遙感技術助力黑臭水體整治丨觀天測地_風聞

編者按：從古至今，人類從未停止過探索未知世界的腳步，認知世界的能力和手段與日俱增。中科院之聲與中國科學院空天信息創新研究院聯合開設“觀天測地”專欄，為大家介紹天上地上探索的那些事兒，帶來空天信息領域最新進展，普及科學知識。

黑臭水體是水體污染的一種極端現象，是目前較為突出的環境問題，也是能否實現“美麗中國”的一個難點。2015年國務院印發的《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”）首次提及黑臭水體，要求到2020年地級及以上城市均控制在10%以內，到2030年城市黑臭水體總體得到消除。而“十四五”水環境治理又設定新目標：基本消除城市黑臭水體。

整治黑臭水體首先迫切需要篩查出城市黑臭水體的底數。但是，黑臭水體具有數量多、分佈散、單個面積小、隨季節反覆變化等特徵。傳統的黑臭水體地面調查方式耗費人力資源大，調查區域難以全覆蓋。而遙感技術可大範圍、快速定位黑臭水體，不僅能夠節約時間和資源，還可以客觀公正、持續動態跟蹤治理效果。因此，遙感技術作為一種大範圍的黑臭水體監測手段，相比傳統的地面監測手段具有低成本、覆蓋廣、速度快等優勢。

那麼，黑臭水體遙感的原理是什麼？衞星遙感就是遙遠感知，即通過天上衞星搭載的對電磁波敏感的儀器，在遠離目標和非接觸目標物體條件下探測目標地物，俗稱“天眼”。從圖上可以看到，一般水體和黑臭水體的顏色十分接近，很難用肉眼區分。然而，每種水體都有自己的反射率特徵，即“光譜指紋”。遙感影像上之所以可以識別出黑臭水體，就是通過“光譜指紋”的細微差異進行識別。

一般水體與黑臭水體光譜的區別

在“水十條”頒佈之前，國內外黑臭水體遙感研究幾乎為空白。自2015年起，中國科學院空天信息創新研究院內陸水環境遙感團隊利用高分衞星遙感監測黑臭水體，通過“邊研究邊監管”方式，一方面採集實測數據，加快開展機理模型和處理技術研究；另一方面響應國家需求，積極協助生態環境部開展基於衞星遙感的黑臭水體監管任務。

經過不懈攻關，該團隊解決了水體的定量化處理精度和海量數據批處理效率的科學難題，形成了以黑臭水體光譜識別模型和高分批處理技術為核心的業務體系，在黑臭水體遙感領域處於國內領先地位。

近年來，該團隊在水體反射率保真的前提下實現了批量自動化處理影像，完成黑臭水體篩查、治理過程監督和治理成效評估等全鏈條的深入研究。此外，該團隊自主研發了城市黑臭水體高分定量遙感專題產品生產系統，極大提高了篩查效率。例如，1人使用傳統方法篩查完北京建成區約2500平方公里，需要花費1年的時間，但使用該系統處理高分二號影像進行篩查，可以節省到15天。

團隊在野外開展黑臭水體光學遙感綜合試驗

該團隊成果已在生態環境、水利、自然資源、住房和城鄉建設等多家部委單位開展業務化應用，應用於全國23個省（直轄市、自治區）的64個地級及以上城市的黑臭水體篩查，支撐了生態環境部城市黑臭水體監管工作，並被納入國家監管業務體系。

團隊開展了遙感監測城市黑臭水體的全過程監督：前期掌握城市黑臭水體底數及變化，彌補地方上報機制的不足；中期監督治理進展，適時督促地方推進黑臭河段治理；後期評估治理後成效，監測復發的黑臭河段，從而保障全面完成城市黑臭水體治理工作。

根據2019年收集到的水中氨氮含量、透明度、溶解氧等參數和現場感官判別結果，對該團隊提供的黑臭水體遙感篩查結果進行精度判斷。結果顯示，一共244個點位，識別正確點位192個，識別正確率（識別正確樣本個數/識別樣本總數*100%）為79%。因此，該團隊提供的黑臭水體遙感篩查結果基本可靠。

 “十三五”期間，國家大力整治黑臭水體，取得了顯著成效。可以看到2018-2020年內，隨着時間推移，北京市某區域內的黑臭河段長度不斷減小。

黑臭水體遙感是建設“美麗中國”的一個重大需求，中科院空天信息創新研究院內陸水環境遙感團隊在該方向取得了多項創新成果，推動了我國城市黑臭水體遙感行業應用的快速發展。鑑於黑臭水體衞星遙感技術的重要性，團隊今後計劃從三個方面服務國家和區域黑臭水體監測，以科技助推國家綠色發展：爭取將衞星遙感技術納入農村黑臭水體監管技術體系，助推鄉村振興和生態文明建設和諧共進；探索將黑臭水體衞星遙感納入“一帶一路”相關規劃，為“一帶一路”國家可持續發展貢獻中國科技力量；推廣團隊形成的基於國產米級光學高分衞星的快速處理技術和高精度數據產品，向更廣泛的對地觀測領域應用。

來源：中國科學院空天信息創新研究院