山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)項(xiàng)目區(qū)監(jiān)測(cè)方法研究

楊 菁，強(qiáng)建華，李 原，呂俊娥，周晨輝

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 航測(cè)遙感局，陜西 西安 710199)

黨的十八大以來(lái)，以習(xí)近平總書(shū)記為核心的黨中央高度重視我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)，把生態(tài)文明建設(shè)納入中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)“五位一體”總體布局，并把“美麗中國(guó)”作為生態(tài)文明建設(shè)的宏偉目標(biāo)。為落實(shí)習(xí)近平生態(tài)文明思想，加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)、推進(jìn)生態(tài)保護(hù)修復(fù)，2016—2018年，我國(guó)財(cái)政部與原國(guó)土資源部、環(huán)保部聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作的通知》，以“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”的重要理念，共同組織實(shí)施以提升山水林田湖草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能為導(dǎo)向的保護(hù)修復(fù)，開(kāi)展試點(diǎn)工程3批25個(gè)，近年來(lái)在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和改善重點(diǎn)區(qū)生態(tài)環(huán)境等方面取得了顯著成效。

為驗(yàn)證、監(jiān)督和評(píng)估山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)效果，解決區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境長(zhǎng)遠(yuǎn)保護(hù)需求，針對(duì)以山水林田湖草為主體的自然生態(tài)系統(tǒng)，及其光、熱、空氣、水汽、土壤等綜合要素組成的生態(tài)環(huán)境，分析設(shè)計(jì)一套全要素生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)體系。該套體系可以根據(jù)生態(tài)環(huán)境內(nèi)不同區(qū)域代表性的測(cè)量要素進(jìn)行分布測(cè)量、計(jì)算處理和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估，依托多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)保護(hù)修復(fù)項(xiàng)目遙感監(jiān)測(cè)地物的信息提取，可以監(jiān)測(cè)工作區(qū)山水林田湖草全要素宏觀動(dòng)態(tài)變化；并結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，檢測(cè)環(huán)境相關(guān)的空氣溫度、濕度、風(fēng)、雨、雪、氣壓、太陽(yáng)輻射、負(fù)氧離子等要素，進(jìn)行水文相關(guān)的地表和地下水水位、降雨量、水流量流速、土壤水分、含氧量、電解質(zhì)、pH、濁度等水環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；綜合各類要素生態(tài)保護(hù)修復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)，建設(shè)監(jiān)管信息化平臺(tái)，為該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)治理提供基礎(chǔ)依據(jù)和資料。

1 遙感監(jiān)測(cè)

依托光學(xué)、高光譜、雷達(dá)等在軌陸地衛(wèi)星影像協(xié)同組網(wǎng)觀測(cè)，局部采集高精度無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，建立山水林田湖草全要素、全天候、全覆蓋、全尺度的遙感監(jiān)測(cè)體系，開(kāi)展基于遙感的自然資源宏觀變化監(jiān)測(cè)和常態(tài)化季度性監(jiān)測(cè)。

以往，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)以面積監(jiān)測(cè)為主進(jìn)行年度監(jiān)測(cè)。隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量的增加和類型日漸豐富，影像數(shù)據(jù)能做到當(dāng)日獲取、處理、分發(fā)，數(shù)據(jù)涵蓋面日益廣泛，形成了多元化的數(shù)據(jù)產(chǎn)品體系，可根據(jù)不同尺度、不同對(duì)象的遙感監(jiān)測(cè)需求選擇精度和類型相對(duì)最適合的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源。

1.1 濕地要素監(jiān)測(cè)

在我國(guó)沿海區(qū)縣紅樹(shù)林地塊監(jiān)測(cè)評(píng)估的基礎(chǔ)上，以自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心為主的遙感應(yīng)用示范單位正在推進(jìn)全國(guó)濕地遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)體系建設(shè)。對(duì)主要河流及其關(guān)聯(lián)水庫(kù)、主要湖泊地表水和重要濕地的變化狀況，通過(guò)遙感影像進(jìn)行邊緣動(dòng)態(tài)和面積變化監(jiān)測(cè)。同時(shí)，全要素監(jiān)測(cè)任務(wù)也將冰川納入其中，不但對(duì)要素的基礎(chǔ)范圍變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合高分7號(hào)等立體測(cè)繪衛(wèi)星，還可以對(duì)冰川的體積和儲(chǔ)量變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。高光譜遙感能夠獲取內(nèi)陸水體中各種物質(zhì)的光譜特征,可以反演葉綠素a、懸浮物、黃色物質(zhì)等3種典型的水質(zhì)參數(shù),并進(jìn)一步獲取水體透明度、渾濁度、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別等水質(zhì)要素參量,為衛(wèi)星監(jiān)測(cè)水質(zhì)創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件。

1.2 植被監(jiān)測(cè)

圍繞自然資源管理“質(zhì)量、生態(tài)”管控需求，綜合利用大幅寬多光譜衛(wèi)星的高重訪能力和高光譜衛(wèi)星的地物光譜探測(cè)能力，通過(guò)植被覆蓋度、葉面積指數(shù)和凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)等指標(biāo)來(lái)監(jiān)測(cè)植被覆蓋空間分布及變化特征。針對(duì)不同生態(tài)功能區(qū)、典型流域或生態(tài)單元開(kāi)展大范圍、長(zhǎng)時(shí)序的宏觀監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過(guò)疊加年際之間的變化，可有效獲取區(qū)域的植被生態(tài)狀況時(shí)空演變趨勢(shì)信息。

對(duì)山體和坡體土壤松散區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別是雨水多發(fā)季和礦山開(kāi)采造成的山體斑禿、地面沉降，加強(qiáng)重點(diǎn)防護(hù)保護(hù)，結(jié)合隱患識(shí)別技術(shù)做好防范工作。

開(kāi)展草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和水源涵養(yǎng)、水土流失監(jiān)測(cè)，為做好保土改質(zhì)、土地復(fù)墾、退耕還草等草地生態(tài)修復(fù)保護(hù)提供監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。

1.3 耕地變化監(jiān)測(cè)

對(duì)生態(tài)保護(hù)紅線和以國(guó)家公園為主體的自然保護(hù)地內(nèi)耕地情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。

根據(jù)農(nóng)作物的作物熟制、物候特征和種植制度等信息，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)序的監(jiān)測(cè)，建立基于玉米、小麥、水稻、大豆等不同農(nóng)作物物候特征的光譜曲線模型，提取出糧食作物、非糧食作物、糧食與非糧輪作和未耕種等4個(gè)種植類型信息,對(duì)耕地進(jìn)行“非糧化”監(jiān)測(cè)分析。

1.4 其他小空間尺度變化監(jiān)測(cè)

地表空間異質(zhì)性較強(qiáng)區(qū)域，如陸地表面與人類生產(chǎn)建設(shè)、人類生活相關(guān)的動(dòng)態(tài)變化，大多在較小的空間尺度或較短的周期內(nèi)發(fā)生。針對(duì)此類情況，可依托高空間和高時(shí)間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)或無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，及時(shí)監(jiān)測(cè)小空間尺度上的地表覆被變化。

2 設(shè)備監(jiān)測(cè)

通過(guò)檢測(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)儀等，定期獲取生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)變化情況，通過(guò)物聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳和集成，形成時(shí)序式觀測(cè)數(shù)據(jù)。觀察監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的階段均值和區(qū)間動(dòng)態(tài)變化，分析氣象環(huán)境因子和生態(tài)適宜度指標(biāo)變化對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的影響，為建立更加完善的環(huán)境變化信息體系，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)治理和生物的多樣性保護(hù)提供保障。

山腳、坡地近人類活動(dòng)區(qū)及歷史開(kāi)采礦山區(qū)等隱患區(qū)域，裝置地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)隱患點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

2.1 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

通過(guò)大氣環(huán)境傳感器和監(jiān)測(cè)儀采集環(huán)境因子數(shù)據(jù)值，以大氣負(fù)(氧)離子監(jiān)測(cè)設(shè)備為例，可提取記錄空氣中的負(fù)離子電荷濃度值和負(fù)離子變化情況，長(zhǎng)期、自動(dòng)、連續(xù)、全天候監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境因子變化，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)精確測(cè)量和在線監(jiān)測(cè)，為大氣環(huán)境和氣象監(jiān)測(cè)需求提供高精度測(cè)量數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 大氣負(fù)(氧)離子監(jiān)測(cè)儀日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)示例

2.2 水環(huán)境監(jiān)測(cè)

包括地表水、徑流量和水質(zhì)等監(jiān)測(cè)，水質(zhì)監(jiān)測(cè)站水質(zhì)傳感器主要有pH傳感器、含氧量傳感器、電解質(zhì)傳感器、濁度傳感器等。以監(jiān)測(cè)水質(zhì)的浮標(biāo)式監(jiān)測(cè)站為例，主要用于河道沿岸水域、湖泊水庫(kù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，可全天候、連續(xù)、定點(diǎn)地觀測(cè)水質(zhì)，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，有助于形成河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)格化管理。

2.3 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

主要對(duì)相對(duì)位移、絕對(duì)位移、降雨量、含水率和地面沉降等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。設(shè)置多種預(yù)警手段：儀器本地預(yù)警、遠(yuǎn)程預(yù)警站預(yù)警、軟件界面報(bào)警和短信傳輸報(bào)警等。

3 監(jiān)測(cè)管理信息平臺(tái)

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理信息平臺(tái)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、傳輸、發(fā)布、應(yīng)用、集成為一體的綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)多點(diǎn)分布的環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，調(diào)用各類監(jiān)測(cè)結(jié)果并根據(jù)需求存儲(chǔ)入庫(kù)，對(duì)山水林田湖草全要素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中化管理，為管理人員提供可追溯的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)和智能分析服務(wù)。

3.1 數(shù)據(jù)集成建庫(kù)

集成遙感調(diào)查和自然資源本底數(shù)據(jù)，及山水林田湖草全要素生態(tài)保護(hù)修復(fù)調(diào)查評(píng)估分時(shí)期、分空間、分專題數(shù)據(jù)，通過(guò)生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)監(jiān)測(cè)評(píng)估體系和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理體系，建設(shè)全要素生態(tài)保護(hù)修復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)，推動(dòng)天空地一體化的多源數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)生態(tài)資源統(tǒng)一管理。

3.2 一體化監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)

基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算、WebGIS技術(shù)和Nginx發(fā)布環(huán)境，構(gòu)建全要素時(shí)空數(shù)據(jù)框架，在該框架上整合各類研究應(yīng)用專題，形成B/S架構(gòu)的一體化生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)管理信息平臺(tái)?？砂雌诖魏皖愋?、專業(yè)展示全要素生態(tài)保護(hù)及修復(fù)調(diào)查數(shù)據(jù)，支持本地化集成或云端部署，最終實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)瀏覽和展示，支持?jǐn)?shù)據(jù)分層調(diào)用、疊加展示、空間對(duì)比和分析，為統(tǒng)籌國(guó)土空間保護(hù)、開(kāi)發(fā)和利用，決策國(guó)土空間規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境修復(fù)和督查保護(hù)提供基礎(chǔ)。

4 思考和建議

目前，我國(guó)雖已開(kāi)展了部分重點(diǎn)區(qū)域的山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程，但仍存在一些問(wèn)題：在規(guī)劃層面，地區(qū)建設(shè)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)協(xié)調(diào)度不夠，人與自然和諧共生的局面尚未形成；在實(shí)施層面，項(xiàng)目以行政區(qū)劃切分、項(xiàng)目跟著資金走的方式較為普遍，全要素、多維度、近自然的保護(hù)修復(fù)措施力度不夠；在監(jiān)管層面，未充分考慮山水林田湖草要素之間的關(guān)聯(lián)性及生態(tài)系統(tǒng)的整體性，部門(mén)協(xié)同監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)相互共享程度不夠，多頭分治的局面尚未破除，統(tǒng)一協(xié)調(diào)的管理體制、機(jī)制有待健全；在信息化層面，暫未充分拓展GIS、RS在對(duì)象監(jiān)測(cè)方面的信息化優(yōu)勢(shì)，尚未普及成熟的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)制和智能的生態(tài)資源數(shù)字化集成管理體系。

應(yīng)通過(guò)進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)監(jiān)測(cè)工程，充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)管控措施在生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)保護(hù)、治理中的關(guān)鍵作用。通過(guò)開(kāi)展水陸統(tǒng)籌、“山水林田湖草生命共同體”保護(hù)綜合監(jiān)測(cè)，推進(jìn)全要素生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)及生態(tài)修復(fù)監(jiān)管體系；緊密依托國(guó)土空間規(guī)劃“三區(qū)三線”，強(qiáng)化自然生態(tài)空間用途管制，建立涵蓋山水林田湖草全要素從準(zhǔn)入到考核全過(guò)程的管理體系，全面提升生態(tài)保護(hù)修復(fù)成效和長(zhǎng)遠(yuǎn)保護(hù)。