遙感技術在國土空間生態修復領域的應用

文| 陶培峰 周宏文 肖禾 袁月 湯曾偉 張宇

重慶市地理信息和遙感應用中心

一、引言

國土空間生態修復是指通過一系列的措施和行動，以改善、恢復和保護生態環境為目標，對國土空間中受到破壞的生態系統進行修復和重建的過程，是機構改革賦予自然資源主管部門的重要職責，也是自然資源主管部門履行“兩統一”職責的重要內容[1]，對于維護國家與區域生態安全、提升生態系統穩定性和可持續性、促進人與自然和諧共生具有重要作用。相較于傳統生態修復，國土空間生態修復聚焦山水林田湖草等全域、全要素的整體保護、系統修復、綜合治理，更關注中宏觀尺度下的國土空間結構優化、修整和生態功能的撫育、恢復[2]。

遙感技術憑借其高頻度、大尺度同步獲取各類生態參量的能力，在地面臺站數據、專項監測數據等的支持下，能夠快速、定量識別區域生態狀況、特征、問題及其演變趨勢，在國土空間生態修復中應用廣泛。近年來，國產衛星觀測應用體系日臻完善，數據保障能力逐步提升[3]，尤其通過遙感影像采集、處理、管理、分發的規范化統籌，實現了各類遙感數據從接收到處理發布的全過程管理服務，提高了遙感數據的可獲取性和時效性，有效保障了遙感技術在國土空間生態修復領域的應用。

二、國土空間生態修復遙感應用框架

遙感技術具有監測面積大、重訪周期短的特點，已經成為國土空間生態修復調查、監測和評估的重要手段，具體應用范圍可歸納為生態本底調查、生態問題識別、生態保護修復格局構建、生態修復工程監管與成效評估4 個方面，據此構建了國土空間生態修復遙感技術應用的總體框架（圖1）。

圖1 國土空間生態修復遙感技術應用框架

1. 生態本底調查

全面、系統地掌握區域生態本底狀況是開展國土空間生態修復的關鍵基礎，基于遙感技術可以實現區域資源稟賦、自然地理、生態系統等要素的調查與動態監測，解決生態修復工作中“底數不清”“狀況不明”“空間不準”的現實問題。利用衛星遙感影像的色彩、紋理、形狀和光譜等特征，結合智能解譯、定量反演等技術手段，可以精準獲取耕地、林草、濕地等資源的類型、分布、數量和質量等信息；結合立體測繪技術和地形分析，能夠充分發掘區域地形地貌、河流水文、山水格局等地理特征，掌握自然資源在不同海拔的垂直分布情況；通過模型計算和多期影像對比，能夠快速獲取生態系統評估參數，支撐生態系統景觀格局、質量、服務功能等生態系統狀況分析與變化監測，有助于全方面掌握生態系統在人類活動影響下的特征和變化趨勢。

2. 生態問題識別

生態問題識別是國土空間生態修復的前提，利用遙感技術能夠摸清區域主要生態問題的類型、位置及破壞程度，有助于確定生態修復實施的方向和力度，在識別和診斷系統性、生態空間、城鎮空間、農業空間等生態問題方面能夠提供準確的評判依據。

在系統性生態問題識別方面，可以利用遙感監測技術解譯獲取土地利用、水土保持措施、植被覆蓋等信息，運用土壤流失方程，計算土壤侵蝕模數、評價水土流失強度[4]；采用多頻段、多參數的“天—空—地”一體化觀測和立體影像技術，能夠判讀地質災害孕災背景、災害特征、變形速率和發展趨勢等信息，提升地質災害調查的準確性和有效性[5-6]；基于立體測繪技術與淹沒分析，能夠準確提取洪水淹沒范圍和淹沒區水深分布，識別城市易澇重點區和消落區范圍[7]。在生態空間生態問題識別方面，遙感技術可獲取地物的光譜特征，利用不同地物的光譜差異可以實現水體、植被、氣象、土壤等關鍵生態參量的反演，在識別水體富營養化、植被病蟲害、土壤污染等方面應用廣泛[8-9]。在城鎮空間生態問題識別方面，利用熱紅外遙感技術，可以反演地表溫度，分析城市熱島現象的時空變化[10]；通過遙感影像解譯，可有效識別河道侵占、岸線硬化等生態問題。在農業空間生態問題識別方面，利用遙感地物信息分類提取技術，可以識別坡耕地的空間分布；基于面源污染負荷模型，耦合遙感技術，能夠實現區域面源污染負荷量估算和污染特征分析，為面源污染防治提供決策支持[11]。

3. 生態保護修復格局構建

構建生態保護修復格局就是要明確生態安全格局，細化生態修復分區，是合理編制國土空間生態修復規劃、科學布局國土空間生態修復重大工程的重要依據，對促進生態系統的整體保護與協同治理具有重要指導意義[12-13]。

依托遙感前期開展的生態系統評價和生態問題識別，可有效支撐生態安全格局構建、生態保護修復區識別、生態修復分區等工作。識別生態系統服務功能重要、生態系統質量優良的區域，作為生態保護區，同時作為生態安全格局中生態源地識別的參考，可用于提取生態廊道，識別生態節點；將生態系統結構不佳、功能受損、質量退化等生態問題突出區域劃定為生態修復區，有助于確定修復目標和措施，實現因地制宜、優化治理[14]；根據自然地理單元的完整性、生態系統的相似性，以及生態問題的差異性，可支撐不同類型的生態修復分區，為制定分區管控和修復策略、指導生態修復工作提供參考。

4. 生態修復工程監管與成效評估

生態修復工程往往具有范圍廣、分布散、實施周期短、管護周期長等特點，傳統工程監管方式以人工實地抽樣調查為主，費時費力且無法覆蓋全部工程，項目監管與成效評估存在一定困難。遙感技術以宏觀、準確、實時等優勢，可有效支撐生態修復項目的規劃設計、進度監管、效益評估等工作。

在工程規劃階段，利用遙感技術可以快速摸清區域內土地利用、植被覆蓋等生態本底狀況以及主要生態問題，輔助管理部門進行工程選址和規劃審批；在工程實施階段，利用長時間序列的多源遙感數據產品，可動態監測工程區域內的地物信息、土地覆被等變化[15]，掌握生態修復工程的狀態，包括生態修復所采取的措施、實施質量和建設進度等，方便管理部門對工程實時監管，及時發現制止“工程重復建設”“不按規劃執行”“工程拖延”等違規行為；在工程驗收和管護階段，可以通過遙感技術開展植被生長狀況、水質狀況、水土保持等監測指標的生態參數定量反演，分析生態修復不同階段生態系統的狀態及變化，為生態修復工程驗收、成效評估提供科學、可行的方法途徑。

三、重慶市典型應用實例

1. 生態系統遙感解譯

生態系統遙感解譯是生態狀況評估的重要基礎，利用高分一號（GF-1）、高分二號（GF-2）等國產高分辨率衛星影像，通過人機交互解譯、人工智能解譯等方式，能夠實現生態系統類型的識別。圖2 是利用優于2m 分辨率的高分系列衛星解譯的重慶市生態系統分布圖，森林生態系統是重慶最主要的生態系統類型，占比40.1%；其次為農田、灌叢和城鎮生態系統，分別占比28.3%、15.9%和9.2%；草地、濕地和其他生態系統規模相對較少，合計占比約6.5%。

圖2 2020 年重慶市生態系統分布圖

2. 生態系統服務功能評估

生態系統服務功能是生態系統滿足和維持人類生存和發展需要的環境條件與效用，包括土壤保持、水源涵養、固碳釋氧、生物多樣性維護等類型[16]。多光譜、高光譜遙感數據作為量化評估生態系統服務功能的主要驅動數據，在定量反演技術和生態過程模型的支持下，可以獲取植被覆蓋度、生物量、凈初級生產力、葉面積指數等關鍵評價指標，為生態系統服務功能評估提供基礎數據。圖3 是基于單位面積價值當量因子法，用植被覆蓋指數（NDVI）和植被凈初級生產力（NPP）修正得到的重慶市生態系統服務功能價值等級圖[17]。生態系統服務價值高價值與較高價值區分別占比8.8%和23.12%，主要集中在渝東北、渝東南地區；中價值區占比31.12%，主要沿條形山脈分布；低價值與較低價值區分別占比7.17%和29.79%，主要集中于中心城區及其周邊區域。

圖3 重慶市生態系統服務功能價值等級圖

3. 礦山生態問題識別

通過高分辨率和高光譜遙感影像，可以對礦山環境要素進行快速識別，包括礦山開發壓占、損毀土地圖斑提取、污染植被信息提取以及礦山污染邊界劃分等，為礦山生態修復提供指引。圖4 是利用高分一號提取的涪陵區某礦山損毀土地圖斑，根據影像的形狀、色調、紋理可以識別礦山土地損毀的范圍、面積和分布，影像特征一般為不規則閉環狀或長條狀，呈現亮白色調，與周邊紋理有明顯差異。通過遙感智能解譯與人工判讀，共提取涪陵區疑似礦山損毀土地圖斑187 個，合計面積2.52km2，為后續礦山修復治理提供了數據支撐。

4. 生態修復工程監管

遙感具有覆蓋面積大、重訪周期短等技術優勢，可以定期監測工程區地表覆蓋變化，掌握工程施工進展，識別潛在的違規行為，評估植被恢復等工程實施成效，為管理部門提供及時、全面的工程信息，以支持生態修復工程的監督管理、決策制定和效果評估。圖5 是利用國產高分系列遙感影像實現的銅鑼山礦山生態修復工程監測，通過遙感影像可以清晰掌握在2017 年銅鑼山礦山修復之前，礦坑周邊土壤、植被遭到嚴重破壞，崖壁裸露；在2019 年生態修復過程中進行了客土回覆和植被修復；2021年修復后水域面積擴大、植被覆蓋度增加，生態修復成效顯著。

圖5 銅鑼山礦山生態修復工程監測

四、結語

遙感以其快速、客觀、定量等技術特點，在國土空間生態修復的生態本底調查、生態問題識別、生態保護修復格局構建、生態修復工程監管與成效評估等方面有著廣泛而深入的應用。隨著遙感技術的不斷發展和創新，遙感數據的數量、質量、類型和可獲取性將不斷提高，遙感技術在生態保護修復領域的應用將更加多樣化和精細化。面向新時期的生態保護修復行業的應用需求，需要聚焦遙感與大數據、人工智能等前沿交叉學科之間的融合，強化多部門、多行業的應用探索，形成更加完善和高效的生態保護修復技術支撐體系。