衛星通導遙技術在三江源國家公園生態環境監測與保護中的探索與實踐

文 | 宋忠航 牛澤鵬 馬紅波 陳璐 王劍 張拯寧 曹小敏 李媛 侯利波李洪福 靳代櫻 董逵才 秦陽

1.西安航天天繪數據技術有限公司 2.北京空間科技信息研究所3.航天恒星科技有限公司 4.陜西航天技術應用研究院有限公司5.三江源國家公園管理局 6.中國航天科技集團有限公司

一、三江源國家公園的生態地位

三江源被譽為“中華水塔”，是亞洲、北半球乃至全球氣候變化的敏感區和重要啟動區，也是我國實施生態安全屏障保護和建設的重要戰略區，其生態環境狀況對我國乃至全球生態平衡起著極其重要的作用。2021 年10 月，在聯合國生物多樣性大會（COP15）上，三江源作為我國第一批國家公園正式設立，對推進自然資源與生態系統的科學保護與合理利用，促進人與自然和諧共生，具有極其重要的意義。

二、三江源國家公園監測現狀

作為我國第一個國家公園體制試點，三江源國家公園面積最大、自然景觀最獨特、自然遺產最精華、生物多樣性最富集，注重對自然生態系統原真性、完整性保護，實行的是最嚴格的自然保護地監測與管理。由于三江源國家公園地理條件復雜、氣候惡劣、自然條件嚴酷，點多線長面廣的特點為生態環境監測帶來了諸多挑戰和困難。傳統的三江源國家公園監測以地面監測站點所構建的監測網為主，站點分散于園區各個鄉鎮，點位稀少且距離較遠，無法實現全域監測，通信手段缺失也影響日常管理效能。除生態監測站點外，園區17211 名生態管護員也是園區重要監測力量，但在生態管護工作中，野外作業人員往往處在無人區，沒有地面通信網覆蓋，對作業人員的工作及人身安全造成巨大的影響和隱患。因此，以地面監測為主的監測模式已越來越無法滿足三江源國家公園嚴格、整體與系統的監測目標要求，如何在地域廣闊、人口稀少、地面監測能力匱乏條件下開展全方位的綜合監測與保護，成為三江源國家公園建設所面臨的巨大挑戰。

三、三江源國家公園監測需求

基于三江源國家公園監測所面臨的問題，結合園區地域遼闊、生態環境復雜多樣的特點，本文認為衛星技術可在三江源國家公園監管方面發揮最大的潛力和效果。以高分辨率對地觀測系統、北斗衛星導航系統為代表的國家空間基礎設施建設應用工作已取得重大成效，衛星應用技術也已成為提升生態環境保護能力的重要手段。通過對通信衛星、北斗導航衛星和遙感衛星的綜合協同應用，構建以衛星通導遙技術為特點的綜合監測體系，能有效解決三江源國家公園監測效率低、監管存在盲區、信息無法傳輸等困擾很久的問題，改造升級三江源國家公園傳統的監管模式，形成三江源持續有效的生態監測能力和監測運行機制。

四、三江源國家公園衛星通導遙綜合監測體系

綜合利用衛星通信鏈路全覆蓋的區域信息網絡、北斗定位系統以及多空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率遙感衛星，打造覆蓋三江源國家公園全域的衛星通導遙一體化天基信息服務體系，實現對園區生態環境狀況、自然資源等全要素監測，拓展生態環境監測能力，為推進三江源國家公園發展提供信息支撐、監測預警和決策支持，提升三江源國家公園綜合監管、信息共享與服務的科學化管理水平。圖1 為三江源國家公園衛星通導遙應用框架。

圖 1 三江源國家公園衛星通導遙應用框架

1.衛星遙感

目前，我國高分辨率衛星遙感技術飛速發展，衛星影像的圖像處理技術、生態環境信息提取技術、生態參數因子高精度反演技術也不斷提升，相比三江源傳統地面監管存在的效率低、時效差、不全面等問題，利用衛星遙感技術可實現三江源園區全域、客觀的系統測定和長期動態監測，周期性獲取園區生態系統類型、結構和功能，為三江源國家公園生態環境保護與管理提供有力支撐。同時，衛星遙感也可提取自然資源、環境災害等重要信息，為三江源園區自然資源調查、礦區退出評估、災害事件應對等業務提供技術保障。

圖 2 三江源國家公園衛星遙感監測成果示例

1）自然資源調查監測。三江源國家公園自然資源調查監測的主要任務是查清園區內林地、草地、濕地等自然資源分布、開發利用與保護情況。以三江源自然資源歷史遙感監測成果為本底，結合三江源年度遙感監測獲取的高分辨率影像數據，基于遙感智能解譯算法技術對遙感影像解譯以及變化信息提取，實現三江源國家公園自然資源本底動態更新。圖2 為三江源國家公園衛星遙感監測成果示例。為保證所采集的自然資源變化圖斑信息的準確性，輔助外業調查，打造“天上看、網上管、地上查”的綜合監管模式，實現自然資源變化信息的快速、準確獲取，為三江源國家公園自然資源監測提供科學依據。

2）礦區退出評估監管。礦區監管是三江源國家公園生態保護中的一項重要工作，衛星遙感技術不受天氣環境影響，能夠及時獲取第一手調查數據，能夠客觀準確地收集礦山開采信息，對三江源國家公園區域內礦山退出、生態修復情況進行調查監測，省去人工實地勘察、信息上報等傳統調查中不必要的步驟，極大地提高工作效率，為三江源國家公園履行礦區退出與管理職能提供重要的支撐。

2.衛星通信

衛星通信不易受地形和災害等影響，能夠在任何時間、任何地點、任何環境下建立通信服務，具有通信距離遠，運用靈活、適應性強的特點，可為無信號覆蓋地區提供有效、優質、可靠的寬帶通信網絡連接。三江源國家公園所在區域多為大面積的無人區，在生態巡護、執法管理以及野外調查和科考等工作中，經常無地面通信網絡覆蓋，影響正常工作開展且對人身安全造成巨大隱患。通過配備動中通、靜中通以及衛星便攜站等設備，利用衛星鏈路提供文件、語音、視頻等業務傳輸及互聯網接入服務，在無人區實現與管理單位信息聯通，滿足園區全區的通信需求，有效提升三江源國家公園管理局對各監測站點的日常管理和巡護監測執法效能。圖3 為三江源國家公園衛星通信網絡架構示意圖。

圖 3 三江源國家公園衛星通信網絡架構示意圖

3.衛星導航

北斗衛星導航、通信和定位一體化的特點可在范圍廣闊且地理條件復雜的三江源國家公園區域發揮很強的應用潛力。結合三江源國家公園管理過程中的生態巡護、自然資源資產監管、環境災害應對和野生動物保護等核心業務訴求，利用北斗衛星導航系統定位和短報文通信功能，進行北斗國家公園綜合應用服務系統建設。在通信方面，為國家公園各級生態環保執法人員和巡護人員分別配置手持北斗終端，通過短報文通信實現信息互聯互通，消除生態信息網絡盲區，實現園區90%以上地區網絡全覆蓋，大幅提高信息網絡覆蓋率。在導航定位方面，在生態巡護與執法工作中，快速直觀定位到當前野外作業人員所處位置以及目標位置，規劃出常規路線，引導巡護執法人員高效開展業務。圖4 為三江源國家公園巡護執法人員車輛實時導航定位圖。

圖 4 三江源國家公園巡護執法人員車輛實時導航定位

五、衛星通導遙在三江源國家公園監測中的探索與實踐

依托航天科技集團衛星資源優勢、技術優勢和人才優勢，三江源國家公園已初步構建了覆蓋全域39.5 萬平方千米的衛星通導遙綜合監測體系，形成科學先進、有效可行的三江源生態監測模式，本文以三江源國家公園生態環境保護、應急工程監管項目為例，闡述衛星通導遙技術在三江源國家公園生態監測中的探索與實踐。

1.可可西里鹽湖漫溢生態環境災害事件應對

由于全球氣候變暖，青藏高原發生一系列生態環境連鎖響應，可可西里地區鹽湖發生擴張和漫溢并嚴重威脅到三江源生態安全和“青藏走廊”的運行安全。在可可西里這種無網、無電、缺少地面監測設施區域開展環境災害應急監測面臨巨大困難。為保障鹽湖漫溢應對工作的順利開展，三江源國家公園綜合利用衛星遙感、衛星通信等多介質、多層次監測技術，構建了以衛星手段為主的天空地一體化生態環境應急監測體系。圖5為可可西里鹽湖衛星綜合監測網。在遙感監測方面，通過對覆蓋鹽湖區域的高、中、低分辨率遙感影像高頻次的獲取，以及漫溢面積、水質等監測要素專題產品生產，形成中低分辨率周期性監測與高分辨率應急監測相結合的全天時、全天候監測機制，各類監測成果在三江源國家公園基準的統一時空框架下進行統籌接入和疊加分析，形成鹽湖地區時空對齊的長時間序列監測數據集，為鹽湖歷史演化和現狀的宏觀把握提供支持。在通信方面，利用搭建的鹽湖流域與管理部門高通量衛星通信鏈路，保障鹽湖現場與指揮部門的信息聯通，實現現場視頻、語音、實時水位和漫溢等詳細數據的全天候、實時穩定傳輸，為應急指揮與決策提供了有力支撐。在導航方面，監測車輛在北斗衛星協助下，完成對鹽湖地區的巡查及險情上報。衛星通導遙鹽湖流域監測體系在鹽湖漫溢應對中發揮了重要作用，為災情的掌握和指揮決策提供了重要支撐，也為今后高海拔區域的災害應急與生態綜合監測積累了寶貴經驗。

圖 5 可可西里鹽湖衛星綜合監測網

2.生物多樣性監測與保護

三江源作為高原生物多樣性最集中的地區，素有“高寒生物種質資源庫”之稱。生物多樣性也是三江源地區重要的資源特性之一，為更好地研究三江源區生物多樣性的現狀、存在的問題和演化趨勢，三江源國家公園綜合利用衛星遙感、高通量衛星和北斗定位技術構建包含信息采集、通信傳輸、業務應用的天地一體生物多樣性保護系統。

在三江源生物多樣性保護實踐中，通過高通量衛星將地面無網、無電區域野生動物監測視頻、抓拍圖片等數據實時回傳到園區管理部門，基于智能識別算法客觀真實地從視頻、圖片中提取旗艦野生動物，捕捉其遷徙數量、行動軌跡和生活習慣，并將獲取的野生動物的點位、活動范圍等空間化信息套合疊加在衛星遙感圖像上展示和評判分析。同時，還可利用遙感衛星監測旗艦物種棲息的分布和自然環境狀況，利用北斗項圈對野生動物實時跟蹤，掌握野生動物的遷徙規律、時間和路徑。衛星通導遙的綜合應用可實現對野生動物全方位、多層次、立體化的監測，極大提高生物多樣性監測與保護工作效率和水平，為國家公園生物多樣性保護和科研實驗提供堅實的技術支撐。

六、結論

三江源國家公園雖已高質量通過體制試點并正式建園，但三江源國家公園的建設仍需不斷探索，結合業務需求持續開展衛星監測技術的試驗與創新，不斷完善衛星綜合監測體系。未來，在本文已論述的現有衛星應用能力基礎上，攻克多星智能協同、天地數據融合等關鍵技術，提升衛星遙感、導航與通信一體化實時綜合服務能力，實現全域、全天候、全天時、智能化的三江源國家公園天基信息服務目標，進一步提高園區生態監測保護能力和管理水平，滿足新時代生態文明建設的新任務、新要求，也為青海省建立以國家公園為主體的自然保護地體系建設工作提供扎實保障。