋面積大、數據更新及時、節約成本等優勢[2]，有助于相關部門動態了解到監管區域的實時情況。2020年紹興市統籌推動建立“精準化源頭分類，專業化二分揀，智能化高效清運，最大化資源利用和集中化統一處置”(以下簡稱“五化”)的固廢收運體系，據統計，河橋區、上虞區固廢收集規模分別為1.5萬、5萬t/a。利用遙感技術的固廢監測一般通過遙感影像解譯進行，可以高效獲得固廢的面積、體量等規模數據。國外較早開展此類工作，BAGHERI等[3]早在1988年根據航空照片目視查明美國新澤西州的67處固廢堆場。在計算機技術的迅猛發展下，固廢堆場的解譯可以通過機器完成半自動或自動識別[4]，SILVESTRI等[5]對美國IKONOS衛星資料進行判別，確定了分布在意大利的固廢堆場。近來年來，研究人員將深度學習引入遙感影像的目標識別中，提高了固廢堆場的提取精度[6]，有利于精確摸清固廢堆場數量，開展智能化、自動化的街道、工業園區和產業園區的工作督導。

針對紹興市企業自主核查、監管部門抽查核查的督導考核機制，基于遙感的固廢堆場監測有利于健全固廢處理管理體制，完善固廢統計體系，實現科技監測與人工輔助雙管齊下的管理手段，切實統籌紹興市全域“無廢城市”建設。

1.2 秸稈焚燒監測

秸稈焚燒會產生大量有毒有害的氣體，對大氣環境造成嚴重污染。近年來，紹興市開展“藍天保衛戰”“美麗鄉村”等工作加強了農村秸稈禁燒管控，為紹興市建設“無廢城市”打造牢固屏障。在“藍天保衛戰”工作中，紹興市成立治氣工作專班，全年共交辦涉氣問題372件，開展每周巡查暗訪和每月空氣質量排名通報預警。然而，因為秸稈焚燒現象具有隨機隨時、分散分布不規律等特點，人工巡查和定點取證方式在監測秸稈焚燒的工作中耗費大量人力與物力，仍無法實時、全面掌控大區域內的焚燒情況[7]，相比下，遙感監測在時效性、空間性、經濟性等方面都具有顯著優點。

遙感監測秸稈焚燒主要利用遙感探尋高溫熱源的原理[8]，火點的準確判別和提取是開展遙感監測秸稈焚燒現象的關鍵，研究人員目前較多采用中分辨率成像光譜儀(MODIS)傳感器獲取數據[9]?；贛ODIS的秸稈焚燒檢測利用基于中、長紅波段的光譜特性，通過對比常溫背景值和溫度異常點的輻射峰值差異，并結合利用土地利用與覆蓋數據進行疊置分析，可以檢測到火點位置[10]。另有學者采用改進型MODIS火災探測算法，可以識別面積更小或者溫度較低的火點，準確探測更多真實火點的數量與分布[11]。

2020年，紹興加強了露天禁燒監管，加大夏收、秋收季節秸稈焚燒路面巡查監管，秸稈遙感監測焚燒火點連續兩年保持20%以上的下降率。隨著國家總體科技的不斷進步、遙感技術水平隨之水漲船高的背景下，紹興市有望實現秸稈巡查工作自動化，為“無廢城市”的建立保駕護航。

1.3 廢舊農膜監測

作為設施農業中的重要生產資料，農用塑料薄膜(以下簡稱農膜)在促進農業增產和增收方面發揮了不可忽視的作用，為我國農業發展做出了重大貢獻。隨著農膜的大量使用，與農膜相關的污染問題受到越來越多的關注。一方面，農膜經使用后殘留于土壤中的白色污染物在自然條件下難以降解；另一方面，我國地膜回收率不到60%[12]，回收處理的缺乏使得“白色污染”加劇。因此，準確掌握農膜空間分布信息和使用量，不僅能為農膜環境污染治理提供重要技術支撐，也為政府調節市場和發放設施農業補貼提供重要依據。

長期以來農膜面積調查主要通過行政單位層層上報的方式統計匯總，這種傳統的農膜使用量統計法費時費力且缺少空間位置信息[13]。將遙感技術引入廢舊農膜監測便能夠把握地物空間分布狀況，特別是基于遙感技術的農膜自動化提取具有快速、動態、空間性強的優勢，從而能夠解決大范圍廢舊農膜監測的難題?；谥蟹直媛蔐andsat TM 影像，PIETRO等[14]采用平行六面體方法進行覆膜農田信息提取，并結合SAR影像來檢驗其分類精度，為自動識別覆膜農田提供了一套較為有效的程序；馬群[15]則利用TM遙感影像，采用支持向量機(SVM)分類技術對大棚菜區信息進行了遙感提取，也取得了較好的效果。LEVIN等[16]利用空間分辨率為l m的高光譜影像分類，對透明地膜能夠取得理想的提取效果，精度可達90%以上。

隨著遙感技術的發展，特別是遙感技術在農業領域的廣泛應用，利用遙感技術監測大棚菜地廢舊農膜等設施農業信息將對今后農業生產管理具有重要意義。根據農業部《關于進一步加強農藥廢棄包裝物回收和集中處置工作的通知》的要求，目前紹興市已基本建立廢舊農膜回收處置體系，目前主要為農民自行歸集，由供銷社進行定點、統一收集處置。因而在后續 “無廢城市”建設過程中，如何將遙感技術與廢舊農膜監測治理緊密結合，推廣切實可行的農膜回收再利用技術，實現精細化綜合化管理是下一步廢舊農膜污染防治的重點。

1.4 土壤污染核查

土壤污染具有累積性、不均勻性和長期存在性等特點[17]，如何切斷土壤污染的源頭，遏制土壤污染擴大的趨勢是建設“無廢城市”不可忽視的問題。根據《浙江省土壤污染防治行動2020年工作計劃》，紹興市結合實際制定了《紹興市土壤污染防治行動2020年工作計劃》推進一系列土壤污染防治監管工作，如開展重點行業企業用地土壤污染狀況調查，強化建設用地風險管控，進行污染地塊安全利用現場檢查，加大重金屬污染防治力度等。通過不斷加強污染減排監管，目前紹興市已在土壤污染防治工作中取得一定成效。

傳統的土壤污染研究通過野外實地逐點采集樣品，以污染物化學測定的方法在室內分析各樣點的污染物質含量。這種方法測量精度較高，但耗時費力、效率較低，而且無法較好地獲取空間上連續分布信息。而作為空間技術之一的遙感技術，其宏觀快速的獨特優勢為土壤污染調查與監測提供了可能。運用光譜分析法[18]識別出土壤污染物及其與土壤結合后形成的特定光譜，建立遙感特征與土壤污染物間的回歸模型，可以定量反演土壤污染程度與分布；同時耦合地面監測數據，開展土壤污染的動態遙感監測。基于紹興市各區、縣單位的礦產集中開采區、石油開采區，可以利用遙感技術劃定土壤污染邊界，開展未利用地環境遙感監管；對于重點行業企業用地中污染地塊，可以利用遙感技術監測污染地塊的分布及評估其環境風險等。

截至2020年底，紹興市已完成100余個地塊的采樣工作，嚴格管控了3 226.68 hm2受污染耕地，減少無法律法規依據劃定的禁養區574.61 km2，完成農用地土壤超標點位銷號13個，積極開展“凈土開發”相關土壤污染監管工作。紹興市未來土壤污染監管將進一步發揮遙感技術的宏觀、連續、光譜綜合等特征，構建仿真分析模型，形成完善的污染動態監測評估體系，從而有效地展開土壤污染核查工作，為生態環境改善、土壤質量評估及城市規劃等提供重要的科學依據和決策支撐。

綜上，紹興市生態環境保護中遙感在不同場景下的應用情況匯總見表1。

表1 生態環境保護中遙感在不同場景下的應用

2 遙感技術在紹興市“無廢城市”建設中的應用展望

隨著大數據和云計算技術的進步，信息遙感技術的加入為紹興市“無廢城市”建設提供技術支撐。為實現“無廢城市”建設目標，紹興市還需要考慮以下幾個方面的改進和提升：

(1) 依托新一代通信技術，實現信息的實時傳輸和處理，提高“無廢城市”知識服務能力。正在普及的第五代移動通信技術(5G)具備泛在、實時、無線及智能等特點，其無縫覆蓋的無線連接智能服務可以使企業第一時間依據監測報告作出整改，治理部門對整改效果予以實時監督，實時記錄各環節操作信息，保證全程追溯，責任落實。同時調動群眾的力量，實時將問題現場的相關數據和圖片上傳至監測治理平臺，使建設“無廢城市”真正走向社會化、實時化與大眾化。

(2) 進一步深化引用，融合多源數據形成遙感大數據，做到“空天地”協同一體化。目前尚待提高的遙感信息處理技術與數據獲取能力之間出現嚴重的失衡，未來的“空天地”一體化更關注于數據融合，由軌道衛星構成的天基網絡、飛行器構成的空基網絡及傳統地基網絡合為一體，使數據更為有效地利用。依托一體化的遙感監管平臺，“無廢城市”治理將形成一種高效的分工明確、相互配合的監管模式。

(3) 引進人工智能技術，耦合機器學習等智能化算法，實現由傳統方法向人工智能技術的轉變。依托機器學習相關算法訓練得到預測模型，使未來“無廢城市”監測治理的應用范圍更加廣泛，快速、高效地對監測要素進行更新，實現長時間、大尺度及連續動態監測的推廣使用，為自動化、智能化治理提供了強有力的技術支撐。

(4) 與地理信息系統(GIS)技術緊密聯系，利用時空分析方法，打造線上線下綜合監測治理平臺。借助空間檢索及空間分析機制，GIS技術能夠實現對空間信息資源的時空分析，為政府服務平臺及各種企業中的相關應用提供基于基礎底圖的展示與分析服務，通過在線化、標準化的地圖服務接口實現共享，使得處理海量空間數據由原來的集中、獨占的方式走向分布、共享[19]，進而提高實際應用效率，增強治理監測能力。

由于空間遙感技術是一項具有較強的專業性的技術工作，為使其在生態環境管理中充分發揮作用，必須在查找和規整相關空間分析資料的同時，對地方政府的管理人員和技術人員進行相應的培訓鍛煉，令其能夠掌握實地調查手段和遙感影像解譯的方法技術，然后根據所監測目標的特點制定出具體的解譯方案和工作程序。

在固廢堆場的監測上，建議建立當地空間遙感技術的計算機信息系統，使實地監測目標與遙感影像監測數據相對應，對不同類別的固廢進行統計，方便隨時進行面積、堆放形式等信息的核查；打造基于遙感的，連接監督群眾、生產單位和監測機構數字化開放平臺，提供基于遙感的地圖導航和定位等基本服務，具備固廢相關的在線舉報、公司上報和當地審核等功能，使政府和群眾得以共建共聯，共同敦促城市固廢的管理工作。

在秸稈焚燒的監測上，現有的遙感技術已經可以通過精確計算得出秸稈焚燒的面積并預估排放量，有關政府部門需要在此技術的輔助下，全力聯合財務部門、環保部門、農業部門和交通部門共建共享遙感數字化平臺，政府部門在遙感監測方面充當統籌規劃的角色，財務部門管理平臺的日常運營開銷，農業和環保部門根據遙感監測的火點和排放量等信息實時與農田負責人進行溝通，并適時進行秸稈回收利用機制的宣揚[20]。

在廢舊農膜的監測上，監管系統的建立可以結合參照秸稈焚燒與固廢堆場的監測模式，結合實地普查與遙感核查的方式，摸清當地所有農膜的污染規模，由多個部門協同打造實時數字化的監測體系，分步實施管理。加強遙感監測預警部門、種植戶和農膜回收加工企業的三方聯系，線上線下協同引導農民和企業等新型營業主體形成良好的監測-回收網絡[21]。

在土壤污染核查上，可利用遙感技術對土壤環境質量狀況的有效監控，同樣需要建立土壤環境質量數字信息網絡。部署監測系統的人員需要同時協通衛星遙感、地基遙感、地面觀測、模型模擬等綜合協同監測技術，實現區域土壤環境動態變化監測。利用遙感數據提取當地土壤污染的變化信息、分布和污染物質含量，在此基礎上根據對應地理地形、土壤類型和發展潛力來對下一步的土壤整改做出指示和督促。

3 結 論

紹興市作為國家“無廢城市”建設試點城市，不斷強化技術創新和科技引領作用，在構建產學研用平臺、實現智慧化管理、開展基礎實驗等方面取得了長足的進步，從根本上破解了“固廢圍城”的難題。遙感技術具有大大拓展監測范圍、提高監測的時效性，增加信息獲取的全面性、客觀性的優勢，特別是對人跡罕至、難以監測的地方，遙感技術可以突破視野的局限性，克服傳統監測方式投入大、效率低、周期長的弊端，將遙感技術不斷與光電儀器、計算機等現代化科技結合，可提升監測信息的準確性，實現長效動態化監管，使得對污染遙感核查走向現代化、智能化，為其他城市“無廢城市”建設探索新路徑。