趙少華，劉思含，劉芹芹 ，吳艷婷，吳迪*

1. 生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心/國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；

2. 中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085；3. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084

新型城鎮(zhèn)化建設(shè)是中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一個(gè)重要階段，中國城鎮(zhèn)化建設(shè)取得巨大成就的同時(shí)也帶來了大量的生態(tài)環(huán)境問題，諸如頻發(fā)的區(qū)域重污染天氣、城鎮(zhèn)黑臭水體、土壤污染、城市熱島效應(yīng)等突出問題，較嚴(yán)重地威脅到人們的身體健康，影響了社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。2013年中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議明確提出“要堅(jiān)持生態(tài)文明，著力推進(jìn)綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展，盡可能減少對(duì)自然的干擾和損害，節(jié)約集約利用土地、水、能源等資源”。在 2018年的全國生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會(huì)上，黨中央、國務(wù)院對(duì)生態(tài)文明建設(shè)提出了更高要求，習(xí)總書記強(qiáng)調(diào)指出“堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)邁上新臺(tái)階”。中國城鎮(zhèn)化發(fā)展速度快、發(fā)展模式多樣、分布地域廣，所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題也具有多樣性和動(dòng)態(tài)性。近幾十年來，快速發(fā)展的航空航天遙感技術(shù)在大氣污染、水環(huán)境、生態(tài)保護(hù)等城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了積極作用，國內(nèi)外已開展大量研究與應(yīng)用工作，為環(huán)境保護(hù)、城鎮(zhèn)規(guī)劃提供了重要支持，但這些研究、應(yīng)用大都為離散的零星或區(qū)域研究，對(duì)其系統(tǒng)深入的綜合研究分析還鮮有研究和報(bào)道?，F(xiàn)有國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)方法和產(chǎn)品在面向城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)與空間信息服務(wù)方面，還存在“3低（監(jiān)測(cè)分辨率低、處理能力低、反演精度低）”、“3少（星地協(xié)同少、定量模型少、專題產(chǎn)品少）”、“3差（技術(shù)體系差、高效平臺(tái)差、空間服務(wù)差）”的瓶頸。

為積極推動(dòng)國家生態(tài)文明建設(shè)，貫徹綠色可持續(xù)發(fā)展的理念，亟需結(jié)合中國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的特點(diǎn)，針對(duì)國家對(duì)城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求的緊迫性，深入梳理分析當(dāng)前及未來一段時(shí)間內(nèi)中國城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)工作現(xiàn)狀、存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)，以支持中國生態(tài)環(huán)境保護(hù)、城鎮(zhèn)規(guī)劃等工作。

1 中國城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境主要聚焦在城鎮(zhèn)尺度上，其涉及的范圍比較廣，難以面面俱到，所以按照生態(tài)環(huán)境比較關(guān)注的空氣質(zhì)量、水體水質(zhì)、土壤污染、生態(tài)資源等4個(gè)主要方面，從數(shù)據(jù)源、模型方法、應(yīng)用問題等方面對(duì)中國城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀、問題等進(jìn)行綜合分析，通過對(duì)其現(xiàn)狀和需求分析，基于多源衛(wèi)星與航空遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合地基等觀測(cè)數(shù)據(jù)，攻克城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系列關(guān)鍵技術(shù)，建立城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)的技術(shù)體系、服務(wù)模式等，研發(fā)綜合監(jiān)測(cè)平臺(tái)，在全國典型區(qū)域開展應(yīng)用示范，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，形成空間信息服務(wù)能力。具體的城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的框架圖和主要監(jiān)測(cè)要素，分別如圖1和表1所示。限于篇幅，本文主要概述中國城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)框架Fig. 1 Frame of urban ecological environment monitoring by remote sensing

1.1 中國城鎮(zhèn)空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

氣溶膠和污染氣體遙感監(jiān)測(cè)在美國和歐洲已有三十多年的歷史，但主要是針對(duì)潔凈大氣下晴空氣溶膠與污染氣體，并不適于中國霾污染狀態(tài)。生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心團(tuán)隊(duì)從“十一五”863計(jì)劃開始，在霾組成模式與反演等研究方面取得重要進(jìn)展，并業(yè)務(wù)化開展了霧霾、顆粒物、污染氣體等遙感監(jiān)測(cè)，但在城鎮(zhèn)地區(qū)地表覆蓋人為影響大、粗糙度大、類型多樣引起的高反射噪聲情況下，基于高分辨率衛(wèi)星與地面協(xié)同的大氣遙感監(jiān)測(cè)、城鎮(zhèn)區(qū)域污染物傳輸通道及“風(fēng)道”研究等尚未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

表1 城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)主要要素指標(biāo)Table 1 Main indices of urban ecological environment monitoring by remote sensing

1.1.1 城鎮(zhèn)空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源

空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)始于上世紀(jì) 70年代的美國地球靜止軌道環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星（GOES），主要面向顆粒物和氣溶膠光學(xué)厚度等觀測(cè)，總臭氧測(cè)繪光譜計(jì)（TOMS）在上世紀(jì)80年代已能夠獲得空氣中對(duì)流層 O3柱濃度。近年來用于監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的衛(wèi)星數(shù)量逐漸增多，監(jiān)測(cè)指標(biāo)和性能逐步增強(qiáng)，如美國中分辨率成像光譜儀 MODIS和對(duì)流層污染測(cè)量儀MOPITT、AURA衛(wèi)星搭載的臭氧監(jiān)測(cè)儀OMI和對(duì)流層放射光譜儀 TES、Aqua衛(wèi)星搭載的大氣紅外探測(cè)儀，AIR、MetOp系列衛(wèi)星搭載的高光譜紅外大氣探測(cè)儀，IASI、Suomi NPP衛(wèi)星搭載的紅外探測(cè)器CrIS，臭氧剖面制圖儀GPME、ENVISAT衛(wèi)星的大氣化學(xué)成分測(cè)量儀器 SCIAMACHY和PARASOL衛(wèi)星多角度偏振測(cè)量儀POLDER等。中國發(fā)射相關(guān)的衛(wèi)星相對(duì)較晚，但發(fā)展速度很快，如風(fēng)云系列衛(wèi)星、環(huán)境系列衛(wèi)星、高分系列衛(wèi)星等，特別是高分五號(hào)衛(wèi)星搭載了用于監(jiān)測(cè)氣溶膠、灰霾、污染氣體、溫室氣體的4臺(tái)大氣載荷，可為城鎮(zhèn)空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)提供很好的數(shù)據(jù)源。目前，國外和國內(nèi)相關(guān)衛(wèi)星空間和時(shí)間分辨率不斷提高，性能指標(biāo)也有較大改進(jìn)，從而快速發(fā)展推動(dòng)了相關(guān)模型方法的研發(fā)進(jìn)程，但仍以國外的遙感衛(wèi)星為主，如現(xiàn)有氣溶膠顆粒物遙感最常用的是 MODIS數(shù)據(jù)、污染氣體常用的是OMI數(shù)據(jù)等（Levy et al.，2010）。

1.1.2 城鎮(zhèn)空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)模型方法

遙感監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的指標(biāo)包括氣溶膠、灰霾、近地面顆粒物、污染氣體等。氣溶膠遙感監(jiān)測(cè)的方法有單通道方法、多通道方法、多角度方法、結(jié)構(gòu)函數(shù)方法、偏振算法等（Kaufman et al.，1997）；近幾年灰霾遙感監(jiān)測(cè)算法取得了突破進(jìn)展，中國科學(xué)研究院遙感研究所等基于MODIS多光譜數(shù)據(jù)提出了針對(duì)中國重顆粒物污染條件下的灰霾識(shí)別算法和灰霾氣溶膠光學(xué)厚度算法，在氣溶膠光學(xué)厚度非常小或者非常大的條件下，能夠保證反演產(chǎn)品和地面觀測(cè)的空間一致性，在氣溶膠光學(xué)厚度適中的條件下，氣溶膠光學(xué)厚度和顆粒物濃度（月平均）的反演精度達(dá)80%，該算法已應(yīng)用到環(huán)保部門的業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)中；近地面顆粒物遙感監(jiān)測(cè)主要把遙感反演的氣溶膠光學(xué)厚度與地面站點(diǎn)觀測(cè)的顆粒物濃度建立相關(guān)模型，然后進(jìn)行擴(kuò)展，常用的反演方法包括多元統(tǒng)計(jì)方法、模式修正方法和機(jī)理訂正方法等（Li et al.，2013）；污染氣體反演算法主要是星載差分吸收光譜算法（Han et al.，2011）。

1.1.3 城鎮(zhèn)空氣質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)存在問題

城鎮(zhèn)地表覆蓋人為影響大、粗糙度大、類型多樣引起的高反射噪聲，已成為大氣污染物衛(wèi)星遙感反演的主要不確定性因素，而且城鎮(zhèn)地表建筑物覆蓋使污染物傳輸通道更加復(fù)雜?，F(xiàn)有的大氣環(huán)境衛(wèi)星和地面觀測(cè)協(xié)同監(jiān)測(cè)面臨以下問題。首先是分辨率問題，包括了時(shí)間分辨率和空間分辨率。由于大氣污染狀況隨著氣象場(chǎng)、不同組分粒子間互相轉(zhuǎn)換變化存在著時(shí)間變化規(guī)律，尤其在京津冀地區(qū)發(fā)生了顆粒物濃度爆發(fā)性增長現(xiàn)象，現(xiàn)有極軌衛(wèi)星每天1次的監(jiān)測(cè)頻率遠(yuǎn)不能滿足顆粒物污染動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需求；城鎮(zhèn)地區(qū)的地表覆蓋類型復(fù)雜多變，原有 1-3 km空間分辨率難以反映城鎮(zhèn)內(nèi)部精細(xì)尺度的顆粒物污染狀況。其次是反演精度問題（陳良富等，2015），由于中國氣溶膠光學(xué)厚度較大，氣溶膠多次散射效應(yīng)顯著，城鎮(zhèn)地區(qū)地表類型復(fù)雜多變，利用紫外高光譜數(shù)據(jù)反演污染氣體濃度時(shí)氣溶膠和地表反射率噪聲較大，大氣質(zhì)量因子計(jì)算誤差較大，導(dǎo)致污染氣體垂直柱濃度反演精度低于同類載荷產(chǎn)品的平均精度（（陳良富等，2016；張瑩等，2012），尤其是SO2反演不確定性很大（60%以上），對(duì)于目前亟需監(jiān)測(cè)的甲醛、乙二醛等 VOC類氣體的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)更是空白。最后是大氣污染物傳輸問題，由于大氣污染物隨氣象場(chǎng)的變化存在區(qū)域輸送問題，城鎮(zhèn)地表對(duì)于局地氣象微循環(huán)有顯著影響，研究城市內(nèi)部通風(fēng)走廊對(duì)于城市資源規(guī)劃起到重要的參考作用（陳云等，2017）。目前利用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)產(chǎn)品與大氣化學(xué)模式協(xié)同開展城市風(fēng)道模擬和污染物區(qū)域輸送通道模擬的相關(guān)研究還非常少見，具有重要研究價(jià)值。

1.2 中國城鎮(zhèn)水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

近 10年來，水污染事件頻發(fā)，多次發(fā)生的水污染事件對(duì)江河湖庫水體以及飲用水源造成了嚴(yán)重的威脅，水環(huán)境健康問題主要體現(xiàn)為飲用水環(huán)境安全問題加劇，以及河流、湖庫富營養(yǎng)化程度增強(qiáng)，嚴(yán)重時(shí)表現(xiàn)為水華頻發(fā)和水體呈現(xiàn)黑臭現(xiàn)象（李俊龍等，2016；秦伯強(qiáng)等，2013）。國內(nèi)許多城鎮(zhèn)內(nèi)河出現(xiàn)常年性或季節(jié)性的黑臭現(xiàn)象，嚴(yán)峻的城鎮(zhèn)水環(huán)境問題（高寒等，2018），迫切需要突破城鎮(zhèn)水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)瓶頸（章克斌，2018；蔣金雄，2009；于德浩等，2008）。2015年國務(wù)院發(fā)布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》提出到 2020年全國水環(huán)境質(zhì)量得到階段性改善，污染嚴(yán)重水體較大幅度減少，飲用水安全保障水平持續(xù)提升的工作目標(biāo)。

1.2.1 城鎮(zhèn)水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源

近些年來，國內(nèi)城鎮(zhèn)水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)主要包括 MODIS、TM、HJ-1、GF-1等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其中MODIS應(yīng)用比較廣泛。關(guān)于空間分辨率主要考慮水體面積大小，城鎮(zhèn)水體面積較小的河流、湖泊，若空間分辨率較低，容易造成大量的混合像元，如MODIS數(shù)據(jù)等，而較高分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)則較合適；關(guān)于光譜分辨率主要考慮水體深淺、觀測(cè)指標(biāo)要求等因素，多光譜數(shù)據(jù)如SPOT、GF-1等數(shù)據(jù)由于光譜分辨率較低，對(duì)于高精度水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)應(yīng)用較受限制，而高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有較大潛力。

1.2.2 城鎮(zhèn)水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)模型方法

地表飲用水源地包括水庫型水源地、河流型水源地、湖泊型水源地等，國內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)飲用水源地水質(zhì)參數(shù)開展遙感建模。目前，水質(zhì)參數(shù)遙感監(jiān)測(cè)還主要采用常規(guī)方法，包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停↗r et al.，1979；Klemas et al.，1974）、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停℉ung，2014；Thiemann et al.，2000；李冬田，1989）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Keiner et al.，1998）、機(jī)理模型（Gordon et al.，1975）等。其中，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ɑ诮?jīng)驗(yàn)或遙感波段數(shù)據(jù)與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，選擇最優(yōu)波段或波段組合數(shù)據(jù)與葉綠素實(shí)測(cè)值建立統(tǒng)計(jì)回歸模型；半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ǜ鶕?jù)水體光譜特征，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析，確定用于參數(shù)反演的波譜范圍、波段組合、光譜微分等，建立遙感數(shù)據(jù)和水質(zhì)參數(shù)間的定量經(jīng)驗(yàn)算法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的自適應(yīng)、自組織性和容錯(cuò)性能，使其在模擬光譜反射率（或輻亮度值）與水體組分之間的錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系中表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)；機(jī)理模型以輻射傳輸理論為依據(jù)，根據(jù)水體組分如懸浮物、可溶性有機(jī)物、葉綠素等吸收、散射光學(xué)特性，結(jié)合信息獲取時(shí)的環(huán)境因素如太陽輻射入射角和反射角、水面粗糙度等，建立水體反射光譜的模擬模型，進(jìn)而反演水色參數(shù)。目前使用的機(jī)理模型主要是生物光學(xué)模型。此外，以機(jī)理模型為理論基礎(chǔ)的三波段、四波段模型也已成功應(yīng)用。

衛(wèi)星遙感技術(shù)可對(duì)水源地大范圍區(qū)域內(nèi)的環(huán)境狀況進(jìn)行快速、客觀監(jiān)測(cè)，從而全面了解水源地及周邊的水生態(tài)安全、存在的風(fēng)險(xiǎn)源及變化情況，目前，生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心利用高分一號(hào)、二號(hào)衛(wèi)星等高分辨率數(shù)據(jù)已在飲用水源地專項(xiàng)執(zhí)法活動(dòng)中發(fā)揮了重要作用（呂偉偉等，2018）。當(dāng)前，面向?qū)ο髨D像分析（OBIA）技術(shù)為遙感應(yīng)用領(lǐng)域所普遍接受，并被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高空間分辨率遙感信息提取的“范式”技術(shù)（Benz et al.，2004；Blaschke，2010）。其他類似于工礦建筑、居民地、港口碼頭、水域內(nèi)養(yǎng)殖水域等風(fēng)險(xiǎn)源目標(biāo)，常見依托OBIA等技術(shù)框架，針對(duì)具體數(shù)據(jù)源設(shè)計(jì)相應(yīng)的圖像分類與目標(biāo)識(shí)別的具體方法，以開展自動(dòng)信息提取。

1.2.3 城鎮(zhèn)水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)存在問題

發(fā)達(dá)國家在海洋、大型湖泊等清潔水體水色遙感監(jiān)測(cè)方面已建立比較成熟的技術(shù)方法（馬榮華等，2009；張偉，2012），但難以適用中國內(nèi)陸富營養(yǎng)化水體等渾濁度較高的水質(zhì)環(huán)境。目前國內(nèi)在太湖、巢湖、滇池等內(nèi)陸水體水華、富營養(yǎng)化等遙感監(jiān)測(cè)與產(chǎn)品生產(chǎn)上取得一系列進(jìn)展（吳珺等，2013；朱利等，2013），城鎮(zhèn)黑臭水體、飲用水源地水質(zhì)及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)遙感研究也取得積極進(jìn)展，但還需利用高分遙感與地面觀測(cè)協(xié)同監(jiān)測(cè)技術(shù)建立和優(yōu)化各類反演模型，提高內(nèi)陸水體水質(zhì)遙感反演精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)城鎮(zhèn)水環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、全方位、立體監(jiān)控。

城鎮(zhèn)水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)相對(duì)復(fù)雜，既要考慮水體本身的條件，也要考慮面向指標(biāo)要求的衛(wèi)星觀測(cè)指標(biāo)因素，需要綜合考慮衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時(shí)間、空間和光譜指標(biāo)因地制宜的制定觀測(cè)方案。但實(shí)際應(yīng)用過程中面向具體的城鎮(zhèn)水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)要求，難以同時(shí)滿足各項(xiàng)要求，因此需要結(jié)合實(shí)際情況和需求，不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)源和指標(biāo)觀測(cè)方案。

黑臭水體是目前城鎮(zhèn)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，目前國內(nèi)城鎮(zhèn)黑臭水體監(jiān)測(cè)主要依靠環(huán)保人員實(shí)地測(cè)量和在水體實(shí)地設(shè)立水質(zhì)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)（楊玥等，2015），該方法無法提供空間水質(zhì)分布特征信息，導(dǎo)致黑臭水體底數(shù)不清，無法為政府及環(huán)境部門制定環(huán)境保護(hù)政策措施治理黑臭水體提供可靠的水質(zhì)信息。國外因其城鎮(zhèn)水體相對(duì)清潔，利用遙感手段監(jiān)測(cè)城市黑臭水體相關(guān)技術(shù)研究較少，主要集中在遙感對(duì)城市內(nèi)部河流水質(zhì)的監(jiān)測(cè)。近年來，中國先行開展了部分城市黑臭水體整治遙感監(jiān)測(cè)工作，已在北京等三十多個(gè)城市開展了城市黑臭水體篩查與實(shí)地驗(yàn)證工作，目前的技術(shù)手段主要是目視解譯結(jié)合地面詳查，在黑臭水體識(shí)別的時(shí)間效率和識(shí)別精度上有待提高，對(duì)黑臭水體的水質(zhì)定量化遙感監(jiān)測(cè)還在探索階段。

1.3 中國城鎮(zhèn)土壤污染遙感監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

2016年5月國務(wù)院印發(fā)的《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》反映了中國土壤污染的嚴(yán)重性，同時(shí)體現(xiàn)了國家對(duì)土壤污染防治工作的高度重視。土壤污染是指所引入之物質(zhì)或制劑的性質(zhì)、數(shù)量或濃度可對(duì)土壤功能或使用價(jià)值產(chǎn)生負(fù)面影響（熊文成等，2017）。土壤污染具有累積性、不均勻性和長期存在性等特點(diǎn)（王嘉，2010）。土壤污染在土壤中的形態(tài)是其毒性發(fā)揮的重要影響因子，同時(shí)污染在土壤中的形態(tài)也是光譜遙感識(shí)別的重要基礎(chǔ)。土壤污染遙感監(jiān)測(cè)研究主要是在土壤污染反演、植被脅迫遙感反演等方面。

1.3.1 城鎮(zhèn)土壤污染遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源

關(guān)于城鎮(zhèn)土壤污染遙感監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)源，由于土壤中重金屬含量微量，而且含有重金屬的土壤光譜特征變化屬于弱信息，對(duì)光譜指標(biāo)要求非常高，因此以實(shí)驗(yàn)室地面高光譜儀器觀測(cè)為主。因此目前土壤污染遙感監(jiān)測(cè)主要處于實(shí)驗(yàn)室階段，而航空、航天遙感數(shù)據(jù)用于重金屬監(jiān)測(cè)較少，個(gè)別局限于Landsat TM、SPOT、Hyperion、HJ-1A等多光譜和高光譜遙感影像。隨著高分五號(hào)衛(wèi)星的成功發(fā)射和順利交付使用，利用其高光譜相機(jī)開展土壤污染定量化監(jiān)測(cè)也將有較好前景。

1.3.2 城鎮(zhèn)土壤污染遙感監(jiān)測(cè)模型方法

土壤污染遙感上，從元素類型、遙感手段、監(jiān)測(cè)對(duì)象、污染場(chǎng)地等方面，一些學(xué)者開展了多光譜光學(xué)及高光譜遙感的土壤污染監(jiān)測(cè)研究（王夷萍等，2007），如對(duì)農(nóng)藥類污染場(chǎng)地開展光譜特征分析（蓋利亞等，2015），對(duì)一般性土壤重金屬制圖如三江源草地重金屬高光譜遙感研究（張威，2014），對(duì)礦山、尾礦庫地區(qū)土壤重金屬污染如Kemper et al.（2002）開展礦區(qū)土壤重金屬光譜研究。由于土壤重金屬含量通常為痕量級(jí)，即使在重污染區(qū)域（土壤重金屬含量大于三級(jí)臨界值），其診斷性光譜特征也很容易湮沒在其他土壤組分的影響中，所以總體而言，土壤污染程度越高遙感監(jiān)測(cè)效果越好。因此，針對(duì)重點(diǎn)污染場(chǎng)地，分析其土壤污染特征與規(guī)律對(duì)土壤污染遙感而言較為可行。

土壤污染植被脅迫遙感方面，土壤光譜表現(xiàn)出來的重金屬光譜特性非常微弱，植被受重金屬污染脅迫表現(xiàn)出的光譜變化特征較土壤更為敏感，土壤受重金屬污染后，其上生長的植被的光譜特征將發(fā)生改變（郭云開等，2015），基于受重金屬脅迫的植被冠層光譜變化研究反映了植被的污染脅迫水平，可預(yù)測(cè)植物體內(nèi)重金屬累積量。陳思寧等（2007）開展鋅脅迫的白菜葉片光譜響應(yīng)，提取的3種特征光譜因子與鋅含量相關(guān)性達(dá)到0.95，可用來預(yù)測(cè)白菜葉片鋅含量?；谥亟饘倜{迫對(duì)不同植物葉綠素含量、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和含水量的植被參數(shù)影響，及這些光譜控制因子在重金屬脅迫時(shí)的變化機(jī)制，許多研究者探索遙感方式來評(píng)估植物受重金屬脅迫的程度，構(gòu)建植被指數(shù)、紅邊位置等參數(shù)遙感光譜指數(shù)與植被參數(shù)的脅迫關(guān)系（潘霞等，2018；鄔登巍等，2009）?？傮w而言，植被脅迫是反演土壤污染生物有效性的一個(gè)重要指標(biāo)，光譜特征尤其是紅邊特征對(duì)植被脅迫具有一定識(shí)別能力。

1.3.3 城鎮(zhèn)土壤污染遙感監(jiān)測(cè)存在問題

目前土壤污染物濃度定量化監(jiān)測(cè)總體上還比較困難，機(jī)載監(jiān)測(cè)應(yīng)用效果尚可，星載監(jiān)測(cè)應(yīng)用的研究還較少，亟需攻克星載土壤污染物濃度定量化遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)瓶頸。土壤污染遙感研究主要集中在遙感機(jī)理與模型的構(gòu)建方面，土壤污染遙感光譜特征還屬于弱信息，土壤重金屬含量、反演遙感監(jiān)測(cè)精度和穩(wěn)定性受限，植物對(duì)重金屬存在一定抗性、統(tǒng)計(jì)模型普適性差等問題，土壤污染植被脅迫反演精度受限。但從實(shí)際管理應(yīng)用需求角度出發(fā)，現(xiàn)有的技術(shù)條件還不足以直接通過遙感監(jiān)測(cè)出土壤污染物含量，一方面利用最新的高光譜遙感手段開展土壤污染物的含量反演攻關(guān)，另一方面利用遙感技術(shù)開展?jié)撛谕寥牢廴緢?chǎng)地識(shí)別、土壤污染風(fēng)險(xiǎn)快速評(píng)價(jià)等研究。

1.4 中國城鎮(zhèn)生態(tài)資源遙感監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

人口和城鎮(zhèn)空間的快速增長對(duì)城鎮(zhèn)生態(tài)資源帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，大量生態(tài)資源被破壞，生態(tài)空間被擠占，亟需高效監(jiān)管城鎮(zhèn)生態(tài)資源、保障城鎮(zhèn)人居環(huán)境質(zhì)量的技術(shù)方法。土地利用、資源礦產(chǎn)等遙感應(yīng)用在美國和歐洲已有三十多年歷史（李智峰，2015；張?jiān)鱿榈龋?016），從生態(tài)系統(tǒng)分類、生態(tài)參數(shù)反演，到監(jiān)測(cè)評(píng)估形成了一系列實(shí)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、方法和產(chǎn)品，如NASA持續(xù)發(fā)布的全球植被指數(shù)、土地覆蓋、地表溫度等生態(tài)遙感產(chǎn)品，支撐了全球宏觀生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與綜合評(píng)估，成為生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行范例。

1.4.1 城鎮(zhèn)生態(tài)資源遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源

城鎮(zhèn)生態(tài)資源遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源比較廣泛，以中高空間分辨率的光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主，如國外Landsat、SPOT、QUICKBIRD、IKONOS、NOAA、MODIS、HYPERION、DMSP/OLS等，國內(nèi)的如HJ、ZY、GF系列衛(wèi)星等，特別是新近發(fā)射的高分五號(hào)、六號(hào)衛(wèi)星的高光譜、多光譜數(shù)據(jù)等，在城鎮(zhèn)生態(tài)資源監(jiān)測(cè)中將會(huì)發(fā)揮重要作用。實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)觀測(cè)尺度和指標(biāo)要求，選擇合適的時(shí)間、空間或光譜指標(biāo)的數(shù)據(jù)源，或多源協(xié)同衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

1.4.2 城鎮(zhèn)生態(tài)資源遙感監(jiān)測(cè)模型方法

城鎮(zhèn)生態(tài)遙感比較廣泛，主要包括地表溫度反演、熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)、園林綠地遙感調(diào)查、森林遙感分類和森林生產(chǎn)力遙感評(píng)估，以及城市擴(kuò)張、城市固體廢棄物監(jiān)測(cè)、光污染監(jiān)測(cè)、城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)估等。

利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度包括熱紅外數(shù)據(jù)反演和被動(dòng)微波數(shù)據(jù)反演。目前，城市地表溫度反演主要包括單窗算法（趙少華等，2011）、劈窗算法（朱利等，2008）和多通道算法（毛克彪等，2006）等幾種類型。單窗算法主要用TM數(shù)據(jù)、HJ衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演地表溫度，其應(yīng)用的數(shù)據(jù)與多通道數(shù)據(jù)相比，空間分辨率較高，對(duì)地表發(fā)射率的敏感性較低，單從反演技術(shù)和精度綜合來講，較具優(yōu)勢(shì)。劈窗算法主要針對(duì)NOAA/AVHRR開發(fā)用于海面溫度反演，20世紀(jì)80年代拓展到陸地溫度反演（Franc et al.，1994；朱懷松等，2007），反演精度基本在1 K以內(nèi)，它是應(yīng)用最廣、最成熟的算法，精度較高，不需要輸入大氣輪廓線值，但該算法僅限于晴空大氣條件下的反演，對(duì)應(yīng)混合像元只能給出有效平均溫度。目前，無論在野外還是實(shí)驗(yàn)室，發(fā)射率的測(cè)定都是熱紅外遙感地表溫度反演的一個(gè)難題（Houtz et al.，2017；Li et al.，1999），也是影響反演精度提高的重要因素。多通道算法主要利用多光譜數(shù)據(jù)同步反演溫度和發(fā)射率，多光譜數(shù)據(jù)可提供較豐富的地表信息，提高反演精度，但目前反演模型不夠完善、局限性較多，反演結(jié)果還難以滿足應(yīng)用需求。

劉文淵等（2012）基于上海市2000-2009年3期的ETM+數(shù)據(jù)，通過求取歸一化不透水面指數(shù)、基于指數(shù)的植被指數(shù)、歸一化差異水體指數(shù)，分別從遙感影像中提取不透水面、植被和水體，從時(shí)空角度分析上海市 2000-2009年間城市熱島強(qiáng)度的變化，發(fā)現(xiàn)水體對(duì)上海市熱環(huán)境影響不大，而不透水面和植被是主要影響因素。薛丹等（2013）基于2000-2010年3期MODIS數(shù)據(jù)采用分裂窗算法反演上海市地表溫度，分析研究區(qū)城市熱島的空間特征與年際變化、季節(jié)性特征等。林江等（2013）、陳婉等（2013）、郭冠華等（2012）基于 ETM+、TM 等影像數(shù)據(jù)，分別反演了廈門市、深圳蛇口半島、北京市及珠三角地區(qū)地表溫度，監(jiān)測(cè)了城市熱島時(shí)空分布、變化及粒度效應(yīng)特征。孫彤彤等（2017）基于TM與MODIS影像反演了泰安市地表溫度，分析了泰安市產(chǎn)生熱島效應(yīng)的主要原因，并認(rèn)為其城市化過程中城市熱島效應(yīng)正在加劇。城市熱島效應(yīng)研究主要集中于大型城市及城市群，這些地區(qū)因經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)顯著。采用中分辨率的熱紅外遙感數(shù)據(jù)，在一定程度上便于反映城市結(jié)構(gòu)特征，但精細(xì)化反映城市熱島的結(jié)構(gòu)特征還需要高分辨率的熱紅外數(shù)據(jù)；理論研究上利用景觀格局理論研究城市熱島時(shí)空分布、變化特征是新的熱點(diǎn)。

隨著以多傳感器、高分辨率和多時(shí)相為特征的現(xiàn)代遙感技術(shù)的發(fā)展，利用高分辨率遙感影像獲取的城市綠地覆蓋信息與其他資料結(jié)合，可以評(píng)價(jià)城市綠地空間結(jié)構(gòu)（Asakawa et al.，2004；Bastin et al.，1999），植被指數(shù)法在植被信息提取以及植被分類中較有效，精度較高。面向?qū)ο蠓诸惙椒艽蟠筇岣咝畔⑻崛【?，該方法降低了混合像元?duì)光譜分類的影響，可靠性較高，如嚴(yán)海英（2008）采用基于多尺度分割逐級(jí)分層提取地物目標(biāo)的方法對(duì)烏魯木齊QuickBird影像進(jìn)行分類并提取城市綠地信息。在針對(duì)城市綠地園林目標(biāo)時(shí)，深度學(xué)習(xí)方法可作為一個(gè)主要方法來實(shí)現(xiàn)該類目標(biāo)的高精度提取，精度較傳統(tǒng)方法提高10%以上。

森林分類重點(diǎn)在于林地內(nèi)部自然屬性的區(qū)分。林地或森林類型分類與信息提取的方法研究旨在進(jìn)一步將森林劃分為針葉林、闊葉林和針闊混交林等類型，甚至進(jìn)一步的樹種級(jí)別的精細(xì)類別細(xì)分（孫華等，2005；趙憲文，2009）。遙感技術(shù)的發(fā)展特別是全球多種尺度的數(shù)據(jù)集產(chǎn)品（如 l km的NOAA/AVHRR、SPOT/VEGETATION、MODIS、MERIS等），為大范圍森林監(jiān)測(cè)和制圖提供了可能。傳統(tǒng)基于像元遙感解譯方法主要依據(jù)像元的光譜信息，當(dāng)不同種類型間光譜區(qū)間重疊區(qū)域較大時(shí)極易誤判，同時(shí)各個(gè)類別內(nèi)部不均一性所產(chǎn)生的“椒鹽”噪聲對(duì)分類后續(xù)分析產(chǎn)生不良影響（張旗等，2004），而面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ú粌H基于光譜特征，還利用影像的質(zhì)地、紋理、相鄰關(guān)系，并考慮將基于樣點(diǎn)與知識(shí)的監(jiān)督分類及人工修改相結(jié)合對(duì)影像分割和分類，故精度更高。近年來，自然資源部實(shí)施的“第一次全國地理國情普查”以及生態(tài)環(huán)境部主導(dǎo)的“全國生態(tài)環(huán)境十年變化（2000-2010年）”等重大項(xiàng)目均應(yīng)用面向?qū)ο蠓诸惙椒ńY(jié)合多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)開展遙感調(diào)查與評(píng)估，為常態(tài)化生態(tài)資源監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

森林生產(chǎn)力遙感評(píng)估方法已被大范圍應(yīng)用，當(dāng)前定量遙感估算陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的方法主要是融合遙感信息的模型模擬法，國內(nèi)外應(yīng)用于區(qū)域尺度植被NPP估算的模型主要包括融合遙感信息的生態(tài)過程模型如 BIOME-BGC（王李娟等，2010）、BEPS（Feng et al.，2007；王秋鳳等，2004）等和光能利用率模型如CASA（Piao et al.，2005；趙憲文，2009）、MODIS-PSN（Running et al.，2000）、VPM（Xiao et al.，2005）、EC-LUE（孫睿等，2000）等，近30年來，渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)成為研究森林、草地、農(nóng)田等植被群落與大氣CO2交換最直接而有效的方法。盡管渦動(dòng)相關(guān)通量觀測(cè)系統(tǒng)所測(cè)定的數(shù)據(jù)被用來代表整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的碳交換狀況，而實(shí)際采樣區(qū)域卻局限于較小的“風(fēng)浪區(qū)”（幾百到幾千米），通常取決于觀測(cè)塔的高度、風(fēng)向和下墊面狀況，此外還受設(shè)備昂貴、不易維護(hù)、數(shù)據(jù)校正及處理復(fù)雜等其他因素限制，因此零散的站點(diǎn)觀測(cè)的NPP還不能直接表征或外推至更大尺度。

國內(nèi)主要利用高分辨率光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)城市擴(kuò)張、固廢分布，應(yīng)用中分辨率衛(wèi)星影像監(jiān)測(cè)光污染、評(píng)估生態(tài)質(zhì)量等。房貞麗（2005）利用Landsat TM 影像分析紹興城區(qū)擴(kuò)張?zhí)攸c(diǎn)及其驅(qū)動(dòng)力，發(fā)現(xiàn)紹興城區(qū)擴(kuò)張?zhí)攸c(diǎn)是近郊城市化、郊區(qū)近郊化、農(nóng)村郊區(qū)化，城區(qū)快速擴(kuò)張與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的增加、交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展有密切的關(guān)系。郭舟等（2013）以北京市部分區(qū)域的QuickBird影像為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用面向?qū)ο蟮挠跋穹治鍪侄?，研究城市建設(shè)區(qū)的自動(dòng)識(shí)別和提取方法。經(jīng)過與目視判讀結(jié)果對(duì)比，城市建設(shè)區(qū)的識(shí)別率達(dá)到89.7%。陳可欣（2016）以嘉興市為例，基于地理信息科學(xué)的時(shí)空分析和基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的驅(qū)動(dòng)分析等研究方法，利用高分辨率遙感影像研究了城市建成區(qū)擴(kuò)張與驅(qū)動(dòng)力。張方利等（2013）利用北京海淀區(qū)的QuickBird高分影像，提出了一種融合多分辨率對(duì)象的城市固廢提取方法，對(duì)露天城市固廢堆的識(shí)別精度可達(dá)75%。生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心基于高分一號(hào)衛(wèi)星2 m全色/8 m多光譜數(shù)據(jù)，以北京城區(qū)為例，通過對(duì)臨時(shí)建筑、拆遷引起的垃圾等城市固體廢棄物堆放點(diǎn)的位置和類型等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立城市固體廢棄物堆放點(diǎn)的光譜、紋理和空間形狀等解譯特征和遙感信息提取模型，提取疑似城市固體廢棄物的堆放點(diǎn)信息（趙少華等，2015）。Han et al.（2014）基于DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)分析 1992-2012年間不同尺度上中國光污染變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)中國光污染變化趨勢(shì)與城市空間分布密切相關(guān)，中國光污染升高趨勢(shì)變得越來越嚴(yán)重，從大城市向中小城市擴(kuò)張，光污染變化趨勢(shì)具有明顯的東西差異，東部地區(qū)光污染升高趨勢(shì)明顯，大城市中心區(qū)光污染變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定或降低，城市外圍光污染呈升高擴(kuò)張趨勢(shì)。Huang et al.（2015）基于DMSP/OLS夜間燈光影像數(shù)據(jù)研究了中國城市尺度 20年來的光污染演替情況。城市生態(tài)質(zhì)量遙感評(píng)估研究較多，如宋慧敏等（2016）、張傲雙（2019）均利用 Landsat系列遙感影像，基于綠度、濕度、干度、熱度4個(gè)指標(biāo)，采用遙感生態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)模型，分別監(jiān)測(cè)與分析了渭南市 1995-2015年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和2005-2016年烏海市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)渭南市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈上升趨勢(shì)、近十年烏海市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體保持較好。王釗齊等（2017）建立基于遙感參數(shù)的生態(tài)環(huán)境指數(shù)模型，并定量評(píng)價(jià)江蘇省宜興市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化。

1.4.3 城鎮(zhèn)生態(tài)資源遙感監(jiān)測(cè)存在問題

目前國際上已有產(chǎn)品的空間分辨率大都是千米級(jí)的，難反映像元內(nèi)部信息，不適于城鎮(zhèn)生態(tài)精細(xì)監(jiān)測(cè)，而生態(tài)功能區(qū)等方面的遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品尚有待開發(fā)。中國在生態(tài)資源管理方面提出了一套實(shí)用技術(shù)，并業(yè)務(wù)化開展了產(chǎn)品生產(chǎn)與服務(wù)，如開展的全國生態(tài)環(huán)境遙感調(diào)查評(píng)估、全球陸表特征參量產(chǎn)品生產(chǎn)等，但主要針對(duì)全球與國家尺度，缺乏城市熱島、村鎮(zhèn)土壤污染、城鎮(zhèn)森林等區(qū)域與城市尺度生態(tài)資源問題的深入研究，難以滿足新時(shí)期生態(tài)資源精細(xì)化監(jiān)管需要。城鎮(zhèn)生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)還存在地表溫度等部分要素監(jiān)測(cè)精度不高、高分辨率熱紅外數(shù)據(jù)缺乏等問題。隨著遙感監(jiān)測(cè)空間、時(shí)間、光譜等分辨率的大幅提高，低空無人機(jī)高分辨率監(jiān)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)的推廣，協(xié)同地面觀測(cè)結(jié)果的高精度城鎮(zhèn)生態(tài)資源遙感監(jiān)測(cè)成為可能。

2 中國城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

（1）突破高分遙感與地面觀測(cè)協(xié)同的污染氣體與顆粒物動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，解決城鎮(zhèn)復(fù)雜地表高反射噪聲與氣溶膠多次散射引起污染氣體反演的不確定性等技術(shù)難題，將衛(wèi)星反演二氧化硫、甲醛垂直柱濃度的精度提高到70%以上，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污染氣體高精度綜合監(jiān)測(cè)，揭示京津冀及北京城區(qū)通風(fēng)廊道規(guī)律。

（2）突破高分遙感與地面觀測(cè)協(xié)同的城鎮(zhèn)黑臭水體、飲用水源地水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，解決現(xiàn)有算法無法適用于“高渾濁”和“高清潔”這兩類特殊光譜特征水體的難題，將城鎮(zhèn)黑臭水體遙感識(shí)別精度提高到70%以上、水質(zhì)參數(shù)遙感估算與飲用水源地風(fēng)險(xiǎn)源提取精度提高到85%以上，彌補(bǔ)城鎮(zhèn)水體水質(zhì)高精度綜合監(jiān)測(cè)的空白。

（3）突破高分遙感與地面觀測(cè)協(xié)同的土壤污染遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，特別是結(jié)合星載高光譜遙感手段，解決土壤污染物濃度弱信息提取難題，將裸露土壤污染等遙感監(jiān)測(cè)精度提高到80%，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)土壤污染定量化遙感監(jiān)測(cè)。

（4）突破高分遙感與地面觀測(cè)協(xié)同的城鎮(zhèn)生態(tài)資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，解決城鎮(zhèn)地表溫度熱紅外反演精度不高、城鎮(zhèn)復(fù)雜背景下生態(tài)要素高精度反演等難題，將城市地表溫度監(jiān)測(cè)精度提高到1 K，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)生態(tài)資源的高精度監(jiān)測(cè)與評(píng)估。

（5）緊密結(jié)合國家大氣污染防治、水污染防治、土壤污染防治、生態(tài)紅線監(jiān)管、城鎮(zhèn)生態(tài)規(guī)劃等管理需求，盡快建立城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)體系、規(guī)范體系、產(chǎn)品體系、服務(wù)模式等，選擇全國典型示范區(qū)開展空間信息服務(wù)專題產(chǎn)品生產(chǎn)、推廣應(yīng)用等。