基于小型無人機及遙感技術的甘南州生態環境狀況監測

楊 青，張 強，陸 蔭，楊淑霞

(甘肅省環境監測中心站，甘肅 蘭州 730020)

1 引言

甘南藏族自治州(以下簡稱甘南州)位于甘肅省西南部，地處黃土高原與青藏高原過渡地帶，地勢總體呈現西高東低態勢，境內大部分區域屬高原大陸性氣候，是我國北方重要的農牧交錯帶之一。全州下轄七縣一市，境內蘊含有豐富的林草資源及水資源，在水土保持、水源涵養、水源補給、生物多樣性維護等方面發揮著重要作用，是維護生態安全的重要屏障[1～4]。特殊的地理位置及氣候條件決定了甘南州生態系統的脆弱性，具體表現為生態系統穩定性較差，植被更新能力弱，抵御擾動能力差[5，6]。近年來氣候變遷、超載過牧、生物鏈失衡等因素對甘南州生態環境的影響日趨增強，是導致濕地資源銳減、土地沙漠化、生態功能退化的主要原因[7,8]。因此合理評價甘南州生態環境狀況具有積極重要的意義。目前對甘南州生態環境的研究主要集中在植被生長狀況監測及應用新技術準確高效獲取植被生長狀況信息等方面。宋清潔等[9]驗證了應用小型無人機搭載相機拍攝數碼照片獲取甘南州草地覆蓋度數據的可行性。溫可慶等[10，11]的研究結果表明通過樣方照片獲取草地植被蓋度的方法具有客觀性高、精度高、用時少等優點，符合技術發展的需求，具有必然的應用趨勢。

2 材料與方法

2.1 研究區域概況

甘南州位于甘肅省西南，地處青藏高原東北邊緣，是典型的地理過渡區及生態脆弱區[12]，全州下轄夏河、舟曲、碌曲、瑪曲、臨潭、迭部及合作共七縣一市，其中草地總面積272.34萬hm2，有高寒草甸、山地草甸、低地草甸等多種草地類型[13]，是甘肅省重要的畜牧業生產基地，不僅具有較高的畜牧經濟價值，而且具有涵養水源、水土保持等重要生態功能，是西北地區重要的生態安全屏障。有研究結果表明長久以來由于氣候及人類活動的持續影響，我國草地生態環境問題愈發突出，甘南州草地也存在不同程度的退化現象[14～16]。

2.2 數據獲取

(1)植被生長狀況數據的獲取。研究區域內合理布設植被生長狀況監測點位20個，利用DJI Phantom 4無人機搭載高精度攝像頭，在距地面10 m、20 m的高度垂直向下拍攝樣地照片，借助蓋度計算軟件得到樣地植被蓋度，樣地草層高度及地上生物量數據通過樣方法獲得。

(2)土地利用數據的獲取。土地利用類型數據通過對高分一號，高分二號，資源三號衛星影像的解譯獲得。

(3)環境質量數據的獲取。環境空氣質量數據為甘南州8個環境空氣自動監測站的自動監測數據，監測項目為可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)6項指標。環境質量數據中的地表水環境質量數據為甘南州8個地表水水質監測斷面的手工監測數據，監測項目為水溫、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)氨氮(NH3-N)、總磷(以P計)、總氮(湖、庫，以N計)、氟化物(以F-計)、揮發酚、銅、鉛、鋅、鎘、汞、砷、硒、鉻(六價)、氰化物、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物、糞大腸桿菌(個/L)共計23項(河流水質評價中總氮不參與評價)。研究區域及監測點位詳情如圖1所示。

2.3 研究方法

(1)植被生長狀況數據的處理。植被覆蓋度數據由DJI Phantom 4無人機搭載高精度攝像頭垂直拍攝的樣地照片經蓋度計算軟件處理后獲取，草層高度、地上生物量數據采用樣方法獲得，草地樣方面積為50 cm×50 cm。

(2)土地利用數據的處理。解譯指標體系沿用2000年土地利用/覆蓋分類系統，采用全國一級分類。一級分為6個類型：包含耕地、林地、草地、水域濕地、建設用地及未利用地，主要根據土地經營特點、利用方式和覆蓋特征進行分類。

(3)環境質量數據的處理。環境空氣質量數據監測及評價方法參考《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)[17]，地表水環境質量數據監測及評價方法參考《地表水環境質量標準》(GB3095-2002)[18]。

圖1 研究區域及監測點位示意

3 結果與分析

3.1 甘南州自然生態狀況

3.1.1 植被生長狀況

20個植被生長狀況監測點位的草地類型主要分為高寒草甸和山地草甸2種，其中15個監測點位草地類型為高寒草甸，5個監測點位草地類型為山地草甸。不同草地類型監測樣點覆蓋度無顯著差異。高寒草甸類監測點位植被蓋度均值為95.76%，草層高度均值為18.34 cm，地上生物量均值266.73 g/m2，其中5個監測樣點植被蓋度為100%；山地草甸類監測樣點草層高度均值19.51 cm，地上生物量均值165.75 g/m2，植被蓋度均值95.73%。20個監測點位植被生長狀況詳情如圖2。

3.1.2 土地利用狀況

2018年甘南州土地利用/覆蓋類型主要以草地、林地為主，耕地、水域濕地、建設用地、未利用地的面積較

圖2 草地監測點位植被生長狀況

少，詳情如圖3所示。分析2018年甘南州各市縣土地覆蓋類型，可以發現甘南州草地面積占全州總面積的50.62%且主要分布在瑪曲、夏河、碌曲及卓尼4個縣。瑪曲縣的草地面積占全州總面積的15.98%，夏河縣、碌曲縣和卓尼縣草地面積分別占全州總面積的10.14%，7.53%和6.47%。甘南州33.30%的土地被森林覆蓋且主要分布在迭部縣、舟曲縣、卓尼縣及夏河縣，分別占全州森林總面積的23.38%、16.71%、17.64%和15.55%。耕地、水域濕地、建設用地、未利用地面積較小，分別占全州總面積的5.12%、4.48%、0.81%、5.69%，耕地主要分布在臨潭縣、卓尼縣及舟曲縣，水域濕地和未利用地主要分布在瑪曲縣。2018年甘南州各市縣土地覆蓋類型詳情如表2所示。

圖3 研究區域土地利用分類

表2 2018年甘南州各市縣土地覆蓋類型百分比 %

3.2 甘南州環境質量狀況

3.2.1 環境空氣質量狀況

2018年，甘南州主要城鎮環境空氣8個監測點有效監測天數共計為2821 d，其中達標天數為2759 d，日均值達標率為97.80%，其中迭部縣110指揮中心樓監測點位環境空氣日均值達標率為100.00%。2018年甘南州主要城鎮環境空氣中二氧化硫平均濃度為13.80 μg/m3；二氧化氮平均濃度為13.16 μg/m3；一氧化碳平均濃度為0.68 mg/m3；可吸入顆粒物(PM10)平均濃度為50.72 μg/m3；細顆粒物(PM2.5)平均濃度為21.82 μg/m3；臭氧平均濃度為87.67 μg/m3，均達到《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)中的二級標準[17]。環境空氣質量主要超標項目為可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)及臭氧。環境空氣質量監測結果見表3。

3.2.2 地表水環境質量狀況

2018年甘南州地表水水質監測對研究區域內7縣1市共計8個斷面分別進行了23項理化指標監測，監測頻次為1次/月。監測結果表明，Ⅱ類地表水水質頻次比例為63.44%，Ⅲ類地表水水質頻次比例為25.81%，超標地表水水質頻次比例為6.45%，超標項目主要為化學需氧量(COD)、鉻(六價)。地表水水質類別普遍為Ⅱ類、Ⅲ類，個別超標斷面為劣Ⅴ類。超標斷面為卓尼縣木耳鎮政府斷面、碌曲西倉寺院斷面(表4)。

4 結論

本研究分別從自然生態狀況及環境質量狀況兩個方面對甘南州開展2018年度生態環境監測，監測內容包含植被生長狀況、土地利用分類狀況、環境空氣質量及地表水環境質量。研究結果表明：①研究區域植被生長狀況監測點位草地類型主要以高寒草甸及山地草甸為主，且高寒草甸及山地草甸植被蓋度無明顯差異，二者均值均達95%以上，這與宋清潔、馬雅琳[9，14]等的研究結果一致；②土地類型主要以林草地為主，草地面積約占全州總面積的50.62%且主要分布在瑪曲、夏河、碌曲及卓尼4個縣；林地面積約占全州總面積的33.30%且主要分布在迭部縣、舟曲縣、卓尼縣和夏河縣；耕地、水域濕地、建設用地、未利用地面積較小，分別占全州總面積的5.12%、4.48%、0.81%、5.69%，這與張強[19]等的研究結果一致；③環境空氣質量狀況優良，日均值達標率為97.80%，主要污染物為可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)及臭氧(O3)；④地表水環境質量普遍評價為為Ⅱ、Ⅲ類，水質達標率為89.25%，主要超標項目為鉻(Cr6+)及化學需氧量(COD)。

表3 2018年甘南州環境空氣質量監測結果

表4 2018年甘南州地表水質量監測結果