多源遙感助力“絲綢之路”經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)景觀資源監(jiān)測(cè)

馬玲 蒙友波 楊軍 王成

摘要：在高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響下，“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的資源環(huán)境面臨嚴(yán)峻問題與挑戰(zhàn)，沿線景觀資源也受到較大尺度的影響，遙感技術(shù)的出現(xiàn)可為大范圍區(qū)域的生態(tài)景觀資源監(jiān)測(cè)提供理論支撐和技術(shù)保障。全球環(huán)境變化影響局部和區(qū)域尺度的人居環(huán)境（景觀），而人類活動(dòng)又通過不同的土地利用方式，改變局地土地覆被、景觀格局，進(jìn)而促使全球環(huán)境變化。因此，對(duì)局部景觀格局的分析有助于全球環(huán)境變化的研究。文章以多源遙感數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)為例，介紹長(zhǎng)時(shí)間序列下的水資源、荒漠化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。根據(jù)結(jié)果可以認(rèn)為遙感技術(shù)在服務(wù)“一帶一路”戰(zhàn)略中具有獨(dú)特作用，契合該戰(zhàn)略的地理科學(xué)內(nèi)涵和對(duì)地觀測(cè)科學(xué)要素，可為“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，了解經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)脆弱性和景觀變化，提供重要的空間信息支持和輔助決策。

關(guān)鍵詞：遙感;湖泊;荒漠化;生態(tài)景觀;絲綢之路

1引言

2013年習(xí)近平首次提出了建設(shè) “絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上 絲綢之路”的構(gòu)想?！耙粠б宦贰笔侵袊?guó)面對(duì) 21 世紀(jì)世界發(fā)展新格局制定的具有突破性、全局性、長(zhǎng)遠(yuǎn)性的國(guó)家重大戰(zhàn)略，自倡議提出至今，已經(jīng)有100多個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織參與其中，目前我國(guó)已經(jīng)和沿線地區(qū)30多個(gè)國(guó)家共同簽署了合作協(xié)議。“21世紀(jì)海上絲綢之路”是面向南海、太平洋和印度洋的戰(zhàn)略合作經(jīng)濟(jì)帶?！耙粠б宦贰苯ㄔO(shè)需要在建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間取得全面平衡。環(huán)境問題無國(guó)界的，一旦出現(xiàn)資源和環(huán)境問題，這些問題就會(huì)擴(kuò)散到世界各地。

由于陸上絲綢之路所處地區(qū)屬于生態(tài)脆弱區(qū)，水資源嚴(yán)重短缺，土地荒漠化問題尤其嚴(yán)重，在高強(qiáng)度人類活動(dòng)和全球變化的影響下，“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的資源環(huán)境面臨嚴(yán)峻問題與挑戰(zhàn)。中亞地區(qū)由于人類活動(dòng)的加強(qiáng)和對(duì)水資源的過度利用，導(dǎo)致該區(qū)域湖泊的萎縮和消亡。沿線地區(qū)荒漠化問題突出。由于絲綢之路國(guó)家，大多屬于干旱、半干旱氣候類型區(qū)。年降水量從東部400 mm 減少到西部200 mm，咸海及中亞西部年降水量?jī)H75 ～ 100 mm。西北5省植被覆蓋低，地形以高原、盆地為主，還包括戈壁、綠洲、冰川等地貌類型。中亞5 國(guó)多以分布在里海到天山山地之間的草原和荒漠、半荒漠土地為主，其中還分布著中亞面積最大的克孜勒庫姆沙漠和卡拉庫姆沙漠。

景觀指數(shù)是指高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo);適合定量表達(dá)景觀格局和生態(tài)過程之間關(guān)聯(lián)的空間分析方法。景觀指數(shù)的重要作用在于，它能用來描述景觀格局，進(jìn)而建立景觀結(jié)構(gòu)與過程或現(xiàn)象的聯(lián)系，更好地解釋與理解景觀功能。遙感技術(shù)具有信息豐富、觀測(cè)范圍廣、精度高、速度快、實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)提供客觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全球范圍的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。開展基于空間觀測(cè)的“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”資源環(huán)境格局研究可以獲得對(duì)“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”豐富、全面的科學(xué)認(rèn)識(shí)，為國(guó)家建設(shè)“絲之路經(jīng)濟(jì)帶”提供科學(xué)咨詢和科技支撐。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、生態(tài)環(huán)境背景監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用。

2.研究區(qū)與研究數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)

“一帶一路”指“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上絲綢之路” 。絲綢之路沿線的干旱半干旱地區(qū)位于東經(jīng)26-110°，北緯36-50°，包括中國(guó)西北部，亞洲中部、亞洲西部和歐洲東南部的部分地區(qū)，如阿富汗，伊朗，伊拉克，土耳其，敘利亞，烏克蘭等。該地區(qū)的地形特別復(fù)雜，包括山脈、丘陵、高原、盆地、平原和沙漠，同時(shí)，位于歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離大西洋、印度和太平洋，此外，高山高原作為屏障阻止了東南季風(fēng)、盛行西風(fēng)和西南季風(fēng)的到達(dá)，故形成了典型的溫帶大陸性氣候，該區(qū)年降水量小，集中在夏季，區(qū)域分布不均勻且蒸發(fā)量大。盡管該地區(qū)降水少，但熱量和能源資源豐富，在水資源豐富的河流和湖泊周圍，分布著許多城市、灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。除城市的生活用水外，還從河流和湖泊中提取水資源用于農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)生產(chǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)的選擇主要包括相對(duì)穩(wěn)定的要素：例如地形、土壤、植被等;活躍易變的要素，例如氣溫、降水、干旱指數(shù)、徑流深等。同時(shí)多源遙感數(shù)據(jù)是對(duì)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要基石。基于遙感數(shù)據(jù)和專題產(chǎn)品，結(jié)合氣溫、降水等氣象數(shù)據(jù)，人口、GDP等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及其他參考數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建對(duì)“一帶一路”區(qū)域生態(tài)景觀系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)體系，通過收集的相關(guān)資料，對(duì)遙感影像進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)處理，提取了研究區(qū)的景觀類型信息，進(jìn)而通過計(jì)算不同層次的景觀指數(shù)，對(duì)該區(qū)的現(xiàn)時(shí)景觀格局進(jìn)行定量分析。通過分析各景觀指數(shù)變化反映研究區(qū)景觀格局的變化規(guī)律，計(jì)算相應(yīng)指標(biāo)求得環(huán)境脅迫。

3 “絲綢之路”生態(tài)景觀環(huán)境監(jiān)測(cè)

3.1湖泊水資源景觀監(jiān)測(cè)

準(zhǔn)確地提取湖泊面積是研究湖泊動(dòng)態(tài)變化以及建立長(zhǎng)時(shí)間序列湖泊面積數(shù)據(jù)庫中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。遙感技術(shù)為大范圍湖泊面積監(jiān)測(cè)提供了有力的技術(shù)支撐，能夠?qū)崟r(shí)地獲取大范圍的地表信息，并能夠快速準(zhǔn)確的提取湖泊水體，對(duì)水資源景觀呈現(xiàn)不同序列變化。其基本原理在于水體對(duì)太陽光不同波段敏感度的差異導(dǎo)致在不同波段水體對(duì)太陽光的反射和吸收比例不同。在400-760nm（可見光）范圍內(nèi)，水體的反射主要在藍(lán)綠光波段，到750nm以后的近紅外波段，水體的反射率接近于0?；谶b感波段之間的加減乘除組合運(yùn)算，可以找出目標(biāo)地物具有的獨(dú)特光譜之間的關(guān)系特征來排除其他地區(qū)對(duì)目標(biāo)地物的影響。近年來所常用的歸類為歸一化植被指數(shù)（NDVI）、歸一化水體指數(shù)（NDWI）、改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)（MNDWI）和混合水體指數(shù)（CIWI）等。通常情況下，提取過程最關(guān)鍵在于湖泊水體閾值的設(shè)定，這需要根據(jù)不同的產(chǎn)品和實(shí)際的陸地情況加以多因素判別。

以絲綢之路地區(qū)的湖泊景觀提取為例。在多源影像支持下，通過計(jì)算MODIS 250m 的NDVI數(shù)據(jù)并根據(jù)湖泊水體和背景地物的光譜差異，可提取面積較大的湖泊。根據(jù)2001-2016年絲綢之路沿線干旱半干旱區(qū)域24個(gè)湖泊的提取結(jié)果顯示， 總面積減少了2.51%。2002-2009年間湖泊總面積出現(xiàn)了持續(xù)性地減少，2010-2014年湖泊總面積呈現(xiàn)出波動(dòng)性地減少。在2014年以后，湖泊的總面積呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。分布在咸海、里海和烏爾米耶湖周圍的湖泊，面積也出現(xiàn)了明顯的減少。然而，位于咸海和里海之間的薩雷卡梅什湖與周圍的湖泊不同，面積增加十分明顯，因?yàn)樽远兰o(jì)五十年代末，通過修建排水渠將農(nóng)區(qū)的水排入薩雷卡梅什湖，同時(shí)阿姆河反復(fù)的洪泛也使其部分水量注入薩雷卡梅什湖。

綜合Topex/Poseidon 衛(wèi)星 MGDR（雷達(dá)高度計(jì)）和Envisat 衛(wèi)星 RA2_GDR（雷達(dá)高度計(jì)）可以獲取絲綢之路沿線湖泊的水位高度數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果標(biāo)明，咸海水位呈較大幅度降低，近 20 年平均水位下降了 3.52m，于 1987 年自然分成南、北咸海兩片水域。南北咸海自身的水位變化差異較大，北咸海水位變化幾經(jīng)升降，2005 年后逐漸穩(wěn)定，呈現(xiàn)緩慢回升趨勢(shì)，近 20 年水位上升了 1.6 m。南咸海水位持續(xù)下降，2010 年達(dá)到最低值，近 20 年水位下降了8.63 m，在 7 個(gè)湖泊中水位變化最大。薩雷卡梅什湖水位變化基本呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，前 10 年水位增長(zhǎng)幅度持續(xù)變大，2007 年后趨于平穩(wěn)，近 20 年水位上升了 6.3 m。巴爾喀什湖水位變化相對(duì)穩(wěn)定，近 20 年水位上升了 1.33 m?？偟膩碚f，近 20 年間水位變化最大的是作為平原尾閭湖的薩雷卡梅什湖和咸海，高山封閉湖（伊塞克湖、阿拉湖）變化最小，水位變化不足 0.5 m;區(qū)別于前兩類湖泊，吞吐湖（薩瑟克湖、齋桑泊）水位變化相對(duì)復(fù)雜，既有薩瑟克湖較穩(wěn)定的水位上升，也有齋桑泊相對(duì)較大的水位波動(dòng)。

3.2 荒漠化景觀演變

陸上絲綢之路沿線國(guó)家和地區(qū)包含大面積沙漠和戈壁，年降水量小、水資源貧乏、生態(tài)環(huán)境脆弱、人居環(huán)境相對(duì)惡劣，制約了沿線國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展。利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)絲綢之路國(guó)家的荒漠化程度主要是通過傳感器波段計(jì)算植被覆蓋度，通過通過多年衛(wèi)星遙感圖像分析，可對(duì)荒漠化過程和植被狀況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。一個(gè)地區(qū)的荒漠化程度與植被覆蓋率有直接的負(fù)相關(guān)關(guān)系，荒漠化程度越高，植被蓋度越低。根據(jù)現(xiàn)有荒漠化的土地劃分標(biāo)準(zhǔn)和方法，可以將絲綢之路區(qū)域的土地景觀荒漠化程度歸類為5個(gè)分級(jí)。

中亞地區(qū)景觀不同程度荒漠化土地由西南的嚴(yán)重、重度荒漠化向東北部輕度荒漠化呈遞減的條帶狀分布，且不斷向哈薩克斯坦的北部地區(qū)推移; 中國(guó)西北荒漠化程度則由西向東部依次減弱并呈帶狀分布，嚴(yán)重荒漠化土地占比較大。嚴(yán)重、重度荒漠化土地多分布在里海中部沿岸到咸海以東的地區(qū)、土庫曼斯坦南部、新疆塔里木盆地和吐魯番盆地以及青海柴達(dá)木盆地，中、輕度荒漠化主要分布在哈薩克斯坦中、北部地區(qū)、中國(guó)與中亞相接壤的沿線地區(qū)、青海中東部以及甘肅東部沿線地區(qū)。在實(shí)時(shí)多尺度的監(jiān)測(cè)下，遙感技術(shù)不僅為今后荒漠化的相關(guān)研究提供借鑒和參考，還對(duì)該地區(qū)荒漠化的治理提供合理的依據(jù)。絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶沿線地區(qū)荒漠化的形成是多種復(fù)雜的要素導(dǎo)致的，而研究表明，人類不合理的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)與脆弱的自然條件耦合是土地荒漠化發(fā)生并擴(kuò)展的主要原因。

4. 結(jié)論與討論

“一帶一路”建設(shè)作為一個(gè)國(guó)際性構(gòu)想，具有覆蓋范圍廣、建設(shè)周期長(zhǎng)、涉及領(lǐng)域?qū)挼忍攸c(diǎn)，在推進(jìn)過程中，傳統(tǒng)的地理學(xué)思維和新興的地理空間信息科學(xué)大有可為?？臻g觀測(cè)技術(shù)具有宏觀、快速、準(zhǔn)確認(rèn)知對(duì)象的優(yōu)勢(shì)。本文以遙感技術(shù)在“絲綢之路”生態(tài)景觀資源監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用為背景，介紹了多源長(zhǎng)時(shí)間序列下沿線地區(qū)湖泊水資源、土地荒漠化監(jiān)測(cè)與環(huán)境中資源評(píng)估中的重要作用。遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)日益成為景觀格局動(dòng)態(tài)分析的主要手段。借助地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的空間存儲(chǔ)、管理和分析功能，建立相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地揭示“一帶一路”景觀格局的動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，運(yùn)用景觀分析原理，建立景觀評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建景觀動(dòng)態(tài)模型，以地理學(xué)視角分析了這些生態(tài)環(huán)境要素參數(shù)時(shí)空演進(jìn)格局及響應(yīng)因素，隨著社會(huì)各界對(duì)資源保護(hù)的重視與生態(tài)環(huán)境安全措施的實(shí)施，遙感技術(shù)在絲綢之路宏觀監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用會(huì)有更加廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)

[1]劉玉貞， 阿里木江·卡斯木， 阿布都米吉提·阿布力克木. 絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶沿線典型地區(qū)荒漠化動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測(cè)[J]. 中國(guó)水土保持科學(xué)， 2017（2）.

[2]李書娟，曾輝. 遙感技術(shù)在景觀生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用[J]. 遙感學(xué)報(bào)，2002，

[3]李德仁， 李熙. 夜光遙感技術(shù)在評(píng)估經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的應(yīng)用[J]. 宏觀質(zhì)量研究， 2015（4）：1-8.

[4]王新明.基于遙感與GIS中國(guó)陸地景觀結(jié)構(gòu)分析[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006， 32（4）： 460-466.6.

[5]余志飛. 基于MODIS遙感數(shù)據(jù)的水體提取算法研究[J]. 測(cè)繪與空間地理信息， 2015（3）：80-82.