“天空地”一体化生态环境监测是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、数据协同和数据同化等关键技术，获得更加准确数据支持的立体生态环境监测感知体系。“天空地”一体化生态环境监测体系能更为全面地反映环境质量现状及发展趋势，为环境管理、污染源控制、环境规划等提供科学依据。 
  卫星遥感环境监测 
  “天”指利用卫星遥感技术对生态环境状况及变化趋势进行大尺度环境监测。卫星遥感环境监测是以中巴资源卫星、“环境一号”卫星等人造卫星为平台，利用可见光、红外、微波等探测仪器，通过摄影或扫描、信息感应、传输和处理，对大范围宏观环境质量和生态状况实施的遥感监测。2014年4月，环境保护部和中国科学院联合攻关完成“全国生态环境十年变化(2000—2010年)遥感调查与评估项目”，科学调查和评估了我国生态环境10年变化的基本状况、时空特征与问题原因，该项目是“天地一体化”技术在生态调查与评估领域的具体实践。 
  航空遥感环境监测 
  “空”指利用航空遥感技术对重点关注区域的环境质量进行中小尺度环境监测。航空遥感环境监测是利用各种飞机、飞艇、高空气球等作为传感器运载工具，搭载特定的传感器对单体环境事件和地方层面、局部区域实施的遥感监测，比如发生重大水体污染或者环境灾害事故时，在空中实施的遥感监测。2010 年7 月，辽宁省大连新港输油管线爆炸引发大火和原油入海，约50 千米2海域受到污染。环境保护部第一时间调配无人机赶赴现场，配合卫星遥感监测和现场采样监测开展了“天空地”同步监测，这是环境保护部首次利用无人机开展重大环境事故的应急监测。无人机在恶劣条件下多次成功完成低空飞行作业，提供了海面油污监测数据，动态反映溢油发生发展情况，为环境应急管理提供了重要技术支持。 
  地面环境监测
  “地”指利用实验室手工监测或在线自动监测对既定区域内空气质量、水质、企业排污状况等特定的监测项目进行精准监测。按监测介质或对象，地面环境监测可分为水和污水监测、空气监测、噪声和振动监测、固体废物监测、土壤监测等。目前，我国已建成国家、省、市、县四个层级2700余个环境监测站，拥有一支近60000人的环境监测队伍，国家环境监测网已发展成为覆盖全国各省区，涵盖空气、水、生态、土壤、近岸海域、噪声、污染源等多领域、多要素的综合性监测网络，为环境管理提供技术支撑。
  以大气质量“天空地”一体化监测模式为例：在“天”上利用卫星对大气质量(二氧化硫、氮氧化物、大气透明度等指标)进行宏观监测，掌握大范围区域内大气污染的空间分布状况。在“空”中针对重点大气污染区域利用无人机进行精细化监测，比如，机载红外光谱探测系统对VOC(易挥发有机物质)的监测，以机载差分吸收探测系统对主要污染成分的柱浓度进行监测以获得其空间分布和输送转移路径等。在“地”面上主要利用车载差分吸收被动探测系统对特定的大气污染成分进行全方位的走航式探测。比如，对大气中二氧化硫、氮氧化物等多种污染成分同时进行流动监测，掌握区域内主要大气污染物的时空分布情况。未来还可采用紫外和红外双波段可调谐激光雷达，对重点区域的VOC 无组织排放进行全覆盖监测，采用臭氧和散射雷达分别对臭氧和颗粒物进行流动监测等。同时，结合现有的大气自动监测站点对PM10、PM2.5、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳、臭氧等进行全天时固定监测。这样的综合监测体系对大气污染防治将发挥重要的技术支持作用。
  欧美发达国家在使用“天空地”一体化生态环境监测系统方面取得了显著进展，在大气环境监测应用方面已经基本达到业务化应用程度，在水环境监测和生态监测应用方面正在进行科学研究和应用示范。目前，我国在“天空地”一体化生态环境监测系统建设上仍处于起步阶段，还存在建设费用高、数据融合标准不统一、数据共享机制亟待建立等问题。“天空地”一体化建设是一个需要各部门共同推动的工程，只有协调好卫星遥感、地面站点以及航空获取的监测数据，才可能使其在一个平台上实现数据融合、数据共享，真正构建起地面、卫星和航空监测三位一体的立体化监测系统。
  国务院办公厅2015年8月12日印发《生态环境监测网络建设方案》，提出到2020年，初步建成陆海统筹、天地一体、上下协同、信息共享的生态环境监测网络，使生态环境监测能力与生态文明建设要求相适应，为当前和今后一个时期尤其是“十三五”期间生态环境监测工作提供了行动指南和路线图。“天空地”一体化生态环境监测系统将为生态环境监测工作提供强大的技术支撑，成为环境监测未来发展的新方向。