郭 浩

(遼寧省大連生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 116023)

0 引言

20 世紀(jì)80 年代末期，國外研究人員開始利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對水環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等進行監(jiān)測[1]。我國衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)雖起步相對較晚，但近年來也開展了一系列區(qū)域及全國范圍的生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測與評價工作，如“一江兩河”、“西部十二省”和“全國生態(tài)環(huán)境十年變化遙感調(diào)查與評估”等。衛(wèi)星遙感技術(shù)的優(yōu)勢是獲取監(jiān)測地域的資料速度快、精度高、覆蓋范圍廣、不受氣候條件限制。隨著計算機性能的提高，衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用也會越來越廣。目前，我國應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的衛(wèi)星主要有高分1 號、高分2號和資源3 號。它們可以對同一地域獲得3 個不同觀測視角的三維立體圖像信息，在環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮了重大的作用[2,3]。隨著中共中央、國務(wù)院出臺的《關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設(shè)的意見》和《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》中關(guān)于“利用衛(wèi)星遙感等技術(shù)手段，對自然資源和生態(tài)環(huán)境保護狀況開展全天候監(jiān)測”、“強化衛(wèi)星遙感等高新技術(shù)應(yīng)用，提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)測立體化水平，實現(xiàn)監(jiān)測與監(jiān)管聯(lián)動”等要求，衛(wèi)星遙感技術(shù)將更多地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中，并在監(jiān)測、評價、監(jiān)管等方面提供有力支撐。本文分別從水環(huán)境、大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面綜合介紹衛(wèi)星遙感技術(shù)在我國環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 衛(wèi)星遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用—以飲用水源保護區(qū)和赤潮監(jiān)測為例

衛(wèi)星遙感技術(shù)可以廣泛應(yīng)用在飲用水源保護區(qū)、水華、赤潮、船體溢油事故及工業(yè)廢水排放等水環(huán)境監(jiān)測中。

1.1 飲用水源保護區(qū)監(jiān)測

清潔的飲用水是人類賴以生存的基本條件[4]，國家要求優(yōu)先保護飲用水水源地。飲用水水源安全直接影響人體健康和社會穩(wěn)定。針對近年來幾次涉及飲用水安全的重大環(huán)境事故[5]，保護飲用水水源安全已成為環(huán)境保護工作的重中之重。然而，目前對飲用水源保護區(qū)的監(jiān)測主要側(cè)重于水體水質(zhì)，方法也多為人工采樣，實驗室分析，或者采用水環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，治理重點也放在保護區(qū)內(nèi)排污企業(yè)和排污口取締上[6]，這些工作都客觀存在著勞動強度大，監(jiān)測周期長，獲取數(shù)據(jù)慢、運維成本高等缺點。事實上，水源地的保護需要針對一切對水體有直接或間接影響的所有污染源或風(fēng)險源進行及時有效的監(jiān)測與監(jiān)管，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)的優(yōu)勢[7]對飲用水源保護區(qū)實時監(jiān)測便顯得尤為必要。除此之外，衛(wèi)星遙感技術(shù)獲得的圖像信息也能監(jiān)測到飲用水源保護區(qū)的植被覆蓋情況，植被覆蓋率指標(biāo)能夠反映飲用水水源保護區(qū)內(nèi)開發(fā)利用程度。植被覆蓋率高，表明人為活動對保護區(qū)水體干擾少，水質(zhì)相應(yīng)較好；植被覆蓋率低，水土流失等情況則較為嚴(yán)重，水源涵養(yǎng)差，水質(zhì)相應(yīng)較差。圖1 為某水庫水位下降后，被人為改成耕地耕種。

1.2 赤(綠)潮監(jiān)測

赤潮是海洋污染的三大公害之一[8]，赤潮的發(fā)生會使近海環(huán)境遭到極大的破壞。隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，大量工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排放入海，水體富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致赤潮災(zāi)害頻繁發(fā)生。赤潮的爆發(fā)通常具有突然性、空間尺度大、直接觀測難等特點，一般的監(jiān)測和預(yù)報難以及時準(zhǔn)確的反應(yīng)赤潮的污染程度。而衛(wèi)星遙感技術(shù)利用赤潮發(fā)生時的海水水溫和水色變化，提供幾米到幾公里的圖像信息，經(jīng)過校正、圖像合成、分析、解譯等過程，反演出海洋水體中的葉綠素濃度、微生物含量、泥沙含量等各種信息[9]，從而判斷赤潮的特征和發(fā)展規(guī)律，能有效地防止或減少赤潮造成的損失和危害，對采取有效措施治理赤潮災(zāi)害有著十分重要的意義。圖2 為某海灣綠潮爆發(fā)衛(wèi)星遙感監(jiān)測，左圖為正常海域，右圖為綠潮爆發(fā)后海域衛(wèi)星監(jiān)測圖像。

圖2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測某海灣綠潮發(fā)生前后對比圖

2 衛(wèi)星遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用—以秸稈焚燒和揚塵源監(jiān)測為例

衛(wèi)星遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中主要應(yīng)用在秸稈焚燒、沙塵、揚塵和大氣氣溶膠厚度、溫室氣體及工業(yè)廢氣排放監(jiān)測等方面。

2.1 秸稈焚燒監(jiān)測

秸稈通常指的是農(nóng)作物在收獲籽實后的剩余部分，如稻草、麥秸、薯類、花生藤曼、豆秸、玉米稈等。每年在夏收、秋收后，大多數(shù)秸稈被當(dāng)作廢棄物焚燒。而露天焚燒秸稈產(chǎn)生的大量煙塵不僅污染大氣環(huán)境，破壞生態(tài)平衡，還會給公路交通和航空運輸造成安全隱患。由于秸稈焚燒具有隨機性和分散性特點，地面人工監(jiān)測不能提供及時有效的信息，面對廣袤的地域環(huán)境難以開展監(jiān)察工作，衛(wèi)星遙感技術(shù)可以解決這一問題。衛(wèi)星遙感火點監(jiān)測是利用衛(wèi)星遙感圖像，隨著秸稈燃燒時內(nèi)部產(chǎn)生的像元溫度不斷增加，在中紅外和熱紅外波段輻射能量也相應(yīng)增加，并與背景常溫像元比較形成的差異來識別地面火點[10]。根據(jù)環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心2017年統(tǒng)計的火點報告，基于TERRA/MODIS 和AQUA/MODSI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)共監(jiān)測到全國秸稈焚燒火點為10987 個，主要集中在3-4 月份和10-11 月份，占比為54.8%和33.8%，涉及27 個省、自治區(qū)和直轄市，占比前五位的依次為黑龍江省55.2%、吉林省18.3%、內(nèi)蒙古自治區(qū)9.1%、遼寧省5.9%、河北省4.4%。衛(wèi)星遙感技術(shù)不僅可以快速的獲取大范圍的秸稈焚燒火點位置，為監(jiān)管部門提供及時的信息支持，也可以為區(qū)域性的環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警提供參考依據(jù)。從圖3 可以看出全國范圍性的秸稈焚燒火點涉及的面積較為廣泛。

圖3 某日衛(wèi)星遙感火點監(jiān)測圖

2.2 揚塵源監(jiān)測

氣候條件相同的情況下,土地表面的不同利用方式、不同生態(tài)特征對于揚塵的產(chǎn)生起著決定性的作用。如果將水域視為不揚塵的生態(tài)域，那么按照土地生態(tài)特征來分類，抑塵效果依次應(yīng)為水域＞林地＞草地＞裸地，而裸地按照利用方式也分為交通道路、采礦用地、施工工地、堆場等。隨著城市的開發(fā)建設(shè)，大量土地也隨之改變了生態(tài)特征，林地、草地、山體遭到破壞，天然植被消失，生態(tài)結(jié)構(gòu)和服務(wù)功能退化，造成水土流失和環(huán)境生態(tài)失衡問題也時有發(fā)生。為了避免裸露地面揚塵造成空氣污染，損害人體健康[11]，利用遙感技術(shù)對裸地的監(jiān)測顯得十分必要。監(jiān)測部門可利用環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與實地考察驗證相結(jié)合，對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行分析比對，全面掌握土地的利用形式，對易產(chǎn)生揚塵的重點區(qū)域進行監(jiān)控或采取必要的抑塵手段。圖4～圖7 為衛(wèi)星遙感揚塵源監(jiān)測圖，依次為裸地、礦山、采石場、施工工地。

圖4 裸地

圖5 礦山

圖6 采石場

圖7 施工工地

3 衛(wèi)星遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用——以自然保護區(qū)和生態(tài)功能區(qū)監(jiān)測為例

衛(wèi)星遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面主要應(yīng)用于自然保護區(qū)、生態(tài)功能區(qū)、土壤含水量、土壤墑情等生態(tài)環(huán)境要素的關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測，也可應(yīng)用于地表溫度、城市熱島效應(yīng)監(jiān)測等。

3.1 自然保護區(qū)監(jiān)測

圖8 衛(wèi)星遙感監(jiān)測某自然保護區(qū)內(nèi)施工項目擴張

根據(jù)環(huán)保部2015 年全國自然保護區(qū)名錄中的統(tǒng)計，全國共有2741 個自然保護區(qū)，總面積約9692.6hm2，約占國土面積的10.1%，主要類型包括森林、草原、荒漠、濕地、海洋海岸等[12-15]。環(huán)保部下發(fā)的《自然保護區(qū)人類活動遙感監(jiān)測及檢查處理辦法》（試行）中規(guī)定了國家級自然保護區(qū)常規(guī)遙感監(jiān)測每半年開展一次，省級自然保護區(qū)常規(guī)遙感監(jiān)測每年開展一次。自然保護區(qū)是地球生態(tài)系統(tǒng)的本底反映，也是物種多樣性的重要載體，更是生物物種基因庫。自然保護區(qū)內(nèi)的人類活動對土地的利用和覆蓋變化將影響整個生態(tài)系統(tǒng)的功能[16,17]。通過衛(wèi)星遙感技術(shù)對自然保護區(qū)內(nèi)的人為活動進行監(jiān)測，將會為相關(guān)部門的規(guī)劃和管理提供快速、直觀、準(zhǔn)確的依據(jù)。圖8 為某自然保護區(qū)實驗區(qū)的施工項目突破紅線進入緩沖區(qū)。

3.2 生態(tài)功能區(qū)監(jiān)測

圖9 衛(wèi)星遙感監(jiān)測生態(tài)功能區(qū)植被覆蓋變化情況

國家重點生態(tài)功能區(qū)作為國家生態(tài)安全的屏障，具有防風(fēng)固沙、水土保持、水源涵養(yǎng)和生物多樣性維護等生態(tài)功能，這些區(qū)域是國家生態(tài)保護紅線，是國家持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。目前，生態(tài)功能區(qū)調(diào)查包括土地利用、植被覆蓋、河流湖泊水源水質(zhì)、土壤質(zhì)量、水土保持狀況及野生動植物資源等，而調(diào)查方式多采用人工調(diào)查，此種調(diào)查方式易受地域地形的限制?；谛l(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域方面的優(yōu)勢，可為生態(tài)功能區(qū)的監(jiān)測及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量考核提供有力的技術(shù)支撐[18]。2009 年，環(huán)境保護部與財政部啟動了國家重點生態(tài)功能區(qū)縣域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量考核評價工作，工作開展至今，已經(jīng)建立了一套成熟的考核工作機制，既“天—空—地”一體化的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評估技術(shù)體系。“天”是利用衛(wèi)星完成大尺度的生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測，獲取變化信息；“空”是利用無人機技術(shù)在小尺度上精確的獲取生態(tài)環(huán)境變化信息；“地”是現(xiàn)場實地調(diào)查，驗證衛(wèi)星與無人機獲取的信息結(jié)果，進一步地了解生態(tài)環(huán)境變化的原因，為環(huán)境監(jiān)測和管理提供及時、準(zhǔn)確的信息。圖9 為某生態(tài)功能區(qū)內(nèi)原始綠地被改成人工經(jīng)濟林項目。

4 結(jié)語

近年來，我國越來越重視自然環(huán)境和原始生態(tài)的保護，專項資金的投入也逐年遞增，國家先后出臺了一系列的政策和指導(dǎo)方案，衛(wèi)星遙感技術(shù)等手段應(yīng)用在水環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中也越發(fā)廣泛。隨著計算機性能和衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，其監(jiān)測空間尺度大、獲取數(shù)據(jù)及時等優(yōu)勢也將為環(huán)境監(jiān)測、區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警、環(huán)保執(zhí)法等提供強有力的技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)支撐。