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(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心 2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院

3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西部綠色發(fā)展研究院 4.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院

一、引言

眾所周知，空間遙感技術(shù)的發(fā)展為人類提供了從宏觀角度認(rèn)識(shí)地球的新方法與新手段?，F(xiàn)在可以把地球作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，來(lái)研究地球各圈層的空間結(jié)構(gòu)、相互作用及耦合關(guān)系，通過(guò)遙感數(shù)據(jù)的定性定量分析，解決地球的資源與環(huán)境等問(wèn)題。隨著人類活動(dòng)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(shí)別與評(píng)估，這就需要充分利用衛(wèi)星遙感體系的整體效能，獲悉地球健康狀態(tài)，對(duì)地球進(jìn)行全面體檢。

地球健康體檢已成為21世紀(jì)地學(xué)研究的重點(diǎn)，譜遙感地球健康體檢即綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感、航空遙感和地面站點(diǎn)、手持終端、巖心光譜掃描等多種監(jiān)測(cè)手段，基于數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)，形成一整套天空地一體化的光譜探測(cè)裝備和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，構(gòu)建對(duì)中國(guó)和全球重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)體系，并通過(guò)云服務(wù)和計(jì)算資源保障等，實(shí)現(xiàn)對(duì)地球健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；研究危害人體健康的地表表層環(huán)境的形成條件、作用機(jī)理、分布特點(diǎn)、時(shí)空變化規(guī)律，進(jìn)而可用于分析環(huán)境條件與元素余缺、人體狀態(tài)的關(guān)系，以及環(huán)境演化特點(diǎn)、方向和可變性，為人類科學(xué)開發(fā)資源、打造宜居宜業(yè)環(huán)境和防控疾病、應(yīng)對(duì)重大災(zāi)害等提供依據(jù)。

二、地球健康體檢與健康地學(xué)

1.譜遙感與健康地學(xué)

譜遙感地球健康體檢技術(shù)是健康地學(xué)的重要內(nèi)容，主要利用遙感等技術(shù)手段開展區(qū)域乃至全球的重大自然變化監(jiān)測(cè)，具有很高的動(dòng)態(tài)性和時(shí)效性，可以為健康地學(xué)提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是健康地學(xué)研究的重要手段和工具。

健康地學(xué)屬環(huán)境地球科學(xué)領(lǐng)域，是地學(xué)、環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)、醫(yī)學(xué)等多門類交叉學(xué)科，主要研究自然環(huán)境與人類健康領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)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(gòu)成了地球生態(tài)系統(tǒng)。人類的健康也往往有著地域特征，與氣候、地質(zhì)條件等地理學(xué)背景密切相關(guān)。因此通過(guò)研究環(huán)境中各種元素的來(lái)源、聚集、運(yùn)移，從地質(zhì)角度尋找解決的技術(shù)方法，從而達(dá)到土壤或特定地質(zhì)資源的健康利益產(chǎn)出最大化和有毒有害物質(zhì)污染及人類暴露最小化，并以此為人體健康、土地規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)布局、經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐[1]。

2.地球健康體檢的主要內(nèi)容

地球關(guān)鍵帶是陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤圈及其與大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈物質(zhì)遷移和能量交換的交匯區(qū)域，也是維系地球生態(tài)系統(tǒng)功能和人類生存的關(guān)鍵區(qū)域，依據(jù)地球關(guān)鍵帶理論，將生物、土壤、水體、大氣、地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)災(zāi)害等作為地球體檢的重點(diǎn)。借助譜遙感數(shù)據(jù)獲取覆蓋廣、速度快、光譜連續(xù)且蘊(yùn)藏信息豐富等優(yōu)勢(shì)，可從如下方面開展譜遙感地球健康體檢項(xiàng)目。

（1）土地健康監(jiān)測(cè)

根據(jù)地球健康體檢的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，基于無(wú)人機(jī)高光譜遙感技術(shù)與土壤地球化學(xué)調(diào)查技術(shù)協(xié)同進(jìn)行土壤水分、有機(jī)碳、土壤鹽漬化、荒漠化監(jiān)測(cè)、重金屬及農(nóng)藥污染等監(jiān)測(cè)評(píng)估[2-3]，查明土壤地球化學(xué)元素異常分布區(qū)域，構(gòu)建關(guān)聯(lián)模型，從而實(shí)現(xiàn)廣域范圍的宜居土壤等級(jí)評(píng)價(jià)，為人體健康、土地規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)布局、經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

（2）流域性水體健康監(jiān)測(cè)

融合多源光學(xué)衛(wèi)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(jiān)測(cè)及系統(tǒng)分析，具體可應(yīng)用于：水域邊界監(jiān)測(cè)。通過(guò)比較多期岸線數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水域邊界動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，分析水體季節(jié)性變化特點(diǎn)，為汛期災(zāi)害防治、政府部門水域利用監(jiān)管提供科學(xué)支撐；水質(zhì)參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。分析一定波段內(nèi)水體的輻射值而獲得其光譜特性，據(jù)此建立相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)（泥沙含量、葉綠素濃度等）反演算法，從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)水體水質(zhì)參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)區(qū)域水環(huán)境健康狀況進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)。

（3）大氣污染環(huán)境健康監(jiān)測(cè)

基于星載高光譜等遙感技術(shù)全球覆蓋的特點(diǎn)，利用相應(yīng)波段的高光譜數(shù)據(jù)對(duì)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(jìn)行定量反演，實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放點(diǎn)源及排放量檢測(cè)、大氣污染物的空間分布監(jiān)測(cè)及發(fā)展態(tài)勢(shì)[4]。

（4）地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別與監(jiān)測(cè)

采用多頻段、多參數(shù)的天空地一體化觀測(cè)技術(shù)，充分運(yùn)用高分辨率光學(xué)影像、航空影像、衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）、高光譜影像、激光雷達(dá)（LiDAR）等對(duì)地觀測(cè)手段，與地球物理、地面常規(guī)探測(cè)和觀測(cè)手段有機(jī)結(jié)合，有效判讀地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)背景、災(zāi)害特征、變形速率以及發(fā)展趨勢(shì)等信息，為地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別、監(jiān)測(cè)、防治、評(píng)價(jià)以及突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置等提供決策依據(jù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[5]。

最終從土壤、水、大氣和生態(tài)環(huán)境健康監(jiān)測(cè)出發(fā)，建立典型區(qū)地球健康特征光譜庫(kù)和樣本庫(kù)，并開展天空地一體化遙感調(diào)查與評(píng)價(jià)。構(gòu)建地球健康評(píng)價(jià)要素與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，研發(fā)譜遙感儀器并建設(shè)地球健康光譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用示范基地，確定健康地球的光譜譜系，進(jìn)而完善地球健康高光譜評(píng)價(jià)技術(shù)體系，構(gòu)建一套應(yīng)用于大氣圈、土壤圈及水圈等生態(tài)環(huán)境的天空地地球健康體檢綜合標(biāo)準(zhǔn)體系框架，實(shí)現(xiàn)地球健康綜合評(píng)價(jià)。

三、衛(wèi)星遙感技術(shù)與地球健康體檢

1.遙感數(shù)據(jù)源不斷改善

目前對(duì)地觀測(cè)（遙感衛(wèi)星）數(shù)據(jù)應(yīng)用種類繁多，衛(wèi)星遙感技術(shù)已顯現(xiàn)出高空間分辨率、高光譜分辨率等新特征。

高空間分辨率對(duì)地觀測(cè)。高空間分辨率對(duì)地觀測(cè)技術(shù)可滿足細(xì)節(jié)管理要求，用于自然資源、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、軍事等領(lǐng)域的精細(xì)信息獲取。國(guó)際上除常用美國(guó)陸地衛(wèi)星（Landsat）/TM 30m，法國(guó)斯波特衛(wèi)星（SPOT）2.5～20m，Landsat/ETM（全色波段）15m等多光譜數(shù)據(jù)外，應(yīng)用較廣的高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)以美國(guó)世界觀測(cè)衛(wèi)星（WorldView）（2007—2016）系列遙感衛(wèi)星0.3～0.5m、美國(guó)地球眼衛(wèi)星（GeoEye）（2008）0.5m數(shù)據(jù)為代表，能夠提供亞米級(jí)分辨率的高清晰地面圖像。隨著中國(guó)空間技術(shù)的快速發(fā)展，2014年發(fā)射的高分二號(hào)（GF-2）衛(wèi)星全色譜段星下點(diǎn)空間分辨率達(dá)到0.8m，邁入了亞米級(jí)時(shí)代。

高光譜分辨率對(duì)地觀測(cè)。高光譜遙感器成像光譜儀可獲取連續(xù)的幾十個(gè)甚至幾百個(gè)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(biāo)的屬性信息探測(cè)能力有所增強(qiáng)。常用的高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)的光譜范圍在350～2500nm，覆蓋可見光、近紅外、短波紅外光譜。我國(guó)2018年發(fā)射的高分五號(hào)（GF-5）衛(wèi)星攜帶了國(guó)際首臺(tái)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(guān)鍵技術(shù)[6]。2021年我國(guó)先后成功發(fā)射高分五號(hào)02星及5米光學(xué)02星（資源一號(hào)02E星），全面提升我國(guó)大氣、水體、陸地的高光譜觀測(cè)及自然資源定量化調(diào)查監(jiān)測(cè)能力，支撐及時(shí)掌控自然資源數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)狀況及變化趨勢(shì)，滿足在環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)等方面的迫切需求。

2.衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用不斷深化

目前衛(wèi)星遙感已進(jìn)入了“精致為用”的新發(fā)展階段，新型探測(cè)手段不斷涌現(xiàn)，人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等前沿技術(shù)與遙感技術(shù)深度融合，已在國(guó)土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、農(nóng)作物估產(chǎn)等方面得到廣泛應(yīng)用[7]。陸地生態(tài)監(jiān)測(cè)方面，我國(guó)利用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)已在全國(guó)范圍內(nèi)開展多次土地資源監(jiān)測(cè)調(diào)查工作；早在2000—2002年，國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局先后組織開展中國(guó)西部和中東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀遙感調(diào)查[8]，專家學(xué)者利用遙感、GIS技術(shù)方法分析土地利用和景觀格局時(shí)空變化特征及生態(tài)效益評(píng)估等；土地質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面，專家學(xué)者基于土壤光譜特征，在土壤物質(zhì)成分識(shí)別和定量反演、土地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)、土壤類型劃分和制圖等方面開展了研究分析。

2018年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在黑龍江省海倫地區(qū)開展航空高光譜遙感土壤調(diào)查，反演影響土地質(zhì)量的養(yǎng)分、有益元素、有害元素含量，對(duì)黑土地質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[2-3]；典型湖泊生態(tài)監(jiān)測(cè)方面，學(xué)者綜合利用MODIS等多源遙感數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)陸湖泊開展了水華、水質(zhì)、富營(yíng)養(yǎng)化等遙感監(jiān)測(cè)[9]；大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，利用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析區(qū)域NO2、CH4等溫室氣體時(shí)空變化特征，構(gòu)建氣溶膠光學(xué)厚度（AOT）等反演模型，實(shí)現(xiàn)區(qū)域大氣環(huán)境污染動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[4]；在農(nóng)業(yè)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)無(wú)監(jiān)督模式（聚類分析、自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）、有監(jiān)督模式以及半監(jiān)督模式等進(jìn)行作物識(shí)別，并開展作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、作物災(zāi)害監(jiān)測(cè)以及作物產(chǎn)量估測(cè)等工作。

隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的不斷更新發(fā)展，高光譜成像技術(shù)也將進(jìn)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(cè)載荷等各領(lǐng)域難題，均為高光譜成像技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向。以星載熒光超高光譜探測(cè)技術(shù)研發(fā)為例，若實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的突破，將會(huì)提高葉綠素?zé)晒獗O(jiān)測(cè)、溫室氣體污染等動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的精度及效率，更利于地球健康環(huán)境監(jiān)測(cè)，可為全球植被碳匯精準(zhǔn)評(píng)估，碳中和目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)有力支撐。未來(lái)可選擇有較強(qiáng)應(yīng)用推廣前景的典型地區(qū),與地方區(qū)域開展應(yīng)用集成研究，建立地方性遙感綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高對(duì)重大問(wèn)題的預(yù)見和處理能力，也是對(duì)地觀測(cè)技術(shù)應(yīng)用不斷深化的重點(diǎn)方向。

3.健康地球的光譜譜系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)其真實(shí)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要建設(shè)一個(gè)具有國(guó)際先進(jìn)水平、長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠、開放的國(guó)家級(jí)光譜遙感幾何和輻射定標(biāo)及綜合試驗(yàn)場(chǎng)。要通過(guò)真實(shí)性檢驗(yàn)場(chǎng)網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，采集全球典型地區(qū)及典型地物的特征光譜作為“真值”，并建立相應(yīng)的特征光譜庫(kù)和樣本庫(kù)，從而形成健康地球的光譜圖庫(kù)。

目前已開展建立地球健康體檢的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),按照綜合標(biāo)準(zhǔn)化研究的方法，構(gòu)建一套應(yīng)用于大氣圈、土壤圈及水圈等生態(tài)環(huán)境的天空地地球健康體檢綜合標(biāo)準(zhǔn)體系的框架。利用構(gòu)建的地球健康指標(biāo)光譜分析系統(tǒng)，結(jié)合地球健康檢查指標(biāo)體系，可對(duì)全球典型地區(qū)的土壤養(yǎng)分、物化特性、生產(chǎn)力質(zhì)量和水環(huán)境、大氣環(huán)境、礦山環(huán)境等進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

四、基于遙感技術(shù)的地球健康體檢

1.高精度小型化光譜傳感器的研發(fā)

衛(wèi)星遙感技術(shù)通過(guò)運(yùn)用傳感器/遙感器對(duì)物體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和非接觸目標(biāo)地物電磁波的輻射、反射特性信息的獲取。傳統(tǒng)大型航天、航空多/高光譜傳感器，雖然可實(shí)現(xiàn)大面積同步觀測(cè)，且時(shí)效性強(qiáng)、獲取信息受限條件少，但是也具有體積質(zhì)量大、數(shù)據(jù)獲取成本較高、數(shù)據(jù)精細(xì)程度不足等缺點(diǎn)。因此需加強(qiáng)便攜式高精度小型光譜傳感器的研發(fā)，以滿足便攜和實(shí)時(shí)性高精度檢測(cè)需求。手持高精度小型化光譜傳感器、輕小型無(wú)人機(jī)航空器等具有起飛環(huán)境要求低、實(shí)時(shí)性好、低空成像等優(yōu)點(diǎn)，是衛(wèi)星、有人機(jī)、地面高光譜遙感的有效補(bǔ)充。

2.地基地球健康光譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

地基遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)一般搭建于地表或地面以下，可以通過(guò)化學(xué)分析或光譜測(cè)量監(jiān)測(cè)多種土壤、大氣等參數(shù)。結(jié)合全球相關(guān)站點(diǎn)和我國(guó)真實(shí)性檢驗(yàn)場(chǎng)網(wǎng)及生態(tài)考察站網(wǎng)，如農(nóng)/牧/林/草業(yè)科技站網(wǎng)、國(guó)家或行業(yè)野外監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、水文/驗(yàn)潮站等，構(gòu)建便攜式地面遙感設(shè)備建設(shè)等遙感平臺(tái)網(wǎng)與地面監(jiān)測(cè)眼。同時(shí)可依據(jù)區(qū)域特點(diǎn)按不同密度布設(shè)不同范圍的地面監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)，包括地表及地下各類傳感器的布設(shè)（如聯(lián)網(wǎng)葉面積指數(shù)—LAINet傳感器、多功能植被指數(shù)—VINet傳感器、土壤溫濕度—SoilNet傳感器、聯(lián)網(wǎng)物候相機(jī)—PhotoNet傳感器、聯(lián)網(wǎng)光譜儀—SpectralNet傳感器等）及地表氣象站點(diǎn)、全自動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)等儀器的搭建，實(shí)現(xiàn)地物高光譜信息的聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)觀測(cè)及土壤溫濕度、地表植被、太陽(yáng)和天空輻射亮度、氣候降水、蒸散發(fā)等參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以生成地表與大氣環(huán)境的地基地球健康光譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

3.空基地球健康光譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

采用空天同步，利用航空、航天器搭載傳感器，可在全球及區(qū)域尺度上反映觀測(cè)對(duì)象的宏觀分布趨勢(shì)。通過(guò)譜遙感衛(wèi)星星座組網(wǎng)建設(shè)、航空及輕小型無(wú)人機(jī)遙感建設(shè)，聯(lián)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)優(yōu)勢(shì)技術(shù)力量，構(gòu)建空基地球健康光譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

以衛(wèi)星遙感為主，結(jié)合航空和地面遙感手段，形成長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的天空地監(jiān)測(cè)體系，通過(guò)搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，采用北斗、移動(dòng)通信、ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，形成協(xié)同觀測(cè)、技術(shù)交流、資料交換、數(shù)據(jù)共享、設(shè)施聯(lián)網(wǎng)、開發(fā)利用等合作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)地球健康長(zhǎng)期穩(wěn)定、全面可靠、精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的有效監(jiān)測(cè)[10]。

4.特征光譜重建與地球健康診斷評(píng)價(jià)

利用高光譜遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行地物特征光譜重建與評(píng)價(jià)，將傳感器記錄的DN值轉(zhuǎn)化為地物的本征光譜。除常規(guī)的波段匹配與校正、壞線修復(fù)、幾何與輻射校正、噪聲去除、遙感器定標(biāo)等處理外，更需進(jìn)行圖像光譜真實(shí)性評(píng)價(jià)，即利用健康地球的光譜圖庫(kù)對(duì)處理后形成的圖像光譜進(jìn)行比對(duì)，評(píng)價(jià)其失真度并進(jìn)行修正[10]。

基于遙感技術(shù)的各地球生態(tài)健康指標(biāo)監(jiān)測(cè)及信息特征提取，可通過(guò)遙感影像分類和特征參數(shù)定量反演等來(lái)實(shí)現(xiàn)。遙感影像分類方法主要有包括指數(shù)法、監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類在內(nèi)的傳統(tǒng)算法，對(duì)野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和先驗(yàn)知識(shí)具有較強(qiáng)的依賴性；新型算法主要包括面向?qū)ο?、神?jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹、專家系統(tǒng)分類、隨機(jī)森林、支持向量機(jī)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類等，對(duì)樣本質(zhì)量和人工智能技術(shù)有較強(qiáng)的依賴性，結(jié)合各站點(diǎn)實(shí)地采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息提取，生成數(shù)據(jù)集，進(jìn)行后續(xù)分析[10]。

基于獲取的地球體檢遙感參數(shù)數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建地球健康評(píng)價(jià)體系并進(jìn)行綜合診斷評(píng)估分析，針對(duì)全球環(huán)境具有重大影響的土壤和生態(tài)環(huán)境，利用構(gòu)建的地球健康指標(biāo)光譜分析系統(tǒng)，對(duì)全球典型地區(qū)的土壤養(yǎng)分、物化特性、生產(chǎn)力質(zhì)量和水環(huán)境、大氣環(huán)境、礦山環(huán)境、林草/濕地、荒漠化/沙化、污染狀況等，結(jié)合地球健康檢查指標(biāo)體系進(jìn)行分析與綜合診斷評(píng)價(jià)。

五、地球健康體檢區(qū)域示范

本文選取黃河中上游地區(qū)、全球黑土關(guān)鍵帶地區(qū)作為典型示范區(qū)開展地球健康體檢示范應(yīng)用，重點(diǎn)圍繞土壤、山體關(guān)鍵帶的綜合監(jiān)測(cè)需求，充分利用衛(wèi)星、航空、地面高光譜遙感及地球化學(xué)調(diào)查等技術(shù)，以“土壤質(zhì)量+生態(tài)環(huán)境”為核心，開展面向地球健康狀況的高光譜數(shù)據(jù)光譜重建與評(píng)價(jià)，完成土地健康監(jiān)測(cè)及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

1.黃河中上游地區(qū)土地健康監(jiān)測(cè)

黃河流域是我國(guó)重要的生態(tài)屏障和重要的經(jīng)濟(jì)地帶，黃河源頭三江源是我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障，由于黃河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失等問(wèn)題突出，亟待系統(tǒng)開展黃河中上游地球健康監(jiān)測(cè)工作。

據(jù)黃河中上游地區(qū)土地調(diào)查與健康監(jiān)測(cè)，區(qū)內(nèi)98.23%的土地?zé)o重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，適宜綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。因礦山開采、人為活動(dòng)和地質(zhì)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(diǎn)狀污染。區(qū)內(nèi)一等優(yōu)質(zhì)土壤1221.15萬(wàn)畝，占比18.91%，土壤養(yǎng)分以氮（N）元素缺乏為主；圈定綠色富硒（Se）土地1304.89萬(wàn)畝（硒含量≥0.3mg/kg），為黃河中上游糧食安全、特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

選取甘肅白銀市為典型區(qū)，區(qū)內(nèi)因礦山開采造成土地污染嚴(yán)重，為實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，應(yīng)用衛(wèi)星高光譜技術(shù)開展了區(qū)內(nèi)土壤重金屬反演，構(gòu)建了鉛（Pb）、砷（As）、鎘（Cd）的多光譜預(yù)測(cè)模型并開展了四龍鎮(zhèn)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，鉛、砷、鎘元素含量都在一定程度上出現(xiàn)了超標(biāo)，其中鎘元素超標(biāo)比較嚴(yán)重；高重金屬含量在區(qū)域范圍內(nèi)沒有呈現(xiàn)聚集特征，而是分散分布于區(qū)內(nèi)的不同位置[5]。

2.黃河中上游地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

在黃河中上游地區(qū)采用不同數(shù)據(jù)源的遙感影像開展了不同精度的地質(zhì)災(zāi)害解譯與識(shí)別。遙感解譯過(guò)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(guān)系，基于斯波特五號(hào)衛(wèi)星（SPOT-5）或資源三號(hào)衛(wèi)星（ZY-3）數(shù)據(jù)開展地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境地質(zhì)條件解譯，確定地質(zhì)災(zāi)害種類（圖1），劃分重點(diǎn)調(diào)查區(qū)和一般調(diào)查區(qū)；基于快鳥（QuickBird）或艾科諾斯（IKONOS）衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展精細(xì)化解譯，服務(wù)重點(diǎn)區(qū)域 1∶1萬(wàn)高精度地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查。

圖1 基于資源三號(hào)衛(wèi)星的不同類型地質(zhì)災(zāi)害遙感影像（陜西寶雞）

綜合遙感解譯、現(xiàn)場(chǎng)核查與調(diào)查結(jié)果顯示黃河中上游共發(fā)育有滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害20504處，其中滑坡10517處，崩塌5768處，泥石流4579處。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行坡度、坡高、坡向等信息提取，識(shí)別危險(xiǎn)坡段，結(jié)合地形地貌、地層巖性、斷裂、地震、降雨和人類工程活動(dòng)等信息，開展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[5]。

3.全球黑土關(guān)鍵帶調(diào)查與監(jiān)測(cè)

全球黑土地主要發(fā)育在中緯度地區(qū)，由于其富含有機(jī)質(zhì)，且土壤肥沃，是世界糧食安全的重要保障地區(qū)。經(jīng)過(guò)多年高強(qiáng)度開墾，使得黑土地面臨著很嚴(yán)重的退化問(wèn)題，例如土壤侵蝕、鹽堿化等，也有部分黑土地由于工業(yè)活動(dòng)受到污染。因此，全球黑土地資源急需搶救性的調(diào)查和監(jiān)測(cè)，明確保護(hù)方法，并做好可持續(xù)的土地利用規(guī)劃。在全球黑土關(guān)鍵帶（建三江、拜泉、海倫等多地）進(jìn)行了衛(wèi)星、航空、地面高光譜、地球化學(xué)分析準(zhǔn)同步數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建了土壤質(zhì)量航空高光譜綜合評(píng)價(jià)模型，開展了地物特征光譜重建與評(píng)價(jià)工作，實(shí)現(xiàn)全球黑土關(guān)鍵帶遙感調(diào)查與健康監(jiān)測(cè)[2-3]。

應(yīng)用高光譜短波紅外航空光譜成像儀（SASI）資料，根據(jù)鉀（K）、Se、粘土礦物之間的相關(guān)性及其光譜特征，通過(guò)逐步回歸模型，對(duì)黑龍江省建三江創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)中黑土的 K、Se及粘土礦物含量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，利用粘土礦物光譜反演，結(jié)合實(shí)際地球化學(xué)分析結(jié)果，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土壤中硒含量。與傳統(tǒng)地球化學(xué)圖像預(yù)測(cè)相比，該方法具有更高的預(yù)測(cè)精度。并以海倫市農(nóng)田黑土土壤為研究對(duì)象，利用111個(gè)土壤樣本的地球化學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)和地面高光譜數(shù)據(jù)，探索土壤重金屬與氧化鐵的吸附賦存關(guān)系，構(gòu)建基于氧化鐵反演的土壤重金屬間接反演模型，對(duì)重金屬含量模型反演輸出值與重金屬實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合比對(duì)，探討微量重金屬間接定量反演模型的可行性和準(zhǔn)確性。

六、結(jié)語(yǔ)

健康地球的光譜譜系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系尚在建立，對(duì)于綜合運(yùn)用衛(wèi)星、航空、地面站點(diǎn)等多種遙感監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)譜遙感地球體檢各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)的同時(shí)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(qū)域范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)體系的構(gòu)建有待完善。未來(lái)衛(wèi)星遙感地球健康體檢要充分利用天空地一體化技術(shù)，分層次開展長(zhǎng)時(shí)間序列大面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以及重點(diǎn)區(qū)生物、巖石、森林、土壤和水資源等專項(xiàng)模型構(gòu)建與監(jiān)測(cè)；推動(dòng)申報(bào)“健康地球重大國(guó)際計(jì)劃”；研發(fā)譜遙感儀器并建設(shè)地球健康光譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用示范基地；將地質(zhì)學(xué)、遙感學(xué)、生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)、氣象學(xué)等學(xué)科與技術(shù)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)真正的協(xié)同和融合，為建設(shè)美麗中國(guó)、宜居地球，推動(dòng)人與自然和諧共生作出貢獻(xiàn)。