“哎呀，現(xiàn)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(jiān)測試飛任務(wù)后，環(huán)保局的工作人員次日趕赴現(xiàn)場驗證查看時所發(fā)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(huán)境進行的遙感監(jiān)視，可以看見4處廢水排放口。”揚州市環(huán)境監(jiān)測中心站省環(huán)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(jiān)控界面告訴記者。

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

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

無人機監(jiān)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�？梢姽鈧鞲衅髦饕槍σ拥纼砂逗退w的風(fēng)險源進行航拍監(jiān)視；熱紅外傳感器用于監(jiān)視企業(yè)偷排行為；微型合成孔徑雷達(dá)載荷針對禁漁期湖泊的漁政執(zhí)法；多光譜傳感器針對生態(tài)環(huán)境遙感。

“我們提出無人機遙感監(jiān)測最初是圍繞南水北調(diào)東線水質(zhì)安全這個中心任務(wù)來開展的。無論是衛(wèi)星還是無人機，最終目的不是順利上天，而是完成某項監(jiān)測任務(wù)。這樣就需要搭載能完成任務(wù)的設(shè)備，這個設(shè)備就叫做任務(wù)載荷。對于無人機環(huán)境遙感監(jiān)測而言，任務(wù)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(shè)備，我們習(xí)慣地稱呼這些設(shè)備為‘眼睛’，我要去看什么，要去發(fā)現(xiàn)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(shè)計了4個應(yīng)用演示項目。從任務(wù)載荷的角度來說，一是可見光傳感器，相當(dāng)于高分辨率的航拍，主要是針對引水河道兩岸和水體的風(fēng)險源進行航拍監(jiān)視；二是熱紅外傳感器，用于監(jiān)視企業(yè)偷排行為，為環(huán)境執(zhí)法提供技術(shù)支持和依據(jù)；三是微型合成孔徑雷達(dá)載荷，不受天氣和日光的限制，針對禁漁期湖泊的漁政執(zhí)法。四是多光譜傳感器，針對生態(tài)環(huán)境遙感。

“機型需要和任務(wù)載荷進行集成搭配，因為此次要試飛4項任務(wù)，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(qū)和高郵新民灘兩個地點開展，除了合成孔徑雷達(dá)由于電磁兼容問題未能運作外，4種機型和其他3種任務(wù)載荷都成功達(dá)到了預(yù)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(yù)先設(shè)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(nèi)的芒稻河引水河道區(qū)域進行遙感拍攝，發(fā)現(xiàn)了一些風(fēng)險源，并發(fā)現(xiàn)了至少兩艘船舶的燃油泄漏航跡。新民灘發(fā)現(xiàn)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(jiān)視時發(fā)現(xiàn)的。”孫小平告訴記者。

航空遙感監(jiān)測好在哪里？

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

針對目前環(huán)境問題的復(fù)雜性，孫小平認(rèn)為，環(huán)境監(jiān)測要堅持傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測與現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測手段相結(jié)合的發(fā)展方式。

“就環(huán)境監(jiān)測而言，我們希望環(huán)境問題的演化或者變動，都能在我們的監(jiān)視范圍之內(nèi)。傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測是著重于發(fā)現(xiàn)污染成分和環(huán)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(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測，從規(guī)劃論證監(jiān)測點，到現(xiàn)場取樣，再到實驗室進行樣品處理，做各種指標(biāo)的分析，到最后形成監(jiān)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(huán)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(huán)境系統(tǒng)，一些環(huán)境指標(biāo)的差異非常巨大，而我們只是取了一個或少數(shù)幾個樣品，這些樣本并不能代表整體環(huán)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(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測形象地比喻成醫(yī)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(nèi)在的污染因子有時候已經(jīng)表現(xiàn)出外在的病象，可以直觀看到，比如水體富營養(yǎng)化的問題，通過傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測，可以掌握造成富營養(yǎng)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(yǎng)化是水體出現(xiàn)了大量的藻類，甚至暴發(fā)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(fā)的環(huán)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(jiān)測。例如揚州監(jiān)測站就制定了機載高光譜成像系統(tǒng)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(jiān)測的技術(shù)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(biāo)含量水平的分布狀況，以掌握富營養(yǎng)化的整體水平，這就好像是醫(yī)院的影像科，用影像的手段來表達(dá)外在表象的體征。“傳統(tǒng)監(jiān)測往往是‘瞎子摸象’，對樣品的分析能達(dá)到很精準(zhǔn)的程度，但對環(huán)境整體狀況卻未必能準(zhǔn)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(wèi)星遙感的差別

為什么有了衛(wèi)星遙感，還要開展航空遙感呢？

“衛(wèi)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(xiàn)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(huán)境特征時需要的。但是衛(wèi)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(dá)到相同的高精度。其次衛(wèi)星的任務(wù)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(wèi)星遙感的局限，正好航空遙感，當(dāng)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(shù)千米不等，相比較衛(wèi)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(xiàn)3個分辨率的統(tǒng)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(wù)載荷，特別是未來可以更多實現(xiàn)主動式的遙感方式，如像激光誘導(dǎo)熒光這樣的激光雷達(dá)，可以實現(xiàn)對多種水體有機污染成分的遙感監(jiān)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(xì)化的遙感監(jiān)測，適合單體環(huán)境事件和地方層面、局部區(qū)域的遙感監(jiān)測的需求，比如發(fā)生重大的水體污染時或者發(fā)生環(huán)境災(zāi)難事故時。”

天空地一體化監(jiān)測啥模樣？

“天”是利用各種衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)篩查環(huán)境事件，發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題存在的可能性。“空”主要是用無人機遙感確認(rèn)環(huán)境事件。“地”是在地面采用多種監(jiān)測手段，實現(xiàn)精細(xì)化的綜合監(jiān)測。

雖然此次無人機監(jiān)測遙感試飛對揚州市開展遙感業(yè)務(wù)是一大促進，但是孫小平認(rèn)為構(gòu)建新的監(jiān)測體系并非一片坦途。

“一是認(rèn)識問題，很多監(jiān)測人員由于知識和現(xiàn)實工作的局限，還沒有意識到遙感監(jiān)測可以彌補傳統(tǒng)監(jiān)測的不足，沒有意識到環(huán)境監(jiān)測由于管理需求，需要向遙感監(jiān)測轉(zhuǎn)型升級。二是人才和投入的問題，現(xiàn)在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)遙感專業(yè)人才稀缺，同時建立新的監(jiān)測體系需要很大投入。雖然揚州市監(jiān)測站已經(jīng)率先引進了兩名遙感人才，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。三是遙感監(jiān)測需要建立規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。”

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(huán)境監(jiān)測中心站已經(jīng)開始積極謀劃天空地一體化環(huán)境監(jiān)測體系的構(gòu)建。“重點是低空遙感和地基遙感，目前已經(jīng)形成了天空地一體化監(jiān)測的框架方案，我們分別從水環(huán)境監(jiān)測、大氣監(jiān)測、生態(tài)監(jiān)測和環(huán)境執(zhí)法4方面制定方案。‘天’是利用各種衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)篩查環(huán)境事件，發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題存在的可能性。‘空’主要是用無人機遙感確認(rèn)環(huán)境事件。‘地’是在地面采用多種監(jiān)測手段，除了準(zhǔn)備新建立的地基車載遙感、船載原位探測及在線光譜監(jiān)測系統(tǒng)外，還充分利用現(xiàn)有手段，比如水質(zhì)自動監(jiān)測站、大氣自動監(jiān)測站和傳統(tǒng)取樣監(jiān)測等手段，實現(xiàn)精細(xì)化的綜合監(jiān)測。”

孫小平以大氣監(jiān)測為例向記者描述了大氣質(zhì)量天空地一體化監(jiān)測模式：在“天”上利用衛(wèi)星對大氣質(zhì)量（二氧化硫、氮氧化物、大氣透明度等指標(biāo)）進行宏觀監(jiān)測，掌握大范圍區(qū)域內(nèi)大氣污染的空間分布狀況。在“空”中針對重點大氣污染區(qū)域利用無人機進行精細(xì)化監(jiān)測，比如機載紅外光譜探測系統(tǒng)對VOC（易揮發(fā)有機物質(zhì)）的監(jiān)測，以機載差分吸收探測系統(tǒng)對主要污染成分的柱濃度進行監(jiān)測以獲得其空間分布和輸送轉(zhuǎn)移路徑等。在“地”面上主要利用車載差分吸收被動探測系統(tǒng)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(jiān)測，掌握區(qū)域內(nèi)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(diào)諧激光雷達(dá)，對重點區(qū)域的VOC無組織排放進行全覆蓋監(jiān)測，采用臭氧和散射雷達(dá)分別對臭氧和顆粒物進行流動監(jiān)測等。同時，結(jié)合現(xiàn)有的大氣自動監(jiān)測站點對PM10、PM2.5、SO2、CO2、CO、O3等進行全天時固定監(jiān)測。這樣的綜合監(jiān)測體系對大氣污染防治將發(fā)揮重要的技術(shù)支持作用。

建立遙感大數(shù)據(jù)是未來發(fā)展愿景

對于天空地一體化監(jiān)測的發(fā)展前景，孫小平談了自己的認(rèn)識。

遙感監(jiān)測應(yīng)該注入更多的地方元素，未來天空地一體化監(jiān)測如果全面推開，將可形成數(shù)字化環(huán)保的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，當(dāng)某地出現(xiàn)環(huán)境問題時，環(huán)境保護部和地方環(huán)境管理部門就可以對大數(shù)據(jù)加以分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)境演進、變化規(guī)律。

另外，要想打贏環(huán)保攻堅戰(zhàn)，首先要打贏環(huán)保信息戰(zhàn)。這種信息戰(zhàn)不僅有賴于傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測，未來可能更多要依賴于遙感大數(shù)據(jù)。目前，環(huán)境監(jiān)測正處于轉(zhuǎn)型升級時期，建立新型的環(huán)境監(jiān)測綜合體系，現(xiàn)有的監(jiān)測平臺和系統(tǒng)比如自動監(jiān)測站、實驗室分析等應(yīng)納入其中，使環(huán)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(shù)據(jù)信息，為科學(xué)管理提供更有力的支撐。

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