基于高分遙感衛(wèi)星的三江源國(guó)家公園空間基準(zhǔn)建設(shè)及生態(tài)環(huán)保應(yīng)用

文 | 宋忠航 王劍 馬紅波 董佰山 李媛

1.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司 2.航天恒星科技有限公司

一、引言

三江源是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地，被譽(yù)為“中華水塔”，是我國(guó)實(shí)施生態(tài)安全屏障保護(hù)和建設(shè)的重要戰(zhàn)略區(qū)，也是指示全球氣候變化及反饋?lái)憫?yīng)過(guò)程和揭示全球氣候變化方面的關(guān)鍵地區(qū)，其生態(tài)環(huán)境狀況與氣候變化對(duì)我國(guó)乃至全球生態(tài)平衡起著極其重要的作用。三江源國(guó)家公園作為我國(guó)首個(gè)國(guó)家公園體制試點(diǎn)，其地域遼闊、生態(tài)環(huán)境復(fù)雜多樣的特點(diǎn)使遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)揮出最大的應(yīng)用潛力和效果，但隨著監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)不斷增加，產(chǎn)生的海量要素信息數(shù)據(jù)存在空間參考不統(tǒng)一，多種數(shù)據(jù)間交互性較差等一系列標(biāo)準(zhǔn)化不一致的問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)與自然資源整體性、系統(tǒng)性的監(jiān)管和保護(hù)。本文提出基于國(guó)產(chǎn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)空間框架基準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)信息提取揭示區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和土地類(lèi)型分布及轉(zhuǎn)化，進(jìn)行各類(lèi)監(jiān)管要素的空間化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)地面和遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在統(tǒng)一空間基準(zhǔn)下的熱點(diǎn)提取、變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)、關(guān)聯(lián)演化規(guī)律印證等空間分析處理，形成園區(qū)精準(zhǔn)空間“態(tài)勢(shì)一張圖”，提升大數(shù)據(jù)條件下的信息決策服務(wù)水平（圖1）。

圖1 三江源人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)基準(zhǔn)構(gòu)建與應(yīng)用架構(gòu)圖

二、三江源人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)基準(zhǔn)構(gòu)建方法

三江源人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)基準(zhǔn)建設(shè)采用內(nèi)外業(yè)結(jié)合的方法開(kāi)展。以高分二號(hào)（GF-2）全色及多光譜融合數(shù)據(jù)為主進(jìn)行高分辨率的影像基準(zhǔn)產(chǎn)品生產(chǎn)；以資源三號(hào)（ZY-3）三線(xiàn)陣數(shù)據(jù)為主，天繪一號(hào)（TH-1）三線(xiàn)陣數(shù)據(jù)為輔，進(jìn)行高精度的地形基準(zhǔn)產(chǎn)品生產(chǎn)。將高精度地形基礎(chǔ)與融合后的亞米級(jí)高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行疊加處理，形成精度滿(mǎn)足園區(qū)人類(lèi)活動(dòng)的基準(zhǔn)地理框架數(shù)據(jù)。

基準(zhǔn)生產(chǎn)主要包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、控制數(shù)據(jù)生產(chǎn)和地形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與編輯等內(nèi)容。為保證基準(zhǔn)體系完整性，首先需對(duì)青海三江源國(guó)家生態(tài)保護(hù)綜合試驗(yàn)區(qū)范圍39.5萬(wàn)平方千米內(nèi)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋情況進(jìn)行查詢(xún)分析，衛(wèi)星影像查詢(xún)類(lèi)型為GF-2和 ZY-3。

其次，對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何校正等預(yù)處理。同時(shí)，利用基準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)和地面基礎(chǔ)點(diǎn)測(cè)量完成控制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，通過(guò)空中三角測(cè)量、地形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與編輯等處理建立地形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。最后，利用空中三角測(cè)量技術(shù)，在地形成果基礎(chǔ)上完成基準(zhǔn)制作（圖2）。

圖2 基準(zhǔn)生產(chǎn)作業(yè)流程

三、基于基準(zhǔn)的三江源生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用

基準(zhǔn)的建立將園區(qū)內(nèi)各類(lèi)空間數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一坐標(biāo)系、統(tǒng)一數(shù)據(jù)精度、統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集成果標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合，解決了三江源國(guó)家公園在管理、保護(hù)、科研、宣教工作中產(chǎn)生的海量信息存在數(shù)據(jù)空間參考不統(tǒng)一、交互性較差等一系列標(biāo)準(zhǔn)化不一致的問(wèn)題。基于基準(zhǔn)形成的三江源生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，利用面向?qū)ο蟮倪b感信息提取方法，綜合考慮光譜特征、紋理、形狀等一系列因素，得到高精度的信息提取結(jié)果，實(shí)現(xiàn)三江源地區(qū)“天空地”多源異構(gòu)時(shí)空數(shù)據(jù)在統(tǒng)一時(shí)空框架下的成果集成展示與動(dòng)態(tài)變化分析，為三江源生態(tài)環(huán)境監(jiān)管、自然資源資產(chǎn)管理和生物多樣化監(jiān)測(cè)保護(hù)等業(yè)務(wù)提供有力支撐。

1. 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)

環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)管理：三江源區(qū)域范圍內(nèi)的800余個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位（保護(hù)站、水文氣象監(jiān)測(cè)站、森林公安派出所、野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)紅外相機(jī)等）在基準(zhǔn)上精準(zhǔn)落圖，對(duì)站點(diǎn)的分布、監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行空間化管理。

生態(tài)環(huán)境核查點(diǎn)監(jiān)測(cè)：獲取園區(qū)歷年來(lái)1000余個(gè)野外核查點(diǎn)多期高分辨率遙感影像，對(duì)其判讀解譯后在基準(zhǔn)上套合，展現(xiàn)年度變化，提高野外核查工作質(zhì)量和效率。

人類(lèi)活動(dòng)監(jiān)測(cè)：將園區(qū)2016年度人類(lèi)活動(dòng)八萬(wàn)個(gè)圖斑與2017-2019年九萬(wàn)個(gè)圖斑在基準(zhǔn)上的套合疊加，形成人類(lèi)活動(dòng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行年度動(dòng)態(tài)對(duì)比分析（圖3）。

圖3 基于基準(zhǔn)的人類(lèi)活變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工程管理：各類(lèi)生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工程（黑土灘治理、人工造林等）多期影像在基準(zhǔn)上疊加，宏觀(guān)掌握項(xiàng)目建設(shè)范圍，并對(duì)修復(fù)工程成效進(jìn)行對(duì)比分析。

2. 自然資源管理

草地、林地和濕地管理：在基準(zhǔn)上接入黃河源園區(qū)、長(zhǎng)江源園區(qū)、瀾滄江源園區(qū)及三江源內(nèi)其他保護(hù)分區(qū)草地?cái)?shù)據(jù)（54251個(gè)圖斑）、林地?cái)?shù)據(jù)（227501個(gè)圖斑）和濕地?cái)?shù)據(jù)（3906個(gè)圖斑），形成“山水林田湖草”綜合本底數(shù)據(jù)，分析自然資源動(dòng)態(tài)變化（圖4）。

礦區(qū)監(jiān)測(cè)：針對(duì)三江源地區(qū)內(nèi)礦區(qū)，在基準(zhǔn)上套合2015-2020年間高分辨率遙感影像，結(jié)合遙感目標(biāo)智能提取技術(shù)，對(duì)退出礦場(chǎng)、周邊環(huán)境及生態(tài)修復(fù)治理情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3. 生物多樣性監(jiān)測(cè)和保護(hù)

將紅外相機(jī)記錄的雪豹、藏羚羊、藏野驢等旗艦物種位置信息在基準(zhǔn)上綜合呈現(xiàn)，得到物種空間分布和物種多樣性熱力值分布圖，有效掌握動(dòng)物活動(dòng)規(guī)律及主要棲息地情況。

圖4 基于基準(zhǔn)的草地資源管理

四、結(jié)語(yǔ)

本文主要以三江源國(guó)家公園生態(tài)環(huán)境保護(hù)為例，探討了基于高分辨率遙感影像的人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)基準(zhǔn)構(gòu)建及應(yīng)用。該套基準(zhǔn)數(shù)據(jù)體系的建立解決了在惡劣地理?xiàng)l件和自然條件下生產(chǎn)高海拔、大范圍人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)高精度基準(zhǔn)的難題。初步實(shí)現(xiàn)了生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與自然資源本底數(shù)據(jù)在統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)框架下的標(biāo)準(zhǔn)處理、整合統(tǒng)籌、動(dòng)態(tài)接入和直觀(guān)展示，通過(guò)疊加長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，綜合地理、氣候、經(jīng)濟(jì)、人文等因素，可對(duì)生態(tài)狀況變化和生態(tài)系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，形成空間態(tài)勢(shì)“一張圖”，有效提升三江源數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值和生態(tài)效益，是我國(guó)國(guó)家公園信息化手段建設(shè)和管理新模式的一次重要探索。