天空地一體化監測為環境管理續航

　　“哎呀，現場看到的排污口和昨晚無人機傳回的照片一模一樣。”這是在江蘇省揚州市開展無人機遙感監測試飛任務后，環保局的工作人員次日趕赴現場驗證查看時所發出的的感慨。

　　“這是在高郵湖與邵伯湖兩湖之間的新民灘，采用手拋機搭載熱紅外相機在夜間對高郵助劑廠及周邊環境進行的遙感監視，可以看見4處廢水排放口。”揚州市環境監測中心站省環保重點實驗室籌備工作組組長、工程師孫小平指著電腦屏幕的監控界面告訴記者。

　　為確保南水北調東線水質安全，揚州市環境監測中心站提出建立天空地一體化環境監測預警重點實驗室的設想，獲得了江蘇省環保廳和環境保護部的支持。近日，環境保護部衛星環境應用中心與揚州市環境監測中心站合作開展了無人機遙感監測試飛任務，采用多機型、多載荷的實驗演示，以滿足未來各種遙感監測的需求。

　　作為天空地一體化監測的重要組成部分，無人機環境遙感監測究竟能做什么?相比較傳統監測、衛星遙感監測，它又有哪些優勢和不足?未來揚州將如何建設天地空一體化監測體系?帶著這些問題，記者采訪了孫小平。

　　無人機監測可以做什么?

　　無人機是一個運載傳感器的平臺，其核心就是搭載的特定的傳感器。可見光傳感器主要針對引水河道兩岸和水體的風險源進行航拍監視；熱紅外傳感器用于監視企業偷排行為；微型合成孔徑雷達載荷針對禁漁期湖泊的漁政執法；多光譜傳感器針對生態環境遙感。

　　“我們提出無人機遙感監測最初是圍繞南水北調東線水質安全這個中心任務來開展的。無論是衛星還是無人機，最終目的不是順利上天，而是完成某項監測任務。這樣就需要搭載能完成任務的設備，這個設備就叫做任務載荷。對于無人機環境遙感監測而言，任務載荷就是特定的傳感器。無人機只是一個運載傳感器的平臺，其核心就是搭載的設備，我們習慣地稱呼這些設備為‘眼睛’，我要去看什么，要去發現什么，都需要這些‘眼睛’來完成。”孫小平告訴記者。

　　這次演示實驗設計了4個應用演示項目。從任務載荷的角度來說，一是可見光傳感器，相當于高分辨率的航拍，主要是針對引水河道兩岸和水體的風險源進行航拍監視；二是熱紅外傳感器，用于監視企業偷排行為，為環境執法提供技術支持和依據；三是微型合成孔徑雷達載荷，不受天氣和日光的限制，針對禁漁期湖泊的漁政執法。四是多光譜傳感器，針對生態環境遙感。

　　“機型需要和任務載荷進行集成搭配，因為此次要試飛4項任務，所以就采用了4種機型，分別為滑跑滑翔型、彈射起飛滑橇降落型、手拋傘降型和旋翼直升機。”孫小平解釋道。4種試飛機型可分為旋翼與固定翼，前3種是固定翼飛機，第4種是旋翼飛機。從動力來看，前兩種機型是油動的，后兩種機型是電動的。

　　“這次演示實驗主要在江都水源區和高郵新民灘兩個地點開展，除了合成孔徑雷達由于電磁兼容問題未能運作外，4種機型和其他3種任務載荷都成功達到了預期的實驗演示成果。如固定翼無人機搭載高分辨可見光相機在500米高度按照預先設定的航線程控自主巡航，以0.1米的高空間分辨率對包括抽水站在內的芒稻河引水河道區域進行遙感拍攝，發現了一些風險源，并發現了至少兩艘船舶的燃油泄漏航跡。新民灘發現的4處廢水排放口也是手拋機搭載熱紅外相機在夜間遙感監視時發現的。”孫小平告訴記者。

　　航空遙感監測好在哪里?

　　傳統監測往往是“瞎子摸象”，對樣品的分析能做到很精準，但對環境整體狀況卻未必能準確描述和掌握，所以需要航空遙感。相對于衛星遙感，無人機航空遙感更適合精細化的遙感監測，適合單體環境事件和地方層面、局部區域的遙感監測需求。

　　針對目前環境問題的復雜性，孫小平認為，環境監測要堅持傳統環境監測與現代環境監測手段相結合的發展方式。

　　“就環境監測而言，我們希望環境問題的演化或者變動，都能在我們的監視范圍之內。傳統環境監測是著重于發現污染成分和環境因子的變動，但是有比較大的局限，一是效率比較低，比如傳統的水環境監測，從規劃論證監測點，到現場取樣，再到實驗室進行樣品處理，做各種指標的分析，到最后形成監測報告，會有一個很長的周期。二是時空覆蓋不夠。從時間上來說，正是由于周期較長，所以難以做到密集頻次的覆蓋。而環境的變化往往隨機性很強，難以捕捉到污染問題。從空間上來說，針對體量比較大的環境系統，一些環境指標的差異非常巨大，而我們只是取了一個或少數幾個樣品，這些樣本并不能代表整體環境狀況。”孫小平告訴記者。

　　航空遙感如影像科介入檢驗

　　孫小平把傳統的環境監測形象地比喻成醫院的檢驗科，通過分析檢驗采集的樣品了解其中的污染成分。這種內在的污染因子有時候已經表現出外在的病象，可以直觀看到，比如水體富營養化的問題，通過傳統環境監測，可以掌握造成富營養化的氮、磷、有機污染等因子。但是更多時候，人們看到的富營養化是水體出現了大量的藻類，甚至暴發水華，還有大氣的霧霾也屬于這樣的外向“體征”，而且這些暴發的環境問題往往是空間廣覆蓋的，這時候就需要用遙感的手段進行全面監測。例如揚州監測站就制定了機載高光譜成像系統對湖泊和流域的水體葉綠素進行大面積高分辨機動遙感監測的技術方案，將光譜和空間兩個維度融合在一起，獲取整個水體的葉綠素及可溶解有機物(DOM)等指標含量水平的分布狀況，以掌握富營養化的整體水平，這就好像是醫院的影像科，用影像的手段來表達外在表象的體征。 “傳統監測往往是‘瞎子摸象’，對樣品的分析能達到很精準的程度，但對環境整體狀況卻未必能準確描述和掌握，所以需要遙感這個“影像科”的介入。”孫小平比喻道。

　　航空遙感與衛星遙感的差別

　　為什么有了衛星遙感，還要開展航空遙感呢?

　　“衛星遙感相較于航空遙感有其局限性，”孫小平解釋道，“一是分辨率的局限性。分辨率主要體現在空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率3個方面，這3種分辨率都是表征環境特征時需要的。但是衛星遙感的空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率是相互制約的，很難達到相同的高精度。其次衛星的任務載荷一般是固定的，難以做到多樣化，由于軌道比較高，難以搭載主動式傳感器。”

　　“衛星遙感的局限，正好航空遙感，當前主要是無人機遙感可以彌補。因為無人機飛行的高度從幾百米到數千米不等，相比較衛星幾百到上萬公里的軌道高度，大大降低了空間高度，可以實現3個分辨率的統一，并且只要符合無人機搭載的重量要求，可以任意搭載任務載荷，特別是未來可以更多實現主動式的遙感方式，如像激光誘導熒光這樣的激光雷達，可以實現對多種水體有機污染成分的遙感監測。”孫小平告訴記者。 “但是航空遙感也有自身的缺陷，比如空間覆蓋不夠。無人機遙感更適合精細化的遙感監測，適合單體環境事件和地方層面、局部區域的遙感監測的需求，比如發生重大的水體污染時或者發生環境災難事故時。”

　　天空地一體化監測啥模樣?

　　“天”是利用各種衛星提供的數據篩查環境事件，發現環境問題存在的可能性。“空”主要是用無人機遙感確認環境事件。“地”是在地面采用多種監測手段，實現精細化的綜合監測。

　　雖然此次無人機監測遙感試飛對揚州市開展遙感業務是一大促進，但是孫小平認為構建新的監測體系并非一片坦途。

　　“一是認識問題，很多監測人員由于知識和現實工作的局限，還沒有意識到遙感監測可以彌補傳統監測的不足，沒有意識到環境監測由于管理需求，需要向遙感監測轉型升級。二是人才和投入的問題，現在環境監測系統遙感專業人才稀缺，同時建立新的監測體系需要很大投入。雖然揚州市監測站已經率先引進了兩名遙感人才，但是還遠遠不夠。三是遙感監測需要建立規范和標準。”

　　未來重點是低空遙感和基地遙感

　　雖然有困難，雖然新事物需要一個被接受的過程，但是揚州市環境監測中心站已經開始積極謀劃天空地一體化環境監測體系的構建。“重點是低空遙感和地基遙感，目前已經形成了天空地一體化監測的框架方案，我們分別從水環境監測、大氣監測、生態監測和環境執法4方面制定方案。‘天’是利用各種衛星提供的數據篩查環境事件，發現環境問題存在的可能性。‘空’主要是用無人機遙感確認環境事件。‘地’是在地面采用多種監測手段，除了準備新建立的地基車載遙感、船載原位探測及在線光譜監測系統外，還充分利用現有手段，比如水質自動監測站、大氣自動監測站和傳統取樣監測等手段，實現精細化的綜合監測。”

　　孫小平以大氣監測為例向記者描述了大氣質量天空地一體化監測模式：在“天”上利用衛星對大氣質量(二氧化硫、氮氧化物、大氣透明度等指標)進行宏觀監測，掌握大范圍區域內大氣污染的空間分布狀況。在“空”中針對重點大氣污染區域利用無人機進行精細化監測，比如機載紅外光譜探測系統對VOC(易揮發有機物質)的監測，以機載差分吸收探測系統對主要污染成分的柱濃度進行監測以獲得其空間分布和輸送轉移路徑等。在“地”面上主要利用車載差分吸收被動探測系統對特定的大氣污染成分進行全方位的走航式探測。比如對大氣中二氧化硫、氮氧化物等多種污染成分同時進行流動監測，掌握區域內主要大氣污染物的時空分布情況。未來還可采用紫外和紅外雙波段可調諧激光雷達，對重點區域的VOC無組織排放進行全覆蓋監測，采用臭氧和散射雷達分別對臭氧和顆粒物進行流動監測等。同時，結合現有的大氣自動監測站點對 PM10、PM2.5、SO2、CO2、CO、O3等進行全天時固定監測。這樣的綜合監測體系對大氣污染防治將發揮重要的技術支持作用。

　　建立遙感大數據是未來發展愿景

　　對于天空地一體化監測的發展前景，孫小平談了自己的認識。

　　遙感監測應該注入更多的地方元素，未來天空地一體化監測如果全面推開，將可形成數字化環保的大數據系統，當某地出現環境問題時，環境保護部和地方環境管理部門就可以對大數據加以分析，發現環境演進、變化規律。

　　另外，要想打贏環保攻堅戰，首先要打贏環保信息戰。這種信息戰不僅有賴于傳統的環境監測，未來可能更多要依賴于遙感大數據。目前，環境監測正處于轉型升級時期，建立新型的環境監測綜合體系，現有的監測平臺和系統比如自動監測站、實驗室分析等應納入其中，使環境管理者可以從整個體系獲取更多、更全面、更有價值的大數據信息，為科學管理提供更有力的支撐。