第1章 绪论
　　目前，航空航天遥感正向高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率等方向迅猛发展（李德仁等，2012）。高分辨率卫星遥感技术逐渐呈现出高精度、多层、立体、多角度、多极化、全方位、全天候发展局面，涵盖紫外、可见、红外、偏振、高光谱、微波、激光等主被动协同多种手段的趋势，可以在环境保护领域中发挥巨大作用。针对环境保护工作特点的高分辨率环境遥感技术能够广泛应用在大气、水、土壤污染防治和生态保护等国家环境保护的重点工作中，提高环境监测的定量化和精细化水平，奠定环境保护精细化、信息化管理基础，提升环境监测、监管、督查执法等能力和水平，为国家环境管理、决策、环境外交和生态文明建设等工作提供有力的技术支撑。
　　针对高分辨率环境遥感技术的特点，结合新时期国家环境保护的重点工作，本书系统全面地阐述高分辨率环境遥感的理论、技术和应用等体系，以提升我国环境遥感应用的水平，促进环境遥感技术的发展和进步。
　　本章主要概述我国高分专项的背景，以及高分辨率卫星环境遥感的概念、特征、现状、发展、需求和潜力。
　　1.1 高分辨率卫星遥感概述
　　高分辨率卫星遥感是近几十年来发展起来的高新科学技术，是一个与传统中低分辨率比较的相对概念。狭义上主要是指高空间分辨率卫星遥感，例如，20世纪80年代法国发射空间分辨率为10m的SPOT卫星，21世纪以来特指空间分辨率优于1m的商业卫星（关元秀和程晓阳，2008）。广义上包括高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率，甚至高辐射分辨率等特征，综合国内外高分辨率卫星遥感发展技术，本书主要介绍空间分辨率优于2m、光谱分辨率优于5nm、时间分辨率优于1天等特征的广义高分辨率卫星遥感技术。
　　目前，国外高分辨率卫星技术较为先进，商业化运行模式较为成熟，诸如目前在轨运行的高空间分辨率光学卫星IKONOS（1m）、QuickBird（0.61m）、GeoEye（0.41m）、WorldView（0.3m）等，高空间分辨率雷达卫星TerraSAR（1m）、RADARSAT-2（1m），国内均有代理。另外，还有高光谱分辨率的卫星EO-1 Hyperion（5nm）、PROBA CHRIS（1.3～12nm）、Aura OMI（0.45～1.0nm）等卫星，高时间分辨率的卫星Meteosat-7（15min）等。国内的高分辨率卫星特别是我国高分专项系列卫星也正在蓬勃发展，如高空间分辨率光学卫星ZY-3（2.1m）、ZY1-02C（2.36m）、CBERS-2B（2.36m）、GF-1（2m） 、GF-2（1m）、GF-3（1m）等，高光谱分辨率的卫星HJ-1A（5nm），高时间分辨率的气象卫星FY-2（30min）、GF-4（分钟级）等（赵少华等，2015a）。
　　高分辨率环境遥感是指利用高分辨率卫星、航空等遥感技术探测和研究环境污染的空间分布、时间尺度、性质、发展动态、影响和危害程度，以便采取环境保护措施或制定环境规划的遥感活动，其具有多空间尺度、多时间尺度、多用途和多学科综合性等特点，例如，多空间尺度上，环境变化的空间尺度不同，需要采用不同的遥感手段，对全球、区域环境监测要用高时间分辨率手段，对局部污染源排放监测要用高空间分辨率手段；多时间尺度上，对水体污染事故需要小时级监测，对秸秆焚烧、水华暴发需要每天观测，对土地利用、植被覆盖等需要月度或季节监测等；多用途上，分为大气环境遥感、水环境遥感、土壤环境遥感、生态环境遥感等方面，对大气污染气体监测等需要高光谱、高时间分辨率等手段，对水污染、城镇黑臭水体等监测需要高空间、高光谱分辨率等手段，对土壤污染监测需要高空间、高光谱分辨率等手段，对生态环境监测需要高空间分辨率、大幅宽等手段；从多学科综合角度阐述，需要地理科学、环境科学等相结合（王桥等，2005）。
　　1.1.1 我国高分专项基本情况
　　高分专项是国务院《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》确定的16个国家科技重大专项之一，高分专项于2010年5月通过国务院等审批后已全面启动实施，其目标是发展基于卫星、飞机和平流层飞艇的高分辨率先进观测系统，形成时空协调、全天候、全天时的对地观测系统，建立对地观测数据中心等地面支撑和运行系统，提高我国空间数据自给率，形成空间信息产业链，保障环境保护、现代农业、防灾减灾、资源调查、国家安全等重大战略需求。其具有以下特点：①观测平台具有天基、临近空间和航空三个层次，其中天基平台又分别有极轨卫星平台和静止卫星平台；②观测分辨率具有高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率遥感能力；③观测频段范围宽，覆盖紫外、可见、红外和微波段；④观测方式包括被动观测和主动观测两种方式，其中，主动观测又分别有雷达和激光；⑤观测参数不仅有辐射能量测量，还有辐射偏振测量。高分辨率对地观测系统包括七颗民用卫星，涉及高空间分辨率、高光谱分辨率、合成孔径雷达等特点，其发射进度见表1.1.1，各卫星的构型和影像如图1.1.1～图1.1.10所示。2013年4月26日发射的高分一号卫星，搭载全色分辨率2m、多光谱分辨率8m高分辨率相机，并携带分辨率16m幅宽800km的宽幅相机，是典型的高时间分辨率（宽覆盖）遥感卫星；2014年8月19日发射的高分二号卫星，携带全色分辨率优于1m、多光谱分辨率优于4m的高分辨率相机，实现较高的空间分辨率；2015年12月29日发射的高分四号卫星，携带分辨率高达50m全色多光谱相机，带有中红外波段，可在静止轨道上对大范围区域进行实时观测；2016年8月10日发射的高分三号卫星，携带一台分辨率达到1m的C波段多极化合成孔径雷达，是我国空间分辨率*高的民用雷达卫星；2018年5月9日发射的高分五号卫星，是我国**颗民用高光谱观测卫星，大气高光谱载荷分辨率能力可达0.3nm，它还携带气溶胶探测仪、温室气体探测仪等探测设备；2018年6月2日发射的高分六号卫星是一颗全色分辨率2m、多光谱分辨率8m的遥感普查卫星；2019年11月3日发射的高分七号卫星属于立体测绘卫星，能为相关部门提供高分辨率的空间立体测绘数据。
　　表1.1.1 高分卫星发射进度
　　图1.1.1 高分一号卫星示意图
　　图1.1.2 高分一号卫星2m全色/8m多光谱融合影像（山西大同）
　　图1.1.3 高分二号卫星示意图
　　图1.1.4 高分二号卫星0.8m全色/3.2m多光谱融合影像（北京）
　　图1.1.5 高分三号卫星示意图
　　图1.1.6 高分三号卫星1m HH（同向极化，H表示水平）极化影像（厦门）
　　图1.1.7 高分四号卫星示意图
　　图1.1.8 高分四号卫星50m多光谱影像（黄河三角洲）

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 高分辨率卫星遥感概述 1
1.1.1 我国高分专项基本情况 2
1.1.2 高分辨率卫星遥感现状及发展 8
1.2 高分辨率卫星环境遥感应用需求分析 9
1.2.1 高分辨率大气环境遥感监测技术应用需求 10
1.2.2 高分辨率水环境遥感监测技术应用需求 12
1.2.3 高分辨率生态环境遥感监测技术应用需求 14
1.3 高分辨率卫星数据环境应用潜力分析 17
1.3.1 高分一号卫星数据环境应用潜力分析 17
1.3.2 高分二号卫星数据环境应用潜力分析 19
1.3.3 高分三号卫星数据环境应用潜力分析 20
1.3.4 高分四号卫星数据环境应用潜力分析 21
1.3.5 高分五号卫星数据环境应用潜力分析 22
1.3.6 高分六号卫星数据环境应用潜力分析 23
1.3.7 高分七号卫星数据环境应用潜力分析 24
第2章 面向环境保护的高分图像数据处理关键技术及应用 25
2.1 高分光学影像大气校正技术 25
2.1.1 6S辐射传输模型原理 26
2.1.2 应用实例 28
2.2 高分光学影像几何精校正/正射校正技术 31
2.2.1 多项式几何校正技术原理 31
2.2.2 应用实例 34
2.3 高分SAR影像几何精校正技术 42
2.3.1 距离-多普勒模型原理 42
2.3.2 应用实例 46
2.4 高分光学影像辐射校正技术 47
2.4.1 原理方法 48
2.4.2 应用实例 50
2.5 高分多源数据融合技术 56
2.5.1 CRISP算法原理 57
2.5.2 应用实例 59
2.6 高分光学影像土地覆盖变化检测技术 63
2.6.1 支持向量机的方法原理 63
2.6.2 应用实例 64
第3章 高分大气环境遥感监测关键技术及应用 67
3.1 基于高分卫星数据的近地面颗粒物反演技术 68
3.1.1 技术原理 69
3.1.2 应用实例 71
3.2 O3柱浓度高分遥感反演技术 76
3.2.1 紫外辐射后向散射反演O3 柱浓度技术原理 76
3.2.2 应用实例 77
3.3 基于高分卫星遥感的空气质量评价方法 81
3.3.1 基于多元线性回归模型的反演方法 81
3.3.2 应用实例 83
3.4 基于波段残差算法的SO2对流层柱浓度反演 85
3.4.1 技术原理 85
3.4.2 应用实例 87
3.5 基于差分吸收光谱的NO2对流层柱浓度反演 89
3.5.1 技术原理 90
3.5.2 应用实例 91
第4章 高分辨率水环境遥感监测关键技术及应用 94
4.1 水华高分遥感监测技术 95
4.1.1 基于多光谱遥感的自适应水华识别技术 95
4.1.2 基于高光谱遥感的高精度水华识别技术 98
4.1.3 基于SAR遥感监测的水华分布提取技术 100
4.2 溢油高分遥感监测技术 105
4.2.1 基于CFAR技术监测溢油的原理 106
4.2.2 应用实例 107
4.3 河口水质高分遥感监测技术 109
4.3.1 基于统计模型的河口水质高分遥感监测技术原理 109__
4.3.2 应用实例 112
4.4 饮用水水源地水环境安全评价技术 120
4.4.1 面向对象的消落带高分遥感提取技术 120
4.4.2 基于半经验模型的水质安全评价技术 125
4.4.3 基于层次分析法的饮用水水源地安全评价技术 136
第5章 高分辨率生态环境遥感监测关键技术及应用 146
5.1 基于高分卫星的生态系统自动分类和生态参数反演技术 147
5.1.1 土地利用与覆盖和土地生态分类技术 147
5.1.2 生态系统多样性与生境类型分类技术 151
5.1.3 基于高分卫星的叶面积指数反演技术 156
5.1.4 基于高分卫星的蒸散反演技术 160
5.2 自然保护区高分遥感监测技术 170
5.2.1 自然保护区人类干扰动态监测技术 170
5.2.2 自然保护区生境信息提取 177
5.3 矿山开发环境破坏高分遥感监测技术 183
5.3.1 未批先建工程和尾矿库自动识别模型 183
5.3.2 矿产资源开发植被破坏与恢复监测评价 185
5.3.3 矿山资源开发对周边生态环境影响监测 191
5.3.4 矿山开发生态破坏风险评估 194
5.4 农村生态环境高分遥感监测技术 198
5.4.1 农村基本农田保护遥感监测技术 198
5.4.2 农村植被生态遥感监测技术 201
5.5 城市生态环境高分遥感监测技术 204
5.5.1 面向对象的遥感图像城市生态用地提取技术 204
5.5.2 城市固体废弃物遥感信息提取技术 208
5.5.3 城市热环境监测技术 210
5.6 生物多样性高分遥感监测技术 215
5.6.1 物种识别与分类技术 215
5.6.2 河口淤泥潮沟分布变化和生态要素精细提取技术 218
第6章 高分环境应用示范平台研发 232
6.1 高分环境应用示范平台总体设计 232
6.1.1 总体设计思路 232
6.1.2 系统组成结构设计 235
6.1.3 数据库总体设计 235
6.1.4 系统平台接口总体设计 241
6.1.5 系统软硬件设计 243
6.2 卫星轨道预测分系统组成与运行实例 245
6.2.1 卫星轨道预测分系统组成 245
6.2.2 卫星轨道预测分系统运行实例 245
6.3 任务规划分系统组成与运行实例 247
6.3.1 任务规划分系统组成 247
6.3.2 任务规划分系统运行实例 247
6.4 3-6级产品生产分系统组成与运行实例 248
6.4.1 3-6级产品生产分系统组成 248
6.4.2 3-6级产品生产分系统运行实例 248
6.5 数据与数据库管理分系统组成与运行实例 251
6.5.1 数据与数据库管理分系统组成 251
6.5.2 数据与数据库管理分系统运行实例 252
6.6 专题制图与可视化分系统组成与运行实例 253
6.6.1 专题制图与可视化分系统组成 253
6.6.2 专题制图与可视化分系统运行实例 253
6.7 产品分发与用户服务分系统组成及运行实例 255
6.7.1 产品分发与用户服务分系统组成 255
6.7.2 产品分发与用户服务分系统运行实例 255
6.8 高分环境图像处理应用示范分系统组成与运行实例 258
6.8.1 高分环境图像处理应用示范分系统组成 258
6.8.2 高分环境图像处理应用示范分系统运行实例 258
6.9 高分大气环境遥感监测应用示范分系统组成与运行实例 260
6.9.1 高分大气环境遥感监测应用示范分系统组成 260
6.9.2 高分大气环境遥感监测应用示范分系统运行实例 260
6.10 高分水环境遥感监测应用示范分系统组成与运行实例 262
6.10.1 高分水环境遥感监测应用示范分系统组成 262
6.10.2 高分水环境遥感监测应用示范分系统运行实例 262
6.11 高分生态环境遥感监测应用示范分系统组成与运行实例 264
6.11.1 高分生态环境遥感监测应用示范分系统组成 264
6.11.2 高分生态环境遥感监测应用示范分系统运行实例 264
第7章 高分环境遥感监测应用示范 267
7.1 高分大气环境遥感监测应用示范 267
7.1.1 重点城市群空气质量高分遥感监测应用示范 267
7.1.2 污染气体高分遥感监测应用示范 306
7.1.3 京津冀地区温室气体高分遥感监测应用示范 317
7.2 高分水环境遥感监测应用示范 320
7.2.1 水体水质高分遥感监测应用示范 320
7.2.2 饮用水水源地安全高分遥感监测应用示范 330
7.2.3 水华、水草、溢油高分遥感监测应用示范 365
7.3 高分生态环境遥感监测应用示范 378
7.3.1 ***自然保护区高分遥感监测应用示范 378
7.3.2 矿山资源开发环境破坏高分遥感监测应用示范 382
7.3.3 农村生态环境高分遥感监测应用示范 386
7.3.4 城市生态高分遥感监测应用示范 389
7.3.5 生物多样性高分遥感监测应用示范 399
参考文献 405