衛(wèi)星遙感服務(wù)黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展

文 | 孫繼鑫 艾宇 宋忠航 王劍

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、前言

黃河全長(zhǎng)5464km，是我國(guó)僅次于長(zhǎng)江的第二大河，從青海源頭到山東入?？冢擦鹘?jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東九省區(qū)，流域面積79.6萬(wàn)平方千米（圖1），滋養(yǎng)著我國(guó)30.3%的人口，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及生態(tài)安全方面具有十分重要的地位。

圖1 黃河流域分布[1]

黃河作為中華母親河，孕育了燦爛的中華文化，其流域是我國(guó)重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地，也是中國(guó)北方重要的生態(tài)屏障和經(jīng)濟(jì)地帶，但近年來(lái)由于過(guò)度開發(fā)，黃河流域生態(tài)系統(tǒng)退化形勢(shì)嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，森林覆蓋率僅為19.36%，低于全國(guó)平均水平，黃河上中下流域內(nèi)各地區(qū)的資源稟賦和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)差異較大。2019年9月，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略，眾多學(xué)者對(duì)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)涵、框架等進(jìn)行解讀，要實(shí)現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，必須深入落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)思想，將綠色發(fā)展理念和協(xié)調(diào)發(fā)展理念相結(jié)合，堅(jiān)持 “生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，以水而定、量水而行，因地制宜、分類實(shí)施，上下游、干支流、左右岸統(tǒng)籌謀劃”的思想，促進(jìn)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展，改善人民生活。黃河流域高質(zhì)量發(fā)展重要的是解決保護(hù)與發(fā)展的問(wèn)題，發(fā)展經(jīng)濟(jì)不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)，更要走具有區(qū)域特色的高質(zhì)量發(fā)展道路。

為此，以生態(tài)保護(hù)為先的黃河流域高質(zhì)量發(fā)展，首先應(yīng)當(dāng)確定上游、中游、下游三個(gè)區(qū)域的分類保護(hù)及發(fā)展的思想，對(duì)不同區(qū)域?qū)嵤┲攸c(diǎn)區(qū)分的監(jiān)管及政策謀劃；其次，做好生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面的協(xié)同，從流域整體生態(tài)保護(hù)的全局視角出發(fā)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，加強(qiáng)空間管控支持，確保政策實(shí)施的連貫性和統(tǒng)一性；再次，建立黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的空間關(guān)聯(lián)分析，構(gòu)建黃河流域高質(zhì)量發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；最后，從技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、生態(tài)保護(hù)剛性約束機(jī)制等角度確保黃河流域生態(tài)保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高質(zhì)量平衡。衛(wèi)星遙感技術(shù)因?yàn)槠淠軌驅(qū)α饔虻纳鷳B(tài)、資源環(huán)境、氣候變化進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，具有視點(diǎn)高、區(qū)域廣、頻率快、周期短等特點(diǎn)，因此綜合應(yīng)用高中低不同分辨率不同載荷衛(wèi)星數(shù)據(jù)可對(duì)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展從宏觀角度進(jìn)行全流域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，有效輔助政府和行業(yè)部門決策規(guī)劃。

二、總體架構(gòu)

黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展堅(jiān)持中央統(tǒng)籌、省負(fù)總責(zé)、市縣落實(shí)的工作機(jī)制，各省份正逐步展開黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略研究工作。但區(qū)域的統(tǒng)籌規(guī)劃、監(jiān)管及評(píng)價(jià)還不完善，且缺乏宏觀數(shù)據(jù)獲取渠道。隨著黃河流域環(huán)境問(wèn)題的日益突出，遙感應(yīng)用的重要性也越來(lái)越明顯，大尺度、高頻次的宏觀監(jiān)測(cè)，能夠高效實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，有效評(píng)價(jià)生態(tài)保護(hù)成效和質(zhì)量，為黃河流域全域高質(zhì)量協(xié)同發(fā)展提供技術(shù)支撐。

黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的衛(wèi)星遙感應(yīng)用總體框架（圖2）可從4個(gè)層面理解：1）按照九省、上中下游、全流域的三層分類進(jìn)行國(guó)土空間“基底”評(píng)價(jià)，以生態(tài)優(yōu)先為主，從遙感影像中識(shí)別“三區(qū)”（生態(tài)空間、城鎮(zhèn)空間、農(nóng)業(yè)空間）；2）應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行區(qū)域內(nèi)的地表水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)、空氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)并結(jié)合部分地面數(shù)據(jù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局變化、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等功能進(jìn)行評(píng)價(jià)，摸清黃河流域生態(tài)環(huán)境家底；3）從時(shí)間維度、空間維度、區(qū)域維度逐步分析黃河流域上游、中游、下游區(qū)域生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵問(wèn)題和內(nèi)在聯(lián)系；4）以生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展統(tǒng)籌考慮，進(jìn)行全流域高質(zhì)量發(fā)展綜合評(píng)級(jí)。為后續(xù)戰(zhàn)略規(guī)劃、法律制度、空間管控、體制和機(jī)制提供支撐。

圖2 衛(wèi)星遙感應(yīng)用助力黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展總體框架

三、生態(tài)保護(hù)

黃河生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)整體，要充分考慮上、中、下游的差異。根據(jù)黃河流域的生態(tài)功能區(qū)劃：上游地區(qū)以三江源、祁連山、甘南黃河等地為我國(guó)重要水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)，該部分區(qū)域要重點(diǎn)提高水源涵養(yǎng)能力，應(yīng)以生態(tài)保護(hù)監(jiān)管、產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型、生態(tài)修復(fù)為重點(diǎn)；中游地區(qū)水土流失嚴(yán)重，2018年水土流失面積近108.5萬(wàn)平方千米，占土地總面積39%，水污染和空氣污染嚴(yán)重，劣V類水占比12.4%，14個(gè)城市中空氣同比達(dá)標(biāo)減少，因此要重點(diǎn)圍繞水土保持和污染治理能力開展工作；下游重點(diǎn)圍繞黃河三角洲區(qū)域開展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)保護(hù)工作，提高生物多樣性，依據(jù)水土資源空間分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)流域的共同進(jìn)步與協(xié)調(diào)發(fā)展。

1. 黃河流域各區(qū)域生態(tài)保護(hù)監(jiān)測(cè)要素的獲取

黃河流域生態(tài)環(huán)境脆弱、生態(tài)問(wèn)題突出，包括水污染、大氣污染、水土流失、沙漠化、地表采礦塌陷、水資源短缺、下游洪水威脅等。應(yīng)用遙感技術(shù)可以開展空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。

（1）地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)

我國(guó)地面水環(huán)境質(zhì)量常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)達(dá)39項(xiàng)，部分省份的環(huán)保部門已開展水體109項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)，應(yīng)用可見光、紅外、高光譜等遙感監(jiān)測(cè)可以直接或間接獲得13種水環(huán)境指標(biāo)，具體包括：葉綠素a、懸浮物、有色溶解性有機(jī)物、溶解性有機(jī)物、水表溫度、透明度、五日生化需氧量、總有機(jī)碳、總磷、總氮、溶解氧、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。主要采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括高分五號(hào)衛(wèi)星、資源一號(hào)02D衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星、珠海一號(hào)衛(wèi)星、美國(guó)陸地衛(wèi)星（Landsat）、法國(guó)斯波特衛(wèi)星、“土”/“水”衛(wèi)星（TERRA/AQUA）等，并結(jié)合地面波譜數(shù)據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、分?半分析模型等。

（2）空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

在黃河流域大氣監(jiān)測(cè)方面，可以利用大氣成分監(jiān)測(cè)對(duì)象在可見光、紫外、紅外波段的吸收特性和對(duì)不同波段太陽(yáng)輻射的消光差異，綜合利用高光譜遙感，實(shí)現(xiàn)對(duì)流域內(nèi)大氣環(huán)境的遙感監(jiān)測(cè)和分析。目前國(guó)內(nèi)大氣氣溶膠、顆粒物濃度、沙塵以及秸稈焚燒火點(diǎn)檢測(cè)支持業(yè)務(wù)化運(yùn)行，污染氣體（SO、NO、CO、CO等）與溫室氣體也已建立提取算法和技術(shù)流程，主要利用的衛(wèi)星如風(fēng)云氣象衛(wèi)星以及環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星。

（3）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)

生態(tài)遙感參數(shù)是定量表征生態(tài)系統(tǒng)狀況的重要指標(biāo)，隨著近年來(lái)遙感技術(shù)的發(fā)展，面向黃河流域約80萬(wàn)平方千米的快速、大面積提取生態(tài)參數(shù)成為可能。綜合利用高分、資源、環(huán)境、風(fēng)云系列衛(wèi)星等多源遙感數(shù)據(jù)，建立基于國(guó)產(chǎn)遙感數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)、一致的時(shí)空連續(xù)數(shù)據(jù)集，開展對(duì)黃河流域生態(tài)參數(shù)的遙感監(jiān)測(cè)，快速、準(zhǔn)確、及時(shí)地定量評(píng)估黃河流域生態(tài)系統(tǒng)特征，掌握時(shí)空分布格局和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。其核心流程主要包括：遙感數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)集的建立，生態(tài)參數(shù)遙感監(jiān)測(cè)，樣區(qū)數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)的驗(yàn)證與模型優(yōu)化等?；谶b感數(shù)據(jù)可反演的生態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括：植被指數(shù)、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)（LAI）、光合有效輻射比率（FPAR）、植被生化組分、植物生物量、植被凈初級(jí)生產(chǎn)率、地表反照率、地表溫度、地表蒸散、土壤含水量。

2. 土地利用/土地覆被分類、生態(tài)系統(tǒng)分類、礦區(qū)變化監(jiān)測(cè)的獲取

為了更好地了解黃河流域自然資源變化，掌握人類活動(dòng)對(duì)流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境影響，進(jìn)一步分析、平衡社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展同生態(tài)保護(hù)之間的關(guān)系，基于衛(wèi)星遙感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)完成對(duì)地物識(shí)別解譯這一高度復(fù)雜的任務(wù)。通過(guò)影像目標(biāo)特性的有效提取、表達(dá)與解譯不僅可以減少業(yè)務(wù)部門的人工投入，也能從宏觀層面對(duì)黃河流域整體生態(tài)和經(jīng)濟(jì)狀況進(jìn)行判讀和分析。

（1）土地利用/土地覆被分類

針對(duì)生態(tài)環(huán)境治理，了解生態(tài)破壞和污染的相關(guān)情況，依靠站點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)法滿足黃河流域生態(tài)脆弱腹地的監(jiān)測(cè)需求，建立以衛(wèi)星遙感為主要手段的生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)才能滿足自然資源基底調(diào)查的需求。而土地利用資源的監(jiān)測(cè)不僅是合理利用土地、保持良好土地生態(tài)環(huán)境的重要手段，更是了解人口、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境變化和機(jī)制的窗口,為流域可持續(xù)發(fā)展提供戰(zhàn)略依據(jù)。為進(jìn)一步平衡分類系統(tǒng)和分類精度的問(wèn)題，西部生態(tài)與環(huán)境土地分類采用全國(guó)三級(jí)分類系統(tǒng)，一類是土地的自然生態(tài)和利用屬性，共包括6類，耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)工礦居民用地、未利用土地；二類分為25類，主要根據(jù)土地經(jīng)營(yíng)特點(diǎn)、利用方式和覆蓋特征。

針對(duì)上述內(nèi)容主要采用的方法包括目視解譯定性分析法、監(jiān)督分類法、非監(jiān)督分類法、多元專家系統(tǒng)分類法、人工智能神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分類、決策樹分類法以及計(jì)算機(jī)識(shí)別法等。其中劉紀(jì)遠(yuǎn)研究團(tuán)隊(duì)人工目視解譯方法，綜合評(píng)價(jià)精度一類94.3%以上，二類91.2%以上。

（2）生態(tài)系統(tǒng)分類

生態(tài)系統(tǒng)分類是在土地利用/覆蓋類型二級(jí)分類基礎(chǔ)上，完成生態(tài)系統(tǒng)類型關(guān)系轉(zhuǎn)換，例如可構(gòu)建7個(gè)一級(jí)類型包括農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、荒漠生態(tài)系統(tǒng)、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)、裸地；二級(jí)分類24個(gè)。分類方法和精度同土地利用/覆被分類方法相同。

（3）礦區(qū)變化監(jiān)測(cè)

黃河流域含煤區(qū)域面積占整個(gè)流域總面積的40%以上，蘊(yùn)藏煤炭資源量占全國(guó)一半以上。黃河流域的煤炭開采不僅是黃河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要工業(yè)支撐，在國(guó)家能源安全方面也具有十分重要的地位。目前黃河中上游地區(qū)，煤炭開采導(dǎo)致了地表生態(tài)惡化、地下水位下降、土地塌陷、沿路運(yùn)輸空氣污染等問(wèn)題，煤炭礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理、修復(fù)迫在眉睫，利用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)可統(tǒng)籌規(guī)劃煤基產(chǎn)業(yè)鏈條布局，對(duì)煤礦區(qū)開采區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、生態(tài)過(guò)程及空間響應(yīng)識(shí)別、環(huán)境承載能力預(yù)警、生態(tài)環(huán)境損害和修復(fù)評(píng)估，以及評(píng)估人工參與度，高效推進(jìn)生態(tài)保護(hù)與煤炭資源開采之間的協(xié)同發(fā)展。

3. 黃河流域高質(zhì)量發(fā)展生態(tài)保護(hù)評(píng)價(jià)

生態(tài)系統(tǒng)格局變化主要包括生態(tài)系統(tǒng)面積、生態(tài)系統(tǒng)面積比例、空間分布、各類生態(tài)系統(tǒng)面積變化、面積比例變化、生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移矩陣、生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)變化率、綜合生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)度、類型相互轉(zhuǎn)化強(qiáng)度；生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)在森林、草地、荒漠、濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)上應(yīng)用生態(tài)參數(shù)指標(biāo)計(jì)算包括生物量、凈初級(jí)生產(chǎn)力、植被覆蓋度、干旱指數(shù)、荒漠面積變化、濕地面積、水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，并建立生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)，設(shè)立生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)包括水源涵養(yǎng)服務(wù)功能、土壤保持服務(wù)功能、防風(fēng)固沙服務(wù)功能、生物多樣性服務(wù)功能、固碳服務(wù)功能和食物供給服務(wù)功能。

四、黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展評(píng)價(jià)體系建議

結(jié)合生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，考慮衛(wèi)星遙感的相應(yīng)數(shù)據(jù)產(chǎn)出，可構(gòu)建二級(jí)指標(biāo)7個(gè)，三級(jí)指標(biāo)33個(gè)。采用熵權(quán)法根據(jù)指標(biāo)值的變異程度進(jìn)行確定，可以消除人為因素和主觀評(píng)價(jià)性，變異程度越大，權(quán)重越大，有效反映指標(biāo)之間的相對(duì)重要性。按照九省及上、中、下游進(jìn)行黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展評(píng)價(jià)體系見表1。

表1 基于生態(tài)安全與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的評(píng)級(jí)體系

續(xù)表1

五、總結(jié)

黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展是以生態(tài)保護(hù)為前提，摸清黃河流域內(nèi)各區(qū)域的生態(tài)家底、經(jīng)濟(jì)家底與實(shí)時(shí)狀況才能更好地為后續(xù)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展提供決策支持。隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星應(yīng)用的逐步成熟，針對(duì)不同尺度的遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、精細(xì)化解譯在各行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)已發(fā)揮重要作用。依托現(xiàn)有遙感在生態(tài)保護(hù)中的相關(guān)能力，結(jié)合黃河上、中、下游的區(qū)域特點(diǎn)及環(huán)保要點(diǎn)，搭建基于衛(wèi)星遙感的黃河生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的總體架構(gòu)與指標(biāo)體系，提出與經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，可為構(gòu)建統(tǒng)一連貫的黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展提供重要的技術(shù)支撐和思路。