卫星影像和高程数据在农村环境质量试点监测中的应用

蒋 明，李 维，文建辉

桂林市环境监测中心站，广西桂林541002

卫星影像和高程数据在农村环境质量试点监测中的应用

蒋 明，李 维，文建辉

桂林市环境监测中心站，广西桂林541002

大量长期地使用农用塑料薄膜，导致邻苯二甲酸酯类的监测结果出现超标。邻苯二甲酸酯类的污染形势不容乐观。结合桂林市农村环境质量试点监测工作，参考全国生态环境监测与评价工作的技术方法，利用高分辨率卫星遥感影像对试点监测村进行了农膜覆盖面积的统计。针对桂林市的丘陵地貌特征，利用高程数据对统计结果进行修正，提高了农膜覆盖面积统计的准确度。同时还对试点监测村周边区域的农膜覆盖情况进行了粗略统计和分析，确定了将来的重点调查目标区域，为将来深入调查邻苯二甲酸酯类污染状况、制定防治方案提供了一定的参考。

卫星影像；高程数据；覆盖调查；遥感监测；农村环境质量监测

2010年，桂林市开展了农村环境质量试点监测工作，在试点监测村的13个土壤监测点均检出有邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二（2⁃乙基己基）酯，并且各测点的邻苯二甲酸二丁酯浓度均高于美国土壤中邻苯二甲酸酯类的控制标准限值［1］。近年来，该试点监测村及周边区域大力发展金桔等水果产业，果农使用农用塑料薄膜（以下简称“农膜”）对金桔树进行完全覆盖以防雨、保温、避晒。大量长期地使用农膜，加上南方高温湿热，会导致农膜中的增塑剂（邻苯二甲酸酯类析出）对土壤以至水体造成污染。邻苯二甲酸酯类具有生理毒性和中度蓄积作用，还具有致突变、致畸作用［2］。试点监测村的邻苯二甲酸酯类污染形势不容乐观。该文针对试点监测村及周边区域的农膜覆盖情况开展大面积的调查，为将来深入调查邻苯二甲酸酯类污染状况、制定防治方案提供一定的参考。

宋耀远等［3］选择了少量典型地块对土壤中的农膜残留数量进行了监测，对于面积较大的区域，类似的常规地面监测和统计方法往往需要耗费大量的人力、物力和时间。近年来，遥感技术在监测工作中的应用越来越广泛。中国环境监测总站从2005年起开展了全国生态环境监测与评价工作（以下简称“生态监测工作”），利用Landsat TM卫星遥感影像监测全国土地利用、覆盖面积和分布情况。生态监测工作所用的Landsat TM卫星遥感影像具有较低的空间分辨率（30 m），不利于小乡村范围农膜覆盖面积的准确调查。生态监测工作所用的技术方法未考虑到地形起伏不平对面积统计结果的影响，也不利于丘陵地带农膜覆盖面积的准确调查。

结合桂林市农村环境质量试点监测工作，参考生态监测工作的技术方法，利用高分辨率卫星遥感影像对试点监测村的农膜覆盖面积情况进行了统计。针对桂林市的丘陵地貌特征，利用数字高程模型（DEM，以下简称“高程数据”）对统计结果进行修正，提高了农膜覆盖面积统计的准确度。同时还对试点监测村周边区域的农膜覆盖情况进行了粗略统计和分析，确定了将来的重点调查目标区域。

1 技术方法及路线

试点监测村全村总面积约为66.7 hm2，所在乡镇是桂林市的主要金桔产区。据当地村委会估算，2010年全村共有果园约33.3 hm2，其中金桔园约17.8 hm2，人均拥有果园约0.1 hm2。此外，试点监测村的周边区域（面积约为3 300 hm2）也种植了大范围的金桔。大面积使用农膜时，高分辨率卫星遥感影像上会呈现出易于识别的白色条纹（图1）。可以利用高分辨率卫星影像确定各个地块农膜覆盖范围的形状和大小，进而统计目标区域内的农膜覆盖情况。

图1 农膜覆盖的高分辨率卫星遥感影像

由于卫星远离地球表面，对地形复杂、地势变化较大的地区，利用遥感卫星影像直接计算出来的相关结果往往与现实情况不一致，如斜面上的投影面积计算结果可能会小于实际的曲面表面积（图2）。

图2 三维地形平面投影示意图

因此，参考生态监测工作的技术方法，使用高分辨率卫星影像对农膜覆盖情况进行解译，并利用高程数据对统计结果进行修正，以提高面积统计的准确度。主要技术流程如图3所示。

图3 技术流程图

1.1 卫星影像和高程数据的选取

1.1.1 卫星影像

目前，中国可接收、利用的多光谱卫星影像有Landsat 5 TM、CBERS⁃2、IRS⁃P6等，其中大部分卫星影像空间分辨率较低，无法用于进行试点监测村农膜覆盖情况的准确调查；分辨率较高的卫星影像有的是灰度的，有的价格较高，受到的限制较大。选择免费的谷歌地球（Google Earth）卫星影像数据（更新周期约为4 a，城市及部分乡镇区域空间分辨率约为2 m，属于真彩色，空间坐标系为WGS1984）来进行农膜覆盖情况的研究。

谷歌地球是一款由Google公司开发的虚拟地球仪软件，它把卫星照片、航空影像和GIS数据布置在一个三维地球模型上。用户可以通过下载软件，免费浏览全球各地的高清晰度卫星图片。谷歌地球上的全球地貌影像的有效空间分辨率通常为30 m（例如中国大陆），针对大城市、著名风景区、建筑物区域会提供空间分辨率为1 m甚至0.5 m左右的高清影像（如桂林市区的空间分辨率可达1 m）。

患者平卧固定架，体膜固定患者上身，开激光定位灯，患者体膜两侧和前面激光灯定位肿瘤中心，热塑体膜上贴“十”字胶布与激光灯重合，“十”字中心处标记。CT扫描，患者呼吸保持平稳，扫描范围下颌下缘至肺下缘[4]。放疗后需修改计划时，再次 CT 定位，扫描条件与初次扫描条件一致。

调查的试点监测村邻近漓江，谷歌地球在该区域内提供了空间分辨率为0.5 m左右的卫星影像（图1）。影像拍摄日期为2009年12月5日，这为针对试点监测村及其周边区域的农膜覆盖情况开展遥感调查提供了极大的便利。

1.1.2 高程数据

出于国防安全的考虑，国内范围精度较高的地面高程数据由测绘部门获取、更新以及保管，一般不会向外界公开。对高精度的高程数据有需求的部门，在向测绘部门申请领用相关数据时，需要经过严格的保密制度审查，同时还需要缴纳高额费用。选择世界范围内公开的ASTER全球数字高程模型（ASTER GDEM）进行农膜覆盖情况的统计。

ASTER的全球数字高程模型由日本经济贸易产业省（METI）和美国国家航空航天局（NA SA）共同开发，采用ASTER星载地球观测光学仪器收集的数据生成，空间分辨率为30 m，坐标系为WGS1984，文件格式为栅格数据。

1.2 几何校正

WGS1984坐标系属于地理坐标系统（Geo graphic Coordinate System），受到地球不规则椭球形的影响，不能直接用于调查范围的面积统计，因此需要将相关数据的空间坐标系由WGS1984转换为 投影 坐 标 系 统 （Projection Coordinate System）。在生态监测工作中，统一采用的标准投影坐标系统为阿尔伯斯圆锥等面积投影（Albers Conical Equal Area Projection，椭球体为Krasovsky 1940，中央经线为东经110°，双标准纬线为北纬25°、47°，投影起始纬度12°，中央经线偏差和起始点偏差均为0）。为准确统计农膜覆盖情况，利用广西壮族自治区环境监测中心站下发的投影转换控制影像，使用Erdas软件的几何校正（Geometric Correction）功能将卫星影像和高程数据的投影坐标系（WGS1984）转换到阿尔伯斯圆锥等面积投影，为下一步进行农膜覆盖面积统计分析奠定基础。

1.3 影像解译及质量核查

参考生态监测工作中的遥感影像解译方法，对经过几何校正处理的高分辨率Google Earth卫星影像，在ArcGIS软件中使用矢量数据编辑器勾勒出试点监测村的农膜覆盖范围，见图4、图5，解译结果保存为ArcGIS Shape文件格式。同时根据遥感解译质量核查方法对解译结果进行现场抽查，确保农膜覆盖解译结果的准确性。研究还对试点监测村周边区域集中使用农膜的区域也进行了粗略的解译和分析，为将来进一步开展大范围的农膜覆盖情况和邻苯二甲酸酯类污染状况调查提供一定的参考。

图4 农膜覆盖范围解译

图5 农膜覆盖范围解译结果

使用ArcGIS工具箱（ArcToolBox）里空间分析工具的按掩膜提取（Extract by Mask）功能，按上一步骤的解译结果提取高程数据，可实现对高程数据的裁剪，见图6。

图6 高程数据裁剪结果

1.5 面积统计计算

使用ArcGIS的三维分析（3D Analyst）工具条里的面积和体积统计数据（Area and Volume Statistics）工具可以对高程数据裁剪结果进行表面积的汇总计算，提高复杂地形上的农膜覆盖面积统计结果的准确度。

2 结果分析

1）根据2009年谷歌地球卫星影像和ASTER高程数据的解译和统计结果，试点监测村农膜覆盖范围的平面投影面积约为14.7 hm2，不规则地形表面积约为15.4 hm2；不规则地形表面积占该村总表面积（约68.7 hm2）的22.4%，计算结果接近于该村金桔统计种植面积（约为17.8 hm2），准确度较高。

2）试点监测村周边区域农膜覆盖的粗略解译结果表明，试点监测村周边区域农膜覆盖比重（23.2%）高于试点监测村。将来可以选择其中的部分典型范围作为重点区域，开展金桔园农膜覆盖情况和土壤中邻苯二甲酸酯类污染状况的详细调查，为管理部门制定防治方案提供参考。

3 结语

利用卫星影像和高程数据判读农膜覆盖程度，进而推测土壤中邻苯二甲酸酯类污染范围和需要重点关注的污染区域，为将来深入调查邻苯二甲酸酯类污染范围提供了便捷的方法。相对于常规的地面监测和统计方法，卫星遥感监测技术具有感测范围大、获取的信息量广、效率高、成本低、数据准确性高等多种优点，具有极高的应用价值。充分利用高程数据进行不规则地形表面积的计算，可为丘陵地区、山区等地势不平的地区提供更加准确的统计结果。

研究使用目视解译方法识别农膜覆盖范围，效率不高；所用的高程数据空间分辨率较低，统计结果存在一定误差；因经费、时间所限，调查范围、内容不够广泛。将来可通过研究农膜的光谱特征来实现计算机辅助解译，提高解译效率；获取更高空间分辨率的卫星影像和高程数据，进一步提高面积估算精度；开展多个典型区域的调查，研究不同波段、不同空间分辨率、不同时间分辨率的卫星影像和高程数据、不同面积规模、不同类型的地形对统计结果精度的影响。此外还可进一步探索邻苯二甲酸酯类等污染物沿山坡的扩散和分布规律，为实现邻苯二甲酸酯类污染状况的准确分析和预测提供科学依据，为环境管理决策提供科学服务。

［1］李桂祥，罗星晔，毛羽.桂林市农村环境质量试点监测村土壤酞酸酯类污染调查［J］.农业环境与发展，2011，28（5）：125⁃127.

［2］王莹莹，郭长青，周海平，等.邻苯二甲酸酯类增塑剂的应用研究进展［J］.塑料包装，2011，21（3）：22⁃25.

［3］宋耀远，丁慎刚，马旦林，等.地膜残留监测试验总结报告［J］.现代农业，2010，3：32⁃33.

［4］程乾，王人潮.数字高程模型和多时相MODIS数据复合的水稻种植面积遥感估算方法研究［J］.农业工程学报，2005，21（5）：89⁃92.

［5］廉娟.塔里木河流域生态遥感监测系统简述［J］.内蒙古水利，2010，4：61⁃62.

［6］牛志春，李旭文，张咏，等.太湖流域水环境天地一体化监测体系构建与应用［J］.环境监控与预警，2012，4（1）：1⁃5.

Application of Satellite Image and Digital Elevation Model in Rural Environmental Quality Monitoring

JIANG Ming，LI Wei，WEN Jian⁃hui
Guilin Environmental Monitoring Centre，Guilin 541002，China

Heave and long⁃term usage of agricultural plastic film caused the concentration of PAEs（Phthalate esters）to exceed control standard.The situation of PAEs pollution was not optimistic.In this paper，combined with the work of rural environmental quality monitoring in Guilin，referring to the technical methods of national work of monitoring and evaluating of ecological environment，area estimation of the coverage of agricultural plastic film in the pilot monitoring village was carried out using high⁃resolution satellite remote sensing images.According to the hilly landform characteristics of Guilin，digital elevation model was used to correct the area estimation.In addition，the coverage situation of agricultural plastic film around the pilot monitoring village was roughly estimated and analyzed to determine the key area for further investigation and to provide reference for pollution survey of PAEs and making countermeasure in the future.

satellite image；digital elevation model；survey on coverage；remote sensing monitoring；rural environmental quality monitoring

X87

A

1002⁃6002（2014）06⁃0184⁃04

2013⁃11⁃06；

2014⁃01⁃01

桂林市环保专项资金（市财建［2011］137号）

蒋 明（1983⁃），男，广西桂林人，硕士，工程师.