關鍵詞：激光雷達組網(wǎng)；生態(tài)環(huán)境污染；遙感監(jiān)測；RSEI；主成分分析法

中圖分類號：X87 文獻標志碼：B

前言

隨著人類社會的快速發(fā)展和城市化進程的推進，生態(tài)環(huán)境污染問題日益凸顯，并對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重的影響。然而，要全面了解和監(jiān)測這些污染問題的分布、來源和演變趨勢，傳統(tǒng)的野外調(diào)查方法受限于時間、空間和成本等方面的制約，無法滿足實時連續(xù)監(jiān)測的要求。

針對此問題，相關領域?qū)W者也得到了一些較好的研究成果，例如：史浩東等人確定了光學信息采集、特性生成和傳輸機理、高分辨信息解混、重構與增強以及識別反演，實現(xiàn)海洋生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測。盧光華等人將航空遙感探測技術和場地數(shù)據(jù)數(shù)值模擬計算相結合，以完成垃圾總體量和分布特點的分析，然后獲取水污染源的結構和分布特點，并結合場地水文地質(zhì)條件設計地下水監(jiān)測方案。但是，不同地表類型和大氣條件可能導致校正效果的差異，校正精度可能會降低。李家藝等人根據(jù)實地觀測照度設計經(jīng)驗模型以獲得南京夜間亮度，利用夜間亮度獲取夜間光污染分布情況，實現(xiàn)光污染監(jiān)測。然而，該方法也存在一些弊端和限制，包括解混的準確性挑戰(zhàn)、航空遙感的局限性和表觀輻射亮度改性的復雜與場景適應性問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出基于激光雷達組網(wǎng)的生態(tài)環(huán)境污染遙感監(jiān)測方法。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域

將山東省南四湖作為此次的研究區(qū)域，南四湖處于山東省的西南方向，屬于山東省最大的淡水湖，流域氣候為暖溫帶季風氣候，年平均氣溫在20℃左右。南四湖包括上、下兩級湖，全湖平均水深約為1.5m，上級湖包括邵陽湖、獨山湖以及南陽湖，此次研究區(qū)域即為上級湖和周邊位置。

1.2監(jiān)測方法

將激光雷達組網(wǎng)作為觀測儀器。激光雷達組網(wǎng)中具有多個功能與頻率不同的激光雷達，這些雷達負責獲取生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，并在規(guī)定時間內(nèi)將搜集到的航跡與點跡數(shù)據(jù)發(fā)送給指揮中心；指通方艙負責將各個雷達搜集到的數(shù)據(jù)展開統(tǒng)計匯總和上報，并將數(shù)據(jù)展開融合處理、完成組網(wǎng)內(nèi)部所有雷達的運行狀態(tài)監(jiān)測；指揮中心主要負責激光雷達組網(wǎng)的管理及分布優(yōu)化、數(shù)據(jù)顯示，確保雷達組網(wǎng)的安全運行。激光雷達組網(wǎng)的系統(tǒng)結構見圖1。

如圖1所示，激光雷達組網(wǎng)中包括n不同種類的激光雷達，并形成了不同預警程度的數(shù)據(jù)探測網(wǎng)，能夠完成不同等級預警雷達的針對性配置、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)共享以及不同雷達之間的空域補償。對于激光雷達組網(wǎng)收集到的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，利用主成分分析法對大氣污染、土壤污染、飲用水體污染以及生活用水污染指標展開集成處理，將主成分的方差作為權重，首先對四個評價指標展開標準化處理，然后根據(jù)得到的所有標準化指標展開生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合評價，設計思路如下：

1.2.1指標標準化處理

基于遙感監(jiān)測收集到的指標量綱存在差異的問題，需要通過極差標準化對所有指標展開處理，使全部指標的量綱都為[0，1]，標準化處理后的指標NI定義如式（1）：

2結果與分析

2.1主成分分析

將指標展開主成分分析后得到的結果如表1所示（表中的PC1、PC2、PC3、PC4分別表示第一、二、三、四主成分），結果可分為三點：（1）指標處理前、處理中與處理后階段的所有指標第一主成分貢獻率為63.78%、73.92%與68.21%，這說明第一主成分中包含了大氣污染、土壤污染、飲用水體污染和生活用水污染的大多數(shù)特征；（2）在第一主成分（PC1）中，大氣污染與飲用水體污染呈現(xiàn)正數(shù)，而土壤污染與生活用水污染呈現(xiàn)負數(shù)，因此大氣污染和飲用水體污染對南四湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生正面影響，而土壤污染與生活用水污染對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生負面影響；并且在處理前、中、后階段中，生活用水污染對應的系數(shù)值最大，表示生活用水污染對南四湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生的影響最大；（3）在剩余主成分中，各指標值的穩(wěn)定性較差，對結果分析的準確率較低，因此根據(jù)第一主成分來建立RSEI污染模型。為使獲得的RSEI污染指數(shù)和南四湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對應，通過1-PC1計算初始生態(tài)指數(shù)為RSEI₀，并對RSEI₀實施標準化處理，獲得最終的RSEI值。

通過相關系數(shù)對RSEI污染模型的適用度展開驗證，如果相關系數(shù)越靠近1，則RSEI污染值越能反映四個指標的特征，即RSEI虧染模型的適用度更高。設定A、W、T和D為適用度分析中的南四湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標，則指標A的平均相關度VA定義如式（4）：

不同指標之間以及和RSEI污染之間的相關系數(shù)見表2。

分析單指標結果發(fā)現(xiàn)，四個指標中相關度最高的為生活用水污染，處理前、中、后期的相關度平均值是0.777；剩下指標的相關度按照從大到小的順序分別為大氣污染、土壤污染和飲用水體污染，對應的相關度均值為0.726、0.688、0.659；根據(jù)RSEI污染和上述四個指標間的結果發(fā)現(xiàn)，各階段的相關度均值都大于0.8，因此遙感生態(tài)指數(shù)RSEI污染比一個指標更能體現(xiàn)南四湖生態(tài)環(huán)境污染程度。

2.2人類活動分析

由于國家出臺了退耕還草還林的相關政策，從2004年至2022年山東省南四湖附近山區(qū)共退耕還草還林約12286. 82km²，面積占2004年南四湖附近山區(qū)耕地面積的19.89%，占南四湖山區(qū)總面積的6.02%。實施退耕還草還林計劃的大部分區(qū)域都在五四湖附近山區(qū)。

為比較南四湖全部退耕還草還林區(qū)，現(xiàn)對沒有實施退耕的區(qū)域和南四湖附近山區(qū)整體的RSEI污染平均值與變化速率展開計算，得到的結果見表3。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)能夠得知，南四湖附近山區(qū)的退耕還草還林區(qū)域?qū)腞SEI平均值為0.54，而全區(qū)和未退耕區(qū)域的RSEI平均值分別為0.50和0.39，表明退耕區(qū)域的RSEI平均值遠高于南四湖山區(qū)全區(qū)和未退耕區(qū)；退耕區(qū)的RSEI變化速率為0.13，也高于全區(qū)的RSEI變化速率0.06和未退耕區(qū)的0.10。因此，對于南四湖附近山區(qū)而言，退耕還草還林區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量要比全區(qū)和未退耕區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高，即人類采取的退耕還草還林活動能夠有效降低生態(tài)環(huán)境的污染程度。

2.3生態(tài)環(huán)境的時空變化分析

為了提高確保對生態(tài)環(huán)境污染的精準監(jiān)測，需要對山東省南四湖生態(tài)環(huán)境的時空變化展開可視化分析，將遙感生態(tài)指標RSEI污染分為5個等級，分別是差（0～0.2）、較差（0.2～0.4）、中等（0.4～0.6）、良（0.6～0.8）、優(yōu)（0.8～1.0）.

如表4所示按照上述分級方式得到的1992年-2022年南四湖上級湖區(qū)域的遙感生態(tài)指標RSEI污染分級結果。

如表4所示，南四湖西部的生態(tài)環(huán)境污染程度比東部的低，原因是東北部的大部分地區(qū)多為低山丘陵，導致水土流失現(xiàn)象頻繁發(fā)生。從1992年至2022年，南四湖東北區(qū)域的生態(tài)環(huán)境污染程度已有所降低，根本原因是在這30年間持續(xù)開展的退耕還林還草活動，加強了土壤的利用性，降低了水土流失的程度。南四湖的東南區(qū)域的礦區(qū)面積較大，且一直在實施煤礦的開采活動，使得部分區(qū)域發(fā)生地表沉降現(xiàn)象，這直接造成了草地、耕地和林地面積的減少，植被覆蓋度也隨之降低，從而使該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境等級由1992年的優(yōu)和良等級變?yōu)?022年的較差和差，生態(tài)系統(tǒng)的功能也更加脆弱。從全局來看，南四湖西部的生態(tài)環(huán)境等級較高，環(huán)境污染程度較低，但存在少部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差，遭受的環(huán)境污染在持續(xù)向四周擴散，西部附近較多耕地改為房屋建設用地，建設過程中產(chǎn)生大量污染使得環(huán)境質(zhì)量下降。南四湖湖區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級在1992年時多為優(yōu)和良等級，到2022年時已降為中等等級，主要原因是湖區(qū)區(qū)域存在新安、湖西和濱湖三大煤礦，且三個煤礦計劃開采煤量巨大，頻繁的開采活動降低了南四湖湖區(qū)的物種多樣性以及生態(tài)功能，使湖區(qū)自然生態(tài)環(huán)境較差，產(chǎn)生的污染問題較為嚴重。

為了得到山東省南四湖區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境污染的定量分析和對比，現(xiàn)以每10年為間隔，根據(jù)1992年-2022年的各年份RSEI污染值變化情況，對不同的RSEI污染等級對應的面積和所占比例展開計算，計算結果見表5。

分析表5可知，從1992年-2022年，RSEI污染的優(yōu)級面積呈現(xiàn)下降趨勢，且面積下降的百分比為18.245%；從1992-至2012年，良等級和中等等級面積所占比例呈逐漸上升趨勢，但從2012年-2022年，面積所占比例又逐漸下降；從1992年-2012年，較差等級和差等級對應的面積所占比例呈下降趨勢，從2012年-2022年，比例又逐漸上升。

3結束語

通過對基于激光雷達組網(wǎng)的生態(tài)環(huán)境污染遙感監(jiān)測結果展開分析得到以下結論：在大氣污染、生活用水污染、飲用水體污染和土壤污染四個指標中，指標之間相關度最高的是生活用水污染，生活用水污染對生態(tài)環(huán)境污染程度的影響也最大，但RSEI污染指標與上述四個指標間的相關度比單獨指標間的相關度要高，表明遙感生態(tài)指標RSEI污染能精準地呈現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境污染程度。由于退耕還林還草等人類活動的實施，退耕還林還草區(qū)域的遙感生態(tài)污染指標RSEI值和污染變化速率比南四湖附近山區(qū)整體更嚴重。南四湖的西部整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較高，但東南部受到煤礦開采工作的影響，植被覆蓋度逐漸降低，土壤污染和生活用水污染指標上升，說明煤礦開采工作會加重南四湖生態(tài)環(huán)境的污染情況，而植樹造林能夠防止水土流失，降低生態(tài)環(huán)境的污染程度。