裸露山體遙感監測技術進展

王迎春 李翔宇 王晴萱 王中衛

隨著城鎮化進程，我國形成大量的裸露山體，遙感監測技術可以減少人工監測的工作量以及人為因素影響，是最佳監測手段。本文總結了40年來國內外遙感技術在裸露山體監測中的應用進展，并指出構建航天遙感、航空遙感和地面調查一體化觀測體系，加強遙感技術在地表覆蓋領域的研究應用，可促進裸露山體遙感監測技術的發展。

關鍵詞：裸露山體 遙感監測技術 發展趨勢

改革開放40多年來，我國的城鎮化建設速度加快，在公路和鐵路建設、礦石開采、水庫和電站建設、房地產開發等過程中導致山體遭到破壞，形成大量的裸露山體。自然因素比如泥石流、地震、臺風也會導致山體水土流失，山體被破壞。人為或者自然造成的裸露山體，不僅造成植物喪失、水土流失、自然災害和生物多樣性破壞，危害人類生命財產安全，還會破壞城市的生態環境，影響城市景觀，造成生態環境污染，制約城市經濟和社會的發展。

裸露山體因其數量多、面積大、分布廣、地理環境復雜、建設項目繁雜、監管人手少，依賴傳統的地面調查手段難以獲取全面的調查信息、及時發現問題。遙感技術在宏觀性、客觀性等方面具有明顯的優勢，具有“全天候、廣覆蓋、高精度、獲取信息快、受地面限制少”等特點，其觀測能力多時相、多光譜、大范圍、省時省力、信息量大，是開展裸露山體監測的最佳手段，可以大大減少人工監測的工作量以及人為因素影響。

1.國外遙感技術進展及在裸露山體監測中的應用

在國外，遙感技術和地理信息系統的研究和應用比較早，20世紀80年代以后，遙感（RS）、全球定位系統（GPS）和地理信息系統（GIS）開始應用于環境科學領域，美國和歐洲較早地利用多光譜、高光譜、微波等遙感技術開展了水環境、大氣環境與生態環境遙感監測，在土地覆蓋、生物物理參數信息提取、生態環境監測、生態系統評估等方面實現了業務化應用。在宏觀生態環境遙感應用方面，利用多源遙感信息進行土地生態分類，并在此基礎上進行區域生態環境監測與評價。美國開展了多尺度土地覆蓋遙感調查，建立了以Landsat TM/ETM+為信息源的國家級一、二級分類的土地覆蓋數據庫，并實現以5年左右為周期的動態更新。

通過監測不同時間、空間尺度上的生態資源來預測國家生態資源開發與管理中的未來風險，并對國家生態資源的現狀與趨勢進行評估，其中與美國地質勘探局合作開展的區域景觀生態監測項目以美國陸地資源衛星為主要數據源，通過對不同生態區域構建多時相、地理時空信息融合的土地利用/土地覆蓋自動提取模型，實現了國家層次的景觀生態分類與建庫工作，取得了較好的效果。

許多發達國家利用遙感技術監測礦山環境，并將其應用于礦山開發利用和環境保護治理。美國等國家針對礦區土地利用現狀及其動態變化，以及礦產資源開發對礦區地表和生態環境的影響和破壞，將遙感技術與地理信息系統相結合，利用高分辨遙感衛星數據和高光譜數據，進行礦山環境的常態監測、動態監測及環境綜合評價，分析不同氣候、不同礦種、不同開采方式礦產資源利用對礦區環境的綜合影響，取得了一系列顯著的成果，為礦山環境遙感調查提供了較好的典范。加拿大建立了世界上首個地理信息系統用于自然資源的管理和規劃后，地理信息系統在各個領域得到了廣泛的應用。

國外針對裸露山體遙感監測技術主要從數據源、圖像預處理和圖像信息提取三大方面進行研究。隨著遙感數據源的種類增加，遙感衛星逐漸從單一影像向多源影像的應用發展；影像增強預處理由簡單波段疊加，同源影像融合等處理逐漸發展到較為復雜的波段濾波，邊緣檢測，多源影像數據融合等處理方面，發展過程中提出許多增強模型產生了新的波段特征；而信息提取方面由基于最大似然、最小距離和平行六面體等算法的監督分類逐漸發展到支持向量機、神經網絡等非監督分類的面向像元分類方法，再到多特征的面向對象分類方法研究。在遙感技術多個方面的應用結合中，使得信息提取的精度越來越高。

利用遙感技術監測裸露山體經歷了從低分辨率數據到高分辨率數據；從地面遙感平臺到航空遙感平臺，最后到航天遙感平臺；從能夠監測礦山環境到能夠監測到具體的環境類型；從單一礦種、單一開采方式集中區的礦山環境監測發展到不同礦種、不同開采方式集中區的礦山環境監測；目前可用于礦山環境污染的定量監測與評價。

2.國內遙感技術進展及在裸露山體監測中的應用

我國生態環境遙感監測技術起步相對較晚，但在大氣環境、水環境、土壤環境、生態災害和礦產資源開發區監測等方面都得到很好地應用。我國在地表覆蓋遙感解譯方面做了大量工作，主要有自然資源部門開展的國土調查，中國科學院基于土地覆被遙感監測工作，原國家測繪部門牽頭形成的地理國情普查分類體系與數據。此外，根據相關研究和項目需要，國家基礎地理信息中心形成了30m（米）全球地表覆蓋遙感制圖數據產品（GlobeLand30-2010），清華大學宮鵬研究團隊完成了30m分辨率全球土地覆蓋數據（FROM-GLC），北京師范大學成功繪制1∶10萬全南極洲土地覆蓋圖，中國林業科學研究院和中國科學院地理科學與資源研究所等單位在東南亞開展土地覆蓋變化監測項目，中國農業科學院等單位與西亞國家聯合開展荒漠化監測項目等。

進入21世紀以來，全國生態環境遙感監測迎來重大轉折，國家與區域尺度生態遙感調查、國家自然保護區、國家重要生態功能區、礦產資源開發區等國家重大生態監測與監管專項應運而生。2000年以來，中國環境監測總站組織全國環境監測部門，以TM/OLI影像為主，每年開展全國生態環境例行遙感監測工作。2011年以來，環境保護部衛星環境應用中心采取“先衛星普查、后無人機詳查、再現場核查”的工作方式，環境遙感監測和地面環境監測優勢互補，形成了“天—空—地”一體化環境監測模式，大大提高了考核工作的效率。2016年，環境保護部衛星環境應用中心對446個國家及自然保護區開展了“2013—2015年人類活動遙感監測”，基于高分一號/高分二號衛星影像目視解譯得出這些保護區內2015年人類活動現狀及2013—2015年的變化；2017年又實施了“2015—2016年人類活動遙感監測”，讓保護區發生的一切破壞在“天眼”之下無所遁形。

遙感技術在礦山地質遙感調查和礦山開發狀況遙感監測中的應用較為廣泛，例如：應用Google Earth遙感影像和GIS技術對安順市裸露山體缺口進行調查獲取山體缺口的類型、數量、面積以及空間分布等信息；利用衛星影像數據分析，發現十堰市存在多個裸露山體并選取部分進行現場踏勘，發現了礦山企業關停后未履行恢復治理義務的問題；通過對ETM、SPOT-4、SPOT-5和IKONOS等數據的使用效果對比分析，總結出不同遙感數據源在礦山開發狀況及環境調查中的應用特點，并定量分析了各數據源的最小可監測圖斑和最佳成圖比例尺，提出礦山開發與環境遙感調查數據源的選擇步驟；高分一號02、03、04衛星數據能有效識別露天礦山開發和環境等要素信息，解譯出部分地下開采礦山的礦山地物等要素，滿足1∶25000的礦山遙感調查工作，可為礦山環境遙感監測提供又一強有力的數據支撐；依托高分辨率遙感數據精度優勢，融合傳統地質調查工作特點，可實現對礦山露天采場內獨立地物與關鍵要素的精準識別、快速提取，輔之野外調查驗證，完成對礦山地質安全隱患、土地損毀、生態退化等現狀摸底。

3.裸露山體遙感監測技術發展趨勢

目前，遙感技術已成為國際生態環境領域最為實用的主流技術之一，并得到了廣泛的應用，將地理信息系統與網絡化、虛擬仿真、三維可視化等先進技術相結合，實現對裸露山體真實情況的數字再現，宏觀狀況調查和評估等方面已經取得了長足的進展。多星多載荷、多平臺、高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率等是遙感技術的發展方向，業務應用也不斷向動態化、精細化和全球化方向發展。本文對裸露山體5種監測方式進行了對比，見表1。

近20年來，國內外掀起了高分辨率遙感對地觀測技術蓬勃發展的熱潮，相繼發射了多顆高分辨率遙感衛星，大力開拓環境遙感應用領域。美國有QuickBird衛星（0.61m）、WordView系列衛星（0.31～0.5m）、GeoEye系列衛星（0.41m）和IKONOS衛星（1m），以色列有EROS-A衛星（1.9m）、EROS-B衛星（0.7m），法國有spot5-7系列衛星（1.5～2.5m）、Pleiades印度有IRS-P5衛星（2.5m）、IRS-P6衛星（5.8m）等，均能提供優于6米分辨率的多光譜融合影像。我國也已先后發射了資源一號02C衛星、資源三號衛星以及高分一號、高分二號衛星等具備先進高分辨率觀測能力的民用衛星，高分二號衛星觀測寬幅達到45km（公里），在亞米級分辨率國際衛星中幅寬達到最高水平，是我國首顆空間分辨率優于1m的民用光學遙感衛星。隨著新一代高分辨率衛星系統相繼投入應用，我國遙感領域已經正式步入了高分辨率影像的大數據時代。

在當今新形勢下，構建航天遙感、航空遙感和地面調查一體化觀測體系，全面提升對國土空間動態數據的獲取能力，加強遙感技術在地表覆蓋領域的研究，比如裸露山體普查、裸露山體生態修復效果評估、裸露山體監管等。裸露山體遙感監測數據源將愈加穩定、分辨率愈高、成本更低，業務應用也會不斷向動態化、精細化和全球化方向發展。

（作者王迎春，王晴萱，王中衛工作單位均為遼寧省大連生態環境監測中心。作者李翔宇，大連市生態環境事務服務中心。王迎春（1980-），女，遼寧大連人，碩士，高級工程師，E-mail：88450640@qq.com）