通導遙一體化技術在生態環境保護中的應用初探

文｜張銳 鄒蒙蒙 馬澤雯 張麗麗 王東

1.哈爾濱航天恒星數據系統科技有限公司 2.中國空間技術研究院 3.航天恒星科技有限公司

一、前言

為了落實黨中央、國務院對生態文明建設工作的要求，更好地對生態資源實現保護、修復、監管、治理等職責，衛星遙感技術已成為生態環境保護中不可或缺、難以替代的重要手段[1]。

隨著北斗衛星導航系統、高分辨率對地觀測系統為代表的國家空間基礎設施建設應用工作取得重大成效，以北斗、高分等衛星應用技術與人工智能、5G等新興技術相融合的應用模式已成為提升生態環境保護的重要手段及趨勢之一[2]。本文針對生態環境綜合監管、執法等業務，探索基于北斗導航、5G、高分遙感一體化協同應用，打造以天地一體化感知、動靜態數據融合挖掘為特點的生態環境巡護執法模式，為生態環境巡護執法提供宏觀大面積監測手段，為違法事件追溯提供客觀的歷史時序數據支撐，明確巡護執法目標，提高巡護執法的工作效率。

二、通導遙一體化技術

1.北斗網格碼構建統一時空基礎

北斗網格位置碼是為提供一致的空間區位標識，在大數據時代背景下實現信息的整合和共享應用而提出并設計的，是以GeoSOT為基礎對地球空間區域位置的一種網格化代碼標識，即一個網格一個單位空間，網格位置碼作為單位空間的唯一標識可以將單位空間內的實體及空間內的業務數據、地理信息數據項關聯，形成統一的時空信息基準，便于業務數據與地理時空數據的統一管理及分析應用[3]。

北斗網格碼其核心是將地球完整剖分成32級、無縫嵌套、最小尺度為1.5cm2的網格群，同時為每個網格賦予一個全球唯一的整型數編碼。北斗網格碼與環境業務數據相關聯示意圖見圖1。

圖1 北斗網格碼與環境業務數據相關聯示意圖

2.北斗RDSS及5G數據高效傳輸協調

北斗衛星導航系統、5G作為我國重要的新型基礎設施，全面融入到了我國環境保護、農業、城市管理等業務領域，是社會信息化、數字化的重要支撐。本文通過將北斗短報文通信與4G/5G通信融合[4]，構建5G+北斗RDSS的一體化生態環境監測傳輸網絡。生態環境綜合執法人員利用北斗手持終端實現綜合指揮調度及關鍵數據傳輸應用，北斗RDSS及5G數據傳輸圖見圖2。

圖2 北斗RDSS及5G數據傳輸圖

3.高分遙感多源融合應用

充分發掘遙感、氣象等衛星數據的特點，針對區域環境保護工作的重要內容，基于國內外氣象衛星數據，包括極軌衛星、靜止衛星等，以及多時相、多源遙感衛星數據，從宏觀與微觀兩個層面提供環保遙感監測工具集。結合“氣象宏觀監測、遙感微觀感知”的一體化服務方式，利用氣象數據得到宏觀處理結果，利用遙感微觀處理結果對氣象宏觀處理結果進行區域詳情補充，從大氣環境、水體環境、生態環境三個方面開展生態環保行業應用建設，獲取區域環境保護相關要素，以便迅速獲取環境狀況的變化信息，及時預警并提供決策意見，滿足政府用戶對環境保護的決策支持和行業用戶的業務化需求（圖3）。

圖3 高分遙感多源數據融合應用

三、生態環境保護巡護執法系統構建與應用

1.系統架構設計

基于“北斗+高分”的生態環境巡護執法體系，依托天地一體化感知手段，通過衛星通信、互聯網、物聯網（IOT）、4G/5G等數據傳輸網絡，將信息匯集到生態環境巡護執法系統中，利用高分遙感時序變化檢測技術，開展面向人類活動監管、生態環境綜合評估和生態環境巡護執法的數據挖掘處理[5]，同時將專題分析數據與自然保護區域內的北斗定位信息深度融合，將形成的巡護執法電子導航地圖嵌入到手持終端中，基于北斗定位手持終端指導巡護人員開展現場巡護執法工作，通導遙一體化生態環境保護系統架構見圖4。

圖4 通導遙一體化生態環境保護系統架構

2.生態環境監測業務流程設計

環保執法人員可通過分析環境監測站點、遙感衛星監測的環境監測數據以及環保部下派的任務，對重點監測部位進行日常巡查、監測取樣工作，并將監測、巡查結果上報生態環保北斗高分應用系統，完成對生態環境的日常監測和環境執法人員的任務管理，通導遙技術生態環境監測的業務流程見圖5。

圖5 通導遙技術生態環境監測業務流程

3.通導遙一體化技術在生態環保中的主要應用

（1）生態環境巡護執法

以高分遙感數據為核心開展生態環境區的宏觀大面積監測，識別有影響的自然資源開發利用活動、環境污染事故和生態破壞事件等違法行為案件圖斑[6]。以北斗導航巡護調度為核心，結合地理信息系統（GIS）空間數據違法行為案件圖斑數據，根據巡護人員位置、巡護區域給出最佳巡護路徑。巡護執法人員到達現場后，通過手持APP終端回傳違法行為位置信息、現場照片或視頻監測數據，對執法案件進行遙感歷史時序數據追溯。

（2）人類活動監管

人類活動監管主要通過北斗導航信息和遙感數據，對自然保護區內的工程建設、資源開發、生態破壞、環境污染等人類活動進行監測，發現和定位存在生態環境破壞的人類活動，并根據所屬區域下發到各巡護執法人員進行核查、處置和反饋，最后對保護區內整體人類活動進行分析和評估。

（3）生態環境綜合評估

生態環境綜合評估利用多年遙感數據，對氣溶膠、水體懸浮物濃度等關鍵指標進行監測，通過對生態環境過去、現在、未來進行客觀演繹，開展生態環境綜合評價，指導科學保護。其主要監測內容如下：

氣溶膠監測反演：通過氣象數據處理可以獲取區域地表的大氣信息，依據氣象衛星數據對氣溶膠產品進行宏觀監測，結合宏觀氣溶膠監測產品與遙感衛星數據，對微觀氣溶膠產品進行精細反演，并與宏觀監測結果進行對比分析驗證。

葉綠素a濃度反演：利用水體葉綠素a提取模塊處理得到水體葉綠素a濃度，對水體富營養化、水體污染等提供基礎信息支持。

水體懸浮物濃度：針對河流、湖泊、大型水庫等大面積水體，利用極軌氣象衛星進行水體黃色懸浮物反演，監測泥沙等懸浮物。

水質監測：基于氣象衛星數據獲取大范圍區域內的水體懸浮物、藍藻水華等信息，再利用遙感衛星影像分析具體小范圍水體的富營養化、熱工業污染、泥沙含量、水華等基礎信息，應用于水體水質現狀監測、長時間內水質變化分析以及大型水利設施對水體水質的影響等業務方向。

水土保持監測：通過氣象數據處理宏觀層面的大氣含水量、植被指數、陸表溫度等基本信息，利用中高分辨率影像確定植被分布的區域、類型及變化信息，對環境監測、水體保持、生物多樣性保護等提供信息服務。

四、結束語

借助北斗三號系統全球組網完成、5G應用高速發展的重大發展機遇，利用北斗三號系統定位導航功能，加大北斗三號終端、高分遙感數據、5G數據傳輸在生態環境保護、綜合執法方向的應用，構建基于通導遙一體化協同應用的生態環境保護監測執法系統，主要實現生態環境巡護執法、生態環境綜合評估等功能，為新時期的生態環境監管、執法等提供有效技術手段，提高生態環境監管、執法效率，最終為生態環境保護提供科學的決策依據，全面提升生態環境治理效能。