空天地一体化环境监测体系研究和应用进展

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 system[J].Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges ，2023，8（2）：17-25.
DOI ：10.19478/ki.2096-2347.2023.02.03
Research and Application of Space-air-ground Integrated Environmental
Monitoring System
LIU 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 envi⁃ronmental 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 cost efficiency,and introduced the layered architecture of the space-air-ground integrated monitoring management system.It pointed out that the key technologies in the operation of the management system mainly include multi-source data fusion method,core algo⁃rithm,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 devel⁃opment and application of space-air-ground integrated environmental monitoring system.Key words ：space-air-ground integrated monitoring system;monitoring management system;remote sensing;environmental moni⁃toring;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 Gorges
2023年6月Jun.2023
第8卷第2期V ol.8No.2
三峡生态环境监测/第8卷18
防治攻坚战的意见》，提出了“建立独立权威高效的生态环境监测体系，构建天地一体化的生态环境监测网络”。

2020年，生态环境部发布《生态环境监测规划纲要（2020—2035年）》，指出我国生态环境监测手段要从传统手工监测向天地一体、自动智能、集成联动的方向发展。

为了全面地反映生态系统现状及发展趋势，为生态环境保护、自然资源管理、土地利用规划等提供科学依据，构建全要素、全时段以及全覆盖的常态化“空天地”一体化的环境监测体系成为必然要求。

近几年来，贯彻落实国家“建立天地一体化的生态环境监测系统”的要求，取得了重大的成就。

本文简要总结目前国内空天地一体化生态环境监测系统研究和应用的进展，对监测体系的构成和技术、多源多模态大数据的管理和分析以及在水环境、大气环境、水土保持、自然资源保护和自然灾害防治中的应用做了归纳介绍，并展望了空天地一体化生态环境监测系统的未来发展和应用前景。

1空天地一体化监测体系的构成
1.1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5000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1500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 1
Comparison 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.1
Schematic diagram of space-air-ground integrated monitoring system
1.2.2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/第8卷20
呈现；（3）运用人工智能分析算法实现多模态时空数值分析模型和多尺度异常可视事件检测模型，通过多模态自监督优化算法实现模型的自适应持续优化；（4）针对环境要素监测实际应用场景，实现数据资源的融合应用。

1.2.3管理系统运行中涉及的关键技术
（1）多源数据融合方法：空天地一体化监测系统中，由于数据来源广、数据格式多样、结构化与非结构化数据并存，海量多源异构数据的融合是目前应用和智能决策过程的瓶颈，在空天地一体化大数据融合中主要表现为空天遥感数据之间的融合、空天地一体化的融合、历史数据与实时数据的融合、动态数据与静止数据的融合、实体空间与网络虚拟空间的融合、内部数据与外部数据的融合等。

目前常用的多源多模态数据融合方法如表2所示[7]。

表2多源多模态数据融合方法Table2Multi-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：利用大数据分析的方法与工具，比如分类与回归算法、基于时空序列的模式分析、关联分析等技术，根据实际的应用需求，构建各种分析、预测、评估模型，通过模型的综合应用，实现预警预报、分析研判、行为评估等功能[11]。

2空天地一体化环境监测系统的建设及应用
2.1在水环境领域中的应用
2.1.1水质监测与水资源调查保护
空天地一体化监测技术应用最广泛的领域主要是水质监测与水资源调查。

传统水质监测通过在线水质监测站或布点采样室内分析完成，但点位分布有限，不适宜大范围开展，不易捕捉污染物空间分布特征。

而通过高光谱无人机/高光谱卫星遥感影像，对全流域河道水质分布情况开展遥感监测，易于形成河道水质动态监测分布信息。

水资源调查主要基于水文站点的数据，利用数理统计的原理和方法，通过水文分析计算得到水量。

有限且不均匀分布的水文站点在一定程度上限制了水量的精确计算，而在遥感调查和无人船水下地形测量基础上，可得到区域地表水资源总量。

郑瑶瑶等[4]基于高分卫星遥感遥测、多光谱分析、无人机遥感等技术，提出空天地协同的城市河道遥感监测方案，为河道水环境监测与治理提供了有力的技术支撑。

2.1.2饮用水水源地环境监管及污染源溯源
围绕水库饮用水水源地监管，宋小晴等[12]构建了空天地一体化监管体系，利用卫星遥感、无人机遥感和人工复核相结合的方式，构建了包括水源保护区内水域面积、水质参数、植被覆盖、土地利用格局、裸露地块监管及污染源综合整治等功能在内的饮用水水源地监管框架体系，并在小型水源地的六项重要监管工作中得到实际应用。

饮用水水源地污染源溯源也备受关注，吴名栈等[13]提出了空天地一体化的污染源调查溯源技术体系，以粤港澳大湾区某河道型水源地作为实
第8卷第2期21
例，开展污染源调查溯源工作。

通过综合运用卫星遥感水质反演、无人机污染源排查、人工采样比对分析，逐层递进地开展调查溯源，快速精准地定位污染源，弥补了常规监测方法与技术存在的局限性，形成了一套可复制、可推广的水源地监测溯源技术体系。

2.1.3河湖水域岸线监管
空天地一体化监测技术在河湖监管中发挥着重要作用，在山东[14]、浙江[4]、湖北[15]都开展了实证研究及应用。

针对传统河湖水域岸线监管主要采取人工巡河方式、巡查效率较低等问题，山东省在典型河湖岸线监管中采用了基于空天地一体化河湖水域岸线遥感监管模式[14]，即以高分辨率影像为基础，依托河湖水域岸线遥感监管平台，形成卫星遥感解译—重点区域无人机航拍—人工现场复核—线上问题下发—线下整治—线上审核的全流程监管模式。

杭州市实证研究表明[4]，利用卫星遥感、无人机、无人船等多源监测手段开展城市河道的空天地协同监测，可完成河道的水域提取、水资源调查保护、水污染监测、水质检测、水域岸线管理保护工作，最大限度发挥河长制的优势。

空天地协同河道监测体系见图2。

图2空天地协同河道监测框架体系图[6]
Fig.2Frame system diagram of space-air-ground coordinated river channel monitoring
2.2在大气环境领域中的应用
空天地一体化的大气环境监测在应用层面上有许多尝试。

早在2012年，广州市[16]通过对环境空气自动监测网络的集成优化，增设站点、扩展监测项目和引入新技术，建立了“金字塔形”的空天地一体化的环境空气监测网络，弥补了环境质量信息及对环境空气质量的评估等方面的不足。

银川市[17]采用1个主站、2个雷达子站（雷达组网）和1个移动站（走航观测）三者相结合的方式，并以卫星遥测为辅助，形成空天地一体化立体监测网络，完善了空间立体监测能力体系，可实时反映城市之间和区域之间的污染物输送影响，实现污染源的快速查找及对突发污染事件的快速响应，为雾霾预警预报提供了准确、有效、全面的数据支撑。

王维维等[18]构建了复杂地形条件下的空天地一体化大气污染立体监测技术体系，形成了相关的质量控制方法，发展数据融合与综合应用平台，并在成渝地区开展技术应用示范，实现环境质量监测、污染物溯源、污染预测预警等功能，为建立我国区域大气污染联防联控监管模式提供了科技支撑。

2.3在水土保持监管中的应用
2017年，水利部印发《生产建设项目水土保持“天地一体化”监管技术规定（征求意见稿）》，2018年发布《国家水土保持监管规划（2018—2020年）》，大力推进环水保监管的信息化，开展建设项目“天地一体化”的水土保持监管，由此水土保持工作开始了采用卫星遥感监测、低空无
刘冰，等：空天地一体化环境监测体系研究和应用进展
卫星遥感无人机无人船视频监控
水域面积监测
水
域
岸
线
监
测
水
体
水
质
监
测
多
角
度
立
体
测
绘
重
点
流
域
水
质
监
测
水
底
地
形
测
量
重
点
污
河
排
污
口
监
控
重
点
水
域
岸
线
监
控水资源调查保护水域岸线管理保护水质及水污染监测
三峡生态环境监测/第8卷22
人机监测和地面监测的综合模式的空天地一体化监测的全新实践。

在北京机场修建[19]、国家电网工程[20]、水电站开发建设项目[21]等工程项目中都采用了卫星遥感、无人机及地面监测相结合的空天地一体化监测技术，形成以“卫星遥感普查-无人机详查-人工现场勘察”为主体的环水保监管体系，开展建设项目的“天地一体化”环水保监管应用。

通过从遥感核查确定重点区域，进而针对性地开展无人机详查和人工现场核查，三者相辅相成、优势互补，能够有效获取工程建设期间的环水保信息，实现施工现场环保水保问题高效、精准、及时、全面的监管，在提质增效的同时，有力保护生态环境。

2.4在自然资源保护中的应用
空天地一体化的监测技术在自然资源保护中发挥了越来越大的作用。

中科院、北京师范大学、兰州大学、中国地质调查局等依托黑河流域原有观测基础，结合遥感观测和人工样地调查，初步构建起黑河流域自然资源要素综合观测网络，基本覆盖了黑河流域草原、森林、河流、湖泊、荒漠、湿地、农田等主要地表资源类型[22]。

太仓市通过对天地空一体化自然资源监管体系的研究，成功建立了数据资源管理平台，实现遥感监测成果和各类监测数据自动化提取、一体化应用[23]。

基于“空天地网”一体化智慧监测体系建立的日照市耕地保护执法监管平台正式运行，提高了耕地保护执法公信力，实现了耕保执法的节约化和便捷化，提供了“空天地网”一体化监测体系应用于耕地保护执法监管的有效案例[24]。

莒县在第三次国土调查中，采用了空天地一体化技术，内业信息提取环节比传统人工效率提升20倍，环节执行周期缩短1/2，极大地节约了成本，提升了工作效率[25]。

2.5在自然灾害防治中的应用
在自然灾害频发的今天，建立自然灾害监测预警系统势在必行。

从监测、预警、会商、评估等主要业务环节着手，系统应实现“空、天、地、人、网”数据的全部接入[26]。

利用空天地一体化技术手段，构建空天地一体化自然灾害综合风险智能管理平台，采用自然灾害致灾因子深度分析、风险评价模型构建、综合风险评价分析，实现计算机辅助智能分析综合风险，已有的试点应用表明，管理系统能够较好地满足自然灾害监测预警业务需求[27]。

在具体的自然灾害监测预警领域，空天地一体化监测技术实际的应用正越来越多。

在汛情监测[28-29]、森林防火[30]、滑坡[31-32]及矿区地质[33-36]等领域的应用日趋成熟。

3空天地一体化监测技术未来展望
当前，空天地一体化监测技术在我国刚刚起步，在关键技术突破、空天地监测系统完善、应用领域扩展等方面需要不断进行探索。

未来，结合卫星遥感、航空遥感和地面监测的空天地一体化立体监测体系有望得到大力发展。

可以预见，随着空天地一体化监测技术的不断发展，空天地一体化监测系统的不断完善，未来的数据来源更加丰富，应急响应更加快速，决策手段更加精准，辅助研判更加智能，呈现方式更加多元，将对推动我国发展循环经济、改善环境质量、强化风险信息感知、提高预警防灾能力产生深远影响。

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