吉林一號衛星在查干湖國家級自然保護區人類活動監測中的應用

文|劉思言 王春月 趙宇恒 秦磊 付璐 于海洋

1.長光衛星技術股份有限公司

2.吉林省衛星遙感應用技術重點實驗室

一、前言

自然保護區可以積極保護生態平衡，有利于加強研究合理的生態平衡和對人類環境的保護，是中華民族的寶貴財富、美麗中國的重要象征[1]。截至2021 年2 月，中國已有34 處國家級自然保護區已被聯合國教科文組織的“人與生物圈計劃”列為國際生物圈保護區。近年受到人類活動的干擾，如農田的擴張、工礦企業的違規建設等，生態環境遭到一定程度的破壞。為加強自然保護區監督管理，2016 年上半年，環境保護部組織衛星環境應用中心開展了全國446 個國家級自然保護區2013-2015 年人類活動遙感監測[2]。吉林查干湖國家級自然保護區位于吉林省西北部，霍林河末端與嫩江的交匯處，總面積506.84 km2。范圍在東經124°03′28″—124°30′59″，北緯45°05′42″—45°25′50″之間。吉林查干湖國家級自然保護區以半干旱地區湖泊水生生態系統、濕地生態系統和野生珍稀、瀕危鳥類為主要保護對象，具有重要的生態價值和保護意義。為了使查干湖自然保護區在涵養水源、保持水土、改善環境、保護生物多樣性等方面持續發揮重要作用，加強對查干湖保護區的人類活動的識別與監管十分重要。

多數自然保護區具有覆蓋面積大、地形地勢復雜等特點，導致人工進行人類活動排查成本高、工作量大，時間周期長，容易遺漏[3]。并且人類活動具有8 種一級類型、20 余種二級類型，難以全面準確地掌握人類活動在自然保護區中的分布情況。衛星遙感技術具有探測范圍大、光譜信息豐富、分辨率較高等特點，可在自然保護區人類活動提取中發揮巨大的優勢，提高監測工作的精度及效率。在吉林一號星座的高分辨衛星遙感影像中，各類型人類活動具有明顯特征。通過遙感解譯進行精細化提取，獲得準確的人類活動分布信息，可為自然保護區生態環境保護提供本底數據支持和科學決策依據。本文以吉林一號高分辨率衛星影像作為數據源，吉林查干湖國家級自然保護區作為監測示例區域，介紹吉林一號衛星在自然保護區人類活動監測中的應用。

二、監測數據與人類活動介紹

1. 監測數據源

根據《自然保護地人類活動遙感監測技術規范》中的要求，對查干湖自然保護區進行人類活動監測的衛星影像數據，需滿足分辨率優于2m，單景影像云量低于10%，能夠清晰地表現紋理信息，突出主要地類。截至2022 年9 月，吉林一號衛星星座目前已有70 顆衛星在軌運行，是中國目前最大的商業遙感衛星星座，可對全球任意地點實現每天23—25 次重訪，具備全球一張圖一年更新2 次、全國一張圖一年更新6 次的能力，最快可在11 分鐘內實現對應急任務的響應。吉林一號寬幅系列、高分02 系列、高分03 系列、高分04 系列等衛星均可達到亞米級空間分辨率，滿足人類活動提取的影像需求。其中吉林一號寬幅系列衛星分辨率最高可達到0.5m，幅寬136 km。通過一次拍攝即可滿足大多數自然保護區的全覆蓋需求。綜合考慮耕地中農作物的物候信息與植被生長特性，選用2021 年9 月的吉林一號寬幅01B 0.5m 分辨率衛星影像作為提取查干湖自然保護區的基礎數據。影像包含藍光、綠光、紅光以及近紅外四個光譜通道，且全域范圍達到無云狀態，滿足實際解譯中云量的要求。

2. 人類活動介紹

自然保護區人類活動類型包括礦產資源開發、工業開發、能源開發、旅游開發、交通開發、養殖開發、農業開發、居民點與其他活動8 種一級類型，在此基礎上又區分了若干二級人類活動類型[5]。

自然保護區人類活動變化類型包括新增、擴大和減少等3 種類型，每種變化類型根據實際分為新增、面積擴大、強度增強、面積減少、強度減弱5種不同變化情況。

三、監測工作流程與方法

1. 自然保護區人類活動監測

能夠準確且全面地提取人類活動信息，是制定自然保護區生態環境治理相關工作政策的基礎。利用基于深度學習的自動化提取技術結合人工核查的監測手段，建立從衛星遙感數據獲取、處理到人類活動成果準確化提取及相關成果應用的全流程監測體系。高效利用高分辨率的衛星數據，精準獲取全面的人類活動變化及整體分布信息。監測的整體工作流程如圖1 所示。

圖1 人類活動遙感監測技術流程圖

以自然保護區邊界為拍攝范圍，獲取保護區內主要作物與植被數據，通過該地區的主要植物的生長情況規劃拍攝時間，以便于區分人類活動類型。將拍攝得到的影像進行正射校正、融合、配準等處理，得到用于解譯的基礎影像。

以上一期人類活動數據為基準期數據，影像為基準期影像。將所建立的人類活動樣本庫，采用深度學習算法進行訓練，得到人類活動提取模型。在拍攝得到的影像與基準期影像的基礎上，利用提取模型進行自動化提取人類活動變化信息。對提取得到的圖斑有針對性地進行實地核查，采集實際的人類活動屬性進行對比。修改不準確的圖斑信息，得到人類活動變化數據。整合人類活動基準期數據，獲得人類活動現狀數據。

以得到的監測成果為基礎，對保護區內的人類活動信息進行統計分析。評價保護區內人類活動對生態環境的影響程度。制作人類活動分布專題圖，撰寫報告，為自然保護區的綜合治理工作提供決策上的幫助。

2. 技術方法

（1）人類活動自動化提取

采用基于深度學習的方式對人類活動進行自動化提取。對于在影像中呈現分散分布狀態，并且形態較小、場景復雜的人類活動，如能源開發活動中的風電、水電、輸變電等設施，使用選擇應用較廣的YOLOv5[6-7]作為自動化提取所用的目標檢測算法。訓練樣本集數據，充分學習各項設施的特征，得到能源開發人類活動檢測模型。YOLOv5 網絡結構及能源開發檢測流程如圖2 所示。該模型提取速度快，在查干湖國家級自然保護區人類活動提取中，可以高效地遍歷保護區范圍內的影像。結合人工質檢的方式，在人機交互篩查的過程中刪減誤檢信息，可以提升整體的提取精度。

在高分辨率遙感影像中，人類活動一般具有大分散小聚集的分布特點，適用地表分類技術。選擇HRNet+OCRNet[8]為使用的語義分割算法，并建立以東北地區地表信息為主要部分的地表類型樣本庫。通過GPU 并行加速減少預測時間，提升算法整體效率。算法網絡結構及地表分類結果如圖 3 所示。在進行人工質檢過程中對圖斑的邊緣進行優化，使提取的結果更加貼合實際地物的分布情況。

圖3 HRNet+OCRNet 網絡結構及地表分類結果

（2）人類活動影響評價模型

根據自然保護區人類活動監測結果，計算自然保護區人類活動影響指數[9]，并進行分級，對區域內的人類活動影響進行評價，評價模型如下：

其中，NRHI為自然保護區人類活動影響指數，xi為人類活動類型的面積，x為自然保護區的總面積。ai和bi為權重，其中ai根據每一類人類活動斑塊所在的功能區來確定，bi根據不同人類活動類型對自然保護區的影響程度來確定。

3. 服務方式

現有人類活動強度不再增加、減少新增人類活動數量、針對性治理重點類型人類活動，對于保護自然保護區生態環境十分重要[10]。為了方便對人類活動實施嚴格的監管，建立自然保護區人類活動監管平臺，有效地利用現有監測數據對自然保護區人類干擾活動進行統計、分析和展示，統籌管理人員進行任務下發、執行。通過統一的人類活動監管平臺，提升數據供應、核查整改等工作的效率，以遙感影像準確展示人類活動的實際治理效果，為自然保護區管理工作提供依據。

四、監測成果及分析

基于吉林一號高分辨衛星影像對吉林查干湖國家級自然保護區進行人類活動提取，除礦產資源開發外其他7 種人類活動均存在于保護區內部。保護區內人類活動提取數據如表 1 中所示，表中空白處即為未提取得到該區域或該類型的人類活動。

表1 查干湖國家級自然保護區人類活動分布情況

續表1

全域共提取得到309 處人類活動圖斑，總面積2188.41 hm2，占保護區總面積的4.3%。其中存在131 處農業開發，面積1996.79 hm2，占保護區總面積的3.94%，占所有人類活動面積的91.24%。對自然保護區環境影響最大的礦產資源開發、工業開發、旅游開發、能源開發總共存在89 處，總面積為34.8 hm2，所占總體人類活動比例較小。查干湖保護區人類活動空間分布情況如圖4 所示。

圖4 2021 年查干湖國家級自然保護區人類活動分布現狀

根據人類活動影響評價模型，結合提取得到的各功能區的人類活動分布，計算吉林查干湖國家級自然保護區人類活動影響指數NRHI。結果如表2 所示。整個保護區的人類活動影響指數為0.000309，其中緩沖區的影響指數為0.0002021，占總影響的65.4%，說明在查干湖自然保護區中對環境影響較大的人類活動主要集中在緩沖區內。以吉林省各自然保護區的NRHI值作為參考依據，設計人類活動影響程度等級劃分為5個等級：劇烈（NRHI＞0.003）、明顯（0.0007 ＜NRHI≤0.003）、較明顯（0.0002 ＜NRHI≤ 0.0007）、一般（0.00009＜NRHI≤0.0002）和輕微（NRHI≤0.00009）。查干湖保護區內人類活動屬于較明顯等級，結合實際影像觀察，以農田、居民點、道路、養殖場和人工設施等為主，有少量開發建設活動。

表2 查干湖國家級自然保護區人類活動影響指數

總體上查干湖自然保護區內人類活動主要分布在東北部和南部。保護區內人類活動在實驗區、緩沖區、核心區的面積分布分別為1118.21 hm2、994.01 hm2、76.19 hm2，其中實驗區人類活動最多，面積占保護區總面積的2.2%。緩沖區內人類活動對保護區影響最大。核心區仍然存在人類活動的痕跡，分布著部分水田和旱地。

查干湖保護區是濕地類型保護區，主要地表類型為水域濕地，面積約為420 km2，占80%以上。雖然人類活動占總面積的比例不高，但是占陸域面積的比例過大，超過1/4，人類活動治理防控形勢仍然十分嚴峻。

在監測過程中仍然需要人工進行參與：一是需要人工進行現場核查，明確具有爭議圖斑的屬性，提升二級人類活動提取的準確性；二是需要進行人工優化提取結果的邊界，使之更加符合實際地類的分布特征。在監測過程中充分利用自動化提取的效率，并且輔助人工進行優化，最大程度上滿足準確與高效的要求。

五、結論及展望

通過吉林一號高分辨率影像提取得到了查干湖國家級自然保護區內人類活動的主要分布情況和類型，以此為基礎對生態環境的干擾程度進行分析。查干湖自然保護區內人類活動集中分布在保護區周邊，以農業開發為主，人類活動較為明顯。雖然與歷史影像進行對比可觀察到保護區內存在大量人類活動減少痕跡，表明查干湖保護區的生態環境治理工作正在有序推進，但是綜合考慮人類活動面積在保護區的占比情況，仍需進一步加快對干擾活動的綜合治理的腳步，在保持現有成果的前提下快速提升查干湖保護區的生態環境狀況。

吉林一號衛星星座的遙感影像具有高時間分辨率、高空間分辨率、覆蓋能力強的特點，在進行大范圍、具有復雜地表的自然保護區人類活動監測中具有優勢。在亞米級影像中可以準確地識別各種人類活動類型的地表特征，通過自動化提取+人工核查的方式能夠極大地提升人類活動排查的效率和準確度。高頻次的拍攝能力可以在第一時間得到人類活動的變化信息，提高自然保護區人類活動的動態監測能力。自然保護區人類活動監管平臺進一步增強了資源整合能力，使生產和核查等各方深度參與，提升人類活動的監管能力。在后續的工作中仍需進一步提升監測過程中的自動化水平，提高提取算法的準確性，增加各類型人類活動的樣本庫，完善提取模型。準確且全面地監測人類活動，可以有效抑制對自然保護區生態環境的破壞，為保護區的環境治理工作提供數據支撐。