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    遙感技術在環(huán)境監(jiān)測中的應用進展與思考

    2021-12-07 02:36:56侍昊李旭文牛志春姜晟張悅王甜甜紀軒禹
    環(huán)境監(jiān)控與預警 2021年6期
    關鍵詞:環(huán)境遙感環(huán)境監(jiān)測江蘇省

    侍昊,李旭文*,牛志春,姜晟,張悅,王甜甜,紀軒禹

    (1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心 江蘇 南京 210019; 2.江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控有限公司 江蘇 南京 210019)

    近年來,環(huán)境監(jiān)測充分發(fā)揮生態(tài)保護的“頂梁柱”和“生命線”的作用,全力支撐打好污染防治攻堅戰(zhàn),持續(xù)推進環(huán)境質量明顯改善[1]。在這個轉變的階段,遙感技術的快速發(fā)展有效帶動了環(huán)境多元監(jiān)測能力的提升,環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)逐步從單一化向全要素轉變,監(jiān)測范圍逐步從孤立的點位,發(fā)展到城市、區(qū)域、乃至更大尺度空間[2]。目前環(huán)境遙感逐步從可見光向全譜段、從被動向主被動協(xié)同、從低分辨率向高精度轉變,獲取數(shù)據(jù)的時效性大幅增強,信息提取和定量反演精度明顯提高,應用領域也逐步擴大,充分支撐了生態(tài)環(huán)境保護工作,取得顯著成效[3]。

    1 我國環(huán)境遙感監(jiān)測發(fā)展歷程

    從20世紀90年代至今,國家組織開展的多次大規(guī)模、綜合性的專項工作帶動了環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務工作,并取得了長足的進步。1992—1995年,中國科學院、農(nóng)業(yè)部組織實施了國家資源環(huán)境遙感宏觀調查和動態(tài)研究,以資源環(huán)境組合分類系統(tǒng)為核心成套技術方法,初步分析了我國基本資源環(huán)境現(xiàn)狀[4]。2000—2002年,原國家環(huán)境保護總局以遙感技術為主、地面調查為輔,組織開展了全國及區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀遙感調查[5]。2003年,中國環(huán)境監(jiān)測總站初步提出生態(tài)環(huán)境質量評價指標體系,以省為單元,評價全國生態(tài)環(huán)境質量狀況;2005年起開始組織全國31個省(自治區(qū)、直轄市)環(huán)境監(jiān)測中心(站)利用遙感影像、環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)等對生態(tài)環(huán)境質量進行系統(tǒng)評價[6]。2011年,原環(huán)境保護部和中國科學院綜合利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),組織開展了全國生態(tài)環(huán)境10年(2000—2010年)變化遙感調查與評估專項工作,隨后又連續(xù)組織了2010—2015年、2015—2020年全國生態(tài)環(huán)境狀況變化遙感調查評估任務工作,從國家、典型流域(區(qū)域)和省域等不同空間尺度,利用遙感技術對生態(tài)環(huán)境狀況開展調查評估[7]。

    在中國知網(wǎng)上,以“環(huán)境”“遙感監(jiān)測”為主題詞,從1978年至今共搜索到各類學術期刊論文1 280余篇,主要表現(xiàn)出以下幾個方面的特點:(1)遙感監(jiān)測技術的熱點不斷變化。1978年吳錦[8]首次介紹了70年代以來國外遙感技術在環(huán)境污染監(jiān)測中的應用(注重技術介紹,最早可查文獻);1997年劉紀遠[4]系統(tǒng)介紹了國家資源環(huán)境遙感宏觀調查與動態(tài)監(jiān)測,形成了快速宏觀調查與動態(tài)監(jiān)測的技術方法體系(注重方法體系,被引次數(shù)最多);2013年謝濤等[9]詳細介紹了當前流行的無人機遙感傳感器、航空圖像拼接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P鍵技術及環(huán)境監(jiān)測應用(注重新型裝備,下載次數(shù)最多)。(2)遙感監(jiān)測技術的應用領域百花齊放。環(huán)境遙感監(jiān)測的文獻從20世紀80年代的零星發(fā)表增長到現(xiàn)在每年100多篇的刊文量(圖1),發(fā)表內容也從最初簡單的方法理論介紹逐步擴展到環(huán)境監(jiān)測可遙感的各個領域。(3)遙感監(jiān)測技術的應用更切實際。中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所、生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心等業(yè)務化應用單位發(fā)表了一批值得借鑒學習的研究成果,更偏向于工作中的實際使用。同時也出現(xiàn)了以江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心為代表的地方應用單位,長期高度重視環(huán)境遙感監(jiān)測工作,具備較強的業(yè)務化應用能力和較為穩(wěn)定的遙感監(jiān)測人才隊伍(圖2)。

    圖1 1978—2020年國內學術期刊環(huán)境遙感監(jiān)測論文數(shù)量

    圖2 1978—2020年發(fā)表環(huán)境遙感監(jiān)測論文數(shù)量排名前10名的機構名稱

    2 江蘇省環(huán)境遙感監(jiān)測應用情況

    江蘇省位于中國大陸東部沿海,北接山東,東瀕黃海,東南與浙江和上海毗鄰,西接安徽,省域經(jīng)濟綜合競爭力居全國前列,是中國經(jīng)濟最活躍的省份之一。江蘇以占全國1%的國土面積,承載著全國6%的人口,創(chuàng)造了超過全國10%的經(jīng)濟總量[10]。面對人類活動干擾大,環(huán)境承載能力弱的基礎條件,運用遙感監(jiān)測技術及時掌握生態(tài)環(huán)境質量現(xiàn)狀及動態(tài)變化顯得尤為重要。

    2.1 水環(huán)境遙感監(jiān)測應用不斷拓展

    江蘇省共有大小河道2 900多條,湖泊近300個,水庫1 100多座,水面面積占全省陸地面積的17%[11]。針對河流眾多、水網(wǎng)密布的特點,利用遙感技術監(jiān)測全省水環(huán)境狀況的歷史始于20世紀80年代末至90年代初期,相關技術人員在蘇南大運河、太湖地區(qū)開展相關水環(huán)境衛(wèi)星和航空遙感監(jiān)測的探索,在反映水體質量優(yōu)劣程度和變化趨勢上取得一定的進展,為后期工作開展積累了有益經(jīng)驗[12-14]。2007年5月底,太湖暴發(fā)嚴重影響無錫供水的藍藻水華事件后,江蘇省于當年7月初率先建立國內環(huán)保系統(tǒng)首個MODIS數(shù)據(jù)DVBS廣播式接收系統(tǒng),解決了藍藻水華衛(wèi)星遙感信息的獲取問題。通過積極參加國家“863”、環(huán)境衛(wèi)星應用示范、“十一五”水專項等專項課題研究,水環(huán)境遙感監(jiān)測應用的頻次及范圍逐步擴大,監(jiān)測因子不斷增多,持續(xù)開展野外水質遙感參數(shù)光譜采集與分析實驗,根據(jù)水體光譜的吸收、散射、形態(tài)特征等,建立水體光學信息提取模型,在水色、水質、藻類以及水生植被等方面開展了一系列業(yè)務工作。2011年起,江蘇省構建了藍藻預警監(jiān)測遙感數(shù)據(jù)實時接收和解譯系統(tǒng),在半小時內實現(xiàn)從衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收、處理、解譯、制圖等全流程的快速、自動化處理及時空變化分析,形成較為完整的水環(huán)境遙感業(yè)務產(chǎn)品[15-17],凸顯了應用遙感技術開展藻情監(jiān)測范圍大、間隔時間短的優(yōu)勢。“十三五”以來,在利用Terra/Aqua衛(wèi)星MODIS、Landsat衛(wèi)星TM/ETM+、GF衛(wèi)星CCD等常規(guī)影像數(shù)據(jù)開展工作的基礎上,水環(huán)境遙感監(jiān)測向以下方面不斷拓展:(1)利用Sentinel系列面向水色遙感且具有較高空間分辨率的新型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化藍藻水華、水生植被等的精細化提取算法,逐步提升監(jiān)測精度,提高實效[18-21];(2)嘗試使用無人機等新技術逐步向城市河道及農(nóng)村支流支浜等細小水域擴展,更快速、精細地捕捉和監(jiān)測水環(huán)境變化及物理生境情況[22-23];(3)2019年起升級構建新一代衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng),實現(xiàn)了對國內外主流衛(wèi)星Terra/Aqua、NPP等9顆高時間分辨率,GF 1-6、ZY3、ZY302等11顆國產(chǎn)高空間分辨率,Landsat-8、Sentinel-2 A/B等4顆中高分辨率,Sentinel-3A/B、Sentinel-5P等4顆快時間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的實時接收和傳輸,使得江蘇省主要水體和海域的監(jiān)測頻次從日級提升到了日內小時級響應。

    2.2 大氣環(huán)境遙感監(jiān)測應用初顯規(guī)模

    2012年起,江蘇省細顆粒物(PM2.5)監(jiān)測納入空氣質量監(jiān)測范圍和《大氣污染防治行動計劃》中,受到越來越多的關注[24]。在空氣質量點位常規(guī)監(jiān)測的基礎上,衛(wèi)星遙感監(jiān)測能夠在宏觀尺度上及時獲取大氣污染物分布、來源及路徑等,一定程度上彌補了地面監(jiān)測手段在區(qū)域尺度上的不足,為大氣污染的全方位立體監(jiān)測提供了技術支撐[25]。與水環(huán)境遙感監(jiān)測相比,江蘇省大氣環(huán)境遙感監(jiān)測起步較晚,但近年來發(fā)展迅速。

    2011年起,江蘇省開始嘗試利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),結合地面實測數(shù)據(jù)和氣象資料,開展秸稈焚燒、大氣氣溶膠、能見度、灰霾等遙感監(jiān)測業(yè)務等,研究探索衛(wèi)星光學探測與大氣能見度、PM2.5質量濃度探測之間的定量關系,優(yōu)化調整東部地區(qū)秸稈焚燒遙感監(jiān)測偽火點去除的關鍵技術。針對早期地面環(huán)境空氣監(jiān)測零星的數(shù)據(jù)以及缺少空氣質量的系統(tǒng)化站網(wǎng)監(jiān)測資料積累,且大氣污染帶來的氣溶膠增多首先表現(xiàn)為環(huán)境光學問題如區(qū)域能見度下降等,李旭文等[26-27]利用自1984年以來Landsat 衛(wèi)星系列TM/ETM+/OLI等傳感器獲得的全球連續(xù)性最好的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),分析了區(qū)域經(jīng)濟社會活動與區(qū)域大氣清潔度的關聯(lián),為中長期空氣質量歷史回溯提供一定的參考。牛志春等[28]從霾污染遙感監(jiān)測業(yè)務化流程出發(fā),梳理數(shù)據(jù)獲取、資料歸集及遙感評價等關鍵技術,較好地反映霾污染狀況的空間分布及地域差異,初步形成了空氣質量遙感監(jiān)測的業(yè)務化產(chǎn)品?!笆濉币詠?,遙感監(jiān)測產(chǎn)品更加趨向于高精度、靶向性應用,如對工地、裸露地塊的揚塵源和工業(yè)排放源進行定位和排放強度遙感監(jiān)測,全面服務支撐大氣污染防控工作。

    2.3 生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測應用日益精細

    近年來,江蘇省已建立包括3個國家級自然保護區(qū)在內的各級自然保護區(qū)共31個,占江蘇省面積的5.5%,全省自然濕地保護率高達46.2%。2018年江蘇省政府出臺《江蘇省國家級生態(tài)保護紅線規(guī)劃》,劃定全省國家級生態(tài)保護紅線區(qū)域總面積為18 150.34 km2,占全省陸海統(tǒng)籌國土總面積的13.14%[11]。“十二五”以來,通過大范圍、高精度的衛(wèi)星影像提高對各類重要保護區(qū)域的遙感監(jiān)測能力,初步形成便于監(jiān)管的生態(tài)保護體系。系統(tǒng)開展了生物物理及地表遙感參數(shù)反演、生態(tài)系統(tǒng)自動分類、生態(tài)質量評價因子信息提取、生態(tài)系統(tǒng)遙感評估等相關工作,注重將生態(tài)遙感監(jiān)測與評價分析深度結合,逐步形成對重要生態(tài)管控區(qū)域、突出生態(tài)問題的精細化監(jiān)管應用。一方面,引入ZY-3衛(wèi)星等高分遙感數(shù)據(jù)源對生態(tài)保護紅線區(qū)域開展監(jiān)測與評估應用,為省級生態(tài)補償轉移支付資金測算提供了重要依據(jù)[29-31];另一方面注重與地理學、氣象學、景觀生態(tài)學等交叉融合,嘗試對城市擴張、生態(tài)修復等對環(huán)境影響較大的熱點事件開展連續(xù)性跟蹤監(jiān)測評價[32-33]。

    江蘇省環(huán)境遙感監(jiān)測應用情況見圖3。由圖3可見,伴隨著遙感數(shù)據(jù)源從以衛(wèi)星為主轉變?yōu)樾l(wèi)星、航空、無人機遙感交叉協(xié)同,江蘇省的環(huán)境遙感監(jiān)測應用體系呈現(xiàn)出要素眾多、手段多樣、精度定量化高的特點,監(jiān)測業(yè)務同步向土壤、海洋、面源污染、環(huán)境應急、核安全、生物多樣性等多個領域擴展[34-35]。

    圖3 江蘇省環(huán)境遙感監(jiān)測應用情況

    3 思考與建議

    通過遙感技術獲取的大范圍、周期性以及長時間序列數(shù)據(jù),對于了解、掌握和管理區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化發(fā)揮著不可替代的作用。在初步形成的由航空與衛(wèi)星、監(jiān)測技術、業(yè)務產(chǎn)品構成江蘇省特色遙感監(jiān)測體系的背景下,遙感技術在監(jiān)測現(xiàn)狀、追溯過去、預測未來等方面還有許多工作值得進一步探索思考。

    3.1 重視數(shù)據(jù)同質處理,不束縛于特定傳感器

    遙感對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測時效性取決于數(shù)據(jù)源的時間分辨率。觀測設備重訪周期越短、空間分辨率越高、監(jiān)測時效性就越強。據(jù)不完全統(tǒng)計,全球擁有對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)的國家和機構運營已有超過30個,共有600多顆對地觀測衛(wèi)星在軌運行[36]。在中國,已形成以高分、資源、風云、海洋、環(huán)境等衛(wèi)星系列為主的較為完善的對地觀測衛(wèi)星體系,可獲取的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)將從TB級迅猛增長到PB級甚至EB級,呈現(xiàn)出明顯的“大數(shù)據(jù)”特征。

    面對數(shù)據(jù)爆炸式增長,省級生態(tài)環(huán)境監(jiān)測機構的遙感數(shù)據(jù)處理能力仍處于對某幾類傳感器、單要素、粗放式的水平。大數(shù)據(jù)的利用率低,處理速度慢,得不到充分利用,卻占用有限的存儲空間,甚至造成一定程度的浪費。因此,需要根據(jù)區(qū)域的監(jiān)測業(yè)務特點(如一些區(qū)域重點關注水質藻情、空氣污染過程等情況),形成不同的監(jiān)測尺度和指標的要求,建立規(guī)則化、模型化、流程化的遙感數(shù)據(jù)處理流程,形成技術標準規(guī)范,制作真正可協(xié)同應用的標準化產(chǎn)品,使遙感監(jiān)測結果能夠在時間、空間、傳感器、反演算法等方面可對比、可集成、可統(tǒng)計,為下一步工作的開展提供扎實的數(shù)據(jù)基礎。

    3.2 重視實地調查驗證,監(jiān)測方法選取要合理

    實地調研遙感監(jiān)測結果的真實性和準確性,是評價遙感技術方法可靠的重要途徑,是實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)到遙感信息轉換的關鍵環(huán)節(jié),但這一工作往往是現(xiàn)在遙感監(jiān)測中最容易忽視的。通過對生態(tài)環(huán)境、水環(huán)境、大氣環(huán)境3個領域共5個具有代表性的要素(土地利用/土地覆蓋、葉面積指數(shù)LAI、水華、葉綠素a、秸稈焚燒)的驗證發(fā)現(xiàn),實地調查驗證中尺度轉換與遙感影像產(chǎn)品驗證中影像自身精度,是影響環(huán)境遙感監(jiān)測方法精度的關鍵[37]。

    在某一地區(qū)或尺度,各載荷獲取數(shù)據(jù)的時間、外部條件一致,如果采用特定監(jiān)測方法能夠保證較高的結果精度。但考慮到區(qū)域尺度大范圍及異質性的特征,僅僅參照使用某一監(jiān)測方法可能給遙感監(jiān)測結果帶來較大誤差,影響了環(huán)境監(jiān)測的公信力和權威性。因此,根據(jù)自身的業(yè)務及區(qū)域特點,重視實地反復調查驗證,優(yōu)化改進遙感監(jiān)測的算法,使獲取的結果最大程度地接近真實值,努力拓展定性或半定量向精準定量監(jiān)測發(fā)展,做到從海量數(shù)據(jù)中去偽存真,快速、自動地挖掘隱藏在其后的各種信息,真正為解決各種生態(tài)環(huán)境管理工作提供靶向依據(jù)。

    3.3 重視基礎設施建設,特色應用匹配要充分

    據(jù)不完全統(tǒng)計,我國以生態(tài)環(huán)境部為主用戶的環(huán)境遙感監(jiān)測在軌衛(wèi)星共4顆,7顆環(huán)境監(jiān)測后續(xù)衛(wèi)星也已獲批立項,在國家層面已經(jīng)建成了可同時接收多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地面配套設施,配備了服務器、存儲設備、圖形工作站等一批先進的硬件設備[38]。地方層面先后發(fā)射了吉林一號、高景衛(wèi)星、深圳一號、珠海一號、北京二號等各類商業(yè)衛(wèi)星。

    但目前由各地方發(fā)射的各類衛(wèi)星總體上仍處于討論和探索階段,呈現(xiàn)高端不足、低端過剩、波段設置不能有效滿足監(jiān)測需求等現(xiàn)象。而環(huán)境遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)仍主要依靠國內外大型機構的分發(fā)或購買等,獲取的途徑有限,時效性、針對性不足。兩者之間呈現(xiàn)供需不平衡,應用價值未被充分挖掘,硬件建設與業(yè)務應用匹配度不強。例如,對于太湖等省內大型湖泊(水體)富營養(yǎng)化及藻藍蛋白的遙感監(jiān)測,國際、國內只有地面分辨率偏粗的Sentinel-3設置了620 nm等特征峰波段等。鑒于此,江蘇可以根據(jù)大氣、地表水、土壤、海洋、省域生態(tài)系統(tǒng)等典型問題的需求,積極謀劃能夠與全省地表水、空氣自動站網(wǎng)、PM2.5及揮發(fā)性有機物(VOCs)熱點網(wǎng)格高度協(xié)同的“江蘇一號”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星立項建設,形成具有特色的遙感衛(wèi)星服務能力。同時可邀請地方政府、社會資本、科研機構等共同參與,將衛(wèi)星發(fā)射、參數(shù)測控、軌道資源、數(shù)據(jù)交換等統(tǒng)籌考慮,真正形成環(huán)境、資源動態(tài)變化的全方位、高精度、實時化監(jiān)測能力。

    3.4 重視熱點問題挖掘,不局限于常規(guī)業(yè)務工作

    現(xiàn)有的環(huán)境遙感監(jiān)測產(chǎn)品內容豐富、品類齊全,包括了影像產(chǎn)品、指標產(chǎn)品、業(yè)務產(chǎn)品、服務產(chǎn)品以及基礎數(shù)據(jù)、觀測驗證數(shù)據(jù)等6大類30余個小類[3]。如目前生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心、江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心等已開展了十幾年的大型湖泊、水庫水體的藍藻水華遙感監(jiān)測業(yè)務工作,全面支撐了水環(huán)境監(jiān)測預警工作。

    目前的工作大多數(shù)仍局限于對要素本身的遙感觀測,對某一熱點問題的綜合研判及深度分析上明顯支撐不足,總體上屬事后和管理驅動較多。如水環(huán)境遙感監(jiān)測中,欠缺具有全流域視角的熱點關聯(lián),信息挖掘不充分,對社會和管理關注較多的區(qū)域性污染源位置、排放量、污染物輸移過程等說不清[39],主動發(fā)現(xiàn)和鎖定熱點問題的能力不及時。如遙感監(jiān)測在碳中和、碳達峰上還處于起步階段,對管理的精細化支撐幾乎空白。因此,需要緊密結合大氣污染防治、水污染防治、土壤污染防治、生態(tài)紅線監(jiān)管等熱點管理需求,堅持目標導向、問題導向,利用大數(shù)據(jù)挖掘等關鍵技術深度分析,發(fā)展輿情語義信息驅動式遙感監(jiān)測,進一步形成全視角的監(jiān)測成果,并逐步推廣到環(huán)境預警預測、綜合評估、定量考核、政策制定等更深入的應用中去,提升對環(huán)境管理的支撐的主動性、針對性。

    3.5 重視人才隊伍發(fā)展,加強專業(yè)化能力培養(yǎng)

    隨著遙感監(jiān)測發(fā)揮的作用不斷加強,專業(yè)人才隊伍素質不斷提升,高層次人才數(shù)量有所增加,初步建立人才培養(yǎng)制度。2019年起,江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心逐步建立了無人機監(jiān)測隊伍,強化新技術在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領域的應用。

    目前生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測隊伍仍存在人才專業(yè)結構參差不齊、高層次人才較為缺乏、人才梯度尚未形成等問題,較難適應監(jiān)測監(jiān)控快速發(fā)展的需求。未來遙感監(jiān)測工作將涉及更多高精度的衛(wèi)星、智能監(jiān)測儀器設備以及更為復雜的數(shù)據(jù)處理和傳輸系統(tǒng)等,亟需一支精細化的專業(yè)人才隊伍。因此,要進一步加強自身人才隊伍建設;引進人才、積極配齊配強專業(yè)人才;實施人才隊伍高質量提升工程,不斷提高隊伍整體素質和能力水平,提升生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測引領和支撐環(huán)境管理決策的能力。

    4 結語

    經(jīng)過40多年的發(fā)展,環(huán)境遙感監(jiān)測逐步向高時間、空間及光譜分辨的新時代邁進,有效帶動了監(jiān)測工作從定點離散擴展到空間連續(xù),從靜態(tài)采樣擴展到動態(tài)跟蹤。但在省域層面的環(huán)境遙感監(jiān)測大數(shù)據(jù)、深度學習應用等業(yè)務化能力尚在起步階段,還存在諸多挑戰(zhàn),距說清污染源狀況、說清環(huán)境質量現(xiàn)狀及其變化趨勢、說清潛在環(huán)境風險尚有明顯差距。未來,環(huán)境遙感監(jiān)測應逐步健全大氣環(huán)境、水環(huán)境、生態(tài)狀況、污染源、海洋環(huán)境、核安全等多要素的綜合遙感監(jiān)測業(yè)務網(wǎng)絡,進一步提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的權威性和公信力,加快推動向集成化、智能化、快速化、定量化、精細化、熱點化方向發(fā)展,真正發(fā)揮出遙感“千里眼”的作用,為生態(tài)環(huán)境保護工作提供更加有力的技術支撐和信息服務。

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