黃河流域生態場景三維監測模型技術研究

武創舉

摘要：黃河流域自然資源豐富，流經9個省區，是世界第五長河，是中華民族最主要的發源地，給人類文明帶來了巨大的影響。建立黃河流域局部性的綜合生態監測三維模型，并結合一定時間序列的遙感影像信息及其土地整理數據，對該區域生態變化及其作用機制進行分析，形成綜合性質的，能夠在一定意義上對黃河流域的生態環境進行實時動態監測分析，形成共建共享黃河中下游流域生態監測平臺。

Abstract： The Yellow River Basin is rich in natural resources， flows through 9 provinces and autonomous regions， is the fifth longest river in the world， and is the main birthplace of the Chinese nation. It has brought a huge impact on human civilization. This paper establishes a local comprehensive three-dimensional ecological monitoring model of the Yellow River Basin， and combines the remote sensing image information and land consolidation data of a certain time series to analyze the regional ecological changes and their action mechanisms， and form a comprehensive ecological monitoring platform in the middle and lower reaches of the Yellow River which can realize real-time and dynamic monitoring and analysis of the ecological environment of the Yellow River Basin.

關鍵詞：黃河流域;生態監測模型;經濟發展;共建共享

Key words： Yellow River Basin;ecological monitoring model;economic development;co-construction and sharing

中圖分類號：X171? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）02-0252-02

1? 黃河流域生態保護和高質量發展戰略思路

黃河是我國重要的經濟地帶，但黃河的治理和新時代的要求還有很大差距。2019年8月19日生態環境部相關會議強調，完善生態環境分區管控體系，推動黃河流域生態保護和高質量發展，開展生態保護紅線勘界定標等問題。

習總書記的講話及國家相關政策的發布為項目研究的進一步實施與發展提供了政策指引。黃河中下游地區的水生態損害問題是黃河流域較為突出的生態問題之一，對其生態機制進行有效監測是一項至關重要的研究。本項目的研究過程中，遵循國家政策，以先進的航空攝影測量與遙感技術為手段，大數據為支撐，鼓勵校政企三方合作，建立黃河濕地公園生態場景監測模型，共建共享黃河中下游流域生態監測平臺。

2? 無人機在多源遙感監測技術中充當著重要角色

20世紀80年代以來，無人機的性能得到了快速提升，無人機應用得以迅速發展。而利用無人機傾斜攝影技術，建立高分辨率、高品質顏色、高清晰度的三維模型，實現三維可視化，隨著計算機處理技術的發展，在21世紀之后迅速應用起來。無人機在多源遙感數據獲取中具有非常重要的作用，可以機載遙感設備，如輕型光學相機、紅外掃描儀，激光掃描儀、高分辨率CCD數碼相機、磁測儀等獲取信息，用計算機對圖像信息進行處理，并按照一定精度要求制作成圖像。

3? 構建三維模型的基礎數據源

在傳統的遙感發展中，主要是以遙感數據為主導的數據銷售階段，目前遙感技術已經得到充分的發展，市場需求量逐步增加，已經過渡到應用層面上。無人機遙感技術在海洋行業由無人機海面低空單視角轉換為海面超低空多視角，并獲取SAR、高光譜、高空間分辨率多種海況海難、海洋環境的監測數據。

遙感飛機上可進行不同電磁波范圍如紫外、可見光、短波紅外、熱紅外、微波的遙感儀器的飛行試驗，用彩色、黑白、紅外、攝像技術拍攝空中影像數據，并用計算機對圖像信息加工處理。建立高分辨率成像、夜間熱紅外探測及微波穿透云霧和全天侯工作的航空遙感業務化的生態監測運行系統，全系統在設計和最優化組合方面具有突出的特點，是集成了遙感、遙控、遙測技術與計算機技術的新型應用技術，為構建黃河流域生態場景監測模型提供實時更新數據。

4? 動態監測三維模型實施方案

研究區域為鄭州市區附近黃河流域，研究目的是建立黃河流域局部性的綜合的生態監測三維模型，并結合一定時間序列的遙感影像信息及其土地整理數據，對該區域生態變化及其作用機制進行分析，形成綜合性質的，能夠在一定意義上對黃河流域的生態環境進行動態監測分析的模型。通過該模型對黃河流域的生態防治工作提供數據基礎。

本項目的研究主要分為以下幾個方面：

①建立生態三維模型。利用無人機航空飛行平臺、光學遙感載荷，獲取對鄭州市區附近黃河流域的多源遙感數據。應用采集到的數據，根據黃河流域具體不同特點，建立有針對性的三位生態場景模型。

②建立研究區域時間序列土地利用生態環境變化模型。獲取本研究區域2010、2012、2015、2018年HJ遙感數據。首先，通過解譯數據提取研究區域NDVI、DVI指數因子，應用歸一化植被指數與植被覆蓋度的數學關系，計算研究時段內區域的植被覆蓋率，得到研究區土地利用覆蓋現狀數據，分析研究區域土地利用動態變化和土地利用結構的時空變化。其次，提取與生態環境相關的地表溫度、土壤濕度等指數，評價研究區域水生態變化狀況。綜合研究鄭州周邊黃河流域的生態變化情況，分析時間序列變化，建立時間序列曲線。

③建立生態綜合監測分析模型。結合航空攝影測量三維模型、信息分類提取后的遙感數據分類地圖、土地利用生態環境變化模型，同時把獲取的近幾年土地整理數據庫信息、植被指數、土壤指數信息進行關聯，并分析生態變化作用機制，最后實現研究區域生態場景動態監測三維可視化模型的總集成。

5? 構建黃河流域生態場景監測三維模型以及技術關鍵

本研究以航空攝影測量和遙感技術為手段，大數據為支撐，建立綜合監測模型，三維建模主要運用Smart3D軟件，建模技術包括基于過程和基于圖像的建模技術。基于過程建模主要通過無人機獲取有限參數來控制場景，常用的建模有分形方法、隨機過程和L-system模型等;基于圖像的建模主要是通過無人機獲取的圖像與繪制技術融合形成三維生態環境場景的建模。（圖1）

傾斜攝影測量技術主要從5個不同角度同時采集信息，真實客觀地反應測量物體。遙感信息提取技術主要包括，NDVI指數、DVI指數、PVI指數、溫度指數的提取技術。

通過黃河流域生態場景監測三維模型的建立，能夠對鄭州周邊的黃河流域的生態環境進行監測，并且從一定程度上預測模擬該地區的生態變化。能節省大量的監測時間，大大提高監測效率。監測的真實性對于黃河流域的生態治理提供了非常重要的基礎數據。黃河流域的生態保護，有效提升了市場需求、有利于加快環保企業項目落地及推進，環保企業融資有望邊際改善。

6? 黃河流域生態治理社會效益

鄭州周邊黃河流域實施無人機航空影像數據采集，然后針對其生態情況建立三維模型，實現三維可視化模擬，真實地再現了所拍攝區域的實際三維場景信息，這樣對黃河流域的生態環境實現了真實展現，對于政府、企業進行黃河流域生態治理工作起到了基礎決策依據作用。黃河流域的生態監測為生態治理提供了精準真實的監測數據，對于黃河流域的生態保護起到不可忽視的作用。

7? 結束語

建立鄭州周邊的黃河流域生態場景監測模型，對加大濕地恢復力度、繼續實施濕地恢復工程、擴大濕地恢復面積，開展大規模荒堿地改良、濕地內修建圍堰、蓄淡壓堿等提供科學決策;構建生態環境監測網絡體系，對優化黃河生態用水配置，優先滿足河道基流及保護區濕地生態用水，合理修復和科學保護功能受損的河口濕地生態系統提供科學規劃。

獲取黃河流域的三維場景與生態信息，為黃河流域的生態保護和治理工作提供至關重要的數據依據，對加快推進生態文明建設，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念具有重要意義。

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