青藏高原生態環境監測衛星融合應用研究

文 | 宋忠航 牛澤鵬 馬紅波 符晗 王劍 張拯寧 艾宇 曹小敏 靳代櫻 李洪福 董逵才 謝文斌 吳向楠 李媛 楊朝輝 周文 侯利波李斌 張文謙

1.西安航天天繪數據技術有限公司 2.航天恒星科技有限公司 3.陜西航天技術應用研究院有限公司 4.三江源國家公園管理局

一、引言

近年來，我國大力推動生態文明建設并將其納入社會主義現代化建設的總體布局，體現了更為全面的價值取向和更為深刻的生態倫理。青藏高原作為我國乃至亞洲重要生態安全屏障區和全球生物多樣性保護關鍵區，具有重要的水源涵養、防風固沙、碳固定和生物多樣性保護等功能，已成為生態文明的新高地。保護好青藏高原對人類生存環境和中華民族的未來發展具有十分重要的意義。

為保護青藏高原生態環境，我國依托三江源國家公園、祁連山國家公園等自然保護地開展了一系列生態環境保護與修復工程，極大地增強了高原生態安全屏障功能的穩定性。但由于青藏高原脆弱的生態系統以及獨特的地理環境，傳統單一以地面監測為主的監管模式面臨巨大挑戰，已越來越無法滿足精準化、全面化與一體化監管目標要求。隨著航天事業高速發展以及生態環保領域對衛星手段日益強烈的應用需求，結合新一代人工智能、大數據等先進技術，構建基于衛星通導遙與大數據生態環境信息化應用體系成為必然趨勢。

二、衛星融合應用體系總體設計

以北斗導航、高分遙感和低軌衛星互聯網為代表的衛星通導遙等空間信息基礎設施已漸成規模，通過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可構建青藏高原衛星通導遙天基信息感知與傳輸體系（圖1）。

圖1 衛星通導遙綜合應用

1.體系內涵與架構

青藏高原區域監測與保護涵蓋自然資源、生態環保、執法監察、應急減災等多個領域，業務流程復雜，貫穿整體監測與管理工作流程、全鏈條滿足多種業務需求的技術體系仍有缺失。綜合運用以衛星通導遙為核心的天基手段，結合大數據技術，構建青藏高原生態環境信息化監管技術體系（圖2），解決青藏高原因地域廣闊、人口稀少、地面監測設施匱乏導致無法開展全域、全天候、全天時綜合監測的難題。同時，結合地面和空基手段，可打造天地一體、上下協同、信息共享的生態環境監測網，實現天空地一體化集成服務，形成全方位地理空間生態大數據集。在生態大數據集基礎上，借助大數據、人工智能技術對多源異構數據進行存儲管理、治理與挖掘分析，構建以數據—分析—服務為驅動的一體化大數據平臺，為青藏高原生態監測、保護與管理提供支撐。

圖2 青藏高原生態環境信息化監管技術體系

2.體系功能與特點

（1）體系功能

高海拔、大范圍、高精度遙感監測分析。以三江源國家公園為代表的青藏高原重點生態功能區，其生態環境監測體系數據底座為基于高分辨率衛星數據構建的統一時空基準，在此基礎上可實現天空地多源時空信息高精度統一匹配與套合，提高圖像信息匹配準確度與疊置分析的處理效率。同時，根據地理國情普查數據成果以及高分辨率遙感影像數據，利用自動采集工具，可得到面向青藏高原地區，具有區域性、時序性、多類型、精度高的土地分類數據集，滿足深度學習數據集大規模、高分辨率、精細分類等要求，依托于該數據集，融合高精度語義分割方法，提高針對青藏高原這一區域遙感影像自動解譯和變化檢測精度。該體系貫穿遙感數據處理、生態產品生產、遙感行業應用等各個環節，具備從衛星數據獲取、處理到綜合分析應用的全流程能力（圖3）。

圖3 遙感監測綜合分析應用流程

高通量衛星通信系統通信傳輸保障。青藏高原地域遼闊，通信資源匱乏，各類監測數據獲取依靠野外紅外相機和攝像頭，紅外相機采集數據不能及時上報，面對應急事件同樣存在信息傳輸與通信指揮難題。衛星通信網絡作為該體系的重要組成部分（圖4），通過衛星鏈路為用戶提供文件、語音、視頻等業務傳輸，支持遠程雙向視頻會商及互聯網接入服務。在重點監控區域和環境應急情況下，系統可保障管理機構也可接收到實時的監控區域資料，提供可靠的通信傳輸保障，實現各監測站點之間可進行實時的話音交流，實現監測站點狀態反饋。重點監控區域的監測站點可將攝像監控采集到的視頻直接通過衛星鏈路實時傳輸至管理機構，便于指揮人員實時獲取資源，并根據現場傳回的視頻，通過遠程控制軟件，對監控攝像進行控制，有效獲取重點監控區域的資源信息。

圖4 衛星通信系統架構

智能時空大數據融合分析。青藏高原自然場景復雜，監測手段多樣的特點決定了大量涉及衛星通信、北斗導航、衛星遙感監測數據以及各類監測視頻、圖片等海量多源異構數據，數據類型多、時間跨度大、數據源彼此獨立，使得各類數據資源難以共享和融合。衛星通導遙與大數據生態環境信息化應用體系融合大數據、人工智能等技術，按照高原生態保護監測各類主題建立不同的數據應用場景，支持人獸沖突、生物多樣性監測與保護、生態管護、行政執法、生態環境等時空大數據融合分析模型（圖5）?；诘匦?、生態因子等時空數據，融合大量人獸沖突發生事件信息，構建時空分析模型，實現人獸沖突事件規律發現及預測，為管理機構制定防范機制提供科學數據支撐。利用衛星遙感監測旗艦物種棲息的分布和自然環境狀況以及衛星導航監測的遷徙路徑等海量信息，分析野生動物活動規律、生活習性、熱力分布等，從而有效評估物種保護現狀和發展趨勢。

圖5 智能時空大數據融合分析流程

（2）體系特點

適應生態環境監測數據全面感知與管理。適應未來數據增長及業務升級的應用需求，拓展生態環境和自然資源監測要素，結合衛星應用、人工智能與大數據、信息安全與技術等先進技術手段，實現對于數據接入、處理、儲存、服務分發等各個環節，保障生態環境信息化應用體系先進、高效支撐行業應用。

面向高原生態環境大數據融合分析與挖掘。面向青藏高原特殊的地理環境區位以及對氣候變化異常敏感的反饋特征，利用人工智能、大數據挖掘分析技術等，形成適用于高原大尺度、高精度遙感分析模型，通過交互式智能提取和目標識別，實現非結構化大數據信息向結構化大數據信息的轉變，支持多源異構數據間關聯分析、預測、偏差分析和時序分析等，深化生態環境監測數據應用的深度。

支撐數據共享與協同應用。運用云計算等信息技術手段，構建大數據平臺，按照青藏高原生態環境監測數據資源整合的要求，對各類監測業務系統數據進行互聯、融合和共享，實現更好的協同聯動，整合外部系統關聯數據信息，推動生態環境監管、執法與環境應急等數據共享應用。

三、應用實踐

目前，我國正建設全世界最大的國家公園體系，黨的二十大報告也重點提出“推進以國家公園為主體的自然保護地體系建設”的要求。青藏高原作為我國安全屏障，不僅生態功能良好，生態區位也十分重要。根據國家公園空間布局方案，在第一批十個國家公園體制試點和未來計劃創建國家公園中，三江源、祁連山、昆侖山、青海湖等近十個國家公園位于“地球第三極”青藏高原及其邊緣地區，青藏高原國家公園群呼之欲出。本研究在我國第一個國家公園三江源國家公園建設過程中運用衛星通導遙及大數據技術開展相關實踐應用，并形成豐富成果。

1.生態系統格局遙感監測

為加強宏觀生態環境監測和新時期國家公園環境保護工作，本研究利用高分辨率衛星遙感數據提取三江源國家公園生態系統各類面積，并計算各類生態系統類型占三江源國家公園的面積比例，分析三江源國家公園生態系統的空間分布格局，摸清生態系統的基本狀況。對園區范圍2021年度生態系統類型和結構進行研究，通過內業解譯并結合野外核查，初步得出生態系統類型面積和空間分布數據。2021年，三江源國家公園森林生態系統面積2.53km2，占總面積的0.001%；灌叢生態系統面積310.69km2，占總面積的0.16%；草地生態系統面積138594.48km2，占總面積的72.66%；濕地生態系統面積36245.35km2，占總面積的19.00%；城鎮生態系統面積93.44km2，占總面積的0.05%；荒漠生態系統面積2693.70km2，占總面積的1.41%；其他生態系統面積12791.08km2，占總面積的6.71%。從空間上來看，三江源國家公園生態系統草地的空間分布范圍最廣，其次是濕地，濕地在西南部地區分布較少，其余方向均有集中分布；草地在各個方向均有集中連片分布；荒漠零散分布在長江源區西北及西南部地區；其他生態系統集中分布在長江源北部、南部地區及黃河源的四周（圖6）。（注：結果僅為科學研究，不作為權威發布）

圖6 2021年三江源國家公園生態系統結構空間分布圖

2.人獸沖突場景智能分析

20世紀，人類定居、農耕、修路、水電開發等活動對野生動物棲息環境造成一定影響。自2003年三江源國家級自然保護區成立后，野生動物保護力度加強，野生動物種群不斷發展和壯大，人獸沖突問題呈增長態勢。如何認識人獸沖突，如何管理人獸沖突，亟需給予重點關注和跟進研究。通過遙感衛星、地面監測站等手段獲取三江源國家公園水文、氣象、植被覆蓋度等數據，建立分析模型對人獸沖突的地點、海拔、人口、動物種類和數量等相關因子量化分析，為三江源國家公園人獸沖突風險管理提供數據支持。圍繞人獸沖突監測，相關數據情況如表1所示。

表1 人獸沖突數據類型、采集方式及主要內容

依據《三江源國家公園野生動物本底調查報告》中人獸沖突統計結果數據，本研究模擬相關因子數值并建模，探究三江源國家公園各區域人獸沖突情況。

根據調查報告以及相關文獻參考構建了包含區域、肇事次數、肇事類型、平均海拔（m）、最高海拔（m）、最低海拔（m）、高差、植被覆蓋狀況、月平均溫度、月平均降雨量等10類自然和社會因子作為模型輸入參數。通過模擬和收集各鄉鎮具體參數，輸入到XGBoost算法中進行模型訓練，上述特征參數與研究目標（人獸沖突次數）擬合計算其相關性最終生成成熟模型，該模型可生成各鄉鎮每月發生人獸沖突次數，通過與沖突風險等級轉化，可直觀量化展現分析結果。沖突風險可分為無（0）、一般（1—4）、較大（5—10）、重大（11—20）和特大（20以上）五類。以索加鄉為例，預測2023年不同月份人獸沖突風險等級，模型分析結果如下：2023年1—2月沖突風險為0；3、5、6、10、11、12月人獸沖突風險等級為一般；4、7、8、9月人獸沖突風險等級為較大。從此次分析預測結果看，人獸沖突的時間分布不是十分穩定，但總體上看，人獸沖突發生在第三季度的風險較大。

人獸沖突大數據挖掘分析得到的風險等級預測可有效指導牧民在人獸沖突事件多發區和季節提前采取防范措施，把野生動物襲擾負面影響降到最低，同時，也大幅提高管理部門管理水平和工作成效。

3.高原生態災害事件應對

隨著近幾年生態環境保護工程的實施，青藏高原生態保護與管理水平有了長足進步，但其腹地無人區仍存在監測系統聯網能力低下、信息無法傳輸的短板，生態巡護人員進入后無法和外界建立穩定有效的聯系，人身安全無法得到保障，嚴重影響了日常管理與科研工作的開展，用衛星通信手段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變得十分必要。衛星通信系統作為生態大數據中心建設中重要的通信支撐手段，可實現各平臺間數據傳輸以及站點之間數據共享，滿足各應用場景下的日常及緊急通信需求。特別是近年來，由于全球氣候變化對青藏高原地區生態安全有一定影響，為高效應對無人區生態災害緊急事件，通過搭建衛星通信系統，利用數據鏈結合無人機空基監測，實現天空地一體數據感知與傳輸（圖7）。該系統在可可西里水患疏導治理期間提供水情、氣象、施工進度等各類監測信息的實時傳輸，為事件緊急應對措施制定提供了堅實保障。

圖7 生態災害應急事件數據傳輸示意圖

四、結論與展望

本文根據在青藏高原大區域、高海拔地區生態環境監測工作中所面臨的問題，結合生態環境監測尺度大、驅動因素多、過程復雜等特點，提出基于衛星通導遙和大數據技術構建生態環境信息化應用體系的框架概念，闡述其內涵定義，并介紹了該體系在三江源國家公園生態系統格局監測、人獸沖突預測、生態災害事件應對等業務中的具體實踐應用。未來，隨著遙感對地觀測技術、通信技術和大數據技術的快速發展，如何對海量多源異構數據進行高效智能的解譯、分析與應用是持續面臨的挑戰。因此，需在衛星通導遙綜合應用基礎上，突破新一代天基大數據信息智能快速挖掘、天地數據融合以及衛星通信+5G融合等技術，打造更為完善、成熟的生態環境信息化體系，發揮綜合應用效果，催生成熟的以天基信息為主的生態環境大數據綜合決策管理體系，提升生態環境科學決策管理水平。