基于高分遙感衛星的三江源國家公園空間基準建設及生態環保應用

文 | 宋忠航 王劍 馬紅波 董佰山 李媛

1.西安航天天繪數據技術有限公司 2.航天恒星科技有限公司

一、引言

三江源是長江、黃河、瀾滄江的發源地，被譽為“中華水塔”，是我國實施生態安全屏障保護和建設的重要戰略區，也是指示全球氣候變化及反饋響應過程和揭示全球氣候變化方面的關鍵地區，其生態環境狀況與氣候變化對我國乃至全球生態平衡起著極其重要的作用。三江源國家公園作為我國首個國家公園體制試點，其地域遼闊、生態環境復雜多樣的特點使遙感監測技術發揮出最大的應用潛力和效果，但隨著監測業務不斷增加，產生的海量要素信息數據存在空間參考不統一，多種數據間交互性較差等一系列標準化不一致的問題，嚴重阻礙了國家公園生態系統與自然資源整體性、系統性的監管和保護。本文提出基于國產高分辨率遙感數據建立統一人類活動與生態系統空間框架基準，并在此基礎上通過信息提取揭示區域生態系統和土地類型分布及轉化，進行各類監管要素的空間化表達，實現地面和遙感監測數據在統一空間基準下的熱點提取、變化趨勢預測、關聯演化規律印證等空間分析處理，形成園區精準空間“態勢一張圖”，提升大數據條件下的信息決策服務水平（圖1）。

圖1 三江源人類活動與生態系統基準構建與應用架構圖

二、三江源人類活動與生態系統基準構建方法

三江源人類活動與生態系統基準建設采用內外業結合的方法開展。以高分二號（GF-2）全色及多光譜融合數據為主進行高分辨率的影像基準產品生產；以資源三號（ZY-3）三線陣數據為主，天繪一號（TH-1）三線陣數據為輔，進行高精度的地形基準產品生產。將高精度地形基礎與融合后的亞米級高分辨率衛星影像進行疊加處理，形成精度滿足園區人類活動的基準地理框架數據。

基準生產主要包括數據獲取、數據處理、控制數據生產和地形基礎數據采集與編輯等內容。為保證基準體系完整性，首先需對青海三江源國家生態保護綜合試驗區范圍39.5萬平方千米內遙感衛星數據覆蓋情況進行查詢分析，衛星影像查詢類型為GF-2和 ZY-3。

其次，對遙感影像進行輻射定標、大氣校正和幾何校正等預處理。同時，利用基準網的布設和地面基礎點測量完成控制基礎數據的生產，通過空中三角測量、地形基礎數據采集與編輯等處理建立地形基礎數據。最后，利用空中三角測量技術，在地形成果基礎上完成基準制作（圖2）。

圖2 基準生產作業流程

三、基于基準的三江源生態環境監測應用

基準的建立將園區內各類空間數據按照統一坐標系、統一數據精度、統一數據格式、統一數據采集成果標準進行整合，解決了三江源國家公園在管理、保護、科研、宣教工作中產生的海量信息存在數據空間參考不統一、交互性較差等一系列標準化不一致的問題。基于基準形成的三江源生態環境監測體系，利用面向對象的遙感信息提取方法，綜合考慮光譜特征、紋理、形狀等一系列因素，得到高精度的信息提取結果，實現三江源地區“天空地”多源異構時空數據在統一時空框架下的成果集成展示與動態變化分析，為三江源生態環境監管、自然資源資產管理和生物多樣化監測保護等業務提供有力支撐。

1. 生態環境監測與保護

環境監測站點管理：三江源區域范圍內的800余個監測點位（保護站、水文氣象監測站、森林公安派出所、野生動物監測紅外相機等）在基準上精準落圖，對站點的分布、監測范圍進行空間化管理。

生態環境核查點監測：獲取園區歷年來1000余個野外核查點多期高分辨率遙感影像，對其判讀解譯后在基準上套合，展現年度變化，提高野外核查工作質量和效率。

人類活動監測：將園區2016年度人類活動八萬個圖斑與2017-2019年九萬個圖斑在基準上的套合疊加，形成人類活動動態數據庫，進行年度動態對比分析（圖3）。

圖3 基于基準的人類活變化動態監測

生態保護和修復工程管理：各類生態保護和修復工程（黑土灘治理、人工造林等）多期影像在基準上疊加，宏觀掌握項目建設范圍，并對修復工程成效進行對比分析。

2. 自然資源管理

草地、林地和濕地管理：在基準上接入黃河源園區、長江源園區、瀾滄江源園區及三江源內其他保護分區草地數據（54251個圖斑）、林地數據（227501個圖斑）和濕地數據（3906個圖斑），形成“山水林田湖草”綜合本底數據，分析自然資源動態變化（圖4）。

礦區監測：針對三江源地區內礦區，在基準上套合2015-2020年間高分辨率遙感影像，結合遙感目標智能提取技術，對退出礦場、周邊環境及生態修復治理情況進行動態監測。

3. 生物多樣性監測和保護

將紅外相機記錄的雪豹、藏羚羊、藏野驢等旗艦物種位置信息在基準上綜合呈現，得到物種空間分布和物種多樣性熱力值分布圖，有效掌握動物活動規律及主要棲息地情況。

圖4 基于基準的草地資源管理

四、結語

本文主要以三江源國家公園生態環境保護為例，探討了基于高分辨率遙感影像的人類活動與生態系統基準構建及應用。該套基準數據體系的建立解決了在惡劣地理條件和自然條件下生產高海拔、大范圍人類活動與生態系統高精度基準的難題。初步實現了生態監測數據與自然資源本底數據在統一時空基準框架下的標準處理、整合統籌、動態接入和直觀展示，通過疊加長時間序列數據，綜合地理、氣候、經濟、人文等因素，可對生態狀況變化和生態系統功能進行分析，形成空間態勢“一張圖”，有效提升三江源數據的應用價值和生態效益，是我國國家公園信息化手段建設和管理新模式的一次重要探索。