衛星遙感服務黃河流域生態保護與高質量發展

文 | 孫繼鑫 艾宇 宋忠航 王劍

1.西安航天天繪數據技術有限公司 2.航天恒星科技有限公司

一、前言

黃河全長5464km，是我國僅次于長江的第二大河，從青海源頭到山東入海口，共流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南、山東九省區，流域面積79.6萬平方千米（圖1），滋養著我國30.3%的人口，在我國經濟社會發展及生態安全方面具有十分重要的地位。

圖1 黃河流域分布[1]

黃河作為中華母親河，孕育了燦爛的中華文化，其流域是我國重要的農牧業生產基地，也是中國北方重要的生態屏障和經濟地帶，但近年來由于過度開發，黃河流域生態系統退化形勢嚴重，生態環境脆弱，森林覆蓋率僅為19.36%，低于全國平均水平，黃河上中下流域內各地區的資源稟賦和經濟發展狀態差異較大。2019年9月，黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略，眾多學者對黃河流域高質量發展的內涵、框架等進行解讀，要實現黃河流域生態保護和高質量發展，必須深入落實生態文明建設思想，將綠色發展理念和協調發展理念相結合，堅持 “生態優先、綠色發展，以水而定、量水而行，因地制宜、分類實施，上下游、干支流、左右岸統籌謀劃”的思想，促進黃河流域高質量發展，改善人民生活。黃河流域高質量發展重要的是解決保護與發展的問題，發展經濟不能以犧牲環境為代價，更要走具有區域特色的高質量發展道路。

為此，以生態保護為先的黃河流域高質量發展，首先應當確定上游、中游、下游三個區域的分類保護及發展的思想，對不同區域實施重點區分的監管及政策謀劃；其次，做好生態環境保護方面的協同，從流域整體生態保護的全局視角出發進行統籌規劃，加強空間管控支持，確保政策實施的連貫性和統一性；再次，建立黃河流域高質量發展的空間關聯分析，構建黃河流域高質量發展評價指標體系；最后，從技術創新、產業轉型、生態保護剛性約束機制等角度確保黃河流域生態保護與社會經濟發展的高質量平衡。衛星遙感技術因為其能夠對流域的生態、資源環境、氣候變化進行連續觀測，具有視點高、區域廣、頻率快、周期短等特點，因此綜合應用高中低不同分辨率不同載荷衛星數據可對黃河流域高質量發展從宏觀角度進行全流域動態監測和評價，有效輔助政府和行業部門決策規劃。

二、總體架構

黃河流域生態保護與高質量發展堅持中央統籌、省負總責、市縣落實的工作機制，各省份正逐步展開黃河流域生態保護與高質量發展的戰略研究工作。但區域的統籌規劃、監管及評價還不完善，且缺乏宏觀數據獲取渠道。隨著黃河流域環境問題的日益突出，遙感應用的重要性也越來越明顯，大尺度、高頻次的宏觀監測，能夠高效實現生態環境保護的動態變化監測，有效評價生態保護成效和質量，為黃河流域全域高質量協同發展提供技術支撐。

黃河流域生態保護和高質量發展的衛星遙感應用總體框架（圖2）可從4個層面理解：1）按照九省、上中下游、全流域的三層分類進行國土空間“基底”評價，以生態優先為主，從遙感影像中識別“三區”（生態空間、城鎮空間、農業空間）；2）應用遙感技術進行區域內的地表水環境遙感監測、空氣環境遙感監測、生態環境遙感監測并結合部分地面數據對生態系統格局變化、生態系統質量、生態系統服務等功能進行評價，摸清黃河流域生態環境家底；3）從時間維度、空間維度、區域維度逐步分析黃河流域上游、中游、下游區域生態保護的關鍵問題和內在聯系；4）以生態安全和社會經濟發展統籌考慮，進行全流域高質量發展綜合評級。為后續戰略規劃、法律制度、空間管控、體制和機制提供支撐。

圖2 衛星遙感應用助力黃河流域生態保護與高質量發展總體框架

三、生態保護

黃河生態系統是一個有機整體，要充分考慮上、中、下游的差異。根據黃河流域的生態功能區劃：上游地區以三江源、祁連山、甘南黃河等地為我國重要水源涵養生態功能區，該部分區域要重點提高水源涵養能力，應以生態保護監管、產業化轉型、生態修復為重點；中游地區水土流失嚴重，2018年水土流失面積近108.5萬平方千米，占土地總面積39%，水污染和空氣污染嚴重，劣V類水占比12.4%，14個城市中空氣同比達標減少，因此要重點圍繞水土保持和污染治理能力開展工作；下游重點圍繞黃河三角洲區域開展濕地生態系統保護工作，提高生物多樣性，依據水土資源空間分布規律，實現流域的共同進步與協調發展。

1. 黃河流域各區域生態保護監測要素的獲取

黃河流域生態環境脆弱、生態問題突出，包括水污染、大氣污染、水土流失、沙漠化、地表采礦塌陷、水資源短缺、下游洪水威脅等。應用遙感技術可以開展空氣環境監測、地表水環境監測、生態環境監測。

（1）地表水環境監測

我國地面水環境質量常規監測指標達39項，部分省份的環保部門已開展水體109項指標監測，應用可見光、紅外、高光譜等遙感監測可以直接或間接獲得13種水環境指標，具體包括：葉綠素a、懸浮物、有色溶解性有機物、溶解性有機物、水表溫度、透明度、五日生化需氧量、總有機碳、總磷、總氮、溶解氧、營養狀態指數。主要采用的衛星數據包括高分五號衛星、資源一號02D衛星、環境衛星、珠海一號衛星、美國陸地衛星（Landsat）、法國斯波特衛星、“土”/“水”衛星（TERRA/AQUA）等，并結合地面波譜數據應用經驗/半經驗模型、分析/半分析模型等。

（2）空氣環境監測

在黃河流域大氣監測方面，可以利用大氣成分監測對象在可見光、紫外、紅外波段的吸收特性和對不同波段太陽輻射的消光差異，綜合利用高光譜遙感，實現對流域內大氣環境的遙感監測和分析。目前國內大氣氣溶膠、顆粒物濃度、沙塵以及秸稈焚燒火點檢測支持業務化運行，污染氣體（SO、NO、CO、CO等）與溫室氣體也已建立提取算法和技術流程，主要利用的衛星如風云氣象衛星以及環境一號衛星。

（3）生態環境監測

生態遙感參數是定量表征生態系統狀況的重要指標，隨著近年來遙感技術的發展，面向黃河流域約80萬平方千米的快速、大面積提取生態參數成為可能。綜合利用高分、資源、環境、風云系列衛星等多源遙感數據，建立基于國產遙感數據的協調、一致的時空連續數據集，開展對黃河流域生態參數的遙感監測，快速、準確、及時地定量評估黃河流域生態系統特征，掌握時空分布格局和動態變化規律。其核心流程主要包括：遙感數據的標準化處理，高時空分辨率數據集的建立，生態參數遙感監測，樣區數據與遙感數據的驗證與模型優化等。基于遙感數據可反演的生態參數監測指標包括：植被指數、植被覆蓋度、葉面積指數（LAI）、光合有效輻射比率（FPAR）、植被生化組分、植物生物量、植被凈初級生產率、地表反照率、地表溫度、地表蒸散、土壤含水量。

2. 土地利用/土地覆被分類、生態系統分類、礦區變化監測的獲取

為了更好地了解黃河流域自然資源變化，掌握人類活動對流域內的生態環境影響，進一步分析、平衡社會經濟發展同生態保護之間的關系，基于衛星遙感技術以及計算機技術完成對地物識別解譯這一高度復雜的任務。通過影像目標特性的有效提取、表達與解譯不僅可以減少業務部門的人工投入，也能從宏觀層面對黃河流域整體生態和經濟狀況進行判讀和分析。

（1）土地利用/土地覆被分類

針對生態環境治理，了解生態破壞和污染的相關情況，依靠站點數據無法滿足黃河流域生態脆弱腹地的監測需求，建立以衛星遙感為主要手段的生態環境動態監測才能滿足自然資源基底調查的需求。而土地利用資源的監測不僅是合理利用土地、保持良好土地生態環境的重要手段，更是了解人口、經濟、環境變化和機制的窗口,為流域可持續發展提供戰略依據。為進一步平衡分類系統和分類精度的問題，西部生態與環境土地分類采用全國三級分類系統，一類是土地的自然生態和利用屬性，共包括6類，耕地、林地、草地、水域、城鎮工礦居民用地、未利用土地；二類分為25類，主要根據土地經營特點、利用方式和覆蓋特征。

針對上述內容主要采用的方法包括目視解譯定性分析法、監督分類法、非監督分類法、多元專家系統分類法、人工智能神經元網絡分類、決策樹分類法以及計算機識別法等。其中劉紀遠研究團隊人工目視解譯方法，綜合評價精度一類94.3%以上，二類91.2%以上。

（2）生態系統分類

生態系統分類是在土地利用/覆蓋類型二級分類基礎上，完成生態系統類型關系轉換，例如可構建7個一級類型包括農田生態系統、森林生態系統、濕地生態系統、草地生態系統、荒漠生態系統、城鎮生態系統、裸地；二級分類24個。分類方法和精度同土地利用/覆被分類方法相同。

（3）礦區變化監測

黃河流域含煤區域面積占整個流域總面積的40%以上，蘊藏煤炭資源量占全國一半以上。黃河流域的煤炭開采不僅是黃河流域社會經濟的重要工業支撐，在國家能源安全方面也具有十分重要的地位。目前黃河中上游地區，煤炭開采導致了地表生態惡化、地下水位下降、土地塌陷、沿路運輸空氣污染等問題，煤炭礦區生態環境治理、修復迫在眉睫，利用遙感監測技術可統籌規劃煤基產業鏈條布局，對煤礦區開采區域生態環境質量監測與評價、生態過程及空間響應識別、環境承載能力預警、生態環境損害和修復評估，以及評估人工參與度，高效推進生態保護與煤炭資源開采之間的協同發展。

3. 黃河流域高質量發展生態保護評價

生態系統格局變化主要包括生態系統面積、生態系統面積比例、空間分布、各類生態系統面積變化、面積比例變化、生態系統轉化轉移矩陣、生態系統內部機構變化率、綜合生態系統動態度、類型相互轉化強度；生態質量評價在森林、草地、荒漠、濕地等自然生態系統上應用生態參數指標計算包括生物量、凈初級生產力、植被覆蓋度、干旱指數、荒漠面積變化、濕地面積、水體富營養化程度，并建立生態系統質量指標，設立生態系統質量分級標準進行評價；生態系統服務功能評價包括水源涵養服務功能、土壤保持服務功能、防風固沙服務功能、生物多樣性服務功能、固碳服務功能和食物供給服務功能。

四、黃河流域生態保護與高質量發展評價體系建議

結合生態安全和社會經濟發展，考慮衛星遙感的相應數據產出，可構建二級指標7個，三級指標33個。采用熵權法根據指標值的變異程度進行確定，可以消除人為因素和主觀評價性，變異程度越大，權重越大，有效反映指標之間的相對重要性。按照九省及上、中、下游進行黃河流域生態保護與高質量發展評價體系見表1。

表1 基于生態安全與社會經濟的黃河流域生態保護與高質量發展的評級體系

續表1

五、總結

黃河流域生態保護與高質量發展是以生態保護為前提，摸清黃河流域內各區域的生態家底、經濟家底與實時狀況才能更好地為后續黃河流域高質量發展提供決策支持。隨著我國航天事業的發展，衛星應用的逐步成熟，針對不同尺度的遙感數據實時、精細化解譯在各行業領域內已發揮重要作用。依托現有遙感在生態保護中的相關能力，結合黃河上、中、下游的區域特點及環保要點，搭建基于衛星遙感的黃河生態保護和高質量發展的總體架構與指標體系，提出與經濟數據相結合的評價方法，可為構建統一連貫的黃河流域生態保護與高質量發展提供重要的技術支撐和思路。