賀蘭山東麓山水林田湖草生態保護修復工程生態效益評估系統的設計與應用

李曉虹,牛宏宇,陳彥虎,吳 曉

(1.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室,銀川 750000;2.寧夏氣象防災減災重點實驗室,銀川 750000; 3.石嘴山市氣象局,寧夏 石嘴山 753000)

0 引言

石嘴山市位于黃河中游上段、寧夏回族自治區北部,按地形地貌可分為賀蘭山山地、賀蘭山東麓洪積扇沖積平原、黃河沖積平原及鄂爾多斯臺地四種類型。由于缺乏統籌規劃,加上礦產資源日益枯竭,石嘴山市生態環境破壞嚴重。在生態文明發展建設目標提出后,石嘴山市加快了生態環境治理的步伐,圍繞“山、水、林、田、湖、草、沙”等各項要素,堅持修山、治污、增綠、凈水、固沙、擴濕、整地并重,實施山水林田湖草沙一體化保護和生態修復[1-2]。石嘴山市氣象局以山水林田湖草生態保護修復工程試點為契機,開發了“賀蘭山東麓山水林田湖草生態保護修復工程生態效益評估系統”(以下簡稱“生態效益評估系統”)項目。

在生態環境研究相關平臺的設計與應用上,劉成偉論述了草原生態節水灌溉系統的設計與運用[3]。薛帥等基于物聯網技術設計了大氣微顆粒采樣及環境監測裝置[4]。魏鐵鑫等設計研發了氣象災害防御決策支撐平臺[5]。李明哲利用GIS技術對生態城市規劃進行了設計與應用[6]。謝永強探討了O2O模式下電子商務平臺的構建與實現,并設計了具體生態環境平臺[7]。孫振勇等設計了一套集成Web端和手機App端的水文應急GNSS測流系統平臺[8]。李琦等研發了滑坡地質災害遠程無線實時預警監測系統[9]。高尚等基于大數據、5G、智能傳感器技術構建了空天地生態大數據平臺[10]。吳勰等運用云計算、三維WebGIS、遙感、水量水質模擬等技術,開發了鄱陽湖數字濕地生態調控智慧管理平臺[11]。李瑩等設計并建設了氣象災害風險管理系統[12]。呼海濤等系統設計了陜西省“生態云”綜合服務平臺[13]。朱堅等建成了“一網—二庫—二系統”的生態環境監測服務平臺[14]。袁紅平等面向濕地生態系統設計了基于物聯網架構的濕地生態監測系統[15]。

以上學者針對生態環境的某一方面進行了平臺設計及應用,但關于生態效益評估的綜合性平臺設計還較少。為此,本研究對生態效益評估系統進行了設計和應用,圍繞“山、水、林、田、湖、草、沙”等各項要素,對石嘴山市生態環境進行了持續的跟蹤監測,以實現天空地一體化監測,進而為生態治理效益評估提供科學的數據支撐。

1 生態效益評估系統的總體框架設計

生態效益評估系統的設計思路是“GIS一張圖分類展示成果”,系統框架如圖1所示。展示層包含生態環境因子、重大工程效益、數據檢索、后臺管理等;業務層包含數據管理和運行管理等。其中,數據管理包含對基礎數據和加工數據的管理,運行管理包含任務、算法配置和報告管理等;服務層包含數據的調用、入庫等服務及系統、日值管理服務,產品的制作、分發等;數據層包含空間數據、基礎數據、業務數據及成果數據等。

圖2 賀蘭山東麓山水林田湖草生態保護修復工程生態效益評估系統Fig.2 Ecological benefit assessment system for ecological protection and restoration project of water, forest, farmland, lake and grassland at the eastern foot of Helan Mountain

2 分系統設計

根據現實需求并結合石嘴山市實際情況,生態效益評估系統分為數據管理子系統、運行管理子系統、共享管理子系統3個基本支撐子系統,以及生態環境因子和重大工程效益評估2個業務應用子系統。

2.1 數據管理子系統

數據管理子系統是生態效益評估系統的基礎數據功能服務平臺,包括數據存儲、數據采集、數據檢索、數據預處理、數據訂單管理、數據歸檔、統計分析與決策、資源管理等功能模塊。通過數據管理子系統,可實現對風云、高分、Landsat等21種多源衛星的遙感數據、無人機的航拍數據、地面的氣象觀測數據進行采集、存儲、預處理等功能,實現對各類遙感數據依照產品系列、原始數據、再加工數據等條件的采集與存儲。

2.2 運行管理子系統

運行管理子系統是生態效益評估系統的核心,主要包括算法配置、任務管理、產品分發、報告管理等功能模塊,在數據管理子系統的基礎上創建數據生產任務,配置算法模型,自動完成六大工程效益評估數據的生產與發布。

2.3 共享管理子系統

共享管理子系統包含產品共享數據庫及數據傳輸、產品分類和展示、數據管理(用戶管理、權限管理、日志管理)等模塊,以數據單向定時傳輸的方式將效益評估產品,包括礦山修復監測評估、生物多樣性監測評估、重點水體監測評估、水土流失及土壤沙化監測評估、鹽堿化土壤監測評估、濕地監測評估等數據在氣象大數據云平臺及政務云數據庫發布。

2.4 生態環境因子子系統

生態環境因子子系統主要圍繞五大工程進行評估。利用多源衛星遙感影像,結合地面氣象數據,實現對石嘴山植被、水體、濕地、地表溫度及土地利用等開展動態監測評估,實現植被空間分布、植被指數、植被覆蓋度、植被長勢、植被凈初級生產力、植被蒸散、植被生態質量指數、水體空間分布、水體透明度、水體面積變化、黃河河道變化、濕地分類、濕地凈初級生產力、濕地空間分布、地表溫度及土地利用分類等產品的生成。

2.5 重大工程效益評估子系統

效益評估子系統包括礦山修復監測評估、生物多樣性監測評估、重點水體監測評估、水土流失及土壤沙化監測評估、鹽漬化土壤監測評估、濕地監測評估等6個監測評估模塊,圍繞六大工程生態效益評估,利用遙感技術,基于多源衛星遙感影像,結合地面氣象數據與無人機航拍影像,實現對賀蘭山東麓林地、草地、水體、濕地、湖泊、土地利用等的動態監測評估,為賀蘭山東麓山水林田湖草生態保護修復工程提供參考借鑒。

3 實證應用

3.1 生態環境因子分析

生態環境因子子系統可直接對石嘴山市的植被、水體、濕地、地表溫度及土地利用等因子開展動態監測與評估。如圖3所示,以植被空間分布為例,該界面包含所要生成圖形的說明性內容為:選擇區域、類型、數據源、頻次、植被分類、選擇數據的時間范圍等;對生態環境因子的描述,可下載的圖件、數據,各區縣植被空間分布的面積數據及柱狀圖等。根據圖文及數據可分析出每年各區縣植被(林地、草地、耕地)面積的變化特征及空間分布特征。

圖3 賀蘭山東麓植被空間分布界面Fig.3 Interface of vegetation spatial distribution of Helan Mountain

3.2 六大工程效益評估

六大工程效益評估子系統可直接對礦山修復、生物多樣性、重點水體、水土流失及土壤沙化、鹽漬化土壤、濕地6個模塊進行監測評估。如圖4、圖5所示,以人工林草地分布和鹽漬化土壤分布為例,該界面包含所要生成圖形的說明性內容:選擇區域、數據源、選擇數據的時間范圍等;該項目計算方法的簡要描述,可下載的圖件、數據。根據圖文及數據可分析出每年各區縣人工林草地面積的變化特征及空間分布特征,以及各區縣輕度或非鹽漬化和中度及以上鹽漬化土壤面積。

圖4 賀蘭山東麓人工林草地分布界面Fig.4 Interface of plantation grassland distribution of Helan Mountain

圖5 賀蘭山東麓鹽漬化土壤分布界面Fig.5 Interface of salinized soil distribution of Helan Mountain

利用無人機搭載RGB相機,不定期在礦山修復區域航飛,借助第三方軟件處理生成礦山修復區域的地形、正射影像等基礎數據,導入平臺后,結合Cesium框架,綜合歷史高清影像及無人機拍攝影像,實現礦山生態修復過程的三維展示與瀏覽動態圖。如圖6所示,可以清晰地看到礦山生態環境綜合整治成效,“黑、臟、亂、差”的狀況得到根本性好轉,生態環境得到極大改善,賀蘭山生態環境綜合整治取得明顯成效。

圖6 大磴溝整治前后無人機航拍正射影像圖Fig.6 Image of Dadengou before and after renovation by UAV aerial orthophoto

3.3 自動生成生態效益評估報告

如圖7所示,為節省人力資源最大化,符合生態監測評估智能化需求,以平臺6大業務監測模塊定期生產的業務產品為數據基石,結合服務產品模板,對年度及長時間序列的監測數據進行自動化再分析評價,自動生成石嘴山市轄區內礦山修復、生物多樣性、重點水體、水土流失及土壤沙化、鹽漬化土壤、濕地等六大工程生態效益評估報告,也可對報告進行新增、編輯、查看、發布、撤回、搜索重置等操作。

圖7 自動化生成生態效益評估報告圖Fig.7 Report of ecological benefit evaluation of automatic generation

4 結束語

賀蘭山東麓山水林田湖草生態保護修復工程生態效益評估系統以“GIS一張圖分類展示成果”為設計思路,包含數據層、服務層、業務層、展示層,分為數據管理子系統、運行管理子系統、共享管理子系統3個基本支撐子系統,以及生態環境因子、重大工程效益評估2個業務應用子系統。生態效益評估系統已實現業務化應用,在礦山修復、生物多樣性、重點水體、水土流失及土壤沙化、鹽漬化土壤、濕地等六大工程生態效益評估中發揮了重要作用;能夠通過無人機航拍正射影像圖對礦山修復進行精細化監測評估,自動生成六大工程生態效益評估報告,具有良好的業務能力與發展前景,可以推廣應用,對生態環境進行持續跟蹤監測,為生態治理效益評估提供科學數據支撐。