王迎春 李翔宇 王晴萱 王中衛(wèi)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程，我國形成大量的裸露山體，遙感監(jiān)測技術(shù)可以減少人工監(jiān)測的工作量以及人為因素影響，是最佳監(jiān)測手段。本文總結(jié)了40年來國內(nèi)外遙感技術(shù)在裸露山體監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)展，并指出構(gòu)建航天遙感、航空遙感和地面調(diào)查一體化觀測體系，加強(qiáng)遙感技術(shù)在地表覆蓋領(lǐng)域的研究應(yīng)用，可促進(jìn)裸露山體遙感監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：裸露山體 遙感監(jiān)測技術(shù) 發(fā)展趨勢

改革開放40多年來，我國的城鎮(zhèn)化建設(shè)速度加快，在公路和鐵路建設(shè)、礦石開采、水庫和電站建設(shè)、房地產(chǎn)開發(fā)等過程中導(dǎo)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(fēng)也會導(dǎo)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(zāi)害和生物多樣性破壞，危害人類生命財產(chǎn)安全，還會破壞城市的生態(tài)環(huán)境，影響城市景觀，造成生態(tài)環(huán)境污染，制約城市經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。

裸露山體因其數(shù)量多、面積大、分布廣、地理環(huán)境復(fù)雜、建設(shè)項目繁雜、監(jiān)管人手少，依賴傳統(tǒng)的地面調(diào)查手段難以獲取全面的調(diào)查信息、及時發(fā)現(xiàn)問題。遙感技術(shù)在宏觀性、客觀性等方面具有明顯的優(yōu)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(jiān)測的最佳手段，可以大大減少人工監(jiān)測的工作量以及人為因素影響。

1.國外遙感技術(shù)進(jìn)展及在裸露山體監(jiān)測中的應(yīng)用

在國外，遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的研究和應(yīng)用比較早，20世紀(jì)80年代以后，遙感（RS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）開始應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，美國和歐洲較早地利用多光譜、高光譜、微波等遙感技術(shù)開展了水環(huán)境、大氣環(huán)境與生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測，在土地覆蓋、生物物理參數(shù)信息提取、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)系統(tǒng)評估等方面實現(xiàn)了業(yè)務(wù)化應(yīng)用。在宏觀生態(tài)環(huán)境遙感應(yīng)用方面，利用多源遙感信息進(jìn)行土地生態(tài)分類，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價。美國開展了多尺度土地覆蓋遙感調(diào)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(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)以5年左右為周期的動態(tài)更新。

通過監(jiān)測不同時間、空間尺度上的生態(tài)資源來預(yù)測國家生態(tài)資源開發(fā)與管理中的未來風(fēng)險，并對國家生態(tài)資源的現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行評估，其中與美國地質(zhì)勘探局合作開展的區(qū)域景觀生態(tài)監(jiān)測項目以美國陸地資源衛(wèi)星為主要數(shù)據(jù)源，通過對不同生態(tài)區(qū)域構(gòu)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(xiàn)了國家層次的景觀生態(tài)分類與建庫工作，取得了較好的效果。

許多發(fā)達(dá)國家利用遙感技術(shù)監(jiān)測礦山環(huán)境，并將其應(yīng)用于礦山開發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)治理。美國等國家針對礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀及其動態(tài)變化，以及礦產(chǎn)資源開發(fā)對礦區(qū)地表和生態(tài)環(huán)境的影響和破壞，將遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，利用高分辨遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和高光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)行礦山環(huán)境的常態(tài)監(jiān)測、動態(tài)監(jiān)測及環(huán)境綜合評價，分析不同氣候、不同礦種、不同開采方式礦產(chǎn)資源利用對礦區(qū)環(huán)境的綜合影響，取得了一系列顯著的成果，為礦山環(huán)境遙感調(diào)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(tǒng)用于自然資源的管理和規(guī)劃后，地理信息系統(tǒng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

國外針對裸露山體遙感監(jiān)測技術(shù)主要從數(shù)據(jù)源、圖像預(yù)處理和圖像信息提取三大方面進(jìn)行研究。隨著遙感數(shù)據(jù)源的種類增加，遙感衛(wèi)星逐漸從單一影像向多源影像的應(yīng)用發(fā)展；影像增強(qiáng)預(yù)處理由簡單波段疊加，同源影像融合等處理逐漸發(fā)展到較為復(fù)雜的波段濾波，邊緣檢測，多源影像數(shù)據(jù)融合等處理方面，發(fā)展過程中提出許多增強(qiáng)模型產(chǎn)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(jiān)督分類逐漸發(fā)展到支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非監(jiān)督分類的面向像元分類方法，再到多特征的面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄑ芯?。在遙感技術(shù)多個方面的應(yīng)用結(jié)合中，使得信息提取的精度越來越高。

利用遙感技術(shù)監(jiān)測裸露山體經(jīng)歷了從低分辨率數(shù)據(jù)到高分辨率數(shù)據(jù)；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(jiān)測礦山環(huán)境到能夠監(jiān)測到具體的環(huán)境類型；從單一礦種、單一開采方式集中區(qū)的礦山環(huán)境監(jiān)測發(fā)展到不同礦種、不同開采方式集中區(qū)的礦山環(huán)境監(jiān)測；目前可用于礦山環(huán)境污染的定量監(jiān)測與評價。

2.國內(nèi)遙感技術(shù)進(jìn)展及在裸露山體監(jiān)測中的應(yīng)用

我國生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)起步相對較晚，但在大氣環(huán)境、水環(huán)境、土壤環(huán)境、生態(tài)災(zāi)害和礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)監(jiān)測等方面都得到很好地應(yīng)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(diào)查，中國科學(xué)院基于土地覆被遙感監(jiān)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(shù)據(jù)。此外，根據(jù)相關(guān)研究和項目需要，國家基礎(chǔ)地理信息中心形成了30m（米）全球地表覆蓋遙感制圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品（GlobeLand30-2010），清華大學(xué)宮鵬研究團(tuán)隊完成了30m分辨率全球土地覆蓋數(shù)據(jù)（FROM-GLC），北京師范大學(xué)成功繪制1∶10萬全南極洲土地覆蓋圖，中國林業(yè)科學(xué)研究院和中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所等單位在東南亞開展土地覆蓋變化監(jiān)測項目，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等單位與西亞國家聯(lián)合開展荒漠化監(jiān)測項目等。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，全國生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測迎來重大轉(zhuǎn)折，國家與區(qū)域尺度生態(tài)遙感調(diào)查、國家自然保護(hù)區(qū)、國家重要生態(tài)功能區(qū)、礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)等國家重大生態(tài)監(jiān)測與監(jiān)管專項應(yīng)運而生。2000年以來，中國環(huán)境監(jiān)測總站組織全國環(huán)境監(jiān)測部門，以TM/OLI影像為主，每年開展全國生態(tài)環(huán)境例行遙感監(jiān)測工作。2011年以來，環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心采取“先衛(wèi)星普查、后無人機(jī)詳查、再現(xiàn)場核查”的工作方式，環(huán)境遙感監(jiān)測和地面環(huán)境監(jiān)測優(yōu)勢互補(bǔ)，形成了“天—空—地”一體化環(huán)境監(jiān)測模式，大大提高了考核工作的效率。2016年，環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心對446個國家及自然保護(hù)區(qū)開展了“2013—2015年人類活動遙感監(jiān)測”，基于高分一號/高分二號衛(wèi)星影像目視解譯得出這些保護(hù)區(qū)內(nèi)2015年人類活動現(xiàn)狀及2013—2015年的變化；2017年又實施了“2015—2016年人類活動遙感監(jiān)測”，讓保護(hù)區(qū)發(fā)生的一切破壞在“天眼”之下無所遁形。

遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)遙感調(diào)查和礦山開發(fā)狀況遙感監(jiān)測中的應(yīng)用較為廣泛，例如：應(yīng)用Google Earth遙感影像和GIS技術(shù)對安順市裸露山體缺口進(jìn)行調(diào)查獲取山體缺口的類型、數(shù)量、面積以及空間分布等信息；利用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)十堰市存在多個裸露山體并選取部分進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)了礦山企業(yè)關(guān)停后未履行恢復(fù)治理義務(wù)的問題；通過對ETM、SPOT-4、SPOT-5和IKONOS等數(shù)據(jù)的使用效果對比分析，總結(jié)出不同遙感數(shù)據(jù)源在礦山開發(fā)狀況及環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用特點，并定量分析了各數(shù)據(jù)源的最小可監(jiān)測圖斑和最佳成圖比例尺，提出礦山開發(fā)與環(huán)境遙感調(diào)查數(shù)據(jù)源的選擇步驟；高分一號02、03、04衛(wèi)星數(shù)據(jù)能有效識別露天礦山開發(fā)和環(huán)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(diào)查工作，可為礦山環(huán)境遙感監(jiān)測提供又一強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐；依托高分辨率遙感數(shù)據(jù)精度優(yōu)勢，融合傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查工作特點，可實現(xiàn)對礦山露天采場內(nèi)獨立地物與關(guān)鍵要素的精準(zhǔn)識別、快速提取，輔之野外調(diào)查驗證，完成對礦山地質(zhì)安全隱患、土地?fù)p毀、生態(tài)退化等現(xiàn)狀摸底。

3.裸露山體遙感監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，遙感技術(shù)已成為國際生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域最為實用的主流技術(shù)之一，并得到了廣泛的應(yīng)用，將地理信息系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)化、虛擬仿真、三維可視化等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對裸露山體真實情況的數(shù)字再現(xiàn)，宏觀狀況調(diào)查和評估等方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)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(shù)的發(fā)展方向，業(yè)務(wù)應(yīng)用也不斷向動態(tài)化、精細(xì)化和全球化方向發(fā)展。本文對裸露山體5種監(jiān)測方式進(jìn)行了對比，見表1。

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

在當(dāng)今新形勢下，構(gòu)建航天遙感、航空遙感和地面調(diào)查一體化觀測體系，全面提升對國土空間動態(tài)數(shù)據(jù)的獲取能力，加強(qiáng)遙感技術(shù)在地表覆蓋領(lǐng)域的研究，比如裸露山體普查、裸露山體生態(tài)修復(fù)效果評估、裸露山體監(jiān)管等。裸露山體遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)源將愈加穩(wěn)定、分辨率愈高、成本更低，業(yè)務(wù)應(yīng)用也會不斷向動態(tài)化、精細(xì)化和全球化方向發(fā)展。

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