土地與地質災害遙感監測服務黃河中上游高質量發展

文 | 李志忠 洪增林 劉拓 孫萍萍 付壘 王建華 陳偉濤 韓海輝 賈俊 趙君 李文明 趙禹

1. 中國地質調查局西安地質調查中心/西北地質科技創新中心 / 自然資源部黃土地質災害重點實驗室 2. 陜西省地質調查院 3. 中國科學院空天信息創新研究院 4. 中國地質大學（武漢）

一、前言

黃河流域是中華文明的發祥地，是我國重要的生態屏障和重要的經濟地帶。黃河發源于青海省巴顏喀拉山脈，綿延5464 km，最終匯入渤海。其上游和中游流域范圍廣闊，流經青藏高原水源涵養區、黃土高原水土流失區、五大沙漠沙地。自西到東，地貌上橫跨青藏高原、內蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原四個地貌單元，氣候上橫跨高原亞寒帶、高原溫帶、暖溫帶、中溫帶四個氣候帶。其中，位于黃河中游的黃土高原是世界土壤體積最大的地區，也是土壤資源最富集的地區，年代學研究結果顯示，黃土高原的土壤資源發育過程持續了600 余萬年，可稱發育歷史最長的土壤資源。因性質和結構優良，化學元素和礦物成分豐富，黃土成為良好的土壤資源。土壤中硒（Se）等有益元素的存在，更為鄉村振興和綠色農業發展提供了希望。

然而，由于黃河中上游地區干旱少雨，地質環境脆弱，土地沙化、鹽堿化、荒漠化、水土流失和地質災害頻發等問題突出。土壤侵蝕、荒漠化等問題使得農業生產條件惡化，在以水蝕為主的土石山區和黃土丘陵區，溝道縱橫交錯，地面支離破碎，土地利用率低，耕作困難。荒漠化造成河流、湖泊、水庫泥沙淤積，使得土地生產力下降。在地質環境方面，伴隨著黃河中上游地區城鎮化建設的加快，開挖坡腳、削山造地、坡面堆載等導致地質災害頻發，造成的群死、群傷和巨大財產損失也時有發生，如2010年8月8日舟曲特大山洪泥石流災害，2010年3月10日陜西子洲山體滑塌災害等。

在黃河流域生態保護和高質量發展的大背景下，快速動態獲取區域范圍內的土地質量、地質環境和生態地質問題的現狀并預測其發展趨勢，對區域范圍內的資源保護與利用、災害防治意義重大。遙感技術具有動態、快速、大范圍應用等特點，“譜遙感”具有圖譜合一的優勢，與地面調查相結合，可實現空天地一體化的調查與監測。本文依托國家地質調查項目和國家重點研發計劃等科研項目的實施，采用多種遙感數據解譯為先導，地面調查相結合，對黃河流域中上游地區的土地質量、地質災害分布進行了綜合分析與研究，調查結果與鄉村振興、村鎮建設選址相結合，可為黃河中上游地區生態保護和高質量發展提供基礎數據和科技支撐。

二、土地質量遙感監測服務鄉村振興

1. 黃河中上游土地利用變化調查

土地資源的數量、質量的變化可以反映生態環境的特征。通過土地多時相遙感（Landsat-MSS、Landsat-TM/ETM、高分系列衛星）信息提取，分析了2001年、2005年、2010年、2015年、2019年等5期土地利用時空動態變化（圖1）。結果表明近20年間，黃河中上游耕地、林地、建筑用地和水體呈增加趨勢，分別增加了20906km、11583 km、1146 km、664 km，這與2000年后實施的退耕還林還草以及城市建設關系密切；草地和未利用地呈減少趨勢，高覆蓋度草地多退化為中低覆蓋度草地；雪地面積變化不明顯。根據調查發現，黃河上游地區存在冰川消融和草地退化現象，中游地區建設用地增加顯著，應關注后期生態效應。

圖1 2019年黃河中上游土地利用圖

2. 黃河中上游土地質量監測

據黃河中上游地區土地調查與綜合評價，區內98.23%的土地無重金屬污染風險，適宜綠色農業發展。因礦山開采、人為活動和地質背景等原因，在白銀和銅川、蘭州和西安、拉脊山等地存在不同程度的點狀污染。區內一等優質土壤1221.15萬畝，占比18.91%，土壤養分以氮（N）元素缺乏為主；圈定綠色富硒土地1304.89萬畝（硒含量≥0.3mg/kg），為黃河中上游糧食安全、特色產業發展奠定了基礎。

傳統土壤質量多通過野外土壤樣品采集、實驗室分析等多個環節，查明土壤中多種元素或指標的含量、背景和分布特征，進而掌握采樣區的土壤生態環境狀況。高光譜遙感因具有光譜分辨率高、波段范圍大、信息全等優勢，在土壤有機質、粘土礦物、氧化物、重金屬含量等方面顯示出良好的實踐應用效果。本次選取甘肅白銀市為研究區，區內因礦山開采造成土地污染嚴重，為實現區內土壤生態風險的長期動態監測，應用衛星高光譜技術開展了區內土壤重金屬反演，構建了鉛（Pb）、砷（As）、鎘（Cd ）的多光譜預測模型。在此基礎上，依據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618-2018），開展了四龍鎮土壤環境質量評價。結果表明，鉛、砷、鎘元素含量都在一定程度上出現了超標，其中鎘元素超標比較嚴重；高重金屬含量在區域范圍內沒有呈現聚集特征，而是分散分布于區內的不同位置。經對比，高光譜遙感解譯結果與傳統地球化學測量值接近，且因具有快速在區域上應用的優點，在土地質量解譯方面具有巨大潛力。

3. 富硒土地服務鄉村振興

硒元素是人體必需的微量元素，具有抗癌癥、抗衰老、拮抗重金屬毒害等功效，對維持人體健康發揮重要作用。人體中的硒主要來源于日常飲食，而食物中的硒追根溯源絕大部分來源于土壤，因此富硒土壤對區域農產品經濟價值具有重要意義，可通過航空遙感技術快速準確獲取土壤硒含量，開展富硒土地資源評價與監測，指導地方開展特色農作物種植。

土壤中硒元素含量普遍不高，對土壤光譜不能產生明顯的影響，然而土壤中的有機質、粘土礦物、鐵鋁氧化物與硒的吸附和結合是硒在土壤中富集的主要原因之一。大量研究表明，土壤光譜的吸收特征對有機質、粘土礦物、鐵鋁氧化物均具有較好的反映，因此可通過間接法尋找硒的光譜特征波段。應用高光譜短波紅外航空光譜成像儀（SASI）資料，根據鉀（K）、硒、粘土礦物之間的相關性及其光譜特征，通過逐步回歸模型，對黑龍江省建三江創業農場中黑土的鉀、硒及粘土礦物含量進行了預測，結果表明，利用粘土礦物光譜反演結合實際地球化學分析結果可準確預測土壤中硒含量（圖2），與傳統地球化學圖像預測相比，該方法具有更高的預測精度。

圖2 黑龍江省建三江創業農場土壤硒含量分布圖

據在黃河中上游已開展的土地質量調查結果顯示，區內富硒土地資源為1304.89萬畝（硒含量≥0.3mg/kg），已查明的富硒土地在寧夏吳忠、青海平安等地在推動農業向優質、安全、健康、高效發展和脫貧攻堅中發揮了重要作用。然而，已開展土地調查的區域僅占區內耕地總面積的50%，尚有廣大的區域未開展相關工作。通過遙感技術快速摸清黃河中上游富硒土地資源分布，結合黃土區多樣的地貌類型、美麗鄉村和特色小鎮建設，因地制宜，探索 “富硒美麗鄉村”、“富硒特色小鎮”為主的富硒土地資源開發模式，支撐服務黃河中上游特色農業發展和鄉村振興戰略潛力巨大。

三、地質災害遙感監測服務村鎮建設

1. 黃河中上游地質災害現狀

黃河中上游的滑坡、崩塌、泥石流等地質災害多集中發育于中游的黃土高原，這里由于黃土的堆積厚度大且結構疏松，地表水系發育，地形破碎，是我國地質災害三大高發區之一。區內地質災害呈現點多、面廣的分布規律。由于黃土高原植被覆蓋度低、滑坡形態特征明顯，為基于遙感技術開展大范圍的地質災害識別提供了良好基礎。

依托原國土資源部“西北地區地質災害調查評價與關鍵問題研究”計劃項目、國家發展和改革委員會“國家高技術產業發展項目衛星及應用產業發展專項”的實施，在黃河中上游地區采用不同數據源的遙感影像開展了不同精度的地質災害解譯與識別。遙感解譯過程中，綜合考慮形狀、大小、顏色、紋理、位置以及與周邊地物的位置關系，基于斯波特五號衛星（SPOT-5）或資源三號衛星（ZY-3）數據開展地質災害與環境地質條件解譯，確定地質災害種類（圖3），劃分重點調查區和一般調查區；基于快鳥（QuickBird）或艾科諾斯（IKONOS）衛星數據開展精細化解譯，服務重點區域1：1萬高精度地質災害調查。綜合遙感解譯、現場核查與調查結果，表明黃河中上游共發育有滑坡、崩塌、泥石流等地質災害20504處，其中滑坡10517處，崩塌5768處，泥石流4579處（圖4）。在此基礎上，利用數字高程模型（DEM）進行坡度、坡高、坡向等信息提取，識別危險坡段，結合地形地貌、地層巖性、斷裂、地震、降雨和人類工程活動等信息，開展地質災害易發性區劃或風險評價（圖5）。

圖3 基于資源三號衛星的不同類型地質災害遙感影像（陜西寶雞）

2. 地質災害風險管理服務村鎮建設選區

我國山區面積占陸域國土面積的69%，人口約占全國總人口的45%，山區城鎮建設受到發展空間狹小、城鎮建設用地緊缺的限制，在“向山發展、向溝發展”的思路下，城鎮的發展與地質災害的發生呈現出密切的關聯與制約關系。隨著新型城鎮化建設和鄉村振興戰略的實施，亟待在大范圍內應用先進的調查與監測技術手段，圍繞山區城鎮化、新農村建設、鄉村振興、脫貧攻堅過程中的防災減災和生態文明建設需求，開展大比例尺山區城鎮地質災害識別與風險評估。

根據上述調查與分析結果，黃河中上游地質災害易發性可劃分為高易發區、中易發區、低易發區和非易發區四個等級。其中，高易發區面積7.39萬平方千米，占黃河中上游總面積的14.83%，中易發區面積16.95萬平方千米，占全區總面積的34.13%，低易發區和非易發區面積分別為19.75萬平方千米和5.58萬平方千米，分別占總面積的39.76%和11.23%。

區內地質災害高易發和中易發區主要分布于山區（圖6）。本文以位于陜北黃土丘陵溝壑地區的清澗縣主城區為例，通過無人機航測、三維激光掃描、工程地質測繪和地質災害隱患點勘查等方法，按照不同的斜坡結構類型，選擇典型的滑坡點和斜坡段，以發生災害的變形破壞模式、運移路徑、可能到達或危及的范圍，進行災害體危險性評估和承災體易損性評估，在此基礎上逐坡開展了風險評估和區劃（圖7），可為城鎮化建設中的地質災害風險規避提供精細化數據支撐。

圖4 黃河中上游地質災害分布圖

圖5 地質災害信息提取流程圖

圖6 黃河中上游地質災害易發分布圖

圖7 清澗縣城及規劃區地質災害風險區劃圖

3. 地質災害治理與生態修復

地質災害治理是災害風險防控的一項重要措施，在地質災害發育分布特征、成災背景、致災機理等研究的基礎上，采用主動加固、被動攔擋等措施，實現與當地景觀相協調的地質災害生態化綜合治理，既可實現地質災害的有效防治，又可實現生態環境的綠色修復。對于土質、巖質等不同質地和不同坡度的坡體，可針對性開展設計，采用高大喬木遮擋、爬藤+垂藤復綠或墻體外表景墻設計等進行生態修復。

沿黃公路陜西段，兼具生態、觀光、旅游、文化、城鎮發展等諸多功能，北起榆林市府谷縣，南至渭南市華山腳下，沿線穿越西岳華山、壺口瀑布等50余處名勝古跡景點，是一條造福沿線群眾的脫貧路和致富路。為確保公路的安全運營，在沿線開展了大量地質災害治理工程，韓城市巍山路西側即是其中的一段。為提升坡體穩定性，在該段范圍內開展了削坡治理工程，削坡后的坡面由中更新世（Q2）和晚更新世（Q3）黃土組成，削坡坡面坡度約60°。

采用高次團粒噴播技術和坡面刺槐復綠方案進行設計，對削坡后的土質裸露坡面進行生態防護。自2018年9月竣工后至2020年9月現場調查，坡段修復效果良好，坡面無沖刷痕跡，景觀優良（圖8）。

圖8 沿黃公路韓城市南段黃土削坡坡面生態修復效果（2020年9月）

四、“大地體檢”計劃與展望

高分辨率遙感影像具有地物細節明顯、信息量豐富和抗干擾能力強等特點。“譜遙感”憑借圖譜合一的優勢，既突出了遙感圖像直接記錄的地物波譜特征（覆蓋光學到微波譜段），又強調遙感圖像圖譜合一揭示的地學圖譜和時間序列遙感數據中包含的地表演化譜，隨著航天航空事業的長足發展，使得將譜遙感應用在大范圍內準確、實時地對自然資源和環境地質問題開展動態監測成為可能。

“大地體檢”計劃是根據“譜遙感”能獲取到的地物健康信息明確體檢項目，確定“譜遙感”地球體檢各項目的參考值，即健康地球的光譜譜系。在此基礎上，綜合運用衛星遙感監測、航空遙感監測和地面站點監測等手段，建立空天地一體化的光譜探測裝備和數據處理系統，構建區域范圍內的監測體系。未來的“大地體檢”不僅要充分利用空天地一體化技術，分層次開展長時間序列大面積動態監測，以及重點區生物、巖石、森林、土壤和水資源等專項模型構建與監測；還期待將地質學、遙感學、生態學、土壤學、氣象學等學科與技術研究有效融合，圍繞同一科學目標，實現真正的協同和融合。

在黃河流域生態保護和高質量發展的背景下，面對區內普遍存在的環境地質問題，傳統的遙感解譯技術尚不能滿足在大范圍內對多種環境地質問題開展針對性有效監測的需求，“大地體檢”技術在監測和分析資源、環境乃至生態狀況方面具有極佳的應用前景。