衛星遙感支撐地球健康體檢

文 | 李志忠 洪增林 陳霄燕 劉拓 孫萍萍 趙瑋 趙君 王建華 賈俊

1.中國地質調查局西安地質調查中心 2.陜西省地質調查院

3.中國地質調查局西部綠色發展研究院 4.中國科學院空天信息創新研究院

一、引言

眾所周知，空間遙感技術的發展為人類提供了從宏觀角度認識地球的新方法與新手段?，F在可以把地球作為一個完整的系統，來研究地球各圈層的空間結構、相互作用及耦合關系，通過遙感數據的定性定量分析，解決地球的資源與環境等問題。隨著人類活動的不斷加劇，已逐步影響到地球的健康狀況，急需開展有效的地球健康診斷、識別與評估，這就需要充分利用衛星遙感體系的整體效能，獲悉地球健康狀態，對地球進行全面體檢。

地球健康體檢已成為21世紀地學研究的重點，譜遙感地球健康體檢即綜合運用衛星遙感、航空遙感和地面站點、手持終端、巖心光譜掃描等多種監測手段，基于數據挖掘、數據融合、數據協同等關鍵技術，形成一整套天空地一體化的光譜探測裝備和數據處理系統，構建對中國和全球重點區域監測體系，并通過云服務和計算資源保障等，實現對地球健康實時監測；研究危害人體健康的地表表層環境的形成條件、作用機理、分布特點、時空變化規律，進而可用于分析環境條件與元素余缺、人體狀態的關系，以及環境演化特點、方向和可變性，為人類科學開發資源、打造宜居宜業環境和防控疾病、應對重大災害等提供依據。

二、地球健康體檢與健康地學

1.譜遙感與健康地學

譜遙感地球健康體檢技術是健康地學的重要內容，主要利用遙感等技術手段開展區域乃至全球的重大自然變化監測，具有很高的動態性和時效性，可以為健康地學提供重要基礎數據，是健康地學研究的重要手段和工具。

健康地學屬環境地球科學領域，是地學、環境學、生態學、醫學等多門類交叉學科，主要研究自然環境與人類健康領域的關鍵科學問題。人是地球生物圈的一員，與巖石圈、水圈、大氣圈和其他生物種群共同構成了地球生態系統。人類的健康也往往有著地域特征，與氣候、地質條件等地理學背景密切相關。因此通過研究環境中各種元素的來源、聚集、運移，從地質角度尋找解決的技術方法，從而達到土壤或特定地質資源的健康利益產出最大化和有毒有害物質污染及人類暴露最小化，并以此為人體健康、土地規劃、產業布局、經濟建設提供數據和技術支撐[1]。

2.地球健康體檢的主要內容

地球關鍵帶是陸地生態系統中土壤圈及其與大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈物質遷移和能量交換的交匯區域，也是維系地球生態系統功能和人類生存的關鍵區域，依據地球關鍵帶理論，將生物、土壤、水體、大氣、地質體結構和地質災害等作為地球體檢的重點。借助譜遙感數據獲取覆蓋廣、速度快、光譜連續且蘊藏信息豐富等優勢，可從如下方面開展譜遙感地球健康體檢項目。

（1）土地健康監測

根據地球健康體檢的技術標準體系，基于無人機高光譜遙感技術與土壤地球化學調查技術協同進行土壤水分、有機碳、土壤鹽漬化、荒漠化監測、重金屬及農藥污染等監測評估[2-3]，查明土壤地球化學元素異常分布區域，構建關聯模型，從而實現廣域范圍的宜居土壤等級評價，為人體健康、土地規劃、產業布局、經濟建設提供數據和技術支撐。

（2）流域性水體健康監測

融合多源光學衛星影像，獲取不同尺度水體空間分布特征，有助于流域水體健康監測及系統分析，具體可應用于：水域邊界監測。通過比較多期岸線數據，實現水域邊界動態變化監測，分析水體季節性變化特點，為汛期災害防治、政府部門水域利用監管提供科學支撐；水質參數動態監測。分析一定波段內水體的輻射值而獲得其光譜特性，據此建立相應的水質參數（泥沙含量、葉綠素濃度等）反演算法，從而實現各項水體水質參數動態監測，對區域水環境健康狀況進行等級評價。

（3）大氣污染環境健康監測

基于星載高光譜等遙感技術全球覆蓋的特點，利用相應波段的高光譜數據對二氧化硫（SO2）和二氧化氮（NO2）等主要污染氣體和二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）等溫室氣體進行定量反演，實現溫室氣體排放點源及排放量檢測、大氣污染物的空間分布監測及發展態勢[4]。

（4）地質災害識別與監測

采用多頻段、多參數的天空地一體化觀測技術，充分運用高分辨率光學影像、航空影像、衛星合成孔徑雷達干涉（InSAR）、高光譜影像、激光雷達（LiDAR）等對地觀測手段，與地球物理、地面常規探測和觀測手段有機結合，有效判讀地質災害孕災背景、災害特征、變形速率以及發展趨勢等信息，為地質災害識別、監測、防治、評價以及突發地質災害應急處置等提供決策依據，實現區域可持續發展[5]。

最終從土壤、水、大氣和生態環境健康監測出發，建立典型區地球健康特征光譜庫和樣本庫，并開展天空地一體化遙感調查與評價。構建地球健康評價要素與評價指標體系，研發譜遙感儀器并建設地球健康光譜監測網絡及應用示范基地，確定健康地球的光譜譜系，進而完善地球健康高光譜評價技術體系，構建一套應用于大氣圈、土壤圈及水圈等生態環境的天空地地球健康體檢綜合標準體系框架，實現地球健康綜合評價。

三、衛星遙感技術與地球健康體檢

1.遙感數據源不斷改善

目前對地觀測（遙感衛星）數據應用種類繁多，衛星遙感技術已顯現出高空間分辨率、高光譜分辨率等新特征。

高空間分辨率對地觀測。高空間分辨率對地觀測技術可滿足細節管理要求，用于自然資源、農業、生態、軍事等領域的精細信息獲取。國際上除常用美國陸地衛星（Landsat）/TM 30m，法國斯波特衛星（SPOT）2.5～20m，Landsat/ETM（全色波段）15m等多光譜數據外，應用較廣的高空間分辨率遙感數據以美國世界觀測衛星（WorldView）（2007—2016）系列遙感衛星0.3～0.5m、美國地球眼衛星（GeoEye）（2008）0.5m數據為代表，能夠提供亞米級分辨率的高清晰地面圖像。隨著中國空間技術的快速發展，2014年發射的高分二號（GF-2）衛星全色譜段星下點空間分辨率達到0.8m，邁入了亞米級時代。

高光譜分辨率對地觀測。高光譜遙感器成像光譜儀可獲取連續的幾十個甚至幾百個光譜通道的地物輻射信息，因此具有“圖譜合一”的特性，使地物目標的屬性信息探測能力有所增強。常用的高光譜分辨率遙感數據的光譜范圍在350～2500nm，覆蓋可見光、近紅外、短波紅外光譜。我國2018年發射的高分五號（GF-5）衛星攜帶了國際首臺寬譜寬幅星載高光譜成像載荷，突破了寬譜寬幅低畸變高靈敏度高光譜成像關鍵技術[6]。2021年我國先后成功發射高分五號02星及5米光學02星（資源一號02E星），全面提升我國大氣、水體、陸地的高光譜觀測及自然資源定量化調查監測能力，支撐及時掌控自然資源數量、質量、生態狀況及變化趨勢，滿足在環境綜合監測等方面的迫切需求。

2.衛星遙感技術應用不斷深化

目前衛星遙感已進入了“精致為用”的新發展階段，新型探測手段不斷涌現，人工智能（AI）、大數據、云計算等前沿技術與遙感技術深度融合，已在國土資源調查、環境監測、防災減災、城鄉規劃、農作物估產等方面得到廣泛應用[7]。陸地生態監測方面，我國利用遙感衛星數據已在全國范圍內開展多次土地資源監測調查工作；早在2000—2002年，國家環境保護總局先后組織開展中國西部和中東部地區生態環境現狀遙感調查[8]，專家學者利用遙感、GIS技術方法分析土地利用和景觀格局時空變化特征及生態效益評估等；土地質量監測方面，專家學者基于土壤光譜特征，在土壤物質成分識別和定量反演、土地質量綜合評價、土壤類型劃分和制圖等方面開展了研究分析。

2018年，中國地質調查局在黑龍江省海倫地區開展航空高光譜遙感土壤調查，反演影響土地質量的養分、有益元素、有害元素含量，對黑土地質量進行了綜合評價[2-3]；典型湖泊生態監測方面，學者綜合利用MODIS等多源遙感數據對內陸湖泊開展了水華、水質、富營養化等遙感監測[9]；大氣環境監測方面，利用氣象衛星數據分析區域NO2、CH4等溫室氣體時空變化特征，構建氣溶膠光學厚度（AOT）等反演模型，實現區域大氣環境污染動態監測[4]；在農業方面，國內外學者通過無監督模式（聚類分析、自組織神經網絡等）、有監督模式以及半監督模式等進行作物識別，并開展作物長勢監測、作物災害監測以及作物產量估測等工作。

隨著對地觀測技術的不斷更新發展，高光譜成像技術也將進一步得到提升。建立寬譜寬幅高光譜成像體系，提出更多新型分光方式，突破熒光探測載荷等各領域難題，均為高光譜成像技術未來發展方向。以星載熒光超高光譜探測技術研發為例，若實現該技術的突破，將會提高葉綠素熒光監測、溫室氣體污染等動態監測和預報的精度及效率，更利于地球健康環境監測，可為全球植被碳匯精準評估，碳中和目標的早日實現提供技術有力支撐。未來可選擇有較強應用推廣前景的典型地區,與地方區域開展應用集成研究，建立地方性遙感綜合監測系統，提高對重大問題的預見和處理能力，也是對地觀測技術應用不斷深化的重點方向。

3.健康地球的光譜譜系和技術標準體系正在建立

為了能更好地重建健康地物光譜，提高健康地物光譜重建精度并對其真實性進行評價，需要建設一個具有國際先進水平、長期穩定可靠、開放的國家級光譜遙感幾何和輻射定標及綜合試驗場。要通過真實性檢驗場網等基礎設施，采集全球典型地區及典型地物的特征光譜作為“真值”，并建立相應的特征光譜庫和樣本庫，從而形成健康地球的光譜圖庫。

目前已開展建立地球健康體檢的技術標準建設,按照綜合標準化研究的方法，構建一套應用于大氣圈、土壤圈及水圈等生態環境的天空地地球健康體檢綜合標準體系的框架。利用構建的地球健康指標光譜分析系統，結合地球健康檢查指標體系，可對全球典型地區的土壤養分、物化特性、生產力質量和水環境、大氣環境、礦山環境等進行分析與評價。

四、基于遙感技術的地球健康體檢

1.高精度小型化光譜傳感器的研發

衛星遙感技術通過運用傳感器/遙感器對物體實現目標和非接觸目標地物電磁波的輻射、反射特性信息的獲取。傳統大型航天、航空多/高光譜傳感器，雖然可實現大面積同步觀測，且時效性強、獲取信息受限條件少，但是也具有體積質量大、數據獲取成本較高、數據精細程度不足等缺點。因此需加強便攜式高精度小型光譜傳感器的研發，以滿足便攜和實時性高精度檢測需求。手持高精度小型化光譜傳感器、輕小型無人機航空器等具有起飛環境要求低、實時性好、低空成像等優點，是衛星、有人機、地面高光譜遙感的有效補充。

2.地基地球健康光譜監測網絡

地基遙感監測平臺一般搭建于地表或地面以下，可以通過化學分析或光譜測量監測多種土壤、大氣等參數。結合全球相關站點和我國真實性檢驗場網及生態考察站網，如農/牧/林/草業科技站網、國家或行業野外監測站網、水文/驗潮站等，構建便攜式地面遙感設備建設等遙感平臺網與地面監測眼。同時可依據區域特點按不同密度布設不同范圍的地面監測物聯網，包括地表及地下各類傳感器的布設（如聯網葉面積指數—LAINet傳感器、多功能植被指數—VINet傳感器、土壤溫濕度—SoilNet傳感器、聯網物候相機—PhotoNet傳感器、聯網光譜儀—SpectralNet傳感器等）及地表氣象站點、全自動太陽光度計等儀器的搭建，實現地物高光譜信息的聯網自動觀測及土壤溫濕度、地表植被、太陽和天空輻射亮度、氣候降水、蒸散發等參數的實時動態監測，以生成地表與大氣環境的地基地球健康光譜監測網絡。

3.空基地球健康光譜監測網絡

采用空天同步，利用航空、航天器搭載傳感器，可在全球及區域尺度上反映觀測對象的宏觀分布趨勢。通過譜遙感衛星星座組網建設、航空及輕小型無人機遙感建設，聯合國內外相關優勢技術力量，構建空基地球健康光譜監測網絡。

以衛星遙感為主，結合航空和地面遙感手段，形成長期穩定運行的天空地監測體系，通過搭建物聯網平臺，采用北斗、移動通信、ZigBee無線組網技術進行通信和數據傳輸，形成協同觀測、技術交流、資料交換、數據共享、設施聯網、開發利用等合作機制，實現對地球健康長期穩定、全面可靠、精準實時的有效監測[10]。

4.特征光譜重建與地球健康診斷評價

利用高光譜遙感數據，進行地物特征光譜重建與評價，將傳感器記錄的DN值轉化為地物的本征光譜。除常規的波段匹配與校正、壞線修復、幾何與輻射校正、噪聲去除、遙感器定標等處理外，更需進行圖像光譜真實性評價，即利用健康地球的光譜圖庫對處理后形成的圖像光譜進行比對，評價其失真度并進行修正[10]。

基于遙感技術的各地球生態健康指標監測及信息特征提取，可通過遙感影像分類和特征參數定量反演等來實現。遙感影像分類方法主要有包括指數法、監督分類和非監督分類在內的傳統算法，對野外實測數據和先驗知識具有較強的依賴性；新型算法主要包括面向對象、神經網絡、決策樹、專家系統分類、隨機森林、支持向量機和卷積神經網絡分類等，對樣本質量和人工智能技術有較強的依賴性，結合各站點實地采集數據，進行信息提取，生成數據集，進行后續分析[10]。

基于獲取的地球體檢遙感參數數據信息，構建地球健康評價體系并進行綜合診斷評估分析，針對全球環境具有重大影響的土壤和生態環境，利用構建的地球健康指標光譜分析系統，對全球典型地區的土壤養分、物化特性、生產力質量和水環境、大氣環境、礦山環境、林草/濕地、荒漠化/沙化、污染狀況等，結合地球健康檢查指標體系進行分析與綜合診斷評價。

五、地球健康體檢區域示范

本文選取黃河中上游地區、全球黑土關鍵帶地區作為典型示范區開展地球健康體檢示范應用，重點圍繞土壤、山體關鍵帶的綜合監測需求，充分利用衛星、航空、地面高光譜遙感及地球化學調查等技術，以“土壤質量+生態環境”為核心，開展面向地球健康狀況的高光譜數據光譜重建與評價，完成土地健康監測及地質災害監測。

1.黃河中上游地區土地健康監測

黃河流域是我國重要的生態屏障和重要的經濟地帶，黃河源頭三江源是我國重要的生態安全屏障，由于黃河中游地區生態環境脆弱，水土流失等問題突出，亟待系統開展黃河中上游地球健康監測工作。

據黃河中上游地區土地調查與健康監測，區內98.23%的土地無重金屬污染風險，適宜綠色農業發展。因礦山開采、人為活動和地質背景等原因，在白銀和銅川、蘭州和西安、拉脊山等地存在不同程度的點狀污染。區內一等優質土壤1221.15萬畝，占比18.91%，土壤養分以氮（N）元素缺乏為主；圈定綠色富硒（Se）土地1304.89萬畝（硒含量≥0.3mg/kg），為黃河中上游糧食安全、特色產業發展奠定了基礎。

選取甘肅白銀市為典型區，區內因礦山開采造成土地污染嚴重，為實現區內土壤生態風險的長期動態監測，應用衛星高光譜技術開展了區內土壤重金屬反演，構建了鉛（Pb）、砷（As）、鎘（Cd）的多光譜預測模型并開展了四龍鎮土壤環境質量評價。結果表明，鉛、砷、鎘元素含量都在一定程度上出現了超標，其中鎘元素超標比較嚴重；高重金屬含量在區域范圍內沒有呈現聚集特征，而是分散分布于區內的不同位置[5]。

2.黃河中上游地區地質災害監測

在黃河中上游地區采用不同數據源的遙感影像開展了不同精度的地質災害解譯與識別。遙感解譯過程中，綜合考慮形狀、大小、顏色、紋理、位置以及與周邊地物的位置關系，基于斯波特五號衛星（SPOT-5）或資源三號衛星（ZY-3）數據開展地質災害與環境地質條件解譯，確定地質災害種類（圖1），劃分重點調查區和一般調查區；基于快鳥（QuickBird）或艾科諾斯（IKONOS）衛星數據開展精細化解譯，服務重點區域 1∶1萬高精度地質災害調查。

圖1 基于資源三號衛星的不同類型地質災害遙感影像（陜西寶雞）

綜合遙感解譯、現場核查與調查結果顯示黃河中上游共發育有滑坡、崩塌、泥石流等地質災害20504處，其中滑坡10517處，崩塌5768處，泥石流4579處。在此基礎上，利用數字高程模型（DEM）進行坡度、坡高、坡向等信息提取，識別危險坡段，結合地形地貌、地層巖性、斷裂、地震、降雨和人類工程活動等信息，開展地質災害易發性區劃或風險評價[5]。

3.全球黑土關鍵帶調查與監測

全球黑土地主要發育在中緯度地區，由于其富含有機質，且土壤肥沃，是世界糧食安全的重要保障地區。經過多年高強度開墾，使得黑土地面臨著很嚴重的退化問題，例如土壤侵蝕、鹽堿化等，也有部分黑土地由于工業活動受到污染。因此，全球黑土地資源急需搶救性的調查和監測，明確保護方法，并做好可持續的土地利用規劃。在全球黑土關鍵帶（建三江、拜泉、海倫等多地）進行了衛星、航空、地面高光譜、地球化學分析準同步數據采集，構建了土壤質量航空高光譜綜合評價模型，開展了地物特征光譜重建與評價工作，實現全球黑土關鍵帶遙感調查與健康監測[2-3]。

應用高光譜短波紅外航空光譜成像儀（SASI）資料，根據鉀（K）、Se、粘土礦物之間的相關性及其光譜特征，通過逐步回歸模型，對黑龍江省建三江創業農場中黑土的 K、Se及粘土礦物含量進行了預測，結果表明，利用粘土礦物光譜反演，結合實際地球化學分析結果，可準確預測土壤中硒含量。與傳統地球化學圖像預測相比，該方法具有更高的預測精度。并以海倫市農田黑土土壤為研究對象，利用111個土壤樣本的地球化學測試數據和地面高光譜數據，探索土壤重金屬與氧化鐵的吸附賦存關系，構建基于氧化鐵反演的土壤重金屬間接反演模型，對重金屬含量模型反演輸出值與重金屬實測值進行擬合比對，探討微量重金屬間接定量反演模型的可行性和準確性。

六、結語

健康地球的光譜譜系和技術標準體系尚在建立，對于綜合運用衛星、航空、地面站點等多種遙感監測手段，實現譜遙感地球體檢各項目監測的同時還需確定的參考值，即健康地球的光譜譜系，天空地一體化區域范圍內監測體系的構建有待完善。未來衛星遙感地球健康體檢要充分利用天空地一體化技術，分層次開展長時間序列大面積動態監測，以及重點區生物、巖石、森林、土壤和水資源等專項模型構建與監測；推動申報“健康地球重大國際計劃”；研發譜遙感儀器并建設地球健康光譜監測網絡及應用示范基地；將地質學、遙感學、生態學、土壤學、氣象學等學科與技術有效結合，實現真正的協同和融合，為建設美麗中國、宜居地球，推動人與自然和諧共生作出貢獻。