用“天空之眼”守护生态环境

本文转自：羊城晚报

杨骥

文/羊城晚报记者 李钢 图/主办方提供

如何使用卫星、无人机等先进装备来对生态环境进行监测？近日，由广州市科学技术局主办，广东科学中心、羊城晚报社联合承办的珠江科学大讲堂第123讲特意邀请了广东省科学院广州地理研究所副所长杨骥，为大讲堂的粉丝们带来了“天空之眼守护生态环境”的科普讲座。

卫星遥感：瞬时完成大范围实时监测

杨骥说，监测环境的“天空之眼”涉及的学科是遥感科学与技术。

“什么是遥感呢？”他解释道，“遥感”从字面上理解是指遥远的感知，是以非接触式远距离的探测技术对地球表面进行观测。例如，利用遥感卫星上搭载的传感器瞬时就可以对多个城市的区域做一个大范围的实时监测。

遥感技术分成两类，一种是利用位于外太空的、300公里以上的高空中的遥感卫星对地球进行监测；另一种则是无人机遥感，通过无人机上搭载各种传感器对地表进行监测。

杨骥介绍，在还没有人造卫星的年代，人类最早是通过热气球来进行高空拍摄，后来衍生出了其他手段，包括在风筝、信鸽上挂载相机对地球表面进行监测。20世纪50年代，苏联发射了全球第一颗人造卫星。紧接着，美国将“探险者”一号卫星送入太空。而我国则在1970年发射了第一颗卫星，于1975年发射了第一颗返回式卫星。

目前在地球上空已经有超过4000颗卫星，其中用于遥感的卫星有1000多颗。中国的卫星遥感技术在近几年快速发展，对地的观测卫星已经形成了气象卫星、海洋卫星、陆地资源卫星和环境减灾卫星等一系列的卫星，可以对气象、海洋等方面进行观测。

几十年间，卫星遥感技术也在快速发展。杨骥说，在20世纪70年代，当时卫星拍摄的照片只能看到一个城市，如今已经可以细致观察到地面上有多少棵树、多少栋房子。并且，遥感卫星上搭载的传感器也越来越多样化。除了可见光相机外，还有多光谱、高光谱雷达以及红外影像等设备，通过这些装备，可以看到人眼看不到的要素。譬如说观察一杯水，我们用肉眼无法分辨它是热的还是冷的，但是通过热红外影像就可以做出清晰的判断。

从技术来看，光学遥感是遥感技术的主要分支之一。它的原理是太阳光照射在地面后，形成反射，反射的电磁波或地物本身发射的电磁波被卫星的传感器接收到，通过电磁波的发射率去判断地面被观测物究竟是什么物体。但是，由于光学遥感依靠的是太阳光，因此在天气不好的时候，其作用会受到很大的局限。

于是，就出现了另外一种遥感技术——微波遥感。这是一种主动型的遥感技术，通过卫星上的微波传感器向地表主动发射微波，接收反射信号，对地球表面做探测，其作用原理类似于蝙蝠发射超声波。这种技术形成的影像虽然不如光学遥感图像那么漂亮，但是可以反映出地表的地形变化信息，比如在地质塌陷的高风险区，可以借助这一技术判断出哪些地方可能会发生山体滑坡。

无人机遥感：可以自己起飞自己返航

除了卫星遥感技术外，还有一大方向就是无人机遥感。在无人机上搭载各种传感器，对地表的人类活动、生态环境、工程建设做监测和分析。

无人机也分好几种，其中包括旋翼无人机和固定翼飞机。旋翼无人机的特点是可以停在空中，对某一地区进行长时间观测，但缺点是飞行时间比较短；固定翼飞机的飞行速度快、覆盖范围广，缺点则是无法在某一固定点悬停拍摄。所以，这两种无人机要在不同场景下去开展生态环境监测工作。

现在的无人机实现了智能化的作业，不需要像以前那样进行人工控制。通过无人机基站，无人机可以自动出发执行任务，完成任务后可以自动返航并完成充电。

杨骥举例说，在珠海东部海域的三角岛，本来是个荒岛，经过生态修复后，如今全岛的复绿面积达到了20万平方米，并且在去年“五一”期间对外开放。在这个海岛上，同样部署了无人机。因此，只需要一分钟左右的时间，就可以完成对全岛的监测。

“广东的海岛众多，如果仅仅依靠人力去进行监测和管理，成本会非常高。因此，无人机遥感技术就可以派上大用场。”杨骥表示。

遥感监测：通过各种传感器进行多方面监测

遥感技术如何监测生态环境呢？杨骥说，通过各种传感器实现的遥感技术，可以监测包括海洋环境、空气环境、地表水环境、生态质量环境等方面的情况。

不同水质的水体在卫星的传感器上接收的信号是不同的。针对一些水库的监测可以发现，不同时期水库的水质也会有变化，某些时期水质可能会整体倾向于变差，而有些时期水质会比较好。

此外，可以通过无人机遥感采集河流相关的数据，发现污染比较严重的区域，并且帮助人们判断并找出其污染源，比如说是垃圾场的排污，还是污水处理厂的污水排放等等。

杨骥还提到，广州在全国打造了首个湿地公园低空遥感网，部署了4台无人机基站，对湿地的生态和环境做常态化监测，可以开展日常巡护、工程巡查、环境监测和空气质量监测、应急救援等任务。通过无人机搭载多光谱的传感器，可以看到树木有没有遭受一些病虫害，或是对一些旅游景区开展遥感的监测，对景区的客流量进行分析，分析出一天下来在哪一个景点停留的人数最多、时间最长等信息。

杨骥提到，通过卫星遥感影像技术，他们团队完成了自1979年起至今整个粤港澳大湾区海岸线的分析。他们发现，在改革开放之前，广东的海岸线以自然态的岸线为主，但是如今则发展为以人工岸线为主。从分析结果可以看出，自1979年起，广东经历了快速的工业化、城市化的进程，生态环境也在这一过程中经历了从快速退化到逐渐恢复甚至比以往更好的阶段。