土地與地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測服務(wù)黃河中上游高質(zhì)量發(fā)展

文 | 李志忠 洪增林 劉拓 孫萍萍 付壘 王建華 陳偉濤 韓海輝 賈俊 趙君 李文明 趙禹

1. 中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心/西北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心 / 自然資源部黃土地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2. 陜西省地質(zhì)調(diào)查院 3. 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 4. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）

一、前言

黃河流域是中華文明的發(fā)祥地，是我國重要的生態(tài)屏障和重要的經(jīng)濟(jì)地帶。黃河發(fā)源于青海省巴顏喀拉山脈，綿延5464 km，最終匯入渤海。其上游和中游流域范圍廣闊，流經(jīng)青藏高原水源涵養(yǎng)區(qū)、黃土高原水土流失區(qū)、五大沙漠沙地。自西到東，地貌上橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原四個(gè)地貌單元，氣候上橫跨高原亞寒帶、高原溫帶、暖溫帶、中溫帶四個(gè)氣候帶。其中，位于黃河中游的黃土高原是世界土壤體積最大的地區(qū)，也是土壤資源最富集的地區(qū)，年代學(xué)研究結(jié)果顯示，黃土高原的土壤資源發(fā)育過程持續(xù)了600 余萬年，可稱發(fā)育歷史最長的土壤資源。因性質(zhì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)良，化學(xué)元素和礦物成分豐富，黃土成為良好的土壤資源。土壤中硒（Se）等有益元素的存在，更為鄉(xiāng)村振興和綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了希望。

然而，由于黃河中上游地區(qū)干旱少雨，地質(zhì)環(huán)境脆弱，土地沙化、鹽堿化、荒漠化、水土流失和地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等問題突出。土壤侵蝕、荒漠化等問題使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件惡化，在以水蝕為主的土石山區(qū)和黃土丘陵區(qū)，溝道縱橫交錯(cuò)，地面支離破碎，土地利用率低，耕作困難?；哪斐珊恿?、湖泊、水庫泥沙淤積，使得土地生產(chǎn)力下降。在地質(zhì)環(huán)境方面，伴隨著黃河中上游地區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，開挖坡腳、削山造地、坡面堆載等導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，造成的群死、群傷和巨大財(cái)產(chǎn)損失也時(shí)有發(fā)生，如2010年8月8日舟曲特大山洪泥石流災(zāi)害，2010年3月10日陜西子洲山體滑塌災(zāi)害等。

在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的大背景下，快速動(dòng)態(tài)獲取區(qū)域范圍內(nèi)的土地質(zhì)量、地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)地質(zhì)問題的現(xiàn)狀并預(yù)測其發(fā)展趨勢，對區(qū)域范圍內(nèi)的資源保護(hù)與利用、災(zāi)害防治意義重大。遙感技術(shù)具有動(dòng)態(tài)、快速、大范圍應(yīng)用等特點(diǎn)，“譜遙感”具有圖譜合一的優(yōu)勢，與地面調(diào)查相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)空天地一體化的調(diào)查與監(jiān)測。本文依托國家地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等科研項(xiàng)目的實(shí)施，采用多種遙感數(shù)據(jù)解譯為先導(dǎo)，地面調(diào)查相結(jié)合，對黃河流域中上游地區(qū)的土地質(zhì)量、地質(zhì)災(zāi)害分布進(jìn)行了綜合分析與研究，調(diào)查結(jié)果與鄉(xiāng)村振興、村鎮(zhèn)建設(shè)選址相結(jié)合，可為黃河中上游地區(qū)生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科技支撐。

二、土地質(zhì)量遙感監(jiān)測服務(wù)鄉(xiāng)村振興

1. 黃河中上游土地利用變化調(diào)查

土地資源的數(shù)量、質(zhì)量的變化可以反映生態(tài)環(huán)境的特征。通過土地多時(shí)相遙感（Landsat-MSS、Landsat-TM/ETM、高分系列衛(wèi)星）信息提取，分析了2001年、2005年、2010年、2015年、2019年等5期土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化（圖1）。結(jié)果表明近20年間，黃河中上游耕地、林地、建筑用地和水體呈增加趨勢，分別增加了20906km、11583 km、1146 km、664 km，這與2000年后實(shí)施的退耕還林還草以及城市建設(shè)關(guān)系密切；草地和未利用地呈減少趨勢，高覆蓋度草地多退化為中低覆蓋度草地；雪地面積變化不明顯。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黃河上游地區(qū)存在冰川消融和草地退化現(xiàn)象，中游地區(qū)建設(shè)用地增加顯著，應(yīng)關(guān)注后期生態(tài)效應(yīng)。

圖1 2019年黃河中上游土地利用圖

2. 黃河中上游土地質(zhì)量監(jiān)測

據(jù)黃河中上游地區(qū)土地調(diào)查與綜合評價(jià)，區(qū)內(nèi)98.23%的土地?zé)o重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，適宜綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。因礦山開采、人為活動(dòng)和地質(zhì)背景等原因，在白銀和銅川、蘭州和西安、拉脊山等地存在不同程度的點(diǎn)狀污染。區(qū)內(nèi)一等優(yōu)質(zhì)土壤1221.15萬畝，占比18.91%，土壤養(yǎng)分以氮（N）元素缺乏為主；圈定綠色富硒土地1304.89萬畝（硒含量≥0.3mg/kg），為黃河中上游糧食安全、特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)土壤質(zhì)量多通過野外土壤樣品采集、實(shí)驗(yàn)室分析等多個(gè)環(huán)節(jié)，查明土壤中多種元素或指標(biāo)的含量、背景和分布特征，進(jìn)而掌握采樣區(qū)的土壤生態(tài)環(huán)境狀況。高光譜遙感因具有光譜分辨率高、波段范圍大、信息全等優(yōu)勢，在土壤有機(jī)質(zhì)、粘土礦物、氧化物、重金屬含量等方面顯示出良好的實(shí)踐應(yīng)用效果。本次選取甘肅白銀市為研究區(qū)，區(qū)內(nèi)因礦山開采造成土地污染嚴(yán)重，為實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測，應(yīng)用衛(wèi)星高光譜技術(shù)開展了區(qū)內(nèi)土壤重金屬反演，構(gòu)建了鉛（Pb）、砷（As）、鎘（Cd ）的多光譜預(yù)測模型。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618-2018），開展了四龍鎮(zhèn)土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)。結(jié)果表明，鉛、砷、鎘元素含量都在一定程度上出現(xiàn)了超標(biāo)，其中鎘元素超標(biāo)比較嚴(yán)重；高重金屬含量在區(qū)域范圍內(nèi)沒有呈現(xiàn)聚集特征，而是分散分布于區(qū)內(nèi)的不同位置。經(jīng)對比，高光譜遙感解譯結(jié)果與傳統(tǒng)地球化學(xué)測量值接近，且因具有快速在區(qū)域上應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，在土地質(zhì)量解譯方面具有巨大潛力。

3. 富硒土地服務(wù)鄉(xiāng)村振興

硒元素是人體必需的微量元素，具有抗癌癥、抗衰老、拮抗重金屬毒害等功效，對維持人體健康發(fā)揮重要作用。人體中的硒主要來源于日常飲食，而食物中的硒追根溯源絕大部分來源于土壤，因此富硒土壤對區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值具有重要意義，可通過航空遙感技術(shù)快速準(zhǔn)確獲取土壤硒含量，開展富硒土地資源評價(jià)與監(jiān)測，指導(dǎo)地方開展特色農(nóng)作物種植。

土壤中硒元素含量普遍不高，對土壤光譜不能產(chǎn)生明顯的影響，然而土壤中的有機(jī)質(zhì)、粘土礦物、鐵鋁氧化物與硒的吸附和結(jié)合是硒在土壤中富集的主要原因之一。大量研究表明，土壤光譜的吸收特征對有機(jī)質(zhì)、粘土礦物、鐵鋁氧化物均具有較好的反映，因此可通過間接法尋找硒的光譜特征波段。應(yīng)用高光譜短波紅外航空光譜成像儀（SASI）資料，根據(jù)鉀（K）、硒、粘土礦物之間的相關(guān)性及其光譜特征，通過逐步回歸模型，對黑龍江省建三江創(chuàng)業(yè)農(nóng)場中黑土的鉀、硒及粘土礦物含量進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明，利用粘土礦物光譜反演結(jié)合實(shí)際地球化學(xué)分析結(jié)果可準(zhǔn)確預(yù)測土壤中硒含量（圖2），與傳統(tǒng)地球化學(xué)圖像預(yù)測相比，該方法具有更高的預(yù)測精度。

圖2 黑龍江省建三江創(chuàng)業(yè)農(nóng)場土壤硒含量分布圖

據(jù)在黃河中上游已開展的土地質(zhì)量調(diào)查結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)富硒土地資源為1304.89萬畝（硒含量≥0.3mg/kg），已查明的富硒土地在寧夏吳忠、青海平安等地在推動(dòng)農(nóng)業(yè)向優(yōu)質(zhì)、安全、健康、高效發(fā)展和脫貧攻堅(jiān)中發(fā)揮了重要作用。然而，已開展土地調(diào)查的區(qū)域僅占區(qū)內(nèi)耕地總面積的50%，尚有廣大的區(qū)域未開展相關(guān)工作。通過遙感技術(shù)快速摸清黃河中上游富硒土地資源分布，結(jié)合黃土區(qū)多樣的地貌類型、美麗鄉(xiāng)村和特色小鎮(zhèn)建設(shè)，因地制宜，探索 “富硒美麗鄉(xiāng)村”、“富硒特色小鎮(zhèn)”為主的富硒土地資源開發(fā)模式，支撐服務(wù)黃河中上游特色農(nóng)業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略潛力巨大。

三、地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測服務(wù)村鎮(zhèn)建設(shè)

1. 黃河中上游地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀

黃河中上游的滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害多集中發(fā)育于中游的黃土高原，這里由于黃土的堆積厚度大且結(jié)構(gòu)疏松，地表水系發(fā)育，地形破碎，是我國地質(zhì)災(zāi)害三大高發(fā)區(qū)之一。區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)點(diǎn)多、面廣的分布規(guī)律。由于黃土高原植被覆蓋度低、滑坡形態(tài)特征明顯，為基于遙感技術(shù)開展大范圍的地質(zhì)災(zāi)害識別提供了良好基礎(chǔ)。

依托原國土資源部“西北地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價(jià)與關(guān)鍵問題研究”計(jì)劃項(xiàng)目、國家發(fā)展和改革委員會(huì)“國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目衛(wèi)星及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)”的實(shí)施，在黃河中上游地區(qū)采用不同數(shù)據(jù)源的遙感影像開展了不同精度的地質(zhì)災(zāi)害解譯與識別。遙感解譯過程中，綜合考慮形狀、大小、顏色、紋理、位置以及與周邊地物的位置關(guān)系，基于斯波特五號衛(wèi)星（SPOT-5）或資源三號衛(wèi)星（ZY-3）數(shù)據(jù)開展地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境地質(zhì)條件解譯，確定地質(zhì)災(zāi)害種類（圖3），劃分重點(diǎn)調(diào)查區(qū)和一般調(diào)查區(qū)；基于快鳥（QuickBird）或艾科諾斯（IKONOS）衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展精細(xì)化解譯，服務(wù)重點(diǎn)區(qū)域1：1萬高精度地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查。綜合遙感解譯、現(xiàn)場核查與調(diào)查結(jié)果，表明黃河中上游共發(fā)育有滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害20504處，其中滑坡10517處，崩塌5768處，泥石流4579處（圖4）。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行坡度、坡高、坡向等信息提取，識別危險(xiǎn)坡段，結(jié)合地形地貌、地層巖性、斷裂、地震、降雨和人類工程活動(dòng)等信息，開展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃或風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)（圖5）。

圖3 基于資源三號衛(wèi)星的不同類型地質(zhì)災(zāi)害遙感影像（陜西寶雞）

2. 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理服務(wù)村鎮(zhèn)建設(shè)選區(qū)

我國山區(qū)面積占陸域國土面積的69%，人口約占全國總?cè)丝诘?5%，山區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)受到發(fā)展空間狹小、城鎮(zhèn)建設(shè)用地緊缺的限制，在“向山發(fā)展、向溝發(fā)展”的思路下，城鎮(zhèn)的發(fā)展與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生呈現(xiàn)出密切的關(guān)聯(lián)與制約關(guān)系。隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，亟待在大范圍內(nèi)應(yīng)用先進(jìn)的調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)手段，圍繞山區(qū)城鎮(zhèn)化、新農(nóng)村建設(shè)、鄉(xiāng)村振興、脫貧攻堅(jiān)過程中的防災(zāi)減災(zāi)和生態(tài)文明建設(shè)需求，開展大比例尺山區(qū)城鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害識別與風(fēng)險(xiǎn)評估。

根據(jù)上述調(diào)查與分析結(jié)果，黃河中上游地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性可劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和非易發(fā)區(qū)四個(gè)等級。其中，高易發(fā)區(qū)面積7.39萬平方千米，占黃河中上游總面積的14.83%，中易發(fā)區(qū)面積16.95萬平方千米，占全區(qū)總面積的34.13%，低易發(fā)區(qū)和非易發(fā)區(qū)面積分別為19.75萬平方千米和5.58萬平方千米，分別占總面積的39.76%和11.23%。

區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)和中易發(fā)區(qū)主要分布于山區(qū)（圖6）。本文以位于陜北黃土丘陵溝壑地區(qū)的清澗縣主城區(qū)為例，通過無人機(jī)航測、三維激光掃描、工程地質(zhì)測繪和地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)勘查等方法，按照不同的斜坡結(jié)構(gòu)類型，選擇典型的滑坡點(diǎn)和斜坡段，以發(fā)生災(zāi)害的變形破壞模式、運(yùn)移路徑、可能到達(dá)或危及的范圍，進(jìn)行災(zāi)害體危險(xiǎn)性評估和承災(zāi)體易損性評估，在此基礎(chǔ)上逐坡開展了風(fēng)險(xiǎn)評估和區(qū)劃（圖7），可為城鎮(zhèn)化建設(shè)中的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避提供精細(xì)化數(shù)據(jù)支撐。

圖4 黃河中上游地質(zhì)災(zāi)害分布圖

圖5 地質(zhì)災(zāi)害信息提取流程圖

圖6 黃河中上游地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分布圖

圖7 清澗縣城及規(guī)劃區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖

3. 地質(zhì)災(zāi)害治理與生態(tài)修復(fù)

地質(zhì)災(zāi)害治理是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控的一項(xiàng)重要措施，在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布特征、成災(zāi)背景、致災(zāi)機(jī)理等研究的基礎(chǔ)上，采用主動(dòng)加固、被動(dòng)攔擋等措施，實(shí)現(xiàn)與當(dāng)?shù)鼐坝^相協(xié)調(diào)的地質(zhì)災(zāi)害生態(tài)化綜合治理，既可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的有效防治，又可實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的綠色修復(fù)。對于土質(zhì)、巖質(zhì)等不同質(zhì)地和不同坡度的坡體，可針對性開展設(shè)計(jì)，采用高大喬木遮擋、爬藤+垂藤復(fù)綠或墻體外表景墻設(shè)計(jì)等進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。

沿黃公路陜西段，兼具生態(tài)、觀光、旅游、文化、城鎮(zhèn)發(fā)展等諸多功能，北起榆林市府谷縣，南至渭南市華山腳下，沿線穿越西岳華山、壺口瀑布等50余處名勝古跡景點(diǎn)，是一條造福沿線群眾的脫貧路和致富路。為確保公路的安全運(yùn)營，在沿線開展了大量地質(zhì)災(zāi)害治理工程，韓城市巍山路西側(cè)即是其中的一段。為提升坡體穩(wěn)定性，在該段范圍內(nèi)開展了削坡治理工程，削坡后的坡面由中更新世（Q2）和晚更新世（Q3）黃土組成，削坡坡面坡度約60°。

采用高次團(tuán)粒噴播技術(shù)和坡面刺槐復(fù)綠方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，對削坡后的土質(zhì)裸露坡面進(jìn)行生態(tài)防護(hù)。自2018年9月竣工后至2020年9月現(xiàn)場調(diào)查，坡段修復(fù)效果良好，坡面無沖刷痕跡，景觀優(yōu)良（圖8）。

圖8 沿黃公路韓城市南段黃土削坡坡面生態(tài)修復(fù)效果（2020年9月）

四、“大地體檢”計(jì)劃與展望

高分辨率遙感影像具有地物細(xì)節(jié)明顯、信息量豐富和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。“譜遙感”憑借圖譜合一的優(yōu)勢，既突出了遙感圖像直接記錄的地物波譜特征（覆蓋光學(xué)到微波譜段），又強(qiáng)調(diào)遙感圖像圖譜合一揭示的地學(xué)圖譜和時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)中包含的地表演化譜，隨著航天航空事業(yè)的長足發(fā)展，使得將譜遙感應(yīng)用在大范圍內(nèi)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地對自然資源和環(huán)境地質(zhì)問題開展動(dòng)態(tài)監(jiān)測成為可能。

“大地體檢”計(jì)劃是根據(jù)“譜遙感”能獲取到的地物健康信息明確體檢項(xiàng)目，確定“譜遙感”地球體檢各項(xiàng)目的參考值，即健康地球的光譜譜系。在此基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感監(jiān)測、航空遙感監(jiān)測和地面站點(diǎn)監(jiān)測等手段，建立空天地一體化的光譜探測裝備和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，構(gòu)建區(qū)域范圍內(nèi)的監(jiān)測體系。未來的“大地體檢”不僅要充分利用空天地一體化技術(shù)，分層次開展長時(shí)間序列大面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測，以及重點(diǎn)區(qū)生物、巖石、森林、土壤和水資源等專項(xiàng)模型構(gòu)建與監(jiān)測；還期待將地質(zhì)學(xué)、遙感學(xué)、生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)、氣象學(xué)等學(xué)科與技術(shù)研究有效融合，圍繞同一科學(xué)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)真正的協(xié)同和融合。

在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的背景下，面對區(qū)內(nèi)普遍存在的環(huán)境地質(zhì)問題，傳統(tǒng)的遙感解譯技術(shù)尚不能滿足在大范圍內(nèi)對多種環(huán)境地質(zhì)問題開展針對性有效監(jiān)測的需求，“大地體檢”技術(shù)在監(jiān)測和分析資源、環(huán)境乃至生態(tài)狀況方面具有極佳的應(yīng)用前景。