卫星遥感技术在环境保护领域中应用的进展与挑战

1、卫星遥感技术在环境保护领域中应用的进展与挑战第25卷第4期2021年8月中国环境监测EnvironmentalMonitoringinChina卫星遥感技术在环境保护领域中应用的进展与挑战王桥(环境保护部卫星环境应用中心,北京100012)随着全球环境问题的日益突出,卫星遥感技术在环境保护中的应用受到了国际社会的高度重视.美国,日本以及欧洲的一些国家近些年来都星的研制和成功发射,我国的环境遥感技术研究正在方案开展的国内外卫星传感器为环境监测所能提供数据的空间分辨率,光谱分辨率和时间分辨率越来越高,空间分辨率已从公里级开展到亚米级,重复观测频率从月周期开展到几小时,光谱波段跨越了可见光,红外到微

2、波,光谱分辨率从多波段开展到超光谱,遥感数据获取技术正走向实时化和精确化,卫星遥感技术在环境保护中的应用正在向定量化和业务化快速开展,并迎来了前所未有的机遇与挑战.1国内外环境卫星遥感技术与应用进展卫星遥感技术及其在环境领域中的应用主要分为水环境遥感,大气环境遥感和生态环境遥感三个方面.在水环境遥感方面,根据遥感机理不同分为海洋水色卫星遥感和内陆水体卫星遥感.内陆水体比海洋水体复杂得多,水域面积相对小且污染类型多样,要求卫星遥感有更高的空间分卫星遥感方面已开展业务化运行,监测指标主要为叶绿素a,悬浮物,水温等,所用的代表性卫星平台和传感器有美国的Seastar/SeaWiFS,EOSTERRA

3、&AOUA/MODIS,欧空局的ENVISAT/MERIS,Et本的ADEOS/GLI,印度的IRS/OCM等;在内陆水体卫星遥感应用方面目前还根本处于科研和应用示范阶段,尚未到达业务化运行程度.监测指标主要为叶绿素a,悬浮物,可溶性有机地卫星系列如美国的Landsat/TM系列,法国SPOT/HRV系列,印度IRS一1/LISSHI系列,以及高光谱卫星如美国的EO一1/Hyperion,EOS方面已开展了业务化应用和运行,监测指标主要为海洋水温,叶绿素a,悬浮物,海冰等,应用卫星主要有风云卫星系列的FYlC和FY1D,海洋卫星系列的HY一1A和HY一1B;在内陆水体卫星遥感方

4、面,受高时空分辨率和高光谱分辨率的限制,目前我国主要是利用欧美等兴旺国家的卫星数据,环境一号卫星(HJ一1),中巴资源卫星(CBERS)等进行内陆水环境指标反演,总体上应用效果还不够理想.在大气环境遥感监测方面,欧美等兴旺国家在使用卫星遥感技术监测大气气溶胶,臭氧,二氧化硫,二氧化氮,二氧化碳,甲烷等气体的光学厚度和浓度方面取得了显着进展,在大气气溶胶,臭氧,沙尘暴监测等方面已经根本到达业务化应用程度,在SO,NO,CO:,cn,CO等污染气体看,卫星遥感对大气污染监测能力较弱,多数偏重于气溶胶,温度,湿度等气象参数以及O,CH4等多,主要有美国的NOAA/AVHRR,EOSTERRA&

5、;amp;AOUA,MODIS,TERRA/MOPITI',欧空局ENVISAT/SCIAMACHY,ERS一2/GOME,METOP一1/国用于大气污染监测的卫星传感器较少,主要为风云系列气象卫星(FY)和环境一号卫星(HJ一1)等,陆续开展了气溶胶,臭氧探测,沙尘暴等监测.在生态环境遥感监测方面,美国,澳大利亚等国家和联合国等国际组织利用多源遥感信息,在土地利用/土地覆盖分类,生态环境质量动态监测和评价,大尺度生态系统状况评估,生物物理参数信息提取(如植被指数NDVI,叶面积指数IJAI,蒸散量ET,初级生产力NPP,地表反照率Albedo,陆地表态环境遥感监测通常用空间分辨率较高

6、的陆地卫收稿日期:20210624作者简介:王桥(1957一),男,四川人,博士研究生导师,研究员中国环境监测第25卷第4期2021年8月星和传感器如美国的Landsat/TM系列,法国SPOT/HRV系列,印度IRS一1系列,以及高光谱卫星如美国的EO一1/ALI等.上世纪90年代以来,美国环保局(EPA)联合有关部门开展了多尺度土地覆盖工程,建立了以LandsatTM/ETM+为信息源的国家级一,二级分类的土地覆盖数据库,并实织大批科学家对美国农田,森林,草地,淡水,海洋与海岸带,城区等6类生态系统进行了全面评估,并于2003年正式发布了第一份美国?国家生态系统状况报告?,内容包括系统规模

7、,物理与化学状况,生物组成,人类利用等方面,并绘制成空间分布图或随时间变化的趋势图,该报告为引导政府和公众对生态系统的认识发挥了巨大作用,标志着美国对生态系统状况的评估已进入标准化阶指标,于19962006年十年间发布了三份综合评外,联合国于于2001年6月启动了千年生态系统评估工程(MA),其主评估报告在2005年发布,该项研究以生态系统与人类福祉为核心,首次在全球尺度上系统,全面地揭示了各类生态系统的现状和变化趋势,未来变化的情景和应采取的对策,态环境遥感监测技术起步相对较晚,但在土地利用/土地覆盖分类,生态环境质量动态监测和评价,大尺度生态系统状况评估,生物物理参数信息统地,全面地采用遥

8、感技术进行生态环境监测与评估工作始于19992002年开展的中国西部地美国的Landsat/TM系列,法国SPOT/HRV系列,中巴资源卫星CBERS系列等多源遥感数据进行土地生态分类,水土流失监测,以景观生态学的方法进行生态系统健康评估,并在一些典型的生态区/流域开展了区域生态评估与脆弱性分析,取得了数据主要包括美国的Landsat/TM系列,法国SPOT/HRV系列,以及国产的中巴资源卫星系列(CBERS),环境一号卫星(HJ1)等.2环境一号卫星工程及相关工作进展1998年,原国家环保总局联合国家减灾委,航天科技集团提出了建立环境与灾害监测预报小卫星星座的建议.2002年9月,国务院批准

9、了关于环境与灾害监测预报小卫星星座立项的请示.2003年2月,原国防科工委,原国家计委,财政部三部委联合批复了该工程,工程方案第一期建立由2颗光学小卫星(IJ一1A,1B)和1颗合成孔径雷达小卫星(HJ一1c)组成的"2+1"星座,简称"环境一号"(代号HJ一1).此后,方案采取资源共享和国际合作方式,最终完成由4颗光学小卫星和境与灾害监测预报小卫星星座系统是我国继气象,海洋,资源卫星系列之后新型的卫星遥感系统,它能够有效弥补地面监测缺乏,配合地面环境监测网络实现我国环境变化的大范围,全天候,全天时的动态监测.它具有中高空间分辨率,高时间分辨率,高光谱分

10、辨率,宽观测带宽性能,能综合运用可见光,红外与微波遥感等观测手段,其数据包含了丰富的生态环境质量信息,详细的下垫面信息,污染源及其分布和城市结构特征等信息.2021年9月6日,环境一号A,B星在太原卫星发射中心成功发射并进入预定轨道,卫星发射以来运行状态良好,A,B卫星到达预定轨道位置,卫星搭载的CCD,红外和高光谱相机运行根本正常,形境一号卫星系统初步建立后,环境保护部会同民政部着手开展了环境一号A,B卫星数据质量评价和在轨应用测试工作,完成了大型水体水华遥感监测,秸秆燃烧遥感监测,自然保护区遥感监测,重要生态功能区遥感监测等应用测试工作,并于2021年2月19日通过了环境一号A,B卫星在轨

11、测试评审.在轨测试结果显示,卫星影像数据纹理根本清晰,地物类型影像特征反映较好,数据质量较高,在水环境,大气环境和生态环境监测等方面具有较好的应用潜力.3月30日,国防科工局组织举行了卫星在轨交付仪式,正式将环境一号A,B卫星交付环境保护部和民政部两家主要用户.在环境保护部高度重视下,环境一号卫星环境应用系统工程建设进展顺利,已经相继实施了环境一号卫星环境应用系统设计,开发,关键技用环境一号卫星数据及其它卫星数据开展了每周一次对太湖,巢湖,滇池及三峡库区蓝藻水华的动态监测,每天一次对全国燃烧秸秆造成的大气污染的动态监测,定期对重要生态功能区,自然保护王桥:卫星遥感技术在环境保护领域中应用的进展

12、与挑战区生态环境变化进行遥感监测和评价,不定期对沙尘暴,雾霾等进行遥感监测,完成了一大批卫星业务应用工作;2021年2月26Et,中央编办正式批复同意设立环境保护部卫星环境应用中心,标志着环境保护部环境卫星工作由初期开展进入了体化监测能力的目标,全面开展环境卫星系统工程建设,技术体系和业务运行体系的建设,力争尽快形成满足新时期环境保护工作需要的大范围,动态,全天候,全天时环境遥感监测能力.3环境保护部环境卫星遥感技术与应用进展随着环境一号卫星的建设和成功发射,环境保护部环境卫星遥感技术与应用也取得了大量实星及多源遥感数据的环境遥感监测指标体系,技术方法与技术流程,全面制定了环境遥感监测产品方案

13、与业务运行技术方案;另一方面,系统地开展了环境遥感应用关键技术研究和应用示范,完成了一系列环境遥感监测数据产品和报告的生产和上报.其中在水环境遥感方面,开展了叶绿素a,悬浮物,有色溶解有机物,水面温度,透明度等监测指标的光谱特征规律和反演方法的研究,并以太湖,巢湖,滇池,三峡水库等内陆水体水质遥感监测为例,进行了水环境遥感监测技术应用示范,生产和上报了"太湖蓝藻水华遥感监测日报","重点流域水质遥感监测周报","青岛海域浒苔遥感监测简报","内蒙乌梁素海绿藻遥感监测简报","渤海湾溢油遥感监测简报&quo

14、t;等一系列遥感应用产品;在大气环境遥感监测方面,开展了气溶胶光学厚度,悬浮颗粒物,臭氧,二氧化硫,甲烷等监测指标的光谱特征规律和反演方法的研究,并以长三角,珠三角,京津冀等城市群环境空气监测为例,进行了环境空气遥感监测技术应用示范,生产和上报了"全国秸秆燃烧遥感监测Et报","北方地区沙尘暴遥感监测简报","城市颗粒物遥感监测简报"等一系列遥感应用产品;在生态环境遥感监测方面,开展了生物物理参数,地表参数,生态景观状态参数,生态环境质量遥感评价因子监测指标的光谱特征规律和反演方法的研究,并以重要生态功能区,国家级自然保护区,生态交错

15、带,生态脆弱区,大型工程建设区等生态环境遥感监测为例,进行了生态环境遥感监测技术应用示范,生产和上报了"南方雪灾生态环境影响遥感监测简报","四川地震灾害生态环境影响遥感监测简报","北方地区干旱遥感监测简报","国家自然保护区遥感监测简报"等一系列遥感应用产品.4卫星遥感技术在我国环境监测中应用面临的主要问题卫星遥感技术在我国环境监测中的应用虽然已经取得了初步进展,但仍然面临大量的问题和前我国没有专门用于环境监测的卫星有效载荷.风云系列气象卫星主要是针对大尺度天气情况监测和预报而设计,海洋卫星系列主要是针对大尺度

16、海洋水色遥感监测和预报而设计,资源卫星系列主要是针对国土,矿产等资源调查而设计,这些卫星有效载荷虽然局部可用于环境监测,但远不能满足要求.环境一号A,B星虽然拥有宽覆盖多光谱可见光相机(CCD),红外相机,超光谱成像仪等多种有效载荷,但其有效载荷空间分辨率,时问分辨率,光谱分辨率还不够高,光谱段设置还不够合理,缺乏专门针对环境监测的卫星有效载荷,许多国家环境管理尤其是环境应急监测迫切需用的环境监测指标(如环境空气中的总悬浮颗粒物TSP,可吸入颗粒物PMSO,NO,CO,0等,以及水环境中COD,BOD,总磷,总氮等)目前尚无法探测,也不能做到全天候,全天时的环境监测;二感监测应用技术研究多表现

17、为经验性和局部性,系统性和实用性较差,与国际先进的环境遥感应用研究水平和环境遥感监测实际需要存在很大差距,从卫星数据处理,参数反演,应用模型研发,专题数据生产到业务应用系统开发仍然有许多关键技术未能解决,难以支撑环境遥感监测业务化运别是基于高分辨率卫星数据,微波卫星数据的环境空气指标定量遥感反演技术,水环境指标定量遥感反演技术,生态环境指标定量遥感反演技术,突发性环境事件应急响应及跟踪监测技术研究不够,已成为制约我国环境监测和卫星业务化应用开展的突出问题;三是卫星应用系统建设滞后,业在"重卫星,轻应用"的现象,导致许多卫星虽然在中国环境监测第25卷第4期2021年8月轨运行

18、,但地面应用系统没有健全.国家?航天发展"十一五"规划?提出的"初步建成天地统筹,地面协调的卫星地面系统和应用系统","应用卫星和卫星应用初步实现由试验应用型向业务效劳型转变"等在环境保护领域还没有落实,环境应用系统建设的力度还远远不够,还没有形成具有全面立的系统统一业务凋度,任务驱动的能力不够,不能满足环境卫星数据接收,处理,应用,效劳一体化管理的需求;遥感数据几何精纠正,正射校正,自动化配准,图像镶嵌,融合自动化处理能力不够,不能满足对多源,多载荷遥感数据进行规模化快速处理的需求;模型算法的成熟度,集成度,实用度不够,不能满足快速

19、,规模化环境遥感数据产品生产的需求.5对策与建议首先要以满足我国新时期环境保护业务工作需求为目标,提高环境一号卫星的时间分辨率,空间分辨率,光谱分辨率,定标精度,信噪比等技术指标和技术能力.综合利用高分辨率遥感技术,偏振遥感和多极化SAR等技术,开展新型环境遥感专用载荷.重点针对水体叶绿素,悬浮物,透明度,总氮,总磷,水温,石油污染,化学污染等监测,开展多模式的多光谱(偏振)环境成像仪,可编程高光谱水环境成像仪等水环境遥感专用载荷;针对大气SO:,NO及CO等大气污染指标的监测,开展紫外/短波红外大气吸收光谱仪,红外高光谱大气环境探测仪等大气环境遥感专用载荷,为满足业务化环境遥感监测和应急响应

20、提供新的技术手段.同时要针对环境遥感应用业务需求,加大环境一号卫星业务化应用关键技术研究的力度,要针对环境卫星后续星开展专用环境有效载荷研发和应用模拟实验,加强环境遥感机理的研究,围绕水,气,生态定量遥感应用,开展技术攻关,进一步强化环境遥感应用技术根底,形成系统的环境遥感物理学根底,以及遥感定标,遥感数据实时处理和信息提取技术流程,技术标准和标准体系;要进一步完善环境遥感应用系统,将环境遥感技术成熟局部纳入环境监测网络能力建设,充分发挥环境遥感的技术优势,从业务化运行的角度,建设天地一体化的遥感监测技术体系,大力推动遥感技术在环境监测,环境评价,环境监察等业务工作中应用,使环境遥感尽快进入环

21、境保护工作的主境遥感技术队伍建设,大力培养环境遥感应用技术人才,宣传和普及环境遥感应用技术,促进环境遥感数据共享机制的建立,推广环境遥感数据产品的应用,开展环境遥感应用技术国际合作,最大限度地发挥环境遥感的社会,经济和环境效益.参考文献:1王桥,杨一鹏等.环境遥感J.北京:科学出版社,2006(8).2王桥张兵等.太湖水环境遥感监测实验J.北京:科学出版社,2021(5).J.北京:中国环境科学出版社,2006(7).测应用平台建设J.中国环境监测,2003,19(3):14.J.卫星应用,2006,14(1):2935.分辨率土地覆盖信息提取技术研究进展J.遥感技术与应用,2006,21(6):593600.7WuChuanqing,WangQiao,YangZ