衛星遙感技術縣域應用現狀及前景分析

劉 剋

北華航天工業學院 河北廊坊 065000

一、概述

2005年國務院發布《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》(國發〔2005〕44號)，將高分辨率對地觀測系統(簡稱“高分專項”)確定為16個重大專項之一，得益于高分專項的引領和貢獻，中國對地觀測系統呈現出蓬勃發展的態勢[1]。2015年《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015—2025年)》(發改高技〔2015〕2429號)，提出了支持民間資本投資衛星研制和系統建設，增強發展活力，開拓了我國衛星遙感產業發展國家帶頭，民營跟進，百花齊放的新格局。2021年3月11日，十三屆全國人大四次會議表決通過的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要的決議》也提出“建設高速泛在、天地一體、集成互聯、安全高效的信息基礎設施，增強數據感知、傳輸、存儲和運算能力”。為衛星遙感以國家民用空間基礎設施建設成果為基礎，借助云計算、大數據和互聯網+等，為開展更為精準的服務提供了契機。

遙感在地球科學、環境科學、資源科學與全球變化研究中具有宏觀動態的優點，是不可替代的全球觀測手段，是實施可持續發展戰略的基礎性技術支撐[2]。我國已形成以資源、海洋、風云等衛星系列為代表的遙感衛星監測體系，初步具備了全天時、全天候對地觀測能力，構建了涵蓋國土資源、農業、林業、環境保護、氣象等多行業領域應用的對地觀測和遙感應用技術體系。隨著民營衛星遙感產業的不斷壯大，已形成以國家遙感衛星為骨干，以民營遙感衛星為輔的從衛星遙感數據采集、提取到應用的全產業鏈條體系。隨著無人機遙感技術的發展，“立體組網，協同觀測”已逐步成熟，遙感應用與大數據、云計算、物聯網和互聯網+等信息技術深度融合，遙感應用已直接面向大眾，空間信息服務開始步入千家萬戶[3]。

2020年，我國在軌運行的遙感衛星已超過200顆，光學和雷達衛星的最高地面分辨率均優于0.5m，衛星應用體系更加完善[4]。衛星遙感為國家和省級政府部門提供了長序列、可持續、科學的宏觀輔助決策信息。我國有接近3000個縣級行政區，美麗鄉村建設的持續進行和遙感產業化向更深層次、更多領域發展，衛星遙感如何更好地服務于更小尺度的區(縣)域地方經濟和社會發展，是遙感產業化發展在滿足政府服務需求的基礎上，開展區域應用和大眾應用的新途徑。

二、縣域遙感應用現狀分析

鑒于縣級行政區的管轄范圍相對較小，遙感在縣域的應用以多部門并行和協同為主，具有很強的綜合性、地域性和微觀性，且需求變化快，如何在較小的空間尺度(1000～2000km2)，甚至更小的空間細節上體現遙感觀測優勢，傳統的衛星遙感數據獲取、處理、地物及其現象的反演和預測，以及成果輸出等應用模式方面，從中高尺度到小尺度的轉換、更新和創新。所需的遙感衛星多以高空間、高時間和高光譜分辨率為主，同時，鑒于成本和精準度考慮，重點區域需輔以無人機數據服務，具體來說，遙感在縣級行政區的應用現狀按照行業可分述如下。

(一)國土資源

衛星遙感國土資源調查與監測主要包括：土地利用現狀調查與分析、土地利用與覆被變化遙感監測、監管、礦產資源遙感調查與監測、礦山開發監測、地質災害監測、地質隱患調查等國土資源微觀調查與監管業務應用[5]。

縣域土地利用現狀調查是縣域遙感的核心業務之一，鑒于衛星遙感的實時性、客觀性以及詳細的最新土地利用現狀數據，可以從整體上了解縣域經濟和社會的發展現狀，真實展示美麗鄉村、精準扶貧等建設成果，利于輔助決策，因此，也是政府部門亟須的重要數據。土地利用現狀調查的核心是高精度的土地利用分類，以GF-1和GF-2、ZY-3、Landsat-8、Sentinal-2以及部分小衛星星座等高、中等空間分辨率數據作為土地利用現狀調查的主要數據源，野外核查以無人機和地面實勘為主。

不同時期的土地利用分類結果，可進行影像比對以及土地利用變化分析，及時發現違法的土地利用變更。如果與經濟和社會發展數據相結合，利于獲取土地利用變化影響因子及進行權重分析。另外，縣域資源調查和分析因縣而異，比如，煤礦產區可能需要煤礦的生態恢復的調查，而地質災害易發區域，則需要進行崩塌、滑坡或泥石流等的常態化，可持續監測。

(二)農業

農業是遙感技術應用最重要和廣泛的領域之一，涵蓋了農田輻射傳輸機理及作物參量遙感反演、作物遙感分類與識別、農田養分遙感與變量施肥決策、作物產量與品質預測、農情遙感監測與預報、農業遙感監測空間決策支持系統等[6]。可概括為作物種植面積獲取和作物長勢監測，以及農業遙感監測的信息化，監測對象主要為大宗糧食作物和特色農業。

縣級小尺度區域作物種植面積的獲取，一般在基于農業用地掩膜的基礎上，精確區分地塊的作物種類，需要高空間和高光譜分辨率的衛星遙感數據，同時，還需考慮作物的物候信息等，要求精度高，作業難度大，既是縣域農業遙感比較缺乏的基礎資料，又是進行農作物長勢監測的基礎。作物長勢監測涉及土壤墑情、土壤養分以及作物病蟲害等。

土壤墑情監測與氣象條件、土壤的物理特性和水分條件、作物種類及生長情況密切相關，通常以微波衛星遙感數據模型為主，光學衛星數據模型輔助的方法進行監測。土壤養分的遙感反演主要以裸土或稀疏覆蓋下的土壤為研究對象，以土壤反射率光譜的形狀和吸收特征為依據，建立反演模型。

遙感監測作物病蟲害主要依賴于作物受不同脅迫影響后發生的光譜響應，作物在受到病蟲侵害后，常破壞色素系統，導致不同波長范圍的反射率改變，如紅邊藍移現象[7]。病情程度和病害光譜診斷模型的構建方法較多，在確立病蟲害的光譜響應特征后，通過更高精度衛星影像、無人機航拍或地表實勘的方法將這種關系擴展至地塊、區域等較大的空間尺度，從而進行相關區域的病蟲害監測。

隨著我國經濟的快速發展，特色農業已經是農業經濟不可或缺的一部分，經濟作物的種植狀況監測也是縣域遙感的重要內容，比如設施蔬菜、大蒜、生姜、油葵、橡膠等各具地域優勢作物，以作物的種植面積監測為主，可為地方政府摸底管轄區域特色農業種植情況提供科學支撐。

(三)林業

縣域林業遙感的應用主要涉及森林資源調查、森林病蟲害、林火監測和亂砍濫伐等。森林資源調查是林業用地自然和非自然屬性的調查，為合理地經營森林資源提供科學依據。森林資源清查分為三類，其中以縣林業局(場)經營單位全面詳查為二類森林資源清查，首要進行森林區劃(林班、小班)，然后對小班中的各項因子進行詳查，是縣域林業遙感調查的主要內容，利用中高空間、高光譜分辨率衛星影像，與有人機、無人機航拍(光學、激光雷達)數據結合，參與森林覆蓋率、森林蓄積量、森林區劃、地類判讀、部分林分因子的判讀和量測，以及林相圖的編繪等。

病蟲害是森林的主要災害。森林受到病蟲害侵襲后，林木的外貌樹冠形態和內部生理結構都會出現異常，影響到林木的反射率，表現為易于被遙感衛星傳感器捕捉到的光譜特性的變化，從衛星遙感影像光譜值的變化和紋理結構的異常等可判斷其受到的侵害程度[8]。衛星遙感可監測森林病蟲害發生、發展的過程并估測損失，利用衛星遙感影像監測森林病蟲害主要技術方法包括：影像分類、影像差值/比值、影像處理(纓帽變換、主成分分析、紋理分析等)、植被指數、光譜分析、數學方法(多元回歸、人工神經網絡與深度學習)等。

疑似火點的發現是林火監測的重點，過火面積的提取利于損失評估和災后恢復的決策。疑似火點的發現強調準確性、及時性，通常以實時性強的氣象衛星數據為主。我國已有利用NOAA、FY和MODIS(載荷)等遙感數據的林火監測系統。同時，在火災發生時，利用GF-4等凝視衛星，可以近實時動態監測火勢的變化。利用衛星遙感技術估計過火面積，主要是根據火災前后地表輻射特征的變化來確定過火像元，主要體現在近紅外波段地物反射率的迅速下降，通過選擇過火像元和未過火像元在近紅外通道反射率的差異，利用域值法可以提取過火區。針對縣級區域的亂砍濫伐則較少，主要為森林覆蓋率高的局部小區域由林地變成農田、建設用地等用地性質的變化。

(四)環境保護

大氣、水、土壤和城市環境，是環境遙感的主要監測對象。大氣環境監測以大氣污染監測為主，目的是解析大氣多組分污染物時空分布，縣級行政區城鄉結合部散亂企業污染嚴重，準確快速地確定環境污染重點區域是縣域大氣環境遙感監測的主要內容，通常監測的指標為灰霾、PM2.5、PM10和SO2濃度等相關大氣環境參數?；姻沧R別是灰霾監測分析和統計的基礎，通過灰霾光學厚度的反演，開展灰霾污染等級劃分以及灰霾頻次和面積的統計分析。PM2.5濃度反演主要有兩種方法：其一，反演不同尺度的氣溶膠光學厚度，結合氣象因子進行近地面的PM2.5濃度估算；其二，以衛星遙感的氣溶膠光學厚度監測結果為數據源，輔以氣象要素通過統計分析來估算PM2.5濃度[8]。PM10濃度反演和PM2.5類似。SO2氣體容易氧化形成硫酸鹽氣溶膠，是城市大氣細顆粒的重要組成部分，遙感反演SO2柱濃度通常以OMI傳感器數據為基礎，通過主成分分析或波段殘差法獲取。同時，不同時空污染情況和空間化的污染源(相關企業等)進行空間數據的疊加，并建立緩沖區，可進行污染溯源分析。

水環境遙感以水體面積獲取和水體污染狀況分析為主，內陸水體多為二類水體，以大江大湖等比較寬廣的水域監測為主，縣域遙感則以中小河流、坑塘監測為主。衛星遙感提取水域面積的方法很多，提取瞬時面積精度較高，但水域面積變動大。常規的水質監測參數主要有水體富營養化程度(Chl_a)、總懸浮物(SS)濃度、化學耗氧量(COD)、生物耗氧量(BOD)、總磷(TP)和總氮(TN)等，由于小面積水域易于受到外界影響，水體污染指數不穩定。同時，根據河流、坑塘的污染時空差異程度，可進行污染溯源分析。

土壤環境監測以土壤重金屬含量監測為主，縣域遙感開展較少，城市環境遙感的監測以城市熱環境監測為主，通常以氣溫或者LST的城郊差異作為城市熱島強度，縣級行政區市區面積相對較少，對城市熱島現象的關注較少。

(五)其他行業

遙感技術已廣泛應用于國土、農業、林業、環保、城建、地質、海洋、氣象、國安、軍事等眾多領域。在縣級較小的城市區域內，城市建設與遙感結合可應用于城市測繪、環境和規劃等；遙感應用于地質調查和資源勘查以區域地質調查、工程地質勘查、礦產地質勘查、環境地質勘查以及地質災害的監測和預警為主；縣域海洋遙感與近岸養殖聯系較多；遙感與“雪亮工程”等結合，可提供空間化的信息檢索和監測。

三、遙感在縣域應用中的問題分析

衛星遙感的應用涉及依據監測區域的要求進行的數據獲取、處理、分析以及建模和顯示的過程?？h域遙感的應用起步較晚，不可避免會遇到較多的問題?；鶎尤藛T的遙感認知能力、衛星遙感的數據獲取能力、遙感技術應用的空間尺度轉換、應用需求的復雜性等方面都存在需要克服的問題。

(一)遙感知識認知程度的偏差

遙感是一門新興交叉學科，是一門先進的、實用的探測技術。遙感與氣象學、生態學、地理學、環境科學等諸多學科的深度交叉，提供了大氣、陸地、海洋等地球不同圈層復雜多變的物理、化學、生物學信息，刻畫多尺度空間異質性和長時間動態變化過程[9]。遙感知識專業性強，門檻高，如何突破遙感應用瓶頸所在，深入應用一線，是開拓遙感應用領域的關鍵?？h級基層人員普遍缺乏遙感應用的專業知識，在初期的應用需求對接中，進行較為系統的遙感基礎知識的培訓十分必要，利于遙感與一線業務結合，客觀地認識和利用遙感的應用能力。

(二)遙感應用需求的特殊性和個性化

縣域遙感的應用由于和業務關聯度高，一般較為具體，兼具遙感應用的普適性和特殊性，普適性表現在農業中的作物種植面積、林業中的森林資源普查和環境保護中的大氣環境、河長制水環境等遙感應用較為成熟的領域；而特殊性表現在地域特色和遙感監測需求的個性化，地域特色主要體現在本域所特有的經濟作物，礦山生態、地質災害以及設施蔬菜等，個性化需求則體現在林火的預判、病蟲害的預判、小水電改造監測等方面。因此，遙感應用要協調好監測成本和監測效果。

(三)遙感數據獲取的高時空分辨率要求

高時間、高光譜分辨率的衛星遙感數據像元尺度普遍在百米以上，而高空間分辨率的數據重復周期則較長，且多云多雨區域獲取難度更高?？h域遙感應用的特殊性普遍要求數據的高時空特性，其原因一是遙感專業人員和基層應用人員的知識能力差異造成的理解偏差，其二為縣域遙感本身要求的具體化，因此需要遙感衛星的協同觀測，在必要的情況下，開展“天空地”一體化立體組網，尤其是南方多云多雨區域，高精度的數據要求會大大提升監測成本。

(四)遙感應用技術空間尺度的轉換

衛星遙感應用以全球、國家級和省級區域為主，而縣級行政區多在2000km2以內，遙感的定量反演的模型存在尺度上的時空差異，鑒于此，縣域遙感的應用多數為專業技術人員通過經驗判斷、識別和大量人工運算獲取遙感信息產品，大大降低了遙感應用的實時性和作業效率。因此，建立一套適合于微小尺度應用的遙感應用理論、技術和方法，更利于遙感應用深入基層。

四、遙感在縣域應用中的前景分析

隨著小衛星星座、無人機等平臺的迅猛發展，遙感技術將具備多尺度時空同步智能對地觀測的新階段，其空間、光譜和時間分辨率都會有極大的提高，對縣域行業領域應用需要的范圍小、精度高、頻次強且具地域特色的要求，將提供更為客觀的數據和信息產品。同時，大數據、云計算和機器學習技術大大推進了海量遙感數據的快速處理和分析，互聯網+拉近了遙感和用戶之間的距離?；诖耍l星遙感在縣域國土資源、農業、林業、環境保護等行業的應用將更具智能化，更貼近用戶?？h域國土資源遙感的應用將在自動高精度土地利用分類的基礎上，動態變化的常態化監測將為國土執法、國土規劃等提供及時的科學支撐，為礦山生態恢復等提供持續的跟蹤和多期遙感評價；農業遙感的應用將精確到地塊，實現土壤墑情、作物長勢和作物估產的精細農業遙感分析，并實現設施蔬菜、經濟作物等的精確定量反演；縣域林業遙感將參與碳交易，高光譜遙感將提供自然林的樹種識別能力，針對經濟林的經濟產出進行評價，同時，實現森林病蟲害和林火的及時發現、動態跟蹤、治理效果以及災后恢復的遙感診斷和分析。在環境保護領域，隨著我國綠水青山、美麗鄉村建設的不斷深入，衛星遙感將為保護縣域大氣、水、土壤和城市環境，維護居民安居樂業提供可持續的、周期性的服務。隨著智慧城市建設的進行，縣域遙感的應用深度將不斷加深，應用領域不斷擴展。

五、結論

目前我國已形成“高分”“資源”“風云”“海洋”和“環境”等衛星系列的業務化運行能力，隨著高景一號、吉林一號、珠海一號等越來越多的小衛星星座不斷完善，具備了全天時、全天候的對地觀測能力和種類齊全的對地觀測服務體系，可為國家和各級政府部門提供大量科學的輔助決策數據和信息。

我國有1300多個縣、2800多個縣級行政區，隨著我國由“航天大國”向“航天強國”的不斷邁進，衛星遙感在縣域經濟和社會發展中將具有很大的應用潛力。在傳統遙感應用的基礎上，隨著基層人員對遙感認識的不斷深入和遙感專業化門檻的不斷降低，基于云計算和云存儲的一站式遙感服務支持下，通過互聯網+移動客戶端的幫助，針對縣域多領域遙感的信息服務產品生產、產品精度驗證和遙感常態化服務將更加適宜于非專業人員，為衛星遙感服務于基層提供更為全面的數據、更為快速的運算和更為貼切的服務。