第三次石漠化監(jiān)測主要技術(shù)特點與存在問題分析

李夢先， 但新球，吳協(xié)保，吳照柏

(1.國家林業(yè)和草原局，北京 100714；2.國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，長沙 410014；3.國家林業(yè)局石漠化監(jiān)測中心，長沙 410014)

石漠化是我國西南巖溶地區(qū)最大的生態(tài)問題，自20世紀90年代，廣大科研人員與國家行業(yè)主管部門結(jié)合遙感和計算機技術(shù)，針對行業(yè)實際積極探索與啟動了石漠化監(jiān)測與防治工作[1]。貴州省水利廳于2000年批復(fù)“喀斯特石漠化的遙感―GIS典型研究”，利用遙感解譯和地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理相結(jié)合方式對貴州省石漠化進行調(diào)查，2001年初步掌握了石漠化的等級類型、面積和分布等基礎(chǔ)性質(zhì)[2]。1999年，國土資源部開展全國第一輪國土資源大調(diào)查，針對巖溶地區(qū)石漠化特征，采用遙感解譯判讀與野外驗證的方式，重點針對地表基巖裸露及植被蓋度狀況，開展巖溶地區(qū)地下找水與石漠化調(diào)查，2002年調(diào)查工作全面結(jié)束，初步掌握了西南巖溶地區(qū)石漠化的現(xiàn)狀、分布與特征[3-4]。林業(yè)行業(yè)做為我國森林、荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護與建設(shè)承擔部門，也是我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域生態(tài)修復(fù)的主力軍，國家林業(yè)局于2001年提出建立石漠化監(jiān)測技術(shù)指標體系，探索先進的監(jiān)測方法，2004年國家林業(yè)局下發(fā)了《巖溶地區(qū)石漠化監(jiān)測技術(shù)規(guī)定》，于2005―2006年采用地面調(diào)查與遙感技術(shù)相結(jié)合，以地面調(diào)查為主的技術(shù)路線，利用Landsat TM/ETM 影像資料，再通過人機交互解譯，提取石漠化信息和初步區(qū)劃，然后組織大量的技術(shù)人員到實地進行調(diào)查核實，調(diào)查完成后建立了我國西南巖溶地區(qū)石漠化數(shù)據(jù)庫，第一次全面系統(tǒng)查清了西南巖溶地區(qū)的石漠化面積、程度與分布現(xiàn)狀[5-6]。

2011―2012年國家林業(yè)局組織進行了第二次西南巖溶地區(qū)石漠化監(jiān)測，對比第一次，重點在動態(tài)監(jiān)測，期間正值我國大規(guī)模的開展石漠化治理，在監(jiān)測中還增加了治理效果、變化原因等調(diào)查，進一步完善了石漠化監(jiān)測技術(shù)標準，建立了石漠化信息系統(tǒng)[7]。

2016―2017年國家林業(yè)局組織進行了第三次西南巖溶地區(qū)石漠化監(jiān)測，全面采用國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，首次開發(fā)并全面應(yīng)用了石漠化監(jiān)測野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，監(jiān)測技術(shù)與手段全面提高。

1 第三次石漠化監(jiān)測主要技術(shù)特點

在保證監(jiān)測范圍、內(nèi)容與主要技術(shù)標準不變的情況下，第三次監(jiān)測仍采用遙感與地面調(diào)查相結(jié)合的監(jiān)測技術(shù)路線，與前兩次監(jiān)測相比，具有如下特點：

1.1 首次全面采用國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，提高了判讀精度與監(jiān)測工作效率

本次監(jiān)測共獲取并處理了分辨率在2.5 m以上的高分一號和資源三號遙感影像數(shù)據(jù)1318景，其中高分一號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)956景、資源三號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)275景、高分二號等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)87景。對各類遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，根據(jù)其不同攝取時間及不同地形地貌區(qū)域的石漠化監(jiān)測效果進行多種算法比對，按其效果由高到低確定覆蓋影像順序，確認每類型影像組合算法，個別極端情況根據(jù)實際效果進行單景影像算法調(diào)整，最大限度提升第三次巖溶地區(qū)石漠化監(jiān)測室內(nèi)判讀精度，提高工作效率，減輕外業(yè)工作量。同時對50個縣采用了分辨率更高的航片資料輔助調(diào)查，通過在比例尺高于1∶10000的影像圖上進行解譯和區(qū)劃，區(qū)劃的四至界線更為精細、準確，解譯結(jié)果與實際吻合度更高，提高了區(qū)劃精度。本期監(jiān)測平均小班面積由上期的19.6 hm2降低至本期的11.7 hm2，細化小班面積152.8萬hm2，占巖溶土地總面積的3.38 %。

1.2 首次開發(fā)移動端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及應(yīng)用無人機調(diào)查，提升了監(jiān)測技術(shù)手段

本期外業(yè)監(jiān)測全部采用移動端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)對軟硬件環(huán)境要求不高，目前具有GPS功能的Android平板、智能手機均可安裝；系統(tǒng)接口友好，可以與石漠化監(jiān)測信息管理系統(tǒng)及其它地理信息軟件實現(xiàn)無縫對接，真正實現(xiàn)無紙化辦公；系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)交互、坐標定位、圖形和屬性編輯、小班拍照、關(guān)鍵因子計算等功能，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)在外業(yè)實時更新，很好地滿足了應(yīng)用需求。外業(yè)調(diào)查人員應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開展外業(yè)工作時僅需攜帶安裝本系統(tǒng)的平板電腦，無須攜帶手持GPS、照相機、圖紙等傳統(tǒng)設(shè)備和材料，采集的外業(yè)數(shù)據(jù)直接進入桌面系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，大大減輕了外業(yè)調(diào)查人員的工作量。同時，部分監(jiān)測縣還采用了無人機低空航拍或拍照進行調(diào)查與驗證，豐富了監(jiān)測技術(shù)手段，提升了監(jiān)測精度。

1.3 充分利用近期生態(tài)監(jiān)測成果，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性

本監(jiān)測期內(nèi)，各地相繼開展了森林資源、地理信息和國土資源調(diào)查、規(guī)劃工作，云南、貴州等省完成了新一輪森林資源二類調(diào)查，重慶、湖南等完成了最新地理國情普查，這些省份充分借鑒和利用相關(guān)監(jiān)測成果，大大提高了本次監(jiān)測區(qū)劃與監(jiān)測因子調(diào)查的準確性。

1.4 進一步完善石漠化監(jiān)測信息管理平臺，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)管理水平

石漠化監(jiān)測信息管理系統(tǒng)除沿用了“3S”技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等核心技術(shù)外，本次監(jiān)測還采用了面向?qū)ο蠹敖M件式的開發(fā)方式、海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)等先進技術(shù)進行補充開發(fā)完善，豐富了系統(tǒng)管理、查詢、處理和統(tǒng)計的功能，增加了快速自行定制查詢專題、實時統(tǒng)計分析圖表結(jié)構(gòu)、即時空間分析報表結(jié)構(gòu)、制作和瀏覽各類專題圖件等特色功能，構(gòu)建了功能更加強大、操作更加便捷的集石漠化圖斑區(qū)劃、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)檢查、統(tǒng)計分析、專題查詢、動態(tài)分析等功能于一體的信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了石漠化監(jiān)測管理工作的信息化、標準化、規(guī)范化。

1.5 采用移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對GPS特征點進行復(fù)位，大大提高了復(fù)位準確性

本次監(jiān)測利用平板電腦的GPS定位、拍照等接口模塊開發(fā)了移動野外采集系統(tǒng)具有“坐標雙定位”和前后期特征點照片對比的小班拍照功能，外業(yè)人員利用平板電腦對小班拍照的同時記錄相機坐標和所拍景物坐標，并根據(jù)坐標生成特征點與照片一一對應(yīng)，便于復(fù)核或后期調(diào)查時復(fù)位，確保了GPS特征點復(fù)位準確性。同時，該系統(tǒng)導入前期照片數(shù)據(jù)后可在外業(yè)調(diào)查時直觀對比前后期石漠化土地的變化狀況，對變化原因分析更直觀。

1.6 構(gòu)建了監(jiān)測人員之間的良好溝通平臺，實現(xiàn)信息共享

依托即時通信技術(shù)，建立了工作QQ群和微信群組成的信息平臺，及時解決監(jiān)測過程中遇到的各類技術(shù)問題，及時掌握監(jiān)測工作動態(tài)。

1.7 開展專題研究，豐富監(jiān)測成果內(nèi)容

委托中國科學院亞熱帶生態(tài)研究所、北京林業(yè)大學、國家林業(yè)局經(jīng)研中心等科研院所開展石漠化治理生態(tài)效益、社會效益、經(jīng)濟效益、水土流失及典型地區(qū)石漠化動態(tài)演替等專題研究，豐富了監(jiān)測成果內(nèi)容。

總之，通過監(jiān)測技術(shù)方法與監(jiān)測手段的不斷改進和完善，監(jiān)測指標更加豐富，監(jiān)測體系日趨完善，監(jiān)測數(shù)據(jù)管理更加高效，監(jiān)測結(jié)果更為科學、可靠。

2 存在的主要問題

2.1 監(jiān)測手段相對落后

總體上來看，目前已完成的三次石漠化監(jiān)測，技術(shù)手段不斷得到提升。第一次監(jiān)測采用空間分辨率為30 m的多光譜遙感數(shù)據(jù)(Land sat)作為監(jiān)測信息源，在1∶50000地形圖上區(qū)劃圖斑、開展外業(yè)調(diào)查，設(shè)置GPS特征點；第二次監(jiān)測在首次石漠化監(jiān)測成果圖斑的基礎(chǔ)上，疊加空間分辨率5 m的多光譜遙感數(shù)據(jù)(SPOT5和ALOS數(shù)據(jù))，先在室內(nèi)用ArcGIS系統(tǒng)對發(fā)生變化的圖斑目視解譯區(qū)劃，再輸出1∶25000比例尺工作手圖開展外業(yè)調(diào)查，現(xiàn)地核實圖斑邊界、調(diào)查監(jiān)測因子及對上期典型小班GPS特征點進行復(fù)位拍照；第三次監(jiān)測在前兩期監(jiān)測成果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上疊加了空間分辨率2 m的多光譜遙感數(shù)據(jù)(高分1號和資源3號數(shù)據(jù))進行區(qū)劃，并采用帶有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的平板數(shù)據(jù)采集器現(xiàn)地開展小班界線核實修正、因子調(diào)查和典型小班GPS特征點照片采集等野外調(diào)查工作，利用國家林業(yè)局石漠化監(jiān)測中心開發(fā)的“石漠化監(jiān)測管理信息系統(tǒng)(第三期)”，完成了石漠化監(jiān)測數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)分析工作。

歷次監(jiān)測在調(diào)查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源、調(diào)查精度、調(diào)查手段方面均有所進步，但是外業(yè)信息采集與調(diào)查方式仍是以傳統(tǒng)的人海戰(zhàn)術(shù)為主，調(diào)查手段進步幅度仍落后于現(xiàn)代技術(shù)進步幅度。以第三次監(jiān)測而言，無人機調(diào)查這種精確、及時的調(diào)查手段應(yīng)用面仍然較窄，還有大量提升空間。

2.2 監(jiān)測管理未充分發(fā)揮政府的主導作用

石漠化監(jiān)測主要由林業(yè)主管部門為主導開展，但從石漠化監(jiān)測的內(nèi)容看又涉及到水利、國土、農(nóng)業(yè)等多部門的工作。目前，政府其它工作部門的參與度還不夠高，監(jiān)測工作開展起來難度比較大，如以當?shù)卣疇款^來進行石漠化監(jiān)測，可以更大效率上推動監(jiān)測工作。

2.3 監(jiān)測成果未得到充分利用

通過前幾次石漠化監(jiān)測結(jié)果可以看出，目前石漠化監(jiān)測成果還僅僅是以監(jiān)測報告為主，缺少深入的分析研究。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，加強分析和總結(jié)，可產(chǎn)出一大批質(zhì)量較高的專著和學術(shù)論文，以提高石漠化監(jiān)測在全社會的影響。

2.4 監(jiān)測人員不穩(wěn)定，待遇低

石漠化監(jiān)測是一個連續(xù)性的工作，但因監(jiān)測人員待遇低，導致監(jiān)測隊伍不穩(wěn)定，造成多次培訓，專業(yè)人才流失等問題。提高監(jiān)測人員的相關(guān)待遇，使得監(jiān)測隊伍能夠固定下來，方能確保監(jiān)測事業(yè)的發(fā)展。

2.5 缺少系統(tǒng)的專題調(diào)查研究

石漠化監(jiān)測是一個系統(tǒng)的工作，而當前石漠化監(jiān)測涉及專題研究不夠全面，僅僅是針對社會普遍關(guān)注度較高的地區(qū)和方面進行專題研究，應(yīng)該加大專題分析的廣度和深度，有針對性的從石漠化形成機理到石漠化防治對策形成一系列專題研究項目。同時，應(yīng)提前布局，加強專題研究與跟蹤監(jiān)測，為下一輪監(jiān)測打好基礎(chǔ)。

3 石漠化監(jiān)測工作建議

3.1 充分利用新技術(shù)、新工具、新方法，作為下一輪監(jiān)測工作改進的重點

巖溶地區(qū)石漠化是區(qū)域水土流失和植被破壞，加上人為干擾，經(jīng)過長的時間尺度逐漸形成，所以石漠化治理也不是一蹴而就的事情，需要長期連續(xù)投入治理才能保持現(xiàn)有治理效果。在當今社會高速發(fā)展的時代，各種監(jiān)測方法和技術(shù)手段日新月異，石漠化治理過程中，雖然傳統(tǒng)林業(yè)在監(jiān)測時可靠度較高，但是石漠化面積依然龐大，尤其是程度較重石漠化治理難度會越來越大，單位面積治理投資標準應(yīng)逐步提高。根據(jù)本次監(jiān)測情況，在下一期監(jiān)測時采用更先進監(jiān)測方法和技術(shù)手段，使監(jiān)測結(jié)果進一步接近真實值，使得監(jiān)測結(jié)果客觀反映巖溶地區(qū)現(xiàn)狀，為后期精準治理打下基礎(chǔ)。

3.2 建立石漠化大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)石漠化變化年度監(jiān)測

近幾年，隨著大數(shù)據(jù)迅速發(fā)展，基于森林資源云計算的數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用模式，通過數(shù)據(jù)的整合共享，交叉復(fù)用，進行林業(yè)生態(tài)工程成效監(jiān)測、森林培育方法優(yōu)選、森林經(jīng)營方式優(yōu)化等方面的應(yīng)用即將實現(xiàn)。2016年，國家林業(yè)局先后編制完成《中國林業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略研究》、《國家林業(yè)局落實<促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要>的三年工作方案》，隨后，中國林業(yè)數(shù)據(jù)開放共享平臺正式上線，標志著中國林業(yè)政府數(shù)據(jù)開放取得突破性進展。石漠化監(jiān)測作為林業(yè)重要生態(tài)監(jiān)測之一，可以搭上林業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)這班快速車，逐步建設(shè)石漠化大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實現(xiàn)石漠化動態(tài)變化年度監(jiān)測。

3.3 加大科學研究，建立石漠化監(jiān)測預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)

石漠化由于其形成機理的復(fù)雜性和治理難度的逐漸加大，開展國內(nèi)外多學科聯(lián)合科學研究，結(jié)合利用科研院校的科研成果綜合開展石漠化監(jiān)測和治理勢在必行。本期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，石漠化逆向演替中因災(zāi)害性氣候影響所占的比例為15.73 %，石漠化生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性導致逆向演替一旦發(fā)生就很難治理恢復(fù)，很有必要在今后石漠化監(jiān)測工作中加入石漠化災(zāi)害等預(yù)警預(yù)測系統(tǒng)的建設(shè)與研究，提升石漠化監(jiān)測的效率。

3.4 加大生態(tài)工程效益監(jiān)測，完善監(jiān)測體系

近年來，實施石漠化治理的各項生態(tài)工程的投入逐年加大，生態(tài)工程治理成效顯著。加強石漠化綜合治理工程和其他林業(yè)生態(tài)工程的成效監(jiān)測，全面掌握巖溶地區(qū)石漠化土地狀況和變化動態(tài)，科學評價石漠化土地生產(chǎn)能力和區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，優(yōu)化石漠化治理相關(guān)工程搭配結(jié)構(gòu)和實施范圍，科學評價各生態(tài)工程對石漠化治理的貢獻，進一步完善監(jiān)測體系。

3.5 建立石漠化監(jiān)測定位系統(tǒng)，奠定石漠化監(jiān)測在我國生態(tài)監(jiān)測中應(yīng)有的地位

石漠化與沙化、黃土高原水土流失作為我國的三大生態(tài)危害之一，沙化和黃土高原水土流失都有定位監(jiān)測站點。但是，到目前為止，雖然已開展了三期石漠化監(jiān)測，全國仍然沒有一個石漠化定位監(jiān)測站點。加快建立我國石漠化定位監(jiān)測體系，并拉入我國林業(yè)生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，奠定石漠化監(jiān)測在我國生態(tài)監(jiān)測中應(yīng)有的地位。

3.6 加強監(jiān)測成果的應(yīng)用，充分發(fā)揮其綜合效益

石漠化監(jiān)測作為我國林業(yè)監(jiān)測的重要組成部分，監(jiān)測結(jié)果是對石漠化工程治理成效判定的唯一依據(jù)。加強對監(jiān)測結(jié)果的分析深度，通過監(jiān)測結(jié)果客觀反映石漠化區(qū)域的生態(tài)現(xiàn)狀和石漠化治理工程的成效，全面剖析石漠化發(fā)生機理和防治對策，加大石漠化監(jiān)測成果的宣傳力度，讓全社會關(guān)注并參與石漠化防治工作，充分發(fā)揮監(jiān)測成果的綜合效益。