陳博明

（湖南省生態(tài)環(huán)境事務(wù)中心，湖南 長沙410014）

社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一系列污染或破壞，生態(tài)環(huán)境問題已成為制約人與自然和諧發(fā)展的重要問題。 21 世紀以來，我國實行經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，為了預(yù)防與控制生態(tài)環(huán)境中出現(xiàn)的污染問題，必須大力加強生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作。 2018年3 月，中共中央印發(fā)的《深化黨和國家機構(gòu)改革方案》中明確要求整合環(huán)境保護和國土、農(nóng)業(yè)、水利、海洋等部門分散的生態(tài)環(huán)境保護職責，由國家生態(tài)環(huán)境部統(tǒng)一行使生態(tài)和城鄉(xiāng)各類污染排放監(jiān)管與行政執(zhí)法職權(quán)，加強環(huán)境污染治理，保障國家生態(tài)安全［1］。 生態(tài)環(huán)境部要求在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和保護中，充分發(fā)揮遙感技術(shù)的重要作用［2-3］。 本文就遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和執(zhí)法中的應(yīng)用進展進行了綜述。

1 遙感技術(shù)引入的必要性

1.1 遙感技術(shù)概述

生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測與管理涉及面極廣，是一個動態(tài)、大尺度、長時間的工作。 傳統(tǒng)環(huán)境執(zhí)法工作主要包括：地方生態(tài)環(huán)境主管部門自查、上級生態(tài)環(huán)境主管部門檢查、社會監(jiān)督等。 環(huán)境執(zhí)法如果采用傳統(tǒng)地面調(diào)查手段，工作量巨大、時效性差，獲取的信息也不夠客觀，年度更新成本更高；且一些偏遠地區(qū)無法安裝、架設(shè)監(jiān)測儀器；部分企業(yè)為躲避監(jiān)管，排污手段層出不窮。 因此，現(xiàn)有環(huán)境執(zhí)法主要存在3 大難點：發(fā)現(xiàn)目標難，確定位置難，分析空間信息難［4］。

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使遙感技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測成為可能。 遙感技術(shù)是從遠距離感知目標反射或自身輻射的電磁波、對目標進行探測和識別的綜合技術(shù)，也是獲取地球表面所涵蓋的地理空間信息的主要手段。 人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，大大推動了遙感技術(shù)的發(fā)展。 現(xiàn)代遙感技術(shù)主要包括信息的獲取、傳輸、存儲和處理等環(huán)節(jié)。 遙感系統(tǒng)由遙感器、遙感平臺、信息傳輸設(shè)備、接收裝置以及圖像處理設(shè)備等組成。 遙感的目的是通過對圖像的定性、定量分析，深入研究各種自然環(huán)境要素，且具有宏觀、綜合、動態(tài)和快速等特點，能及時、準確、全面地獲得相關(guān)地理環(huán)境信息，有效減輕了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測人員工作壓力、勞動強度。

生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)被視作生態(tài)環(huán)境動態(tài)宏觀監(jiān)測最可行、最有效的手段［5］。 通過遙感監(jiān)測，生態(tài)環(huán)境部下屬生態(tài)與環(huán)境衛(wèi)星應(yīng)用中心通過衛(wèi)星遙感保障了國家七部委制定的“綠盾行動”順利進行，為國家環(huán)境管理和決策提供了有力支持［6］。

1.2 政策法規(guī)對遙感技術(shù)應(yīng)用要求

為加強環(huán)境保護，我國于2014 年頒布了新的環(huán)境保護法。 該法中增加了生態(tài)保護紅線規(guī)則，并在關(guān)鍵生態(tài)功能區(qū)等區(qū)域指定了生態(tài)保護紅線，實施嚴格保護的環(huán)境敏感區(qū)和脆弱區(qū)域。 此外，國家科技部自2012 年起每年發(fā)布一份關(guān)于全球環(huán)境遙感監(jiān)測的年度報告，為全球環(huán)境監(jiān)測做出了貢獻，迄今為止已經(jīng)更新至《全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測2019 年度報告》。 近年來，我國開始大范圍推廣遙感技術(shù)，以便有效地進行環(huán)境監(jiān)測，旨在建立用于環(huán)境監(jiān)測的天地一體化觀測系統(tǒng)。 實施了一系列科學(xué)技術(shù)資助計劃，包括高分辨率地球觀測系統(tǒng)項目、全球生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和一帶一路評估等［6-7］。 國務(wù)院自2013 年9 月起，相繼出臺氣、水、土污染防治行動計劃，即眾所周知的《大氣十條》《水十條》《土十條》，均強調(diào)了強化衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)管與環(huán)境監(jiān)察執(zhí)法中的應(yīng)用［8］。

2 環(huán)境監(jiān)測與執(zhí)法中應(yīng)用的遙感技術(shù)與裝備

在當前的環(huán)境監(jiān)測與執(zhí)法中，已經(jīng)充分發(fā)揮“天基”衛(wèi)星遙感、“空基”無人機遙感以及“地基”的定位觀測、地面調(diào)查等各種技術(shù)手段優(yōu)勢，“天-空-地”一體化的自然保護監(jiān)測監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)體系正逐步完善，“遙感發(fā)現(xiàn)-地面核查-監(jiān)督執(zhí)法”的主動發(fā)現(xiàn)監(jiān)管體系日趨完善（見圖1）。

圖1 “天-空-地”一體化遙感衛(wèi)星體系

2.1 星載遙感

2008 年之前，環(huán)境監(jiān)測主要基于EOS-Terra，Envisat，Landsat，Quickbird 和SPOT 等國外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)集（見表1）。 此后，我國加快了對衛(wèi)星遙感的研究與科技攻關(guān)，并建立了一系列科學(xué)技術(shù)資助計劃，其中最典型的就是“十一五”期間重點實施的國家重大科技專項——“高分辨率對地觀測系統(tǒng)專項”，它直接推動了高分1～6 號衛(wèi)星的發(fā)射和應(yīng)用。 高分衛(wèi)星系列涵蓋了高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率和雷達系統(tǒng)在內(nèi)的主流傳感器［8］，高分衛(wèi)星收集的數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮了極為重要的作用。

2.2 無人機遙感

盡管當前地球觀測衛(wèi)星的數(shù)量激增，但目前極高空間分辨率（＜10 m）衛(wèi)星傳感器的時間分辨率和可獲得性通常不足，使得它們對地表環(huán)境過程動態(tài)變化的監(jiān)測及據(jù)此開展的督察執(zhí)法往往受到限制［9］。 如果需要快速地重訪周期（用于高時空頻次的監(jiān)測），獲取衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的成本極高。 相較于傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感監(jiān)測平臺，無人機可以在較低的高度開展作業(yè)（5～200 m），能夠一定程度上規(guī)避了極端天氣和云層影響，進而實現(xiàn)快速、準確地獲取高精度遙感圖像［10］。 目前，無人機載遙感已經(jīng)在水質(zhì)監(jiān)測、野生動植物研究、精準農(nóng)業(yè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測、緊急風(fēng)險管理等領(lǐng)域進行了實踐并取得了較好的效果［9］。 此外，除了獲取遙感數(shù)據(jù)，無人機在難以開展原位采樣的地區(qū)對水體、土壤等樣本進行采集作業(yè)、服務(wù)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及執(zhí)法督察［11］。

2.3 地基遙感

把傳感器安置在地面、低塔、高塔和吊車上對地面進行探測，這種方式叫“地基遙感”或“近地遙感”［12］。由于其極為便攜，且具有非破壞性、檢測效率高、精準度高等優(yōu)點，近年來逐漸用于環(huán)境監(jiān)測。 盡管大多數(shù)物探方法誕生之初主要是針對地下深層測量開發(fā)的，但其中一些方法（尤其是電磁方法）也可以用于淺層深度探測，尤其用于土壤環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。 在常用的物探方法中，探地雷達（GPR）和電磁感應(yīng)（EMI）在土壤調(diào)查中應(yīng)用最廣泛。 GPR 測量土壤電介質(zhì)的介電常數(shù)，EMI 檢測土壤電導(dǎo)率的變化，從而探測土壤水分、含鹽量、質(zhì)地、剖面性質(zhì)以及植被根系變化。 而近地高光譜技術(shù)憑借眾多的波段、光譜曲線完整且連續(xù)、具備高分辨率特性，并能提供空間域和光譜域雙重信息，近年來也得到長足發(fā)展。 傳統(tǒng)星載遙感技術(shù)可以及時有效地監(jiān)測環(huán)境變化，而高光譜遙感可以提高監(jiān)測精度，目前高光譜遙感技術(shù)主要應(yīng)用于土壤、生態(tài)、大氣、地質(zhì)、水環(huán)境等領(lǐng)域［13-14］。

表1 遙感衛(wèi)星及其主要參數(shù)

3 遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的主要應(yīng)用

針對現(xiàn)有主要環(huán)境污染類型（生態(tài)污染、空氣污染、水體污染、土壤污染等），本文歸納總結(jié)了遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用情況。

3.1 植被指數(shù)監(jiān)測

在遙感應(yīng)用領(lǐng)域，將衛(wèi)星可見光和近紅外波段進行組合而形成的植被指數(shù)已被廣泛用來定性和定量評價植被覆蓋及其生長活力。 常用的植被指數(shù)包括比率植被指數(shù)、歸一化植被指數(shù)、環(huán)境植被指數(shù)、綠色植被指數(shù)、垂直植被指數(shù)、土壤調(diào)整植被指數(shù)和差異環(huán)境植被指數(shù)等。 通過指數(shù)計算，可以對地表植被狀況進行簡單、有效和經(jīng)驗度量。

在生態(tài)領(lǐng)域，利用植被指數(shù)實現(xiàn)土壤退化、水土流失、土地荒漠化、土地退化、森林破壞等方面監(jiān)測；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，利用植被指數(shù)進行耕地提取、農(nóng)作物長勢監(jiān)測、產(chǎn)量估算、農(nóng)作物各參數(shù)的提取等。 此外，這些指數(shù)可以直接用于水環(huán)境（湖庫水華、富營養(yǎng)化城市黑臭水體、流域岸邊帶等）監(jiān)測方面，還可以通過指數(shù)組合結(jié)合遙感圖像突出顯示受到污染脅迫的植被生長情況，有力支撐了我國的環(huán)境污染防治。

3.2 土壤污染監(jiān)測

遙感技術(shù)可以進行土壤污染的識別、反演、監(jiān)管或風(fēng)險評價［15］。 在土壤污染分析監(jiān)測過程中，運用光譜分析法對重金屬、有機污染物進行分析已成為一種快速的例行分析方法。 植被冠層的光譜變化也可為識別土壤石油類污染提供參考，與土壤特征光譜的反射率相比，植被指數(shù)能更好地表征這些光譜變化，利用地面或機載的多源光譜數(shù)據(jù)就可直接進行識別［16］。 但需要注意的是，土壤中石油污染物的含量在識別時易受水分變化的影響，因此相對于海洋來講，基于遙感技術(shù)的土壤石油污染的識別研究仍然較少，且精度較低［16］。

3.3 大氣污染監(jiān)測

大氣中常見污染物包括氣溶膠、臭氧、二氧化氮、一氧化碳和二氧化硫。 針對當前“散亂污”企業(yè)造成的嚴重污染，面臨管控困難的現(xiàn)狀，利用遙感技術(shù)準確快速地確定環(huán)境督查重點關(guān)注區(qū)域，可有效提高現(xiàn)場環(huán)境執(zhí)法效能。 傳統(tǒng)的大氣污染監(jiān)測主要是通過地面觀測實現(xiàn)，因為地面測量受到觀測站分布的限制，不具備空間連續(xù)性并且不能滿足區(qū)域研究的需求，具有一定的空間局限性。 衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展極大地促進了大氣污染監(jiān)測，從20 世紀70 年代中期開始，開展衛(wèi)星遙感氣溶膠的理論研究，伴隨著MODIS 傳感器的發(fā)射，氣溶膠遙感呈迅猛發(fā)展之勢。 衛(wèi)星遙感反演得到的大氣氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品數(shù)據(jù)對于各種尺度下的大氣污染研究發(fā)揮了重要作用。 研究學(xué)者在氣溶膠光學(xué)特性及時空分布規(guī)律、近地表顆粒物濃度預(yù)測與模擬、大氣污染動態(tài)監(jiān)測、全球氣候變化影響等方面做了大量研究，并取得了較大進展［17］。 考慮到污染源通常具有明顯的熱輻射效應(yīng)，地表溫度也是在污染溯源研究方面不可或缺的重要參數(shù)［18］。 主要有3 種主流反演算法：單通道算法、劈窗算法和機器學(xué)習(xí)算法，它們被廣泛用于反演地表溫度并結(jié)合大氣污染數(shù)據(jù)進行溯源。 目前，遙感技術(shù)在秸稈焚燒、灰霾、沙塵、顆粒物、二氧化氮等監(jiān)測及溯源方面發(fā)揮了重要作用［14］。

3.4 水污染監(jiān)測

河流、湖泊、水庫等地表水受污染后，其物理、化學(xué)、生物特征也隨之發(fā)生變化。 各種污染物質(zhì)對電磁波具有不同的吸收及反射特性，某些化合物在特定波長電磁波激發(fā)下還會產(chǎn)生特征熒光。 測量水體對特定電磁波吸收、反射或輻射等的差異，并利用計算機或光電儀器進行信息加工或圖像處理，可了解水污染的種類、范圍和程度。 水污染遙感監(jiān)測利用水中物質(zhì)對光波和電磁波的反射特性，以及物質(zhì)本身的熱輻射特性來探測漂浮在水面和懸浮于水體中的物質(zhì)以及某些溶解于水的化合物。 對于化學(xué)污染物可利用其熒光特性來探測，對于水中懸浮物質(zhì)則利用光吸收技術(shù)來探測。紅外遙感可測量水溫并繪制出大面積水體等溫線圖。紫外攝影可偵察水表面的油膜。 衛(wèi)星遙感技術(shù)可追蹤海上大面積油膜移動的方向。

4 存在的不足及展望

遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測和執(zhí)法督察中已取得了長足進展，但仍存在不足，需從以下幾個方面進行改進，以滿足新時代背景下國家統(tǒng)籌環(huán)境監(jiān)測與執(zhí)法督察的要求。

1） 促進多源遙感數(shù)據(jù)融合。 多源遙感數(shù)據(jù)可以彌補單一類型數(shù)據(jù)在時間分辨率、空間分辨率或光譜分辨率方面的不足，并提供補充信息。 因此，充分融合包括遙感數(shù)據(jù)、生態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)在內(nèi)的多源數(shù)據(jù)，進行生態(tài)環(huán)境監(jiān)管與執(zhí)法督察是今后重要的研究方向。

2） 提高遙感參數(shù)反演效果。 考慮到遙感反演過程的不確定性，通過優(yōu)化模型和開發(fā)地表數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，可以提高生態(tài)參數(shù)反演的準確性。 此外，當前生態(tài)指數(shù)的估算主要基于遙感數(shù)據(jù)與地面實測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，獲取原位數(shù)據(jù)的準確性有待進一步提升。 因此，對模型的準確評估以及如何降低模型對地面實測數(shù)據(jù)的依賴程度是今后的研究方向。

3） 優(yōu)化遙感建模尺度效應(yīng)。 尺度效應(yīng)是環(huán)境遙感需要面對的主要問題。 遙感反演的準確性與所用數(shù)據(jù)集的空間和時間分辨率有關(guān)。 因此，有必要根據(jù)要求優(yōu)化遙感建模的合適時空尺度，從而進一步選擇可用的遙感數(shù)據(jù)集。

4） 提高遙感產(chǎn)品自動化水平。 除了產(chǎn)品的準確性外，在許多實際應(yīng)用場景中對產(chǎn)品的實時性也有很高要求，這直接影響到實際決策支持的成敗與否。 未來工作的重點將是通過流程優(yōu)化、定制功能開發(fā)和聚合計算資源來提高遙感產(chǎn)品的自動化水平。

5） 增強遙感綜合分析能力。 利用環(huán)境遙感從單純監(jiān)測轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂斜O(jiān)測和預(yù)報綜合能力的業(yè)務(wù)平臺，并加強結(jié)果的綜合分析。

5 結(jié) 論

1） 為了提高環(huán)境監(jiān)測的準確性，應(yīng)充分融合包括遙感數(shù)據(jù)、生態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)在內(nèi)的多源數(shù)據(jù)。

2） 推進衛(wèi)星遙感環(huán)境監(jiān)測與監(jiān)管應(yīng)用，可推動我國環(huán)境監(jiān)測與執(zhí)法由點上向面上發(fā)展、由靜態(tài)向動態(tài)發(fā)展、由平面向立體發(fā)展，是實現(xiàn)環(huán)保執(zhí)法精細化、信息化管理的重要手段。

3） 現(xiàn)階段遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測和執(zhí)法督察中的應(yīng)用還不成熟，大部分需要人工干預(yù)，數(shù)據(jù)處理量大，不確定性較強，綜合化業(yè)務(wù)能力有待進一步提高。

4） 遙感技術(shù)是不斷發(fā)展的新技術(shù)，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與執(zhí)法中，必須及時完善并引入新的遙感技術(shù)。