遙感科技服務國家戰略
——以西北自然資源調查為例

文|李志忠 衛征 付壘 韓海輝 趙君 陳霄燕 白鵬飛 劉拓 張文龍

1.中國遙感應用協會專家委員會 2.上合組織地學衛星遙感中心 3.中國地質調查局西安地質調查中心

機科學、地球科學等多學科上的現代前沿交叉科學技術，近年來伴隨著航空、航天技術的發展和人工智能等新一代技術的推廣，在服務西北自然資源調查監測工作中不斷擴展，如持續支撐山水林田湖草一體化保護修復、境內外找礦突破、糧食主產區土地質量監測、重要經濟區清潔能源開發利用等任務，已顯示出極其廣泛的應用價值、良好的經濟效益和強大的生命力。

2023 年召開的全國自然資源調查監測工作會議，明確提出未來五年要著力構建調查監測感知體系，加強新模型、新算法研究，不斷提升自然資源監測能力和水平，并重點圍繞國家重大戰略實施、重大區域格局調整、城鎮發展、鄉村振興等需要，繼續開展地類變化監測，深化探索城市國土空間監測，加強專項監測和重點監測，適機開展快速反應監測；同時深入挖掘自然資源調查監測數據的內在價值和應用潛力，深化數據綜合分析，提升咨詢服務能力，不斷提升自然資源調查監測在支撐自然資源管理、服務經濟社會發展方面的實際成效。

以上需求為開展西北自然資源調查指明了方向，即要由常規地面調查方法向以充分依靠科技創新和現代信息化建設為技術支撐的新方法轉變，逐步形成應用大數據、云計算、智能識別、5G、北斗為核心的信息技術改造、引領、支撐測繪遙感、地球物理、地球化學、鉆探、分析測試、地質信息和資源利用等七大傳統自然資源調查手段，構建“天—空—地—網”的自然資源動態立體監測預警評估體系，破解“資源怎么科學利用”“人地關系如何平衡”“雙碳目標下生態修復如何開展”等關鍵問題，調查研究成果直接應用于國家重大戰略實施和重大區域格局調整。

二、自然資源遙感監測的應用

1.黃河流域人地關系全要素系統分析

人地關系指人類活動與自然環境之間的關系，其核心目標是協調區域社會經濟發展與自然環境間的矛盾，達到人與自然環境協調發展。工業革命以來，人類活動對自然環境的影響不斷加深，已造成自然資源稀缺、地質環境質量下降、地表圈層功能退化等生態環境問題。在現代人地協調觀的要求下，黃河流域人地關系的監測評估需綜合考量自然資源多要素的變化和相互作用關系，遙感技術可以快速掌握山水林田湖草的分布及之間的轉化趨勢，進而進行“水—土—氣—生—人”綜合作用分析。

但應用仍存在幾方面挑戰：1）研究對象的復雜性：黃河流域干流長達5000 多千米，西到東橫跨青藏高原、內蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原四個地貌單元，氣候類型多樣、地質條件復雜、自然資源和能源豐富，是當前地球關鍵帶研究尚未系統涉及的巨型流域。2）自然變化和人類的工業、農業和城鎮化活動相互交織且作用強烈：黃河流域橫跨9 個省區，生活著近3 億多人口，建設了龍羊峽等重要水庫，建立了蘭西、關中等城市群以及汾渭平原等商品糧基地，暖濕化和人類活動雙重作用顯著。3）全流域生態地質問題的多樣性和連鎖性：源頭區的冰川消融和草場退化，中游區的水土流失與地質災害，下游的濕地退化和地面沉降等問題依舊存在。

傳統的人地關系調查研究多局限于上千平方千米的小流域，環境變量梯度和生態地質問題相對單一，無法解決諸如黃河這樣巨型流域的資源環境問題。但遙感技術宏觀、動態、綜合、快速、多層次、多時相的優勢，可為人類可持續利用地球關鍵帶生態服務提供科學支撐。未來應繼續建設空天地一體化監測體系，促進人地關系研究，重點圍繞以下方向：1）地質環境變化對流域主要地球關鍵帶自然資源保護、生物多樣性維持、水資源平衡等的作用。2）基于空天地一體化地質調查監測開展地球關鍵帶不同生態系統服務功能的評估預測。3）地球關鍵帶過程及系統的模型模擬研究，包括加強全流域尺度的多源地質調查數據同化技術，以及基于遙感監測和模擬的地球關鍵帶重要特征參數的可視化制圖等。

2.青藏高原生態地質環境保護

近年來，被譽為“中華水塔”的青藏高原因生態地質環境變化引起水資源涵養功能降低和水環境變異，致使土地退化面積擴大、生物多樣性減少，本就脆弱的生態加劇惡化，尤其是黃河源地區的生態、綠色發展要求對地質環境的需要提出了新挑戰。2019 年起，為全面支撐青藏高原生態保護修復工作，自然資源部中國地質調查局統籌部署了“黃河源等地區生態地質調查工程”，重點開展了1 ∶ 500000 生態地質背景調查以及重點生態功能區1 ∶ 50000 生態地質要素調查，旨在查明從地下—地表—地上全過程的地質構造背景與自然資源各要素的關系，多源遙感技術作為空天地一體化調查的主要手段發揮了重要作用。基于光學遙感和合成孔徑雷達（SAR）等干涉雷達監測，陸續開展源頭地區冰川融化、凍土消融、濕地退縮、土地退化等典型生態地質問題的持續監測與三水轉化數量的遙感定量反演，定量評價了黃河上游生態功能保護區水源涵養功能，分析了黃河上中游重點礦區開發利用及生態損毀修復情況，這些高寒區地球關鍵帶研究為保護和恢復高原的生態地質環境提供了大量基礎數據和科學依據。目前，這項工作已成為自然資源部中國地質調查局長期開展的公益性調查任務，這將為黃河流域生態保護和高質量發展戰略提供重要的科技支撐。

3.西北特殊景觀區礦產遙感調查

我國鈾、鐵、銅、鋁、鎳、鋰、錳等十余種礦產資源的自然稟賦較差，其供給與需求的矛盾至今沒有實質性改善，結構性短缺態勢長期存在。2020年9 月，我國正式作出“將力爭2030 年前實現碳達峰、2060 年前實現碳中和”的“雙碳”目標承諾，這將進一步促使新能源產業所需的礦產資源呈爆發式增長，也勢必將拉動銅、鋁、鎳、鈷等相關資源的消費增長。西北地區是我國戰略性礦產資源的重要保障基地，利用遙感技術為依托的空地一體智能化快速勘查體系服務新一輪找礦突破勢在必行。

通過在西北重要成礦帶部署礦產資源遙感調查工作，可創造性地將高分辨率遙感數據與多光譜、高光譜遙感數據相結合，開展多層次遙感解譯，形成一套高分遙感地質礦產調查技術方法體系，助力礦化異常信息的快速發現。這項工作目前已有很好的基礎，如研究人員已構建了適用西北特殊景觀區的遙感+地質+地球化學空地一體快速勘查技術方法體系，突破了高寒深切割區、戈壁荒漠區的遙感信息提取技術，技術成果成功引領西昆侖大紅柳灘超大型鋰輝石礦找礦突破，加速甜水海地區薩岔口、五峰山一帶鉛鋅找礦新發現，有效推動高分、高光譜遙感調查技術在西北地區礦產勘查中的規模化應用，為在我國西部艱險區開展戰略性礦產資源勘查提供了重要支撐。

4.西北糧食主產區土地健康調查

西北地區的新疆北疆、陜西關中、甘肅河西走廊等地區，水草豐美、土壤肥沃、有機質含量相對高，是保障我國糧食安全的重要地區。隨著氣候變化和多年高強度開墾，西北耕地區土壤面臨著退化和鹽堿化問題，利用高新技術開展調查監測迫在眉睫，大量學者也展開了遙感技術應用示范工作。在西北五省1 ∶ 250000 土地質量地球化學調查中，通過衛星、航空、地面高光譜、地球化學分析準同步數據采集，構建了土壤質量高光譜遙感綜合評價模型，開展了地物特征光譜重建與評價工作，科學支撐國家糧食安全。尤其是通過間接法尋找土壤鹽堿化的光譜特征波段，應用無人機高光譜資料分析元素相關性，對焉耆等地區的鉀、硒、氯及粘土礦物含量進行了科學預測，取得了良好的示范對比效果。同時利用土壤樣本的地球化學測試數據和地面高光譜數據，探索土壤重金屬與氧化鐵的吸附賦存關系，構建基于氧化鐵反演的土壤重金屬間接反演模型，對白銀等地區重金屬含量模型反演輸出值與重金屬實測值進行擬合比對，探討微量重金屬間接定量反演模型的可行性和準確性，另外還參照中國居民膳食28 種人體有關的主微量元素變化和遙感數據繪制西北地區水土異常圖，這些工作均為保障國家糧食安全提供了“遙感智慧”。

5.西北地區地熱資源遙感調查

地熱資源是指貯存在地球內部的可再生熱能，是一種十分寶貴的綜合性礦產資源。我國尤其是西北地區地熱資源豐富，因此大力開展地熱資源勘探和開發利用，是區域清潔能源結構調整的重要內容，也是短期內我國優化能源結構的重要途徑，更是我們實現雙碳目標的有效手段。

地熱資源調查一般遵循先從區域性、大面積范圍圈定地熱遠景區，再進行中等比例尺地面調查，輔以相關地球物理勘探手段，圈定地熱勘探開發靶區，最后通過地熱調查井或開采井驗證或開發利用。但這個過程耗時耗力，國內外已有研究證明利用遙感進行地球熱能探測技術上可行，主要是利用熱紅外數據填圖地表溫度并與地熱建立聯系，可以輔助進行地熱資源調查。但由于目前熱紅外遙感波段單一、空間分辨率低，不能很好地滿足地熱資源勘探需求，尤其是缺乏專門針對地熱流場（地熱通量）指標的傳感器（目前為止尚無高光譜分辨率和高空間分辨率的專用熱紅外遙感衛星），使得深部和高溫地熱探測仍存在較大技術瓶頸。目前學者們正在結合地球熱能探測需求，研制專門的地熱遙感衛星，綜合提供地表溫度、地熱通量精確反演所需數據，進一步提升地熱資源勘探開發速度和效率。未來，遙感探測手段或將成為提高地熱資源勘探的重要手段。

三、存在的技術問題與難點

1.大系統大科學框架下的學科融合體系尚需進一步加強

利用自然資源調查數據支撐生態文明建設、國家重大戰略實施和重大區域格局調整，首先需要構建統一的調查監測總體框架，并繪就自然資源一張底圖。這就意味著要從科學性和系統性入手，遵循自然資源演替規律和生態系統內在機理，對地表、地上和地下的各類自然資源科學組織，分層分類進行管理；在地表覆蓋的基礎上，疊加各類管理信息，形成真實反映自然資源利用狀況的準確數據，滿足自然資源管理的需要。但這個工作涉及復雜的地球圈層系統乃至經濟、人文、歷史等眾多學科與領域，導致“核心要素信息的自動化提取”依舊是自然資源調查監測的主要技術瓶頸問題，這就需要引導和支持交叉學科的發展與壯大，尤其是在信息提取方面加快大數據、人工智能、5G、區塊鏈、知識圖譜、空間信息等高新技術與航空遙感、無人機航空遙感的迅猛融合，構建“天—空—地—網”一體化的技術體系，盡早實現自然資源要素變化信息高精度自動化提取；另外，地理空間分析、區塊鏈、知識圖譜等技術的交叉融合，也可以為揭示自然資源“格局—過程—服務”的地域分異、形成機理、演化規律及人地關系全要素系統分析提供支撐，實現從調查監測到知識服務的跨越。

2.技術標準規范不完善，工程規劃與設計不成熟

完善自然資源遙感監測技術標準規程，拓展遙感技術工程化應用是支撐國家重大戰略實施的有效途徑。雖然國內外都發布了不少資源環境遙感監測與評估的規范標準，但其針對性、適用性、通用性等還相對有限，完整的體系也尚未形成，導致規劃工程應用缺乏足夠依據。未來，自然資源調查監測工作將更加重視技術規范化、數據標準化、應用工程化，只有進一步明確自然資源遙感監測的定量指標，加速自然資源參數的遙感反演、自然資源時空信息一體化建模、自然資源知識服務模型等關鍵技術方法研發，完善技術流程和標準規程，并在我國和“一帶一路”相關區域開展專題性或工程化應用試點試驗，實現自然資源全要素、全流程、全覆蓋的動態感知和精準認知，才能有效支撐國家戰略的實施。

3.多信息維度融合的地球大數據智能信息化有待深化

未來，自然資源遙感監測實現數字化和信息化方可有效支撐國家戰略的實施。目前的對地觀測已顯現出高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率的“三高”特征，隨著地球科學的發展和地球關鍵帶研究的深入，對不同尺度下地球大數據的信息維度、分辨率都提出了更高要求。但在綜合運用航天、航空遙感和地面站點、手持終端、巖心光譜掃描等多種監測手段，基于數據挖掘、融合、協同、同化等關鍵技術，形成天空地一體化的探測裝備和數據處理與應用系統等方面，仍然面臨監測難協同、數據難共享、信息難融合、質量難統一、精度難提高、管理難有效等問題。如多尺度非結構化信息、多目標特征信息、多維度時序信息等融合難度大，環境耦合分析模型與災變風險預測不精準，嚴重制約了自然資源大數據的整合、分析與工程化應用。進一步加強地球大數據基礎信息平臺建設，推進自然資源“一張圖”從二維調查走向三維調查，并利用大數據、區塊鏈等技術努力解決“數據孤島”等問題，形成“用數據監管、用數據決策”的技術支撐模式，方可適應生態文明建設和自然資源管理需要。