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遥感技术在生态环境监测及执法中的应用进展 ① 陈博明 （湖南省生态环境事务中心，湖南 长沙 410014） 摘 要 介绍了生态环境监测及执法过程中应用的主要遥感技术与装备；概述了遥感技术在植被指数、土壤污染、大气污染、水体 污染等环境监测中的应用情况；提出了遥感技术在新时代生态环境监测和执法中存在的不足以及未来发展方向。 关键词 生态环境； 遥感技术； 环境监测； 执法督察 中图分类号 X21文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253－6099.2020.04.041 文章编号 0253－6099（2020）04－0165－04 Progress in the Application of Remote Sensing Technology to Ecological Environment Monitoring and Law Enforcement Supervision CHEN Bo-ming （Hunan Provincial Ecological Environmental Affairs Center， Changsha 410014， Hunan， China） Abstract An introduction of principal remote sensing technology and equipment used in the process of ecological environment monitoring and law enforcement supervision was presented. After the introduction of the application of remote sensing technology to environmental monitoring， including vegetation inds， soil pollution， air pollution， water pollution， the existed shortcomings were pointed out and direction of improvement for the application of remote sensing technology were put forward. Key words ecological environment； remote sensing technology； environmental monitoring； law enforcement supervision 社会经济的迅猛发展，对生态环境产生一系列污 染或破坏，生态环境问题已成为制约人与自然和谐发 展的重要问题。 21 世纪以来，我国实行经济与生态环 境可持续发展战略，为了预防与控制生态环境中出现 的污染问题，必须大力加强生态环境监测工作。 2018 年 3 月，中共中央印发的深化党和国家机构改革方 案中明确要求整合环境保护和国土、农业、水利、海 洋等部门分散的生态环境保护职责，由国家生态环境 部统一行使生态和城乡各类污染排放监管与行政执法 职权，加强环境污染治理，保障国家生态安全［1］。 生 态环境部要求在生态环境监测和保护中，充分发挥遥 感技术的重要作用［2－3］。 本文就遥感技术在生态环境 监测和执法中的应用进展进行了综述。 1 遥感技术引入的必要性 1.1 遥感技术概述 生态环境的监测与管理涉及面极广，是一个动态、 大尺度、长时间的工作。 传统环境执法工作主要包括 地方生态环境主管部门自查、上级生态环境主管部门 检查、社会监督等。 环境执法如果采用传统地面调查 手段，工作量巨大、时效性差，获取的信息也不够客观， 年度更新成本更高；且一些偏远地区无法安装、架设监 测仪器；部分企业为躲避监管，排污手段层出不穷。 因 此，现有环境执法主要存在 3 大难点发现目标难，确 定位置难，分析空间信息难［4］。 科学技术的快速发展，使遥感技术应用于生态环 境监测成为可能。 遥感技术是从远距离感知目标反射 或自身辐射的电磁波、对目标进行探测和识别的综合 技术，也是获取地球表面所涵盖的地理空间信息的主 要手段。 人造地球卫星发射成功，大大推动了遥感技 术的发展。 现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、 存储和处理等环节。 遥感系统由遥感器、遥感平台、信 息传输设备、接收装置以及图像处理设备等组成。 遥 感的目的是通过对图像的定性、定量分析，深入研究各 种自然环境要素，且具有宏观、综合、动态和快速等特 点，能及时、准确、全面地获得相关地理环境信息，有效 ①收稿日期 2020－02－12 作者简介 陈博明（1981－），男，湖南长沙人，工程师，硕士，主要研究方向为环境影响评价。 第 40 卷第 4 期 2020 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №4 August 2020 减轻了生态环境监测人员工作压力、劳动强度。 生态环境遥感监测技术被视作生态环境动态宏观 监测最可行、最有效的手段［5］。 通过遥感监测，生态 环境部下属生态与环境卫星应用中心通过卫星遥感保 障了国家七部委制定的“绿盾行动”顺利进行，为国家 环境管理和决策提供了有力支持［6］。 1.2 政策法规对遥感技术应用要求 为加强环境保护，我国于 2014 年颁布了新的环境 保护法。 该法中增加了生态保护红线规则，并在关键 生态功能区等区域指定了生态保护红线，实施严格保 护的环境敏感区和脆弱区域。 此外，国家科技部自 2012 年起每年发布一份关于全球环境遥感监测的年 度报告，为全球环境监测做出了贡献，迄今为止已经更 新至全球生态环境遥感监测 2019 年度报告。 近年 来，我国开始大范围推广遥感技术，以便有效地进行环 境监测，旨在建立用于环境监测的天地一体化观测系 统。 实施了一系列科学技术资助计划，包括高分辨率 地球观测系统项目、全球生态环境监测和一带一路评 估等［6－7］。 国务院自 2013 年 9 月起，相继出台气、水、 土污染防治行动计划，即众所周知的大气十条水 十条土十条，均强调了强化卫星遥感技术在环境 监管与环境监察执法中的应用［8］。 2 环境监测与执法中应用的遥感技术 与装备 在当前的环境监测与执法中，已经充分发挥“天 基”卫星遥感、“空基”无人机遥感以及“地基”的定位 观测、地面调查等各种技术手段优势，“天-空-地”一体 化的自然保护监测监管网络体系正逐步完善，“遥感 发现-地面核查-监督执法”的主动发现监管体系日趋 完善（见图 1）。 图 1 “天-空-地”一体化遥感卫星体系 2.1 星载遥感 2008 年 之 前， 环 境 监 测 主 要 基 于 EOS-Terra， Envisat，Landsat，Quickbird 和 SPOT 等国外卫星的数据 集（见表 1）。 此后，我国加快了对卫星遥感的研究与 科技攻关，并建立了一系列科学技术资助计划，其中最 典型的就是“十一五”期间重点实施的国家重大科技 专项 “高分辨率对地观测系统专项”，它直接推动 了高分 1～6 号卫星的发射和应用。 高分卫星系列涵 盖了高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率和雷 达系统在内的主流传感器［8］，高分卫星收集的数据在 环境监测中发挥了极为重要的作用。 2.2 无人机遥感 尽管当前地球观测卫星的数量激增，但目前极高 空间分辨率（＜10 m）卫星传感器的时间分辨率和可获 得性通常不足，使得它们对地表环境过程动态变化的 监测及据此开展的督察执法往往受到限制［9］。 如果 需要快速地重访周期（用于高时空频次的监测），获取 卫星遥感数据的成本极高。 相较于传统卫星遥感监测 平台，无人机可以在较低的高度开展作业（5～200 m）， 能够一定程度上规避了极端天气和云层影响，进而实 现快速、准确地获取高精度遥感图像［10］。 目前，无人 机载遥感已经在水质监测、野生动植物研究、精准农 业、空气质量监测、紧急风险管理等领域进行了实践并 取得了较好的效果［9］。 此外，除了获取遥感数据，无 人机在难以开展原位采样的地区对水体、土壤等样本 进行采集作业、服务生态环境监测及执法督察［11］。 2.3 地基遥感 把传感器安置在地面、低塔、高塔和吊车上对地面 进行探测，这种方式叫“地基遥感”或“近地遥感” ［12］。 由于其极为便携，且具有非破坏性、检测效率高、精准 度高等优点，近年来逐渐用于环境监测。 尽管大多数 物探方法诞生之初主要是针对地下深层测量开发的， 但其中一些方法（尤其是电磁方法）也可以用于浅层 深度探测，尤其用于土壤环境监测领域。 在常用的物 探方法中，探地雷达（GPR）和电磁感应（EMI）在土壤 调查中应用最广泛。 GPR 测量土壤电介质的介电常 数，EMI 检测土壤电导率的变化，从而探测土壤水分、 含盐量、质地、剖面性质以及植被根系变化。 而近地高 光谱技术凭借众多的波段、光谱曲线完整且连续、具备 高分辨率特性，并能提供空间域和光谱域双重信息，近 年来也得到长足发展。 传统星载遥感技术可以及时有 效地监测环境变化，而高光谱遥感可以提高监测精度， 目前高光谱遥感技术主要应用于土壤、生态、大气、地 质、水环境等领域［13－14］。 661矿 冶 工 程第 40 卷 表 1 遥感卫星及其主要参数 卫星名称传感器类型空间分辨率／ m扫描带宽／ km发射时间 EOS-Terra／ Aqua MODIS250／500／1 0002 3301999／2002 Aster15／30／90601999 MSS801851972－07～1984－03 TM30／60／1201851982－07～1984－03 Landsat（1－8）ETM＋15／30／60185 1701999－04 OLI15／30／60170 1802013－02 TIRS100170 1802013－02 Sentinel-1SAR5 20／5 5／5 5／20 4020／80／250／4002014－04 Sentinel-2MSI10／20／60290 2016－06 2017－03 SPOT（1－3）HRV10／20601986－02 SPOT 4 HRVIR10／20601998－03 VGT11502 2501998－03 SPOT 5 HRG2.5／5／10／20602002－05 VGT11502 2502002－05 SPOT 6NAOMI1.5／660602012－09 SPOT 7NAOMI1.5／6602014－06 RADARSAT 1SAR8－10020／50／75／100／150／170／300／5001995－11 RADARSAT 2SAR1－10018／20／50／75／100／150／170／300／5002007－12 环境一号-A 星 CCD303602008－09 HSI100502008－09 环境一号-B 星 CCD303602008－09 IRS150／3007202008－09 环境一号-C 星SAR5／2040／1002012－11 资源一号 02CHRC／ PMS2.36／5／1054／602011－11 资源三号 01／02 星PMS／ MUX2.1／5.851 2012－01 2016－05 高分一号PMS／ WFV2／8／1660／8002013－04 高分二号PMS／ MSS1／4452014－08 高分三号SAR1－50010－6502016－08 高分 4 号PMI50／4004002015－12 高分五号 AHSI3060 VIMI20／4060 2018－05 高分六号PMS／ WFV2／8／1660／8002018－06 3 遥感技术在生态环境监测中的主要 应用 针对现有主要环境污染类型（生态污染、空气污 染、水体污染、土壤污染等），本文归纳总结了遥感技 术在环境监测中的应用情况。 3.1 植被指数监测 在遥感应用领域，将卫星可见光和近红外波段进 行组合而形成的植被指数已被广泛用来定性和定量评 价植被覆盖及其生长活力。 常用的植被指数包括比率 植被指数、归一化植被指数、环境植被指数、绿色植被 指数、垂直植被指数、土壤调整植被指数和差异环境植 被指数等。 通过指数计算，可以对地表植被状况进行 简单、有效和经验度量。 在生态领域，利用植被指数实现土壤退化、水土流 失、土地荒漠化、土地退化、森林破坏等方面监测；在农 业领域，利用植被指数进行耕地提取、农作物长势监 测、产量估算、农作物各参数的提取等。 此外，这些指 数可以直接用于水环境（湖库水华、富营养化城市黑 臭水体、流域岸边带等）监测方面，还可以通过指数组 合结合遥感图像突出显示受到污染胁迫的植被生长情 况，有力支撑了我国的环境污染防治。 3.2 土壤污染监测 遥感技术可以进行土壤污染的识别、反演、监管或 风险评价［15］。 在土壤污染分析监测过程中，运用光谱 分析法对重金属、有机污染物进行分析已成为一种快 速的例行分析方法。 植被冠层的光谱变化也可为识别 土壤石油类污染提供参考，与土壤特征光谱的反射率相 比，植被指数能更好地表征这些光谱变化，利用地面或 机载的多源光谱数据就可直接进行识别［16］。 但需要注 761第 4 期陈博明 遥感技术在生态环境监测及执法中的应用进展 意的是，土壤中石油污染物的含量在识别时易受水分 变化的影响，因此相对于海洋来讲，基于遥感技术的土 壤石油污染的识别研究仍然较少，且精度较低［16］。 3.3 大气污染监测 大气中常见污染物包括气溶胶、臭氧、二氧化氮、 一氧化碳和二氧化硫。 针对当前“散乱污”企业造成 的严重污染，面临管控困难的现状，利用遥感技术准确 快速地确定环境督查重点关注区域，可有效提高现场 环境执法效能。 传统的大气污染监测主要是通过地面 观测实现，因为地面测量受到观测站分布的限制，不具 备空间连续性并且不能满足区域研究的需求，具有一 定的空间局限性。 卫星遥感技术的发展极大地促进了 大气污染监测，从 20 世纪 70 年代中期开始，开展卫星 遥感气溶胶的理论研究，伴随着 MODIS 传感器的发 射，气溶胶遥感呈迅猛发展之势。 卫星遥感反演得到 的大气气溶胶光学厚度产品数据对于各种尺度下的大 气污染研究发挥了重要作用。 研究学者在气溶胶光学 特性及时空分布规律、近地表颗粒物浓度预测与模拟、 大气污染动态监测、全球气候变化影响等方面做了大 量研究，并取得了较大进展［17］。 考虑到污染源通常具 有明显的热辐射效应，地表温度也是在污染溯源研究 方面不可或缺的重要参数［18］。 主要有 3 种主流反演 算法单通道算法、劈窗算法和机器学习算法，它们被 广泛用于反演地表温度并结合大气污染数据进行溯 源。 目前，遥感技术在秸秆焚烧、灰霾、沙尘、颗粒物、 二氧化氮等监测及溯源方面发挥了重要作用［14］。 3.4 水污染监测 河流、湖泊、水库等地表水受污染后，其物理、化 学、生物特征也随之发生变化。 各种污染物质对电磁 波具有不同的吸收及反射特性，某些化合物在特定波 长电磁波激发下还会产生特征荧光。 测量水体对特定 电磁波吸收、反射或辐射等的差异，并利用计算机或光 电仪器进行信息加工或图像处理，可了解水污染的种 类、范围和程度。 水污染遥感监测利用水中物质对光 波和电磁波的反射特性，以及物质本身的热辐射特性 来探测漂浮在水面和悬浮于水体中的物质以及某些溶 解于水的化合物。 对于化学污染物可利用其荧光特性 来探测，对于水中悬浮物质则利用光吸收技术来探测。 红外遥感可测量水温并绘制出大面积水体等温线图。 紫外摄影可侦察水表面的油膜。 卫星遥感技术可追踪 海上大面积油膜移动的方向。 4 存在的不足及展望 遥感技术在环境监测和执法督察中已取得了长足 进展，但仍存在不足，需从以下几个方面进行改进，以满 足新时代背景下国家统筹环境监测与执法督察的要求。 1） 促进多源遥感数据融合。 多源遥感数据可以 弥补单一类型数据在时间分辨率、空间分辨率或光谱 分辨率方面的不足，并提供补充信息。 因此，充分融合 包括遥感数据、生态数据、环境数据、气象数据、社会经 济数据在内的多源数据，进行生态环境监管与执法督 察是今后重要的研究方向。 2） 提高遥感参数反演效果。 考虑到遥感反演过 程的不确定性，通过优化模型和开发地表数据同化系 统，可以提高生态参数反演的准确性。 此外，当前生态 指数的估算主要基于遥感数据与地面实测数据之间的 关系，获取原位数据的准确性有待进一步提升。 因此， 对模型的准确评估以及如何降低模型对地面实测数据 的依赖程度是今后的研究方向。 3） 优化遥感建模尺度效应。 尺度效应是环境遥 感需要面对的主要问题。 遥感反演的准确性与所用数 据集的空间和时间分辨率有关。 因此，有必要根据要 求优化遥感建模的合适时空尺度，从而进一步选择可 用的遥感数据集。 4） 提高遥感产品自动化水平。 除了产品的准确 性外，在许多实际应用场景中对产品的实时性也有很 高要求，这直接影响到实际决策支持的成败与否。 未 来工作的重点将是通过流程优化、定制功能开发和聚 合计算资源来提高遥感产品的自动化水平。 5） 增强遥感综合分析能力。 利用环境遥感从单 纯监测转变为具有监测和预报综合能力的业务平台， 并加强结果的综合分析。 5 结 论 1） 为了提高环境监测的准确性，应充分融合包括 遥感数据、生态数据、环境数据、气象数据、社会经济数 据在内的多源数据。 2） 推进卫星遥感环境监测与监管应用，可推动我 国环境监测与执法由点上向面上发展、由静态向动态 发展、由平面向立体发展，是实现环保执法精细化、信 息化管理的重要手段。 3） 现阶段遥感技术在环境监测和执法督察中的 应用还不成熟，大部分需要人工干预，数据处理量大， 不确定性较强，综合化业务能力有待进一步提高。 4） 遥感技术是不断发展的新技术，在生态环境监 测与执法中，必须及时完善并引入新的遥感技术。 参考文献 ［1］ 高志强，刘纪远，庄大方. 中国土地资源生态环境质量状况分析［J］. 自然资源学报， 1999，14（1）93－96. （下转第 173 页） 861矿 冶 工 程第 40 卷 的单位可以适当减免收费，对排污权指标使用多的单 位探索构建阶梯式有偿使用收费模式。 多用多收，少 用少收，既能体现稀缺资源的价值，还能刺激企业主动 节能减排，释放多余指标参与市场交易。 3.3.3 加强基础性研究 排污权交易涉及生态环境、法律、金融、信息化等 领域，要避免生态环境部门单打独斗的局面，充分整合 资源，强化技术力量，开展排污权有偿使用收费、交易 定价、减排成效评估、企业减排效益等基础性的研 究［11］。 完善现有的交易平台，充分利用“互联网＋” “大数据”构建排污权交易数据模型，为政府科学宏观 调控提供强有力的技术支持。 3.3.4 提高服务水平 目前，湖南省正在推行将各级排污权交易纳入政 府公共资源中心，实现统一交易管理模式。 生态环境 部门应以此为契机，加快与政府公共资源交易中心对 接，充分利用已有平台，进一步规范和完善排污权交易 程序，为企业提供公平、公正、高效、廉洁的交易环境， 提升交易服务质量。 3.3.5 加强行政监管 行政监管是维护排污权制度的根本保证，在排污 权法律缺失的情况，应充分依托其他环保法律开展监 管。 一是围绕排污许可制度加强环境监测。 环境监管 部门除依法开展监督性监测外，还应对排污单位自行 监测情况进行抽查，核实其真实排放情况。 二是加大 环境执法力度，虚假减排、伪造监测数据、超总量排放 等行为不但是环境违法行为，还损害了排污权制度的 公平性，要依法予以严厉打击。 三是积极探索与物价、 工商、税务等部门联动，打击扰乱排污权市场公平交易 的行为，切实维护排污权交易市场秩序。 参考文献 ［1］ 孙乙侨. 国际碳排放交易市场的交易模式研究［J］. 环境科技， 2018，31（6）60－65. ［2］ 肖康康. 目的论视角下的碳排放权性质界定［J］. 乐山师范学院 学报， 2019，34（11）87－93. ［3］ 陈蕃武. 大田县排污权交易现状及对策［J］. 绿色科技， 2019 （18）136－140. ［4］ 陈 亚，李海青. 贵州省排污权交易成效探讨［J］. 科技风， 2020 （2）129. ［5］ 凌 晨，吴 帅，李平海，等. 无氰电镀废水中重金属高效去除技 术研究进展［J］. 矿冶工程， 2019，39（6）92－100. ［6］ 瞿 畏，吴小平，陈凌嘉. 以生态文明体制改革为引领，扎实推进 排污权交易工作［J］. 中国环境监察， 2016（4）49－52. ［7］ 马赛博. 我国排污权交易制度的构建［J］. 中外企业家， 2019 （32）218. ［8］ 张 杳. 排污权的物权属性分析［J］. 前沿， 2013（18）83－84. ［9］ 冯晓飞，何月峰，沈海萍. 浙江省排污权交易政策实践分析［J］. 环境与可持续发展， 2019，44（6）129－131. ［10］ 刘明明. 论碳排放权交易市场失灵的国家干预机制［J］. 法学论 坛， 2019（4）62－70. ［11］ 赵 欣，邓红卫，周彦龙. 基于模糊重要度指标排序的突变决策 应用［J］. 矿冶工程， 2019，39（3）32－36. 引用本文 易文杰，欧中浩，方晓萍，等. 湖南省排污权交易的现状调查 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