衛(wèi)星遙感服務黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展

文 | 孫繼鑫 艾宇 宋忠航 王劍

1.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術有限公司 2.航天恒星科技有限公司

一、前言

黃河全長5464km，是我國僅次于長江的第二大河，從青海源頭到山東入海口，共流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東九省區(qū)，流域面積79.6萬平方千米（圖1），滋養(yǎng)著我國30.3%的人口，在我國經(jīng)濟社會發(fā)展及生態(tài)安全方面具有十分重要的地位。

圖1 黃河流域分布[1]

黃河作為中華母親河，孕育了燦爛的中華文化，其流域是我國重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地，也是中國北方重要的生態(tài)屏障和經(jīng)濟地帶，但近年來由于過度開發(fā)，黃河流域生態(tài)系統(tǒng)退化形勢嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱，森林覆蓋率僅為19.36%，低于全國平均水平，黃河上中下流域內(nèi)各地區(qū)的資源稟賦和經(jīng)濟發(fā)展狀態(tài)差異較大。2019年9月，黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略，眾多學者對黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)涵、框架等進行解讀，要實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展，必須深入落實生態(tài)文明建設思想，將綠色發(fā)展理念和協(xié)調(diào)發(fā)展理念相結合，堅持 “生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，以水而定、量水而行，因地制宜、分類實施，上下游、干支流、左右岸統(tǒng)籌謀劃”的思想，促進黃河流域高質(zhì)量發(fā)展，改善人民生活。黃河流域高質(zhì)量發(fā)展重要的是解決保護與發(fā)展的問題，發(fā)展經(jīng)濟不能以犧牲環(huán)境為代價，更要走具有區(qū)域特色的高質(zhì)量發(fā)展道路。

為此，以生態(tài)保護為先的黃河流域高質(zhì)量發(fā)展，首先應當確定上游、中游、下游三個區(qū)域的分類保護及發(fā)展的思想，對不同區(qū)域?qū)嵤┲攸c區(qū)分的監(jiān)管及政策謀劃；其次，做好生態(tài)環(huán)境保護方面的協(xié)同，從流域整體生態(tài)保護的全局視角出發(fā)進行統(tǒng)籌規(guī)劃，加強空間管控支持，確保政策實施的連貫性和統(tǒng)一性；再次，建立黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的空間關聯(lián)分析，構建黃河流域高質(zhì)量發(fā)展評價指標體系；最后，從技術創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉型、生態(tài)保護剛性約束機制等角度確保黃河流域生態(tài)保護與社會經(jīng)濟發(fā)展的高質(zhì)量平衡。衛(wèi)星遙感技術因為其能夠?qū)α饔虻纳鷳B(tài)、資源環(huán)境、氣候變化進行連續(xù)觀測，具有視點高、區(qū)域廣、頻率快、周期短等特點，因此綜合應用高中低不同分辨率不同載荷衛(wèi)星數(shù)據(jù)可對黃河流域高質(zhì)量發(fā)展從宏觀角度進行全流域動態(tài)監(jiān)測和評價，有效輔助政府和行業(yè)部門決策規(guī)劃。

二、總體架構

黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展堅持中央統(tǒng)籌、省負總責、市縣落實的工作機制，各省份正逐步展開黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略研究工作。但區(qū)域的統(tǒng)籌規(guī)劃、監(jiān)管及評價還不完善，且缺乏宏觀數(shù)據(jù)獲取渠道。隨著黃河流域環(huán)境問題的日益突出，遙感應用的重要性也越來越明顯，大尺度、高頻次的宏觀監(jiān)測，能夠高效實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護的動態(tài)變化監(jiān)測，有效評價生態(tài)保護成效和質(zhì)量，為黃河流域全域高質(zhì)量協(xié)同發(fā)展提供技術支撐。

黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的衛(wèi)星遙感應用總體框架（圖2）可從4個層面理解：1）按照九省、上中下游、全流域的三層分類進行國土空間“基底”評價，以生態(tài)優(yōu)先為主，從遙感影像中識別“三區(qū)”（生態(tài)空間、城鎮(zhèn)空間、農(nóng)業(yè)空間）；2）應用遙感技術進行區(qū)域內(nèi)的地表水環(huán)境遙感監(jiān)測、空氣環(huán)境遙感監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測并結合部分地面數(shù)據(jù)對生態(tài)系統(tǒng)格局變化、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)服務等功能進行評價，摸清黃河流域生態(tài)環(huán)境家底；3）從時間維度、空間維度、區(qū)域維度逐步分析黃河流域上游、中游、下游區(qū)域生態(tài)保護的關鍵問題和內(nèi)在聯(lián)系；4）以生態(tài)安全和社會經(jīng)濟發(fā)展統(tǒng)籌考慮，進行全流域高質(zhì)量發(fā)展綜合評級。為后續(xù)戰(zhàn)略規(guī)劃、法律制度、空間管控、體制和機制提供支撐。

圖2 衛(wèi)星遙感應用助力黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展總體框架

三、生態(tài)保護

黃河生態(tài)系統(tǒng)是一個有機整體，要充分考慮上、中、下游的差異。根據(jù)黃河流域的生態(tài)功能區(qū)劃：上游地區(qū)以三江源、祁連山、甘南黃河等地為我國重要水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)，該部分區(qū)域要重點提高水源涵養(yǎng)能力，應以生態(tài)保護監(jiān)管、產(chǎn)業(yè)化轉型、生態(tài)修復為重點；中游地區(qū)水土流失嚴重，2018年水土流失面積近108.5萬平方千米，占土地總面積39%，水污染和空氣污染嚴重，劣V類水占比12.4%，14個城市中空氣同比達標減少，因此要重點圍繞水土保持和污染治理能力開展工作；下游重點圍繞黃河三角洲區(qū)域開展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)保護工作，提高生物多樣性，依據(jù)水土資源空間分布規(guī)律，實現(xiàn)流域的共同進步與協(xié)調(diào)發(fā)展。

1. 黃河流域各區(qū)域生態(tài)保護監(jiān)測要素的獲取

黃河流域生態(tài)環(huán)境脆弱、生態(tài)問題突出，包括水污染、大氣污染、水土流失、沙漠化、地表采礦塌陷、水資源短缺、下游洪水威脅等。應用遙感技術可以開展空氣環(huán)境監(jiān)測、地表水環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。

（1）地表水環(huán)境監(jiān)測

我國地面水環(huán)境質(zhì)量常規(guī)監(jiān)測指標達39項，部分省份的環(huán)保部門已開展水體109項指標監(jiān)測，應用可見光、紅外、高光譜等遙感監(jiān)測可以直接或間接獲得13種水環(huán)境指標，具體包括：葉綠素a、懸浮物、有色溶解性有機物、溶解性有機物、水表溫度、透明度、五日生化需氧量、總有機碳、總磷、總氮、溶解氧、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。主要采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括高分五號衛(wèi)星、資源一號02D衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星、珠海一號衛(wèi)星、美國陸地衛(wèi)星（Landsat）、法國斯波特衛(wèi)星、“土”/“水”衛(wèi)星（TERRA/AQUA）等，并結合地面波譜數(shù)據(jù)應用經(jīng)驗/半經(jīng)驗模型、分析/半分析模型等。

（2）空氣環(huán)境監(jiān)測

在黃河流域大氣監(jiān)測方面，可以利用大氣成分監(jiān)測對象在可見光、紫外、紅外波段的吸收特性和對不同波段太陽輻射的消光差異，綜合利用高光譜遙感，實現(xiàn)對流域內(nèi)大氣環(huán)境的遙感監(jiān)測和分析。目前國內(nèi)大氣氣溶膠、顆粒物濃度、沙塵以及秸稈焚燒火點檢測支持業(yè)務化運行，污染氣體（SO、NO、CO、CO等）與溫室氣體也已建立提取算法和技術流程，主要利用的衛(wèi)星如風云氣象衛(wèi)星以及環(huán)境一號衛(wèi)星。

（3）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

生態(tài)遙感參數(shù)是定量表征生態(tài)系統(tǒng)狀況的重要指標，隨著近年來遙感技術的發(fā)展，面向黃河流域約80萬平方千米的快速、大面積提取生態(tài)參數(shù)成為可能。綜合利用高分、資源、環(huán)境、風云系列衛(wèi)星等多源遙感數(shù)據(jù)，建立基于國產(chǎn)遙感數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)、一致的時空連續(xù)數(shù)據(jù)集，開展對黃河流域生態(tài)參數(shù)的遙感監(jiān)測，快速、準確、及時地定量評估黃河流域生態(tài)系統(tǒng)特征，掌握時空分布格局和動態(tài)變化規(guī)律。其核心流程主要包括：遙感數(shù)據(jù)的標準化處理，高時空分辨率數(shù)據(jù)集的建立，生態(tài)參數(shù)遙感監(jiān)測，樣區(qū)數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)的驗證與模型優(yōu)化等。基于遙感數(shù)據(jù)可反演的生態(tài)參數(shù)監(jiān)測指標包括：植被指數(shù)、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)（LAI）、光合有效輻射比率（FPAR）、植被生化組分、植物生物量、植被凈初級生產(chǎn)率、地表反照率、地表溫度、地表蒸散、土壤含水量。

2. 土地利用/土地覆被分類、生態(tài)系統(tǒng)分類、礦區(qū)變化監(jiān)測的獲取

為了更好地了解黃河流域自然資源變化，掌握人類活動對流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境影響，進一步分析、平衡社會經(jīng)濟發(fā)展同生態(tài)保護之間的關系，基于衛(wèi)星遙感技術以及計算機技術完成對地物識別解譯這一高度復雜的任務。通過影像目標特性的有效提取、表達與解譯不僅可以減少業(yè)務部門的人工投入，也能從宏觀層面對黃河流域整體生態(tài)和經(jīng)濟狀況進行判讀和分析。

（1）土地利用/土地覆被分類

針對生態(tài)環(huán)境治理，了解生態(tài)破壞和污染的相關情況，依靠站點數(shù)據(jù)無法滿足黃河流域生態(tài)脆弱腹地的監(jiān)測需求，建立以衛(wèi)星遙感為主要手段的生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測才能滿足自然資源基底調(diào)查的需求。而土地利用資源的監(jiān)測不僅是合理利用土地、保持良好土地生態(tài)環(huán)境的重要手段，更是了解人口、經(jīng)濟、環(huán)境變化和機制的窗口,為流域可持續(xù)發(fā)展提供戰(zhàn)略依據(jù)。為進一步平衡分類系統(tǒng)和分類精度的問題，西部生態(tài)與環(huán)境土地分類采用全國三級分類系統(tǒng)，一類是土地的自然生態(tài)和利用屬性，共包括6類，耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)工礦居民用地、未利用土地；二類分為25類，主要根據(jù)土地經(jīng)營特點、利用方式和覆蓋特征。

針對上述內(nèi)容主要采用的方法包括目視解譯定性分析法、監(jiān)督分類法、非監(jiān)督分類法、多元專家系統(tǒng)分類法、人工智能神經(jīng)元網(wǎng)絡分類、決策樹分類法以及計算機識別法等。其中劉紀遠研究團隊人工目視解譯方法，綜合評價精度一類94.3%以上，二類91.2%以上。

（2）生態(tài)系統(tǒng)分類

生態(tài)系統(tǒng)分類是在土地利用/覆蓋類型二級分類基礎上，完成生態(tài)系統(tǒng)類型關系轉換，例如可構建7個一級類型包括農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、荒漠生態(tài)系統(tǒng)、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)、裸地；二級分類24個。分類方法和精度同土地利用/覆被分類方法相同。

（3）礦區(qū)變化監(jiān)測

黃河流域含煤區(qū)域面積占整個流域總面積的40%以上，蘊藏煤炭資源量占全國一半以上。黃河流域的煤炭開采不僅是黃河流域社會經(jīng)濟的重要工業(yè)支撐，在國家能源安全方面也具有十分重要的地位。目前黃河中上游地區(qū)，煤炭開采導致了地表生態(tài)惡化、地下水位下降、土地塌陷、沿路運輸空氣污染等問題，煤炭礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理、修復迫在眉睫，利用遙感監(jiān)測技術可統(tǒng)籌規(guī)劃煤基產(chǎn)業(yè)鏈條布局，對煤礦區(qū)開采區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價、生態(tài)過程及空間響應識別、環(huán)境承載能力預警、生態(tài)環(huán)境損害和修復評估，以及評估人工參與度，高效推進生態(tài)保護與煤炭資源開采之間的協(xié)同發(fā)展。

3. 黃河流域高質(zhì)量發(fā)展生態(tài)保護評價

生態(tài)系統(tǒng)格局變化主要包括生態(tài)系統(tǒng)面積、生態(tài)系統(tǒng)面積比例、空間分布、各類生態(tài)系統(tǒng)面積變化、面積比例變化、生態(tài)系統(tǒng)轉化轉移矩陣、生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部機構變化率、綜合生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)度、類型相互轉化強度；生態(tài)質(zhì)量評價在森林、草地、荒漠、濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)上應用生態(tài)參數(shù)指標計算包括生物量、凈初級生產(chǎn)力、植被覆蓋度、干旱指數(shù)、荒漠面積變化、濕地面積、水體富營養(yǎng)化程度，并建立生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指標，設立生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量分級標準進行評價；生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價包括水源涵養(yǎng)服務功能、土壤保持服務功能、防風固沙服務功能、生物多樣性服務功能、固碳服務功能和食物供給服務功能。

四、黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展評價體系建議

結合生態(tài)安全和社會經(jīng)濟發(fā)展，考慮衛(wèi)星遙感的相應數(shù)據(jù)產(chǎn)出，可構建二級指標7個，三級指標33個。采用熵權法根據(jù)指標值的變異程度進行確定，可以消除人為因素和主觀評價性，變異程度越大，權重越大，有效反映指標之間的相對重要性。按照九省及上、中、下游進行黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展評價體系見表1。

表1 基于生態(tài)安全與社會經(jīng)濟的黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展的評級體系

續(xù)表1

五、總結

黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展是以生態(tài)保護為前提，摸清黃河流域內(nèi)各區(qū)域的生態(tài)家底、經(jīng)濟家底與實時狀況才能更好地為后續(xù)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展提供決策支持。隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星應用的逐步成熟，針對不同尺度的遙感數(shù)據(jù)實時、精細化解譯在各行業(yè)領域內(nèi)已發(fā)揮重要作用。依托現(xiàn)有遙感在生態(tài)保護中的相關能力，結合黃河上、中、下游的區(qū)域特點及環(huán)保要點，搭建基于衛(wèi)星遙感的黃河生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的總體架構與指標體系，提出與經(jīng)濟數(shù)據(jù)相結合的評價方法，可為構建統(tǒng)一連貫的黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展提供重要的技術支撐和思路。