遙感科技服務(wù)國家戰(zhàn)略
——以西北自然資源調(diào)查為例

文|李志忠 衛(wèi)征 付壘 韓海輝 趙君 陳霄燕 白鵬飛 劉拓 張文龍

1.中國遙感應(yīng)用協(xié)會專家委員會 2.上合組織地學(xué)衛(wèi)星遙感中心 3.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心

機科學(xué)、地球科學(xué)等多學(xué)科上的現(xiàn)代前沿交叉科學(xué)技術(shù)，近年來伴隨著航空、航天技術(shù)的發(fā)展和人工智能等新一代技術(shù)的推廣，在服務(wù)西北自然資源調(diào)查監(jiān)測工作中不斷擴展，如持續(xù)支撐山水林田湖草一體化保護修復(fù)、境內(nèi)外找礦突破、糧食主產(chǎn)區(qū)土地質(zhì)量監(jiān)測、重要經(jīng)濟區(qū)清潔能源開發(fā)利用等任務(wù)，已顯示出極其廣泛的應(yīng)用價值、良好的經(jīng)濟效益和強大的生命力。

2023 年召開的全國自然資源調(diào)查監(jiān)測工作會議，明確提出未來五年要著力構(gòu)建調(diào)查監(jiān)測感知體系，加強新模型、新算法研究，不斷提升自然資源監(jiān)測能力和水平，并重點圍繞國家重大戰(zhàn)略實施、重大區(qū)域格局調(diào)整、城鎮(zhèn)發(fā)展、鄉(xiāng)村振興等需要，繼續(xù)開展地類變化監(jiān)測，深化探索城市國土空間監(jiān)測，加強專項監(jiān)測和重點監(jiān)測，適機開展快速反應(yīng)監(jiān)測；同時深入挖掘自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)的內(nèi)在價值和應(yīng)用潛力，深化數(shù)據(jù)綜合分析，提升咨詢服務(wù)能力，不斷提升自然資源調(diào)查監(jiān)測在支撐自然資源管理、服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展方面的實際成效。

以上需求為開展西北自然資源調(diào)查指明了方向，即要由常規(guī)地面調(diào)查方法向以充分依靠科技創(chuàng)新和現(xiàn)代信息化建設(shè)為技術(shù)支撐的新方法轉(zhuǎn)變，逐步形成應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計算、智能識別、5G、北斗為核心的信息技術(shù)改造、引領(lǐng)、支撐測繪遙感、地球物理、地球化學(xué)、鉆探、分析測試、地質(zhì)信息和資源利用等七大傳統(tǒng)自然資源調(diào)查手段，構(gòu)建“天—空—地—網(wǎng)”的自然資源動態(tài)立體監(jiān)測預(yù)警評估體系，破解“資源怎么科學(xué)利用”“人地關(guān)系如何平衡”“雙碳目標下生態(tài)修復(fù)如何開展”等關(guān)鍵問題，調(diào)查研究成果直接應(yīng)用于國家重大戰(zhàn)略實施和重大區(qū)域格局調(diào)整。

二、自然資源遙感監(jiān)測的應(yīng)用

1.黃河流域人地關(guān)系全要素系統(tǒng)分析

人地關(guān)系指人類活動與自然環(huán)境之間的關(guān)系，其核心目標是協(xié)調(diào)區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展與自然環(huán)境間的矛盾，達到人與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。工業(yè)革命以來，人類活動對自然環(huán)境的影響不斷加深，已造成自然資源稀缺、地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量下降、地表圈層功能退化等生態(tài)環(huán)境問題。在現(xiàn)代人地協(xié)調(diào)觀的要求下，黃河流域人地關(guān)系的監(jiān)測評估需綜合考量自然資源多要素的變化和相互作用關(guān)系，遙感技術(shù)可以快速掌握山水林田湖草的分布及之間的轉(zhuǎn)化趨勢，進而進行“水—土—氣—生—人”綜合作用分析。

但應(yīng)用仍存在幾方面挑戰(zhàn)：1）研究對象的復(fù)雜性：黃河流域干流長達5000 多千米，西到東橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原四個地貌單元，氣候類型多樣、地質(zhì)條件復(fù)雜、自然資源和能源豐富，是當(dāng)前地球關(guān)鍵帶研究尚未系統(tǒng)涉及的巨型流域。2）自然變化和人類的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)化活動相互交織且作用強烈：黃河流域橫跨9 個省區(qū)，生活著近3 億多人口，建設(shè)了龍羊峽等重要水庫，建立了蘭西、關(guān)中等城市群以及汾渭平原等商品糧基地，暖濕化和人類活動雙重作用顯著。3）全流域生態(tài)地質(zhì)問題的多樣性和連鎖性：源頭區(qū)的冰川消融和草場退化，中游區(qū)的水土流失與地質(zhì)災(zāi)害，下游的濕地退化和地面沉降等問題依舊存在。

傳統(tǒng)的人地關(guān)系調(diào)查研究多局限于上千平方千米的小流域，環(huán)境變量梯度和生態(tài)地質(zhì)問題相對單一，無法解決諸如黃河這樣巨型流域的資源環(huán)境問題。但遙感技術(shù)宏觀、動態(tài)、綜合、快速、多層次、多時相的優(yōu)勢，可為人類可持續(xù)利用地球關(guān)鍵帶生態(tài)服務(wù)提供科學(xué)支撐。未來應(yīng)繼續(xù)建設(shè)空天地一體化監(jiān)測體系，促進人地關(guān)系研究，重點圍繞以下方向：1）地質(zhì)環(huán)境變化對流域主要地球關(guān)鍵帶自然資源保護、生物多樣性維持、水資源平衡等的作用。2）基于空天地一體化地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測開展地球關(guān)鍵帶不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評估預(yù)測。3）地球關(guān)鍵帶過程及系統(tǒng)的模型模擬研究，包括加強全流域尺度的多源地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)同化技術(shù)，以及基于遙感監(jiān)測和模擬的地球關(guān)鍵帶重要特征參數(shù)的可視化制圖等。

2.青藏高原生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護

近年來，被譽為“中華水塔”的青藏高原因生態(tài)地質(zhì)環(huán)境變化引起水資源涵養(yǎng)功能降低和水環(huán)境變異，致使土地退化面積擴大、生物多樣性減少，本就脆弱的生態(tài)加劇惡化，尤其是黃河源地區(qū)的生態(tài)、綠色發(fā)展要求對地質(zhì)環(huán)境的需要提出了新挑戰(zhàn)。2019 年起，為全面支撐青藏高原生態(tài)保護修復(fù)工作，自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)籌部署了“黃河源等地區(qū)生態(tài)地質(zhì)調(diào)查工程”，重點開展了1 ∶ 500000 生態(tài)地質(zhì)背景調(diào)查以及重點生態(tài)功能區(qū)1 ∶ 50000 生態(tài)地質(zhì)要素調(diào)查，旨在查明從地下—地表—地上全過程的地質(zhì)構(gòu)造背景與自然資源各要素的關(guān)系，多源遙感技術(shù)作為空天地一體化調(diào)查的主要手段發(fā)揮了重要作用?；诠鈱W(xué)遙感和合成孔徑雷達（SAR）等干涉雷達監(jiān)測，陸續(xù)開展源頭地區(qū)冰川融化、凍土消融、濕地退縮、土地退化等典型生態(tài)地質(zhì)問題的持續(xù)監(jiān)測與三水轉(zhuǎn)化數(shù)量的遙感定量反演，定量評價了黃河上游生態(tài)功能保護區(qū)水源涵養(yǎng)功能，分析了黃河上中游重點礦區(qū)開發(fā)利用及生態(tài)損毀修復(fù)情況，這些高寒區(qū)地球關(guān)鍵帶研究為保護和恢復(fù)高原的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境提供了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。目前，這項工作已成為自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局長期開展的公益性調(diào)查任務(wù)，這將為黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略提供重要的科技支撐。

3.西北特殊景觀區(qū)礦產(chǎn)遙感調(diào)查

我國鈾、鐵、銅、鋁、鎳、鋰、錳等十余種礦產(chǎn)資源的自然稟賦較差，其供給與需求的矛盾至今沒有實質(zhì)性改善，結(jié)構(gòu)性短缺態(tài)勢長期存在。2020年9 月，我國正式作出“將力爭2030 年前實現(xiàn)碳達峰、2060 年前實現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標承諾，這將進一步促使新能源產(chǎn)業(yè)所需的礦產(chǎn)資源呈爆發(fā)式增長，也勢必將拉動銅、鋁、鎳、鈷等相關(guān)資源的消費增長。西北地區(qū)是我國戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源的重要保障基地，利用遙感技術(shù)為依托的空地一體智能化快速勘查體系服務(wù)新一輪找礦突破勢在必行。

通過在西北重要成礦帶部署礦產(chǎn)資源遙感調(diào)查工作，可創(chuàng)造性地將高分辨率遙感數(shù)據(jù)與多光譜、高光譜遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，開展多層次遙感解譯，形成一套高分遙感地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查技術(shù)方法體系，助力礦化異常信息的快速發(fā)現(xiàn)。這項工作目前已有很好的基礎(chǔ)，如研究人員已構(gòu)建了適用西北特殊景觀區(qū)的遙感+地質(zhì)+地球化學(xué)空地一體快速勘查技術(shù)方法體系，突破了高寒深切割區(qū)、戈壁荒漠區(qū)的遙感信息提取技術(shù)，技術(shù)成果成功引領(lǐng)西昆侖大紅柳灘超大型鋰輝石礦找礦突破，加速甜水海地區(qū)薩岔口、五峰山一帶鉛鋅找礦新發(fā)現(xiàn)，有效推動高分、高光譜遙感調(diào)查技術(shù)在西北地區(qū)礦產(chǎn)勘查中的規(guī)模化應(yīng)用，為在我國西部艱險區(qū)開展戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源勘查提供了重要支撐。

4.西北糧食主產(chǎn)區(qū)土地健康調(diào)查

西北地區(qū)的新疆北疆、陜西關(guān)中、甘肅河西走廊等地區(qū)，水草豐美、土壤肥沃、有機質(zhì)含量相對高，是保障我國糧食安全的重要地區(qū)。隨著氣候變化和多年高強度開墾，西北耕地區(qū)土壤面臨著退化和鹽堿化問題，利用高新技術(shù)開展調(diào)查監(jiān)測迫在眉睫，大量學(xué)者也展開了遙感技術(shù)應(yīng)用示范工作。在西北五省1 ∶ 250000 土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查中，通過衛(wèi)星、航空、地面高光譜、地球化學(xué)分析準同步數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建了土壤質(zhì)量高光譜遙感綜合評價模型，開展了地物特征光譜重建與評價工作，科學(xué)支撐國家糧食安全。尤其是通過間接法尋找土壤鹽堿化的光譜特征波段，應(yīng)用無人機高光譜資料分析元素相關(guān)性，對焉耆等地區(qū)的鉀、硒、氯及粘土礦物含量進行了科學(xué)預(yù)測，取得了良好的示范對比效果。同時利用土壤樣本的地球化學(xué)測試數(shù)據(jù)和地面高光譜數(shù)據(jù)，探索土壤重金屬與氧化鐵的吸附賦存關(guān)系，構(gòu)建基于氧化鐵反演的土壤重金屬間接反演模型，對白銀等地區(qū)重金屬含量模型反演輸出值與重金屬實測值進行擬合比對，探討微量重金屬間接定量反演模型的可行性和準確性，另外還參照中國居民膳食28 種人體有關(guān)的主微量元素變化和遙感數(shù)據(jù)繪制西北地區(qū)水土異常圖，這些工作均為保障國家糧食安全提供了“遙感智慧”。

5.西北地區(qū)地?zé)豳Y源遙感調(diào)查

地?zé)豳Y源是指貯存在地球內(nèi)部的可再生熱能，是一種十分寶貴的綜合性礦產(chǎn)資源。我國尤其是西北地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，因此大力開展地?zé)豳Y源勘探和開發(fā)利用，是區(qū)域清潔能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要內(nèi)容，也是短期內(nèi)我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要途徑，更是我們實現(xiàn)雙碳目標的有效手段。

地?zé)豳Y源調(diào)查一般遵循先從區(qū)域性、大面積范圍圈定地?zé)徇h景區(qū)，再進行中等比例尺地面調(diào)查，輔以相關(guān)地球物理勘探手段，圈定地?zé)峥碧介_發(fā)靶區(qū)，最后通過地?zé)嵴{(diào)查井或開采井驗證或開發(fā)利用。但這個過程耗時耗力，國內(nèi)外已有研究證明利用遙感進行地球熱能探測技術(shù)上可行，主要是利用熱紅外數(shù)據(jù)填圖地表溫度并與地?zé)峤⒙?lián)系，可以輔助進行地?zé)豳Y源調(diào)查。但由于目前熱紅外遙感波段單一、空間分辨率低，不能很好地滿足地?zé)豳Y源勘探需求，尤其是缺乏專門針對地?zé)崃鲌觯ǖ責(zé)嵬浚┲笜说膫鞲衅鳎壳盀橹股袩o高光譜分辨率和高空間分辨率的專用熱紅外遙感衛(wèi)星），使得深部和高溫地?zé)崽綔y仍存在較大技術(shù)瓶頸。目前學(xué)者們正在結(jié)合地球熱能探測需求，研制專門的地?zé)徇b感衛(wèi)星，綜合提供地表溫度、地?zé)嵬烤_反演所需數(shù)據(jù)，進一步提升地?zé)豳Y源勘探開發(fā)速度和效率。未來，遙感探測手段或?qū)⒊蔀樘岣叩責(zé)豳Y源勘探的重要手段。

三、存在的技術(shù)問題與難點

1.大系統(tǒng)大科學(xué)框架下的學(xué)科融合體系尚需進一步加強

利用自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)支撐生態(tài)文明建設(shè)、國家重大戰(zhàn)略實施和重大區(qū)域格局調(diào)整，首先需要構(gòu)建統(tǒng)一的調(diào)查監(jiān)測總體框架，并繪就自然資源一張底圖。這就意味著要從科學(xué)性和系統(tǒng)性入手，遵循自然資源演替規(guī)律和生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在機理，對地表、地上和地下的各類自然資源科學(xué)組織，分層分類進行管理；在地表覆蓋的基礎(chǔ)上，疊加各類管理信息，形成真實反映自然資源利用狀況的準確數(shù)據(jù)，滿足自然資源管理的需要。但這個工作涉及復(fù)雜的地球圈層系統(tǒng)乃至經(jīng)濟、人文、歷史等眾多學(xué)科與領(lǐng)域，導(dǎo)致“核心要素信息的自動化提取”依舊是自然資源調(diào)查監(jiān)測的主要技術(shù)瓶頸問題，這就需要引導(dǎo)和支持交叉學(xué)科的發(fā)展與壯大，尤其是在信息提取方面加快大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、區(qū)塊鏈、知識圖譜、空間信息等高新技術(shù)與航空遙感、無人機航空遙感的迅猛融合，構(gòu)建“天—空—地—網(wǎng)”一體化的技術(shù)體系，盡早實現(xiàn)自然資源要素變化信息高精度自動化提取；另外，地理空間分析、區(qū)塊鏈、知識圖譜等技術(shù)的交叉融合，也可以為揭示自然資源“格局—過程—服務(wù)”的地域分異、形成機理、演化規(guī)律及人地關(guān)系全要素系統(tǒng)分析提供支撐，實現(xiàn)從調(diào)查監(jiān)測到知識服務(wù)的跨越。

2.技術(shù)標準規(guī)范不完善，工程規(guī)劃與設(shè)計不成熟

完善自然資源遙感監(jiān)測技術(shù)標準規(guī)程，拓展遙感技術(shù)工程化應(yīng)用是支撐國家重大戰(zhàn)略實施的有效途徑。雖然國內(nèi)外都發(fā)布了不少資源環(huán)境遙感監(jiān)測與評估的規(guī)范標準，但其針對性、適用性、通用性等還相對有限，完整的體系也尚未形成，導(dǎo)致規(guī)劃工程應(yīng)用缺乏足夠依據(jù)。未來，自然資源調(diào)查監(jiān)測工作將更加重視技術(shù)規(guī)范化、數(shù)據(jù)標準化、應(yīng)用工程化，只有進一步明確自然資源遙感監(jiān)測的定量指標，加速自然資源參數(shù)的遙感反演、自然資源時空信息一體化建模、自然資源知識服務(wù)模型等關(guān)鍵技術(shù)方法研發(fā)，完善技術(shù)流程和標準規(guī)程，并在我國和“一帶一路”相關(guān)區(qū)域開展專題性或工程化應(yīng)用試點試驗，實現(xiàn)自然資源全要素、全流程、全覆蓋的動態(tài)感知和精準認知，才能有效支撐國家戰(zhàn)略的實施。

3.多信息維度融合的地球大數(shù)據(jù)智能信息化有待深化

未來，自然資源遙感監(jiān)測實現(xiàn)數(shù)字化和信息化方可有效支撐國家戰(zhàn)略的實施。目前的對地觀測已顯現(xiàn)出高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率的“三高”特征，隨著地球科學(xué)的發(fā)展和地球關(guān)鍵帶研究的深入，對不同尺度下地球大數(shù)據(jù)的信息維度、分辨率都提出了更高要求。但在綜合運用航天、航空遙感和地面站點、手持終端、巖心光譜掃描等多種監(jiān)測手段，基于數(shù)據(jù)挖掘、融合、協(xié)同、同化等關(guān)鍵技術(shù)，形成天空地一體化的探測裝備和數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用系統(tǒng)等方面，仍然面臨監(jiān)測難協(xié)同、數(shù)據(jù)難共享、信息難融合、質(zhì)量難統(tǒng)一、精度難提高、管理難有效等問題。如多尺度非結(jié)構(gòu)化信息、多目標特征信息、多維度時序信息等融合難度大，環(huán)境耦合分析模型與災(zāi)變風(fēng)險預(yù)測不精準，嚴重制約了自然資源大數(shù)據(jù)的整合、分析與工程化應(yīng)用。進一步加強地球大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)信息平臺建設(shè)，推進自然資源“一張圖”從二維調(diào)查走向三維調(diào)查，并利用大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)努力解決“數(shù)據(jù)孤島”等問題，形成“用數(shù)據(jù)監(jiān)管、用數(shù)據(jù)決策”的技術(shù)支撐模式，方可適應(yīng)生態(tài)文明建設(shè)和自然資源管理需要。