遥感技术助力黑臭水体整治丨观天测地
编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。
黑臭水体是水体污染的一种极端现象，是目前较为突出的环境问题，也是能否实现“美丽中国”的一个难点。2015年国务院印发的《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）首次提及黑臭水体，要求到2020年地级及以上城市均控制在10%以内，到2030年城市黑臭水体总体得到消除。而“十四五”水环境治理又设定新目标：基本消除城市黑臭水体。
整治黑臭水体首先迫切需要筛查出城市黑臭水体的底数。但是，黑臭水体具有数量多、分布散、单个面积小、随季节反复变化等特征。传统的黑臭水体地面调查方式耗费人力资源大，调查区域难以全覆盖。而遥感技术可大范围、快速定位黑臭水体，不仅能够节约时间和资源，还可以客观公正、持续动态跟踪治理效果。因此，遥感技术作为一种大范围的黑臭水体监测手段，相比传统的地面监测手段具有低成本、覆盖广、速度快等优势。
那么，黑臭水体遥感的原理是什么？卫星遥感就是遥远感知，即通过天上卫星搭载的对电磁波敏感的仪器，在远离目标和非接触目标物体条件下探测目标地物，俗称“天眼”。从图上可以看到，一般水体和黑臭水体的颜色十分接近，很难用肉眼区分。然而，每种水体都有自己的反射率特征，即“光谱指纹”。遥感影像上之所以可以识别出黑臭水体，就是通过“光谱指纹”的细微差异进行识别。
一般水体与黑臭水体光谱的区别
在“水十条”颁布之前，国内外黑臭水体遥感研究几乎为空白。自2015年起，中国科学院空天信息创新研究院内陆水环境遥感团队利用高分卫星遥感监测黑臭水体，通过“边研究边监管”方式，一方面采集实测数据，加快开展机理模型和处理技术研究；另一方面响应国家需求，积极协助生态环境部开展基于卫星遥感的黑臭水体监管任务。
经过不懈攻关，该团队解决了水体的定量化处理精度和海量数据批处理效率的科学难题，形成了以黑臭水体光谱识别模型和高分批处理技术为核心的业务体系，在黑臭水体遥感领域处于国内领先地位。
近年来，该团队在水体反射率保真的前提下实现了批量自动化处理影像，完成黑臭水体筛查、治理过程监督和治理成效评估等全链条的深入研究。此外，该团队自主研发了城市黑臭水体高分定量遥感专题产品生产系统，极大提高了筛查效率。例如，1人使用传统方法筛查完北京建成区约2500平方公里，需要花费1年的时间，但使用该系统处理高分二号影像进行筛查，可以节省到15天。
团队在野外开展黑臭水体光学遥感综合试验
该团队成果已在生态环境、水利、自然资源、住房和城乡建设等多家部委单位开展业务化应用，应用于全国23个省（直辖市、自治区）的64个地级及以上城市的黑臭水体筛查，支撑了生态环境部城市黑臭水体监管工作，并被纳入国家监管业务体系。
团队开展了遥感监测城市黑臭水体的全过程监督：前期掌握城市黑臭水体底数及变化，弥补地方上报机制的不足；中期监督治理进展，适时督促地方推进黑臭河段治理；后期评估治理后成效，监测复发的黑臭河段，从而保障全面完成城市黑臭水体治理工作。
根据2019年收集到的水中氨氮含量、透明度、溶解氧等参数和现场感官判别结果，对该团队提供的黑臭水体遥感筛查结果进行精度判断。结果显示，一共244个点位，识别正确点位192个，识别正确率（识别正确样本个数/识别样本总数*100%）为79%。因此，该团队提供的黑臭水体遥感筛查结果基本可靠。
“十三五”期间，国家大力整治黑臭水体，取得了显著成效。可以看到2018-2020年内，随着时间推移，北京市某区域内的黑臭河段长度不断减小。
黑臭水体遥感是建设“美丽中国”的一个重大需求，中科院空天信息创新研究院内陆水环境遥感团队在该方向取得了多项创新成果，推动了我国城市黑臭水体遥感行业应用的快速发展。鉴于黑臭水体卫星遥感技术的重要性，团队今后计划从三个方面服务国家和区域黑臭水体监测，以科技助推国家绿色发展：争取将卫星遥感技术纳入农村黑臭水体监管技术体系，助推乡村振兴和生态文明建设和谐共进；探索将黑臭水体卫星遥感纳入“一带一路”相关规划，为“一带一路”国家可持续发展贡献中国科技力量；推广团队形成的基于国产米级光学高分卫星的快速处理技术和高精度数据产品，向更广泛的对地观测领域应用。
来源：中国科学院空天信息创新研究院