国家城镇生态环境综合监测技术体系构建

doi:10.12082/dqxxkx.2020.190488

地球信息科学学报 ›› 2020, Vol. 22 ›› Issue (10): 1922-1934.doi: 10.12082/dqxxkx.2020.190488

• 专栏：城乡生态环境综合监测 • 上一篇下一篇

国家城镇生态环境综合监测技术体系构建

王桥¹(), 赵少华¹^,^*(), 封红娥¹^,², 王玉¹, 白志杰¹, 孟斌¹, 陈辉¹

1.生态环境部卫星环境应用中心国家环境保护卫星遥感重点实验室,北京 100094
2.河北省水文工程地质勘查院,石家庄 050000

收稿日期:2019-09-04 修回日期:2020-03-13 出版日期:2020-10-25 发布日期:2020-12-25
作者简介:王桥(1957-),男,重庆江津人,中国工程院院士,国际宇航科学院院士,主要从事国家生态环境卫星立项论证.生态环境遥感研究与应用等工作。E-mail:wangqiao@mee.gov.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(2017YFB0503905)

Construction of Technical System for National Urban Ecological Environment Comprehensive Monitoring

WANG Qiao¹(), ZHAO Shaohua¹^,^*(), FENG Hong'e¹^,², WANG Yu¹, BAI Zhijie¹, MENG Bin¹, CHEN Hui¹

1. State Environmental Protection Key Lab of Satellite Remote Sensing, Ministry of Ecology and Environment Center for Satellite Application on Ecology and Environment, Beijing 100094, China
2. Hebei provincial institute of hydrology and engineering geology, Shijiazhuang 050000, China

Received:2019-09-04 Revised:2020-03-13 Online:2020-10-25 Published:2020-12-25
Contact: ZHAO Shaohua
Supported by:
National Key Research and Development Pro-gram of China(2017YFB0503905)

摘要/Abstract

摘要：

近年来,我国城镇突出的生态环境问题受到社会广泛关注,作为生态环境保护工作的重要组成部分,随着城镇化的快速发展,城镇生态环境监测任务也越来越重、要求越来越高,对结合空间信息的天地一体综合监测的需求非常迫切,急需建立其技术体系,以指导城镇生态环境综合监测工作的开展。本文面向城镇生态环境综合监测的需求,从城镇污染气体、水体水质、生态资源3个方面出发,通过梳理城镇生态环境综合监测中的关键科学技术问题,结合开展的关键技术攻关研究,经过分析论证,构建了城镇生态环境综合监测技术体系框架、指标体系框架以及标准体系框架。在此基础上,根据遥感数据特点及国家生态环境监测需求,提出城镇生态环境综合监测业务应用方案,为国家和省市地方下一步有效开展城镇生态环境监测、管理等工作提供重要指导和支撑。

关键词: 技术体系, 指标体系, 标准体系, 污染气体, 水体水质, 土壤污染, 生态资源, 应用方案

Abstract:

More and more people have paid attention to the severe problems of urban ecological environment in recent years, such as air pollution in key urban agglomerations, water pollution, urban black and odorous water, risk of drinking water source, urban heat island, soil pollution, municipal solid waste, and so on. As a vital part of environment protection, with the rapid urbanization, the monitoring of urban ecological environment is becoming more and more important and the demand is getting higher and higher. Many studies have documented the monitoring of urban ecological environment at home and abroad, however, these works are discrete and unsystematic. There is a lack of general technical system in China, including key technology system, index system, and technical standards. The integrated space and ground monitoring is very urgent and necessary, and it is badly need to establish its technical system to guide and normalize the development of comprehensive monitoring of urban ecological environment. Given the national demand, this work (1) designs and constructs the technical system framework, index system framework, and standard system framework of urban ecological environment comprehensive monitoring from three aspects: urban polluted gas, water quality, and ecological resource; (2) puts forward the series concerned key technologies, gives the current monitoring status and accuracy of main indies of urban ecological environment; (3) on the untangling basis of key science problems, in combination with the characteristics of remote sensing data and the needs of national ecological environment monitoring, the study subsequently designs the operational application scheme of ecological environment comprehensive monitoring, gives the main monitoring emphasis of urban polluted gas, water quality, and ecological resource, plots the application scheme which includes the region demonstration, application products and services based on the constructed information service platform of urban ecological environment comprehensive monitoring, and provides the application examples of theme maps of PM2.5, urban black and odorous water, and urban island effect. The work will provide important support for the state and local government monitoring and management in urban ecological environment.

Key words: technical system, index system, standard system, pollution gas, water quality, soil pollution, ecological resources, application scheme

王桥, 赵少华, 封红娥, 王玉, 白志杰, 孟斌, 陈辉. 国家城镇生态环境综合监测技术体系构建[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(10): 1922-1934.DOI:10.12082/dqxxkx.2020.190488

WANG Qiao, ZHAO Shaohua, FENG Hong'e, WANG Yu, BAI Zhijie, MENG Bin, CHEN Hui. Construction of Technical System for National Urban Ecological Environment Comprehensive Monitoring[J]. Journal of Geo-information Science, 2020, 22(10): 1922-1934.DOI:10.12082/dqxxkx.2020.190488

图/表 7

图1

表1

城镇生态环境综合监测指标体系框架

序号	类别	监测内容/ 专题产品	指标名称	指标定义	计算方法	数据源	备注说明/ 现有基础
1	城镇污染气体高分遥感协同监测	灰霾范围、强度	灰霾范围及强度	大量干尘颗粒积聚在大气中,造成能见度小于10 km的普遍空气浑浊现象	反演霾光学厚度后进行分级	MODIS、Himawari-8、HJ-1、GF-4等	遥感监测相对成熟,精度约70%^[22]
2		气溶胶光学厚度	气溶胶光学厚度	介质的消光系数在垂直方向上的积分	暗像元法;结构函数法;高反差地表法	MODIS、Himawari-8、HJ-1、GF-1/4/5/6等	遥感监测较成熟,精度约80%~85%^[6,23]
3		PM_2.5	PM_2.5	指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的颗粒物	利用AOD和线性混合效应模型反演	MODIS、HJ-1、 GF-1/4/5/6等	遥感监测相对成熟,精度约70%~80%^[24,25],待提高
4		PM₁₀	PM₁₀	指粒径在10 μm以下的颗粒物	利用AOD和线性混合效应模型反演	MODIS、HJ-1、 GF-1/4/5/6等	遥感监测较成熟,精度约80%^[26]
5		SO₂柱浓度	SO₂柱浓度	从地面到高空垂直柱中SO₂气体分子的总个数	差分吸收光谱法、波段残差法	OMI、AIRS、GOME、Sentinel-4/5P、 GF-5等	遥感监测技术可行,但含量低、难监测,精度约60%~70%^[27]
6		NO₂柱浓度	NO₂柱浓度	从地面到高空垂直柱中NO₂气体分子的总个数	差分吸收光谱法		遥感监测较成熟,精度约80%^[28]
7		O₃对流层柱浓度	O₃对流层柱浓度	从地面到高空垂直柱中O₃气体分子的总个数。	差分吸收光谱法		遥感监测较成熟,精度约95%^[28]
8		甲醛柱浓度	甲醛柱浓度	从地面到高空垂直柱中甲醛气体分子的总个数	差分吸收光谱法		遥感监测开展晚、精度低,约60%~75%^[29]
9		污染物传输通道	污染物传输通道	指某个区域中进行大气污染物传输的多个城市	模式模拟等	污染物、大气廓线、地形数据等	非遥感获取
10		城市风道	水平风速	单位时间内空气在水平方向上所移动的距离	风速计	风场、地形数据等	非遥感获取
11			城市通风系数	大气对污染物稀释扩散能力的污染气体参数	大气混合层高度乘以混合层内的平均风速
12			城市通风潜力	由地表植被和建筑覆盖及周边开放区域程度而确定的空气流通能力	由天空开阔度和粗糙度长度获得
13			粗糙度	边界层大气中,近地层风速向下递减到零时的高度	拟合风廓线法, 利用中性大气条件下实测的风速廓线推算
14	城镇水体水质高分遥感协同监测	城镇黑臭水体空间分布	城镇黑臭水体分布	指城镇黑臭水体在空间上的分布规律	单波段阈值法、差值法、比值法	GF-1/2/6、ZY-3、World View、QuickBird、PLANET、SPOT-5等	遥感监测相对成熟,精度约70%,待提高^[30]
15		城镇黑臭水体相关参数	黑臭水体色度	对黑臭水体进行颜色定量测定的指标,反映黑臭水体的色调和饱和度	半经验模型、色度指标遥感反演		遥感监测技术可行,精度约60%~70%,待提高^[31,32]
16		城镇黑臭水体相关参数	有色可溶性有机物	广泛分布于水体中的一种溶解有机物	半经验模型、遥感指标反演		遥感监测技术可行,精度约60%~70%,待提高^[31,32]
17		城镇黑臭水体分类分级	黑臭水体污染等级	指城镇黑臭水体污染程度的等级划分	黑臭水体识别与分级模型		遥感监测相对成熟
18		饮用水源地水域消落带分布	饮用水源地水域消落带面积	饮用水源地水域与陆地环境系统的过渡地带的面积	面向对象的水体信息提取	GF-1/2/5/6、ZY-3、HJ-1、Landsat、Sentinel-2/3、World View、QuickBird、PLANET、SPOT-5等	遥感监测相对成熟,精度约75%,待提高^[33]
19		饮用水源地水体叶绿素a浓度	饮用水源地水体叶绿素a浓度	饮用水源地水体藻类细胞内的主要光合色素在总量中所占的分量	波段组合法、半分析模型法等
20		饮用水源地水体悬浮物浓度	饮用水源地水体悬浮物浓度	饮用水源地水体颗粒直径约在10 nm~0.1 μm之间的微粒在总量中所占的分量	波段组合法、半分析模型法等
21	城镇水体水质高分遥感协同监测	饮用水源地水体透明度	饮用水源地水体透明度	饮用水源地水体透光的程度	半经验算法	GF-1/2/5/6、ZY-3、HJ-1、Landsat、Sentinel-2/3、World View、QuickBird、PLANET、SPOT-5等	遥感监测相对成熟,精度约75%,待提高^[33]
22		饮用水源地水体化学需氧量	饮用水源地水体化学需氧量	饮用水源地水体水样中还原性物质所消耗的氧化剂的量	单波段模型、波段比值模型等半经验算法
23		饮用水源地水体总磷浓度	饮用水源地水体总磷浓度	饮用水源地水体水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果在总量中所占的分量。	半经验算法（单波段模型、波段比值模型）、间接反演			遥感监测技术可行,精度约70%,待提高^[34]
24		饮用水源地环境风险源空间分布	饮用水水源地保护区土地覆盖类型	饮用水水源地保护区土地覆盖的类别	支持向量机SVM法、矩阵法		遥感监测较成熟,精度约80%~90%^[35]
25		饮用水源地环境风险源空间分布	饮用水水源地保护区环境风险级别	饮用水水源地保护区环境风险等级	模糊数学法、层次分析法	遥感监测相对成熟
26	城镇生态资源高分遥感协同监测	重点生态功能区水源涵养功能	重点生态功能区水源涵养量	生态系统通过其特有的结构与水相互作用,对降水进行截留、渗透、蓄积,并通过蒸散发实现对水流、水循环的调控	水量平衡法、综合蓄水能力法、降水贮存量法	MODIS、HJ-1、 GF-1/4/6等	需结合地面观测数据,精度约80%^[36]
27		重点生态功能区水土保持功能	陆地生态系统水土保持量	生态系统在极度退化状况下的水土流失量与现实状况下水土流失量的差值	差值法		遥感监测可行,需结合地面观测数据
28		重点生态功能区水土保持功能	水土保持服务功能保有率	土壤保持量与生态系统在极度退化状况下的水土流失量的比值	比值法		遥感监测可行,需结合地面观测数据
29		植被覆盖度	植被覆盖度	指植被面积占土地总面积之比	归一化植被指数法NDVI		遥感监测较成熟,精度约85%^[37]
30		水体面积	水体面积	以水体与陆地的交界线为边界,由水体表面构成的多边形的面积,构成水体面积	归一化水体指数法NDWI		遥感监测较成熟,精度约85%^[37]
31		城镇绿地信息	绿地覆盖率	指城镇地表的绿化程度信息	归一化植被指数法NDVI	GF-1/2/5/6、ZY-3、HJ-1、Landsat、Sentinel-2/3、World View、QuickBird、PLANET、SPOT-5等	遥感监测较成熟,精度约85%^[38]
32		城镇绿地信息	人均绿地面积	指城镇地表的绿化程度信息	归一化植被指数法NDVI
33		城镇公园服务水平	公共设施服务水平	指城镇公园中的公共设施以及公园绿地为市民所提供的综合服务水平	定性与定量相结合
34		城镇公园服务水平	公园绿地服务水平	指城镇公园中的公共设施以及公园绿地为市民所提供的综合服务水平	定性与定量相结合
35		城镇森林资源类型	城镇森林资源类型	指城镇森林中树木的种类	深度学习分类	GF-1/2/5/6、ZY-3、HJ-1、Landsat、Sentinel-2/3、World View、QuickBird、PLANET、SPOT-5、LiDAR等	遥感监测较成熟,精度约85%^[39,40]
36		城镇森林资源净初级生产力	城镇森林资源净初级生产力	指森林光合作用所产生的净有机质总量	Miami模型;BEPS模型;GLO-PEM 模型		遥感监测较成熟,精度约85%^[39,40]
37		潜在污染场地裸露土壤污染	潜在污染场地裸露土壤污染物浓度	潜在污染场地中人为活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度,引起土壤质量恶化,并进而造成农作物中某些指标超过国家标准的现象	遥感光谱回归建模等	GF-1/2/5/6、ZY-3、HJ-1、Landsat、Sentinel-2/3、World View、QuickBird、PLANET、SPOT-5等	遥感监测技术可行,但起步较晚,精度约70%,待提高^[41]
38		土壤污染敏感受体	土壤污染敏感受体数量	易受污染而使土壤质量恶化的受体数量	面向对象的分类并结合风险分级评价		遥感监测技术可行,但起步较晚,精度约70%,待提高^[41]
39		城市地表温度	城市地表温度	指城市地面的温度	单窗或分裂窗算法等	MODIS、Landsat、ASTER、GF-5等	遥感监测较成熟,精度约1~2 K,待提高^[42]
40		城市热岛效应	热岛效应的强度	指城市因大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素,造成城市“高温化”	均值-标准差划分法、温度归一化分级法、温度差值分级法等	MODIS、Landsat、ASTER、GF-5等	遥感监测较成熟

表1

表2

城镇生态环境综合监测标准体系框架

序号	类别	标准规范名称	主要内容
1	城镇污染气体高分遥感与地面观测协同监测标准规范	气溶胶高分遥感与地面观测协同监测标准规范	规定了基于高分一号等卫星数据的气溶胶遥感与地面协同监测的内容、指标、方法、技术流程等
2		颗粒物质量浓度（PM_2.5）高分遥感与地面观测协同监测标准规范	规定了基于高分一号等卫星数据的颗粒物（PM_2.5）遥感与地面协同监测的指标、方法以及技术流程等相关内容
3		颗粒物质量浓度（PM₁₀）高分遥感与地面观测协同监测标准规范	规定了基于高分一号卫星数据的颗粒物（PM₁₀）高分遥感与地面协同监测的指标、方法以及技术流程等相关内容
4		灰霾范围高分遥感与地面观测协同监测标准规范	规定了基于高分一号等卫星数据的灰霾范围遥感监测的内容、指标、方法、技术流程等
5		灰霾强度高分遥感与地面观测协同监测标准规范	规定了基于高分一号等卫星数据的灰霾强度遥感监测的内容、指标、方法、技术流程等
6		NO₂对流层垂直柱浓度高分遥感与地面观测协同监测标准规范	规定了基于高分五号等卫星数据的对流层大气NO₂高分卫星遥感的内容、指标、方法、技术流程等
7		SO₂垂直柱浓度高分遥感与地面观测协同监测标准规范	规定了基于高分五号等卫星数据的对流层大气SO₂高分卫星遥感的内容、指标、方法、技术流程等
8		HCHO垂直柱浓度高分遥感与地面观测协同监测标准规范	规定了基于高分五号等卫星数据的对流层大气HCHO高分卫星遥感的内容、指标、方法、技术流程等
9		O₃对流层垂直柱浓度高分遥感与地面观测协同监测标准规范	规定了基于高分五号数据和SuomiNPP等卫星数据的对流层O₃柱浓度高分卫星遥感的内容、指标、方法、技术流程等
10		近地面NO₂质量浓度高分遥感与地面观测协同监测标准规范	规定了近地面NO₂质量浓度高分遥感与地面观测协同监测项目的指标、方法以及技术流程等相关内容
11		NO₂垂直廓线地基与地面观测协同监测标准规范	规定了大气污染物NO₂垂直廓线地基与地面观测协同监测的术语和定义、原理、流程、方法、产品制作和质量控制
12		HCHO垂直柱浓度地基与地面观测协同监测标准规范	规定了大气污染物HCHO柱浓度地基与地面观测协同监测的术语和定义、原理、流程、方法、产品制作和质量控制
13		O₃垂直廓线地基与地面观测协同监测标准规范	规范了环境空气臭氧激光雷达连续监测系统的术语和定义、系统组成和原理、日常运行维护要求、质量保证和质量控制方法、数据有效性判别方法
14	城镇水体水质高分遥感与地面观测协同监测标准规范	城镇水体水质遥感影像数据源及影像预处理技术规范	规定了基于高分一号等卫星数据进行城镇河网黑臭水体遥感监测、饮用水水源地水质遥感监测和饮用水源地风险源遥感提取与变化检测时的影像数据预处理工作的内容、指标、方法和技术流程等
15		城镇水体水质高分遥感地基观测技术规范	规定了城镇黑臭水体、饮用水水源地水质、饮用水水源地风险源高分遥感地基实验观测内容、指标、方法和技术流程等
16		黑臭水体高分遥感监测标准规范	规定了基于高分一号等卫星数据对城镇黑臭水体进行遥感监测的内容、指标、方法和技术流程等
17		饮用水水源地水质高分遥感监测技术标准规范	规定了基于高分一号等卫星数据对饮用水水源地水质进行遥感监测的内容、指标、方法和技术流程等
18		饮用水水源地风险源高分遥感监测技术标准规范	规定了基于高分一号等卫星数据对饮用水水源地风险源进行遥感监测与评价的内容、指标、方法和技术流程等
19		城镇水体水质综合监测业务运行标准规范	规定了城镇黑臭水体、饮用水源地风险源等水体水质遥感监测业务运行的数据输入、产品输出等业务运行流程
20		城镇水体水质高分遥感监测产品示范生产标准规范	规定了城镇黑臭水体、饮用水源地风险源等水体水质遥感监测的产品生产、质量控制等内容
21		城镇水体水质高分遥感监测产品真实性检验标准规范	规定了城镇黑臭水体、饮用水源地风险源等水体水质高分遥感与地面观测协同的应用示范结果的真实性检验的内容、方法、流程等内容
22	城镇生态资源高分遥感与地面观测协同监测标准规范	城市地表温度高分遥感与地面观测协同监测	规定了利用高分五号等卫星数据对城镇地表温度高分遥感与地面协同监测的技术内容、程序和方法
23		城镇园林绿地高分遥感与地面观测协同监测	规定了利用高分一号等卫星数据对城镇园林绿地高分遥感与地面协同监测的技术内容、程序和方法
24		城镇森林资源高分遥感与地面观测协同监测	规定了利用高分一号等卫星数据对城镇森林资源高分遥感与地面协同监测的技术内容、程序和方法
25		城镇污染场地土壤污染高分遥感与地面观测协同监测	规定了利用高分一号等卫星数据对城镇污染场地土壤污染高分遥感与地面协同监测的技术内容、程序和方法
26		重点生态功能区生态功能高分遥感与地面观测协同监测	规定了利用高分一号等卫星数据对重点生态功能区生态功能高分遥感与地面协同监测的技术内容、程序和方法
27		乡镇固体废弃物监测产品真实性检验技术	规定了利用高分一号等卫星数据对乡镇固体废弃物监测产品真实性检验的技术内容、程序和方法

表2

图2

图3

图4

图5

参考文献 47

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国家城镇生态环境综合监测技术体系构建

Construction of Technical System for National Urban Ecological Environment Comprehensive Monitoring

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