編者按：從古至今，人類從未停止過(guò)探索未知世界的腳步，認(rèn)知世界的能力和手段與日俱增。中科院之聲與中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院聯(lián)合開(kāi)設(shè)“觀天測(cè)地”專欄，為大家介紹天上地上探索的那些事兒，帶來(lái)空天信息領(lǐng)域最新進(jìn)展，普及科學(xué)知識(shí)。
黑臭水體是水體污染的一種極端現(xiàn)象，是目前較為突出的環(huán)境問(wèn)題，也是能否實(shí)現(xiàn)“美麗中國(guó)”的一個(gè)難點(diǎn)。2015年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱“水十條”）首次提及黑臭水體，要求到2020年地級(jí)及以上城市均控制在10%以內(nèi)，到2030年城市黑臭水體總體得到消除。而“十四五”水環(huán)境治理又設(shè)定新目標(biāo)：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(shù)。但是，黑臭水體具有數(shù)量多、分布散、單個(gè)面積小、隨季節(jié)反復(fù)變化等特征。傳統(tǒng)的黑臭水體地面調(diào)查方式耗費(fèi)人力資源大，調(diào)查區(qū)域難以全覆蓋。而遙感技術(shù)可大范圍、快速定位黑臭水體，不僅能夠節(jié)約時(shí)間和資源，還可以客觀公正、持續(xù)動(dòng)態(tài)跟蹤治理效果。因此，遙感技術(shù)作為一種大范圍的黑臭水體監(jiān)測(cè)手段，相比傳統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)手段具有低成本、覆蓋廣、速度快等優(yōu)勢(shì)。
那么，黑臭水體遙感的原理是什么？衛(wèi)星遙感就是遙遠(yuǎn)感知，即通過(guò)天上衛(wèi)星搭載的對(duì)電磁波敏感的儀器，在遠(yuǎn)離目標(biāo)和非接觸目標(biāo)物體條件下探測(cè)目標(biāo)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(qū)分。然而，每種水體都有自己的反射率特征，即“光譜指紋”。遙感影像上之所以可以識(shí)別出黑臭水體，就是通過(guò)“光譜指紋”的細(xì)微差異進(jìn)行識(shí)別。
一般水體與黑臭水體光譜的區(qū)別
在“水十條”頒布之前，國(guó)內(nèi)外黑臭水體遙感研究幾乎為空白。自2015年起，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院內(nèi)陸水環(huán)境遙感團(tuán)隊(duì)利用高分衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)黑臭水體，通過(guò)“邊研究邊監(jiān)管”方式，一方面采集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，加快開(kāi)展機(jī)理模型和處理技術(shù)研究；另一方面響應(yīng)國(guó)家需求，積極協(xié)助生態(tài)環(huán)境部開(kāi)展基于衛(wèi)星遙感的黑臭水體監(jiān)管任務(wù)。
經(jīng)過(guò)不懈攻關(guān)，該團(tuán)隊(duì)解決了水體的定量化處理精度和海量數(shù)據(jù)批處理效率的科學(xué)難題，形成了以黑臭水體光譜識(shí)別模型和高分批處理技術(shù)為核心的業(yè)務(wù)體系，在黑臭水體遙感領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。
近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)在水體反射率保真的前提下實(shí)現(xiàn)了批量自動(dòng)化處理影像，完成黑臭水體篩查、治理過(guò)程監(jiān)督和治理成效評(píng)估等全鏈條的深入研究。此外，該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了城市黑臭水體高分定量遙感專題產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)，極大提高了篩查效率。例如，1人使用傳統(tǒng)方法篩查完北京建成區(qū)約2500平方公里，需要花費(fèi)1年的時(shí)間，但使用該系統(tǒng)處理高分二號(hào)影像進(jìn)行篩查，可以節(jié)省到15天。
團(tuán)隊(duì)在野外開(kāi)展黑臭水體光學(xué)遙感綜合試驗(yàn)
該團(tuán)隊(duì)成果已在生態(tài)環(huán)境、水利、自然資源、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)等多家部委單位開(kāi)展業(yè)務(wù)化應(yīng)用，應(yīng)用于全國(guó)23個(gè)?。ㄖ陛犑?、自治區(qū)）的64個(gè)地級(jí)及以上城市的黑臭水體篩查，支撐了生態(tài)環(huán)境部城市黑臭水體監(jiān)管工作，并被納入國(guó)家監(jiān)管業(yè)務(wù)體系。
團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了遙感監(jiān)測(cè)城市黑臭水體的全過(guò)程監(jiān)督：前期掌握城市黑臭水體底數(shù)及變化，彌補(bǔ)地方上報(bào)機(jī)制的不足；中期監(jiān)督治理進(jìn)展，適時(shí)督促地方推進(jìn)黑臭河段治理；后期評(píng)估治理后成效，監(jiān)測(cè)復(fù)發(fā)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(jù)2019年收集到的水中氨氮含量、透明度、溶解氧等參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)感官判別結(jié)果，對(duì)該團(tuán)隊(duì)提供的黑臭水體遙感篩查結(jié)果進(jìn)行精度判斷。結(jié)果顯示，一共244個(gè)點(diǎn)位，識(shí)別正確點(diǎn)位192個(gè)，識(shí)別正確率（識(shí)別正確樣本個(gè)數(shù)/識(shí)別樣本總數(shù)*100%）為79%。因此，該團(tuán)隊(duì)提供的黑臭水體遙感篩查結(jié)果基本可靠。
“十三五”期間，國(guó)家大力整治黑臭水體，取得了顯著成效?？梢钥吹?018-2020年內(nèi)，隨著時(shí)間推移，北京市某區(qū)域內(nèi)的黑臭河段長(zhǎng)度不斷減小。
黑臭水體遙感是建設(shè)“美麗中國(guó)”的一個(gè)重大需求，中科院空天信息創(chuàng)新研究院內(nèi)陸水環(huán)境遙感團(tuán)隊(duì)在該方向取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，推動(dòng)了我國(guó)城市黑臭水體遙感行業(yè)應(yīng)用的快速發(fā)展。鑒于黑臭水體衛(wèi)星遙感技術(shù)的重要性，團(tuán)隊(duì)今后計(jì)劃從三個(gè)方面服務(wù)國(guó)家和區(qū)域黑臭水體監(jiān)測(cè)，以科技助推國(guó)家綠色發(fā)展：爭(zhēng)取將衛(wèi)星遙感技術(shù)納入農(nóng)村黑臭水體監(jiān)管技術(shù)體系，助推鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明建設(shè)和諧共進(jìn)；探索將黑臭水體衛(wèi)星遙感納入“一帶一路”相關(guān)規(guī)劃，為“一帶一路”國(guó)家可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)中國(guó)科技力量；推廣團(tuán)隊(duì)形成的基于國(guó)產(chǎn)米級(jí)光學(xué)高分衛(wèi)星的快速處理技術(shù)和高精度數(shù)據(jù)產(chǎn)品，向更廣泛的對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用。
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院
