空天地一体化环境监测体系研究和应用进展_刘冰.pdf

空天地一体化环境监测体系研究和应用进展刘冰，宋柳洋，赵雅雯，丁世敏*（长江师范学院绿色智慧环境学院，重庆408100）摘要：随着遥感技术及信息技术的发展，空天地一体化环境监测技术的应用越来越广泛。本文比较了“空”“天”“地”监测技术在监测范围、时空分辨率、作业条件、成本效率等方面的优缺点，介绍了空天地一体化监测管理系统的分层构架，指出了管理系统运行中关键技术主要包括多源数据融合方法、核心算法及分析建模等，并根据该技术在水环境、大气环境、水土保持、自然资源及自然灾害监测预警中的应用情况，对空天地一体化生态环境监测系统的未来发展和应用前景进行了展望。关键词：空天地一体化监测体系；监测管理系统；遥感；环境监测；应用实践中图分类号：X87文献标志码：A文章编号：2096-2347（2023）02-0017-09收稿日期：2023-06-07基金项目：重庆市自然科学基金（cstc2019jcyj-msxmX0872）。作者简介：刘冰，主要从事环境监测研究。E-mail:*通信作者：丁世敏，教授，主要从事环境监测及污染控制研究。E-mail:引用格式：刘冰，宋柳洋，赵雅雯，等.空天地一体化环境监测体系研究和应用进展J.三峡生态环境监测，2023，8（2）：17-25.Citation format:LIU B,SONG L Y,ZHAO Y W,et al.Research and application of space-air-ground integrated environmental monitoring systemJ.Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges，2023，8（2）：17-25.DOI：10.19478/ki.2096-2347.2023.02.03Research and Application of Space-air-ground Integrated EnvironmentalMonitoring SystemLIU Bing,SONG Liuyang,ZHAO Yawen,DING Shimin*(Green Intelligence Environmental School,Yangtze Normal University,Chongqing 408100,China)Abstract：With the development of remote sensing and information technology,the application of space-air-ground integrated environmental monitoring technology is becoming increasingly widespread.This paper compared the advantages and disadvantages of“space”“air”“ground”monitoring technology in terms of monitoring scope,space-time resolution,operating condition,and costefficiency,and introduced the layered architecture of the space-air-ground integrated monitoring management system.It pointedout that the key technologies in the operation of the management system mainly include multi-source data fusion method,core algorithm,and analysis modeling,etc.According to the application of this technology in monitoring and warning of water environment,atmosphere environment,soil and water conservation,natural resources and natural disasters,this paper prospected the future development and application of space-air-ground integrated environmental monitoring system.Key words：space-air-ground integrated monitoring system;monitoring management system;remote sensing;environmental monitoring;application practice随着生态保护力度加大、污染防治攻坚战深入推进，对生态环境监测提出了更高的要求。2015年，国务院办公厅印发的生态环境监测网络建设方案中提出了“建立天地一体化的生态环境监测网络”。2018年，中共中央国务院印发了关于全面加强生态环境保护坚决打好污染研究综述三峡生态环境监测Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges2023年6月Jun.2023第8卷第2期Vol.8No.2三峡生态环境监测http:/ 空天地一体化监测体系的技术构成空天地一体化监测技术是指从空、天、地三个角度对生态环境进行监测的技术 1，综合运用卫星遥感监测、航空遥感监测和地面站点监测等环境监测手段，基于数据挖掘、数据融合、数据协同等关键技术，实现对生态环境更加准确的感知。空天地一体化环境监测技术构成通常包含三方面。1.1.1卫星遥感监测（天）卫星遥感技术是空天地一体化环境监测技术的重要组成部分，利用卫星遥感可实现大范围宏观全局的监测。卫星遥感监测具有覆盖范围广、获取信息量大、适于进行长期动态监测等优势。国外生态环境遥感监测卫星已形成“高低轨组网，多手段协同”的综合监测系统，国内遥感技术虽然起步较晚但发展迅速，2008年至今，我国先后发射环境高分系列卫星7颗，实现对海陆空的综合观测，突破了气溶胶、SO2、O3、叶绿素a、悬浮物、水华、溢油等遥感监测关键技术，建立了基于国产卫星遥感数据的生态遥感监测技术体系，实现了水环境、大气环境、生态环境和环境监管等生态环境遥感监测业务化运行。1.1.2航空遥感监测（空）航空遥感是以飞机、无人机、飞艇和气球等航空飞行器作为搭载平台的遥感技术，可实现对重点区域进行中小尺度的监测。常用的航空遥感传感器主要有光学相机、高光谱成像仪、合成孔径雷达和激光雷达等。按飞行平台的不同，可分为有人机航空遥感和无人机（艇）遥感 2。航空遥感具有可云下作业、较高的时空分辨率、数据采集灵活、应急调度方便等优势，可以弥补卫星遥感受云层影响大、数据获取时效性难以保障、任务定制成本高等应用瓶颈。随着无人机技术的迅猛发展，当前无人机低空遥感技术在污染监测、生态监测、水土流失监测、灾害应急、国土资源等领域已经开展了广泛的应用实践。1.1.3地面监测（地）利用地面常规监测技术和地面监测网络，主要实现对既定区域内环境要素进行精准监测。地面监测点包含地面环境监测网络、生态监测网络、地面气象站、地基遥感站点、采样点等。“十三五”时期，我国已建成生态环境监测网络，包括地表水监测断面约1.1万个、城市空气监测站点约5 000个、土壤环境监测点位约8万个、声环境监测点位约8万个、辐射环境监测点位1 500多个，实现了国家、省（自治区、直辖市）与地级市、区县的协同与互补 3。“空”“天”“地”技术各有优势与不足，需要取长补短，综合利用。将三者互相结合，构建空天地一体化的监测体系，能够全天候、实时地提供多种生态环境监测数据，为环境应用领域提供高时效性和高精确度的数据处理与分析应用。不同技术的对比见表1。1.2空天地一体化监测管理系统空天地一体化监测体系除了包含卫星遥感系统、航空遥感系统、地面监测系统之外，还需要搭建空天地一体化监测数据管理系统，对获取的多源多模态大数据进行管理、分析和决策应用。第8卷第2期19表1三种技术的比较 4-5 Table 1Comparison of the three techniques空天地监测技术卫星遥感监测航空遥感监测地面监测数据平台卫星无人机（艇）系留气球飞机地面监测站手工采样点数据卫星遥感数据卫星定位数据无人机遥感数据航空测绘数据无人机巡航数据在线监测数据采样监测数据优点监测范围大信息量大长时序动态监测高时空分辨率实时性强机动灵活可云下作业针对性强定位精准数据准确度高不足受云层、降雨影响大时效性受限成本较高存在禁飞区一定程度受气象条件影响费时费力效率不高监测数量受限1.2.1管理系统架构空天地一体化监测管理系统的构建要满足海量多源异构数据的处理和分析需求，系统的总体架构应建立在大数据、云计算架构的基础之上，确保数据存储和计算的高效、稳定及系统的可扩展性。系统采用分层架构，一般自下而上分为感知层、传输层、支撑层和业务应用层 6。感知层通过地面物联网监测传感器、视频监测设备、卫星遥感设备、无人机遥感设备、智能移动设备等监测设备，感知和采集数据；传输层通过无线通信网、互联网等通信网络，将采集到的相关数据传输到支撑层；支撑层通过数据库、大数据处理、人工智能、遥感图像处理、地理信息系统等技术，运用数据挖掘、机器学习、统计分析等手段，最大限度地开发数据，为应用层提供支撑服务；应用层为面向用户的数据可视化展示或者虚拟仿真真实场景具现化层，通过各类客户端应用程序，提供环境监测与预警、智能决策、灾害应急救援与评估等应用。空天地一体化监测管理系统架构如图1所示。图1空天地一体化监测管理系统示意图Fig.1Schematic diagram of space-air-ground integrated monitoring system1.2.2管理系统功能充分应用移动互联网、物联网、大数据处理、人工智能等现代信息技术，构建开放、共享的生态环境数据中心和空天地一体化管理系统，打造全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的工作平台，是空天地一体化监测体系的重要内容。通过管理平台，实现数据管理高效化、业务协同化和决策智能化，实现生态环境精细化管控。系统应具有的功能 5：（1）将卫星遥感、航空遥感、地面监测的不同来源、不同类型的监测数据进行多层次、异步、流式融合；（2）基于数字地球技术实现生态环境监测数据的空天地可视化刘冰，等：空天地一体化环境监测体系研究和应用进展应用层环境监测专题环境损害评估预警预报智能决策支撑层传输层感知层数据库遥感图像处理地理信息系统数据处理无线通信网络互联网卫星遥感监测设备无人机遥感监测设备地面监测设备三峡生态环境监测http:/ 7。表2多源多模态数据融合方法Table 2Multi-source and multi-mode data fusion method数据类型多源数据8-9多模态数据10融合方法像素层融合特征层融合决策层融合模型融合融合算法分量替换（CS），多分辨率分析（MRA），基于模型的算法贝叶斯估计法，D-S证据理论，聚类算法，神经网络算法基于辨识的决策融合方法：MAP、ML、BC方法，D-S证据理论基于知识的决策融合方法：专家知识法，神经网络法，支持向量机方法多核学习（MKL）方法：对象分类，情感识别图像模型（GM）方法：双模语音，情感识别，媒体分类神经网络（NN）方法：情感识别，双模语音（2）核心算法：多源多模态数据的智能分析与关联方法是空天地一体化监测体系的核心，涉及的算法包括目标检测算法、多模态数据对齐算法、浮标数据和遥感数据的融合反演算法以及监控视频和遥感数据的融合反演算法 5。（3）分析建模：利用大数据分析