基于小型無人機及遙感技術(shù)的甘南州生態(tài)環(huán)境狀況監(jiān)測

楊 青，張 強，陸 蔭，楊淑霞

(甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站，甘肅 蘭州 730020)

1 引言

甘南藏族自治州(以下簡稱甘南州)位于甘肅省西南部，地處黃土高原與青藏高原過渡地帶，地勢總體呈現(xiàn)西高東低態(tài)勢，境內(nèi)大部分區(qū)域?qū)俑咴箨懶詺夂?，是我國北方重要的農(nóng)牧交錯帶之一。全州下轄七縣一市，境內(nèi)蘊含有豐富的林草資源及水資源，在水土保持、水源涵養(yǎng)、水源補給、生物多樣性維護等方面發(fā)揮著重要作用，是維護生態(tài)安全的重要屏障[1～4]。特殊的地理位置及氣候條件決定了甘南州生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性，具體表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，植被更新能力弱，抵御擾動能力差[5，6]。近年來氣候變遷、超載過牧、生物鏈失衡等因素對甘南州生態(tài)環(huán)境的影響日趨增強，是導(dǎo)致濕地資源銳減、土地沙漠化、生態(tài)功能退化的主要原因[7,8]。因此合理評價甘南州生態(tài)環(huán)境狀況具有積極重要的意義。目前對甘南州生態(tài)環(huán)境的研究主要集中在植被生長狀況監(jiān)測及應(yīng)用新技術(shù)準確高效獲取植被生長狀況信息等方面。宋清潔等[9]驗證了應(yīng)用小型無人機搭載相機拍攝數(shù)碼照片獲取甘南州草地覆蓋度數(shù)據(jù)的可行性。溫可慶等[10，11]的研究結(jié)果表明通過樣方照片獲取草地植被蓋度的方法具有客觀性高、精度高、用時少等優(yōu)點，符合技術(shù)發(fā)展的需求，具有必然的應(yīng)用趨勢。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

甘南州位于甘肅省西南，地處青藏高原東北邊緣，是典型的地理過渡區(qū)及生態(tài)脆弱區(qū)[12]，全州下轄夏河、舟曲、碌曲、瑪曲、臨潭、迭部及合作共七縣一市，其中草地總面積272.34萬hm2，有高寒草甸、山地草甸、低地草甸等多種草地類型[13]，是甘肅省重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，不僅具有較高的畜牧經(jīng)濟價值，而且具有涵養(yǎng)水源、水土保持等重要生態(tài)功能，是西北地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障。有研究結(jié)果表明長久以來由于氣候及人類活動的持續(xù)影響，我國草地生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)突出，甘南州草地也存在不同程度的退化現(xiàn)象[14～16]。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

(1)植被生長狀況數(shù)據(jù)的獲取。研究區(qū)域內(nèi)合理布設(shè)植被生長狀況監(jiān)測點位20個，利用DJI Phantom 4無人機搭載高精度攝像頭，在距地面10 m、20 m的高度垂直向下拍攝樣地照片，借助蓋度計算軟件得到樣地植被蓋度，樣地草層高度及地上生物量數(shù)據(jù)通過樣方法獲得。

(2)土地利用數(shù)據(jù)的獲取。土地利用類型數(shù)據(jù)通過對高分一號，高分二號，資源三號衛(wèi)星影像的解譯獲得。

(3)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取。環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)為甘南州8個環(huán)境空氣自動監(jiān)測站的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測項目為可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)6項指標。環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)中的地表水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)為甘南州8個地表水水質(zhì)監(jiān)測斷面的手工監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測項目為水溫、pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)氨氮(NH3-N)、總磷(以P計)、總氮(湖、庫，以N計)、氟化物(以F-計)、揮發(fā)酚、銅、鉛、鋅、鎘、汞、砷、硒、鉻(六價)、氰化物、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物、糞大腸桿菌(個/L)共計23項(河流水質(zhì)評價中總氮不參與評價)。研究區(qū)域及監(jiān)測點位詳情如圖1所示。

2.3 研究方法

(1)植被生長狀況數(shù)據(jù)的處理。植被覆蓋度數(shù)據(jù)由DJI Phantom 4無人機搭載高精度攝像頭垂直拍攝的樣地照片經(jīng)蓋度計算軟件處理后獲取，草層高度、地上生物量數(shù)據(jù)采用樣方法獲得，草地樣方面積為50 cm×50 cm。

(2)土地利用數(shù)據(jù)的處理。解譯指標體系沿用2000年土地利用/覆蓋分類系統(tǒng)，采用全國一級分類。一級分為6個類型：包含耕地、林地、草地、水域濕地、建設(shè)用地及未利用地，主要根據(jù)土地經(jīng)營特點、利用方式和覆蓋特征進行分類。

(3)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)的處理。環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測及評價方法參考《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)[17]，地表水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測及評價方法參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3095-2002)[18]。

圖1 研究區(qū)域及監(jiān)測點位示意

3 結(jié)果與分析

3.1 甘南州自然生態(tài)狀況

3.1.1 植被生長狀況

20個植被生長狀況監(jiān)測點位的草地類型主要分為高寒草甸和山地草甸2種，其中15個監(jiān)測點位草地類型為高寒草甸，5個監(jiān)測點位草地類型為山地草甸。不同草地類型監(jiān)測樣點覆蓋度無顯著差異。高寒草甸類監(jiān)測點位植被蓋度均值為95.76%，草層高度均值為18.34 cm，地上生物量均值266.73 g/m2，其中5個監(jiān)測樣點植被蓋度為100%；山地草甸類監(jiān)測樣點草層高度均值19.51 cm，地上生物量均值165.75 g/m2，植被蓋度均值95.73%。20個監(jiān)測點位植被生長狀況詳情如圖2。

3.1.2 土地利用狀況

2018年甘南州土地利用/覆蓋類型主要以草地、林地為主，耕地、水域濕地、建設(shè)用地、未利用地的面積較

圖2 草地監(jiān)測點位植被生長狀況

少，詳情如圖3所示。分析2018年甘南州各市縣土地覆蓋類型，可以發(fā)現(xiàn)甘南州草地面積占全州總面積的50.62%且主要分布在瑪曲、夏河、碌曲及卓尼4個縣?，斍h的草地面積占全州總面積的15.98%，夏河縣、碌曲縣和卓尼縣草地面積分別占全州總面積的10.14%，7.53%和6.47%。甘南州33.30%的土地被森林覆蓋且主要分布在迭部縣、舟曲縣、卓尼縣及夏河縣，分別占全州森林總面積的23.38%、16.71%、17.64%和15.55%。耕地、水域濕地、建設(shè)用地、未利用地面積較小，分別占全州總面積的5.12%、4.48%、0.81%、5.69%，耕地主要分布在臨潭縣、卓尼縣及舟曲縣，水域濕地和未利用地主要分布在瑪曲縣。2018年甘南州各市縣土地覆蓋類型詳情如表2所示。

圖3 研究區(qū)域土地利用分類

表2 2018年甘南州各市縣土地覆蓋類型百分比 %

3.2 甘南州環(huán)境質(zhì)量狀況

3.2.1 環(huán)境空氣質(zhì)量狀況

2018年，甘南州主要城鎮(zhèn)環(huán)境空氣8個監(jiān)測點有效監(jiān)測天數(shù)共計為2821 d，其中達標天數(shù)為2759 d，日均值達標率為97.80%，其中迭部縣110指揮中心樓監(jiān)測點位環(huán)境空氣日均值達標率為100.00%。2018年甘南州主要城鎮(zhèn)環(huán)境空氣中二氧化硫平均濃度為13.80 μg/m3；二氧化氮平均濃度為13.16 μg/m3；一氧化碳平均濃度為0.68 mg/m3；可吸入顆粒物(PM10)平均濃度為50.72 μg/m3；細顆粒物(PM2.5)平均濃度為21.82 μg/m3；臭氧平均濃度為87.67 μg/m3，均達到《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)中的二級標準[17]。環(huán)境空氣質(zhì)量主要超標項目為可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)及臭氧。環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果見表3。

3.2.2 地表水環(huán)境質(zhì)量狀況

2018年甘南州地表水水質(zhì)監(jiān)測對研究區(qū)域內(nèi)7縣1市共計8個斷面分別進行了23項理化指標監(jiān)測，監(jiān)測頻次為1次/月。監(jiān)測結(jié)果表明，Ⅱ類地表水水質(zhì)頻次比例為63.44%，Ⅲ類地表水水質(zhì)頻次比例為25.81%，超標地表水水質(zhì)頻次比例為6.45%，超標項目主要為化學(xué)需氧量(COD)、鉻(六價)。地表水水質(zhì)類別普遍為Ⅱ類、Ⅲ類，個別超標斷面為劣Ⅴ類。超標斷面為卓尼縣木耳鎮(zhèn)政府斷面、碌曲西倉寺院斷面(表4)。

4 結(jié)論

本研究分別從自然生態(tài)狀況及環(huán)境質(zhì)量狀況兩個方面對甘南州開展2018年度生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包含植被生長狀況、土地利用分類狀況、環(huán)境空氣質(zhì)量及地表水環(huán)境質(zhì)量。研究結(jié)果表明：①研究區(qū)域植被生長狀況監(jiān)測點位草地類型主要以高寒草甸及山地草甸為主，且高寒草甸及山地草甸植被蓋度無明顯差異，二者均值均達95%以上，這與宋清潔、馬雅琳[9，14]等的研究結(jié)果一致；②土地類型主要以林草地為主，草地面積約占全州總面積的50.62%且主要分布在瑪曲、夏河、碌曲及卓尼4個縣；林地面積約占全州總面積的33.30%且主要分布在迭部縣、舟曲縣、卓尼縣和夏河縣；耕地、水域濕地、建設(shè)用地、未利用地面積較小，分別占全州總面積的5.12%、4.48%、0.81%、5.69%，這與張強[19]等的研究結(jié)果一致；③環(huán)境空氣質(zhì)量狀況優(yōu)良，日均值達標率為97.80%，主要污染物為可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)及臭氧(O3)；④地表水環(huán)境質(zhì)量普遍評價為為Ⅱ、Ⅲ類，水質(zhì)達標率為89.25%，主要超標項目為鉻(Cr6+)及化學(xué)需氧量(COD)。

表3 2018年甘南州環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果

表4 2018年甘南州地表水質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果