遙感新技術在秦嶺保護行動中的應用

吳普俠，馮 偉，王 碩，趙國平，全英匯，鐘 嫻

(1.陜西省林業科學院，陜西 西安 710082；2.西安電子科技大學 電子工程學院遙感科學與技術系，陜西 西安 710071)

秦嶺西起昆侖山，東至大別山，風景秀麗，四季分明，山脈綿延1 500 km，總面積5.97萬km2，分割了中國南北地區主要自然地理要素。秦嶺是水系、土壤、地質、氣候、生物的分界線。而且秦嶺地區孕育了十分豐富的生物種類，是地球上罕見的基因存儲庫。保護秦嶺一直是人類義不容辭的責任。由于秦嶺地勢復雜、面積龐大，保護秦嶺行動要涉及諸多方面，于是2007年陜西省制定了《陜西省秦嶺保護條例》，致力于通過立法的方式強力、有效地保護秦嶺地區的生態環境。2020年陜西省啟動了秦嶺生態環境遙感監測工程，主要內容包括秦嶺生態狀況遙感監測與評價、秦嶺北麓面源污染遙感監測等2個方面。同年4月20日，習近平總書記來陜考察并發表了關于秦嶺生態環境保護的重要講話，提出要把秦嶺生態環境保護和修復工作擺上重要位置，要求各相關單位履行好各自的職責，當好秦嶺生態衛士，生態破壞行為決不能重蹈覆轍。

1 生態環境突出問題

近年來雖然秦嶺生態環境得到了有效的保護，但是還存在一些比較突出的問題，比如秦嶺地區水土流失嚴重、森林面積逐年減少、各種地質災害頻繁發生以及秦嶺地區環境污染嚴重但治理水平低等[1]。

1.1 水土流失嚴重

秦嶺作為陜西省重要的水源涵養區，其地區水資源總量高達222億m3，約占陜西省水資源總量的1/2。然而研究顯示[2]，到目前為止，秦嶺地區的水土流失面積高達3.84萬km2，超過土地總面積的1/2。另外，秦嶺年平均土壤侵蝕量為1.89億t，平均侵蝕模數2 706 t/km3·a，部分區域侵蝕模數多達5 000～8 000 t/km2·a。其中，水力侵蝕是秦嶺主要的水土流失類型，而且秦嶺部分地區同時受到多種山地災害的迫害，包括泥石流、山體滑坡、山石崩塌等，是自然災害的頻發區。究其原因，既有秦嶺自身山勢陡峭、斷面發育、褶皺強烈、巖石疏松易碎以及極端天氣下強降雨、強風等自然因素，也有盲目開荒、濫墾濫伐和陡坡耕種等人為因素。保護秦嶺地區的水土有著極其重要的影響，防治水土流成功與否，直接影響著秦嶺地區生態環境建設以及我國南水北調工程中線的建設，是秦嶺地區亟需解決的生態環境問題。

1.2 森林面積下降

根據資料顯示，陜西省土地總面積為2 059.77萬hm2,其中林業用地面積為1 109.79萬hm2，而秦嶺山脈又是陜西省森林資源含量最為豐富且最集中的區域。然而，由于火災和森林病蟲害等各種自然災害以及濫砍濫伐、違規開發等人為因素的破壞，造成秦嶺森林面積逐年減少。20世紀50年代以來，因為森工企業的興起，導致亂砍濫伐、盲目毀林開荒的現象層出不窮，已經對秦嶺森林造成了嚴重后果，山地森林面積驟減到了2.471 04 hm2，相比解放初期減少了12.310 4 hm2，森林覆蓋率由64%降到了46%，此外，秦嶺山地的林緣后退了10～20 km，森林分布的下線上升了300～500 m。主要的森林類型被次生林所代替，間接導致蓄水量急劇下降[3]。

1.3 地質災害頻發

由于秦嶺地區自身地質條件復雜，地形狀況多樣，氣候環境獨特，還受到開礦、修路、建房建廠等人為工程活動和濫砍亂伐、開墾田地等不合理的農業行為等影響，最終造成了秦嶺山洪災害、滑坡、山石崩塌、泥石流及地表坍塌等地質災害頻發，森林生態受損嚴重，其中山體滑坡現象最常見。秦嶺山區有滑坡隱患點821處；區內威脅30人以上的泥石流有104條，主要分布在中山區和亞高山區；黃土崩塌、巖質崩塌共52處，部分分布在鐵路、公路沿線[4]。秦嶺地區各種地質災害的頻發造成居民房屋被毀、道路中斷、交通受阻、工廠和耕地被破壞，甚至是人員傷亡，給人們的生產和生活造成了重大損失，成為阻礙陜西省社會發展和國民經濟增長的重要障礙之一。

1.4 環境污染防治水平低[1]

秦嶺地區對環境污染防治力度仍在努力改善中。有些城市的環境整治工作不夠到位，使得各類污染物排放的管理和處理能力一直處于偏下水平。例如，陜南地區自身的經濟總量和發展速度比較落后，若一味加大力度發展生產力，單方面追求經濟的提高，必定會給自然生態環境造成或多或少的負面影響，為環境保護帶來阻力。另外，秦嶺山區居住著大批的群眾，人們生產生活需要消耗大量的山區自然資源。這些對秦嶺的大氣、土壤、水體以及生態環境同樣造成了大量的負面影響，如果不加以控制與管理，將會直接影響到整個陜西省的生態健康以及南水北調中線工程的水質。

所以隨著環境破壞的情況愈加嚴重，秦嶺的生態亟需保護。然而傳統的地理學手段，無論在其提供信息的數量上，還是質量上，亦或是提供信息的實時性和及時性等方面，都不能適應或滿足當今人們對生態保護的需求以及高速發展的環保新形勢的需要。遙感是20世紀60年代初興起的一門非接觸的、遠距離的探測技術，經過幾十年的探索與研究，現如今已發展為一套較為成熟的技術與理論體系。遙感技術一般利用傳感器或遙感器探測物體輻射、反射的電磁波，研究其電磁波特性，并據此對物體的特性和狀態等進行分析[5]。遙感技術能夠迅速、及時地獲取大量的、準確的、客觀的地理信息，并動態地反映地物的變化。它可以通過周期地、反復地對同一地區觀測，使得人類及時發現并動態地跟蹤、觀察地球上許多事物的變化成為了可能。另外，通過遙感方法獲取信息過程中受到的條件限制相對較少，例如，在沙漠、沼澤、高海拔地帶等很多自然條件惡劣的區域，利用遙感探測代替人工實地勘察、測繪的行動，能夠大幅度地減少人力物力的投入。

2 遙感在生態中的應用

遙感技術應用范圍十分廣泛，在軍事、測繪、農業、氣象、水文、林業、環保和考古等眾多領域[6]都有遙感的身影。遙感技術結合人工智能、數據挖掘等知識，可以真實、準確地展現并觀察研究區域的生態環境、生物多樣性現狀以及影響因素敏感性等，為自然生態功能保護區的總體規劃提供重要的基礎資料[6]。

2.1 遙感在監測植被覆蓋度中的應用

植被覆蓋度是反映植被生長狀況的重要指標，同時也是反映目標地區生態環境健康程度的主要依據[7]。相比傳統的植被覆蓋度調查方法，遙感技術的加入能夠節省大量的人力物力，其大規模、高效率、高精度獲取植被覆蓋信息的能力使其成為強有力的手段。目前，TM、SPOT、MSS等遙感數據被廣泛應用于大范圍的植被覆蓋度信息獲取[8]，大量的遙感數據為植被覆蓋度的準確計算奠定了堅實的基礎。例如，牟懷義等[9]應用高分1號和多期國產高分辨率衛星遙感影像對紅星林業局林地動態變化進行目視解譯與提取識別，檢測植被覆蓋區域的變化情況。結果表明，高分辨率衛星遙感監測植被覆蓋度的動態變化解譯正判率達95%以上，其可視化分析方法和技術為動態監測森林資源提供一定的科學支撐和數據支持；吳見等[10]利用1988、2002年和2018年3個階段的TM遙感數據，并采用像元二分模型法處理數據，最終得到了黃山市不同階段的植被覆蓋度信息，并利用植被覆蓋度分級和轉移矩陣，分析了黃山市植被覆蓋度時空特征變化(圖1)，該圖清晰直觀地展現了黃山市植被覆蓋度在20 a間的變化，結果為黃山市植被保護提供了準確詳細的數據。

圖1 黃山市植被覆蓋度時空演變特征[10]

2.2 遙感在監測森林病蟲害中的應用

病蟲害是森林樹木的天敵，害蟲會啃噬樹木，使樹木死亡，同時蟲災的肆虐最終很可能導致森林生態系統的毀滅。秦嶺地區樹木也深受病蟲害的困擾，例如華山松皰銹病在秦嶺華山松分布區域頻發，病害由西向東漸漸加重，其中，中幼齡人工純林受害較為嚴重，危害最嚴重的林分發病率高達54%，林分蓄積損失率為6.21%，村積損失量為4.16 m3/hm2[11]。傳統的病蟲害監測預警方法大多是基于地面調查、流行學機制、生物學模型結合相關專家知識等手段進行，此類方法的劣勢在于：1)處理面積不夠大，無法準確獲取擴散區的范圍；2)時空分辨率比較粗糙，不能當前滿足科學防控的需求。長期以來，遙感技術一直被應用于作物病害的檢測和地圖繪制工作。在作物生長季節獲得的機載和衛星圖像不僅可以用于某些病害的早期發現和季節內管理，還可用于未來季節中復發性病害的管控[12]。從1970年開始，國內外就先后發射了多顆遙感衛星，目前應用最多的是具有高時空分辨率的遙感衛星，例如美國的Landsat系列、國產高分系列以及歐盟Sentinel系列等，這為森林病蟲害監測和預警提供了時空連續、種類豐富的海量數據資源。陳孟禹等[13]為了深入了解胡楊春尺蠖蟲害的發生規律,以新疆葉爾羌河流域胡楊林分布區為研究區，并結合2001-2015年的胡楊春尺蠖活動期遙感數據溫度和實地調查蟲情信息，基于有效積溫法則，預測了春尺蠖的發生期，為準確地確定最佳防治時間提供了可靠的數據和技術支持。Chenghai Y等[14]利用機載技術、衛星圖像和VRT在棉田中檢測棉花根腐病(一種破壞性的土壤傳播性真菌病)和繪制分布地圖的原理，提出了從圖像中提取處方圖以施用定點殺菌劑并有效控制作物病害的方法，從而達到有效控制蟲害疾病蔓延的目的(圖2)。

注：(a)2010年7月30日獲得的機載圖像；(b)分類圖，病害感染率=33%，未感染率= 67%；(c)處方圖，已治療= 57%，未治療= 43%[14]。

2.3 遙感在監測河流水質中的應用

河流作為重要的自然資源和文化孕育的母體，是生態系統的生命線，河流的生態關系到人類的生存和發展。但是，河流的水環境極容易受到污染，而傳統的水質監測方法依舊面臨著數據獲取速度慢和區域限制等問題。王歆暉等[15]針對上海市河流水質監測的問題，提出了一種基于因子分析的河流綜合水質遙感反演的方法。作者以遙感圖像為基礎數據，繪制了上海市水質分布圖(圖3)。從圖3可以清晰地看到上海市各處水資源的質量情況，試驗結果為水資源的保護與清潔提供了有力的數據參考。

圖3 上海市2019年4月研究區綜合水質[15]

通過科研人員的工作，可以總結出利用遙感技術監測河流水體質量具有以下明顯優勢：1)遙感技術獲取信息具有范圍大、速度快和周期性的特點，可以彌補傳統方法常規定時、定點數目少導致監測數據不足的缺點，同時節省大量人力、物力和財力[16]；2)隨著對水體光譜特性的研究更加深入以及水質參數反演模型的不斷改進，遙感圖像能夠較為高效地、準確地獲取河流水質信息，將其與地面實測水文參數、地理位置等信息相結合，可正確地確定污染水體的位置以及水質變化動態趨勢，作為水質管理與污水處理的參考。綜上，遙感技術的發展和應用使得大面積水域的快速監測、大范圍湖泊環境的實時變化等相關研究帶成為了可能。

2.4 遙感在大氣污染監測中的應用

大氣環境的遙感調查主要指通過遙感手段調查大氣污染源的分布、污染源周圍的擴散條件、污染物的擴散影響范圍等，并輔以少量地面同步監測數據，定量分析污染物濃度的梯度變化值。在通過紅外掃描儀檢測露天煤礦時，對礦坑上空逆溫層的形成與大氣污染物擴散的關系進行了詳細分析，對產生污染的條件有一定的掌握，這些數據將有利于露天煤礦的污染防治和預測預報工作。例如，Liangfu Chen等[17]利用MODIS數據，通過對遙感圖像處理，結合對識別霧霾地區的氣溶膠載荷的改進，得到了中國北方霧霾分布的圖像(圖4)。

圖4 中國北方霾污染的MODIS真彩圖像[17]

3 遙感對秦嶺的應用方向

根據前述調研，我們肯定在秦嶺生態環境保護的過程中，遙感技術起著不可或缺的作用。遙感可以大面積同步觀測秦嶺地區的數據，而且獲取信息的速度快，周期短，具有高時效性，能夠動態反映秦嶺地面事物的變化，以此來摸清人類干擾、生態狀況、影響因子等秦嶺保護相關問題，監測秦嶺地區是否有過度開墾的耕地，不當開挖的礦山，違法建造建筑等現象，以便相關人員及時采取行動，守護秦嶺。這里主要就遙感在森林面積監測、植被長勢監測、水資源保護、自然災害、生物多樣性保護、病蟲害監測等方面做重點闡述[6]。

3.1 森林面積監測

秦嶺森林生態資源豐富，有林地面積247.5×104hm2，占陜西省有林地面積的54%，還具有種類豐富的自然景觀和深厚文化底蘊的人文景觀資源[25]。為了大范圍、全面、準確得到森林面積現狀及其動態變化的信息，可以結合地理信息系統和衛星遙感技術，構建針對信息獲取、存儲、傳輸、分析、處理和應用一體化的森林面積監測體系。利用遙感正射影像，結合實地調查結果，并以現有的森林面積圖像數據為基礎，進行森林面積統計，能夠為秦嶺生態保護及森林利用提供直觀、真實、準確的統計數據。與實地調查的方式相比，遙感監測技術在監測精度、監測效率和覆蓋范圍等方面具有明顯的優勢，它可以準確并客觀地反映出秦嶺森林的利用情況和森林覆蓋面積變化的趨勢。遙感技術的應用，為秦嶺森林的保護提供了基礎依據，也使得森林修復和監測具備了更高的科學性。

表1 遙感在秦嶺保護中的應用領域

圖5為王君等[26]基于LandsatTM/OLI遙感影像數據反演了西安市1995-2016年的植被覆蓋度，分析了西安市不同時期的植被覆蓋度變化特征，并運用景觀格局對植被覆蓋度的空間格局變化進行了定量化分析。通過圖5可以清晰地看出，1995-2016年植被面積的變化情況，并可準確地推測出森林面積在未來幾年將呈現增長趨勢。

圖5 西安市1995-2016年植被覆蓋度等級劃分[26]

目前，利用無人機遙感監測植被覆蓋度成為很多國內外學者研究的熱點目標[27]。葛靜等[28]利用無人機(UAV)、普通數碼相機(Canon)、農業多光譜相機(agricultural digital camera,ADC)等設備在黃河源東部地區獲取大量高寒草地的圖片，結合相應的MODIS等遙感數據，構建了植被蓋度與MODIS植被指數之間的反演模型。宋清潔等[29-30]以EVI和NDVI 2種植被指數作為自變量，利用無人機在甘南州高寒草地獲取當地圖片信息，以此數據為因變量建立了2種植被指數間的回歸模型。

3.2 植被長勢監測

秦嶺地區植物種類繁多，其中更是有很多國家級保護植物，植被類型豐富，包括各種針葉林、闊葉林、草叢、草甸、灌木叢等。植被的長勢容易受到水分、溫度、水熱條件變化、日照等的空間變化影響。作為陸地生態系統的主要部分，秦嶺植被的長勢對于維持秦嶺地區生態系統功能和結構的穩定性具有極其重要的作用，或者說秦嶺地區的植被長勢好壞直接影響并改變著整體區域的生態系統功能、結構、格局與質量。因此，利用衛星遙感數據對秦嶺區域的植被長勢開展大空間尺度上同步觀測、長時間序列連續觀測，對于實現秦嶺地區的生態保護具有重要現實意義。定量遙感技術可以將植被歸一化指數、葉綠素含量以及葉面積指數等作為判定因子，高效、快速地監測植被長勢。同時結合機器學習算法，高效地提取出不同植被的分布區域，最終實現多種植被的不同生長季節的詳細觀測。該技術對于能夠直觀地了解秦嶺植被的分布與變化的歷史和現狀具有重要意義。

圖6為夏浩銘等[31]采用2001-2010年MODISMOD09A1產品，通過引入MOD09A1的時間控制層DOY(Day of Year)提高EVI的時間精度，采用最大變化速率法和閾值法相結合的方式提取了遙感圖像信息得到的秦嶺森林物候期。圖6a顯示秦嶺94.2%森林的SOG(Start of Growth Season,SOG)集中在第81～120天，即秦嶺森林樹木生長期主要在3月下旬和4月；圖6b顯示，98%的森林EOG(End of Growth Season,EOG)集中在第270～311天，即秦嶺森林樹木落葉期主要集中在10月初至11月上旬；圖6c顯示90%的森林LOG(Length of Growth Season,LOG)主要集中在150～230天。

圖6 秦嶺森林物候期多年均值的空間分布(DOY為日序)[30]

3.3 水資源保護

據現有資料統計：秦嶺南北坡主要支流共包括14條，河流長度達495 km，流域面積高達3 930 km2，年平均徑流量達到了60.34億m3[32]。通過遙感技術能夠對秦嶺區域的降水量和水資源蒸發量進行統計，此外，還可以預測和預報河流徑流量信息。通常，建立云頂溫度和像素降水點之間的聯系，并對比衛星數據與地面觀測站之間的差值是監測降水量的主要手段，此外，還可協同雷達監測技術進行監測[6]。在測定水資源蒸發量時，可以構建遙感信息多層分治模型，例如辨別地表植被和土壤在第1層模型上，而統計地上熱量和地下土壤之間的余熱等信息在第2層模型。另外，為了能夠迅速篩查出河流區域的位置、邊界、面積、河網密度等基本信息，可以對遙感信息和圖像進行分析，同時結合地理知識，可實現秦嶺水資源分布情況的準確判別與鑒定。另外，由于遙感技術可周期性連續獲得同一地點的不同數據，因此，可以為進一步觀測水資源中多種要素的變化提供重要數據，從而實現水體的動態監測目的，最終為實現秦嶺生態保護區內水資源的實時保護提供技術支持，這對其今后合理利用和保護秦嶺資源具有重要意義。

Wangyu Cheng等[33]利用1980、2000、2005年和2010年9月前后的關中-天水經濟區陸地衛星遙感數據，獲得了關中-天水經濟區土地利用圖，再利用近30 a的年平均降水量資料，通過降水蓄水量方法Ⅰ，分析了關中-天水經濟區1980-2000、2000-2005、2005-2010年3個時段的土地利用變化，計算了水資源涵養價值，得出了關中-天水經濟區土地生態系統的空間分布，其中包含秦嶺地區的單位面積節水量的空間分布(圖7、圖8)。雖然大部分區域的節水價值在2 a間幾乎沒有變化，但由于土地利用的相互變化，水源涵養價值會降低，從長遠來看，不可避免地會給經濟發展帶來負面影響，尤其是秦嶺生態保護區聚集著大部分的水資源，更需要重點防護。

圖7 關中-天水經濟區單位面積節水量的空間分布[32]

圖8 關中-天水經濟區1980-2000、2000-2005年和2005-2010年節水價值的變化[32]

3.4 自然災害監測

由于秦嶺自身特殊的地質環境和地理位置，自然災害頻繁發生。由于暴雨次數頻繁且降水量大，導致山體崩塌、滑坡、泥石流等災害頻發，對周邊居民和工作人員的人身安全造成巨大威脅，已造成巨大的經濟財產損失和人員傷亡。遙感技術具有全天候、準確性、周期性等特點，已經成功應用于自然災害觀察中。自然災害會在遙感影像上展示出不同的形態、色調和紋理結構等，因此可以利用無人機遙感觀察、監測和分析不同災害的分布特征和發育特點，進而探明自然災害分布、形成原因、孕育特征、發展趨勢、危害程度和其他影響因素[34]，最終通過自然災害的發生類型、頻率和強度等元素將秦嶺區域進行災害劃分。此外，多源遙感衛星數據還可應用于監視和預測天氣狀況、自然災害的實時動態監視以及災害的調查和災后損失評估。為有關部門及時制定有效的應急救援措施提供重要的參考資料。

3.5 生物多樣性保護

秦嶺生態系統以森林生態系統為主導，其植被種類也豐富多樣，具有完整的垂直譜帶，棲息著多種稀有、瀕危和原始的物種。從生物地理學的角度來看，秦嶺地處華中區西部、山地高原亞區的北部，是古北界和東洋界在我國東部的分界線，具有特殊的地理優勢，哺乳類、爬行類、兩棲類、魚類、和鳥類等動物種類非常豐富。秦嶺地區更是孕育著中國特有物種，比如大熊貓、朱鹮。因此，加強對這些珍貴生物資源的保護是十分必要的。利用遙感技術進行生物量的空間特征可以樣地調查數據為基礎,結合遙感及氣象數據,進行研究區生物量與NDVI、EVI、海拔、年均降水、年均氣溫、積溫、干燥度、濕潤指數等因子的回歸分析，并通過各因子對樣地生物量影響權重參數分析和加權融合,運用Arc GIS、ENVI等軟件,得到分析結果[35-36]。另外，遙感技術也可用于識別并繪制單個物種或生物環境的地圖，并使用統計方法在遙感數據與現場調查數據之間建立依賴模型，進而分析物種分布和區域多樣性。同時，遙感技術也是評估和檢測物種棲息地的關鍵工具之一。

3.6 病蟲害監測

森林病蟲害被譽為“無煙的森林火災”，陜西是我國森林病蟲害發生與防治的重點省份之一，森林面積670.39×104hm2，秦嶺森林面積占全省2/3以上，所以秦嶺森林的“健康狀況”對全省的氣候穩定與環境來說至關重要。陜西現有森林病蟲害1388種，能對森林造成嚴重危害的多達80種[37]，森林病蟲害遙感是通過利用森林遭受病蟲害后在外部形態與生理機制上表現出的可探測性，應用遙感手段處理分析探測到的數據，從而及時揭露危害因子，實時確定病蟲害發生范圍與災害等級，周期性、動態地監測災害發展情形，為秦嶺森林的病蟲害預警、治理和防護提供大量有效、可靠的數據。

4 結論

在21世紀初，陜西省曾表示將在未來的10 a中，重點建設秦嶺國家級生態功能保護區，使秦嶺山地重新成為陜西以及國家中部的生態安全屏障。但秦嶺保護之路還面臨很多阻礙，例如對違法開發建設活動的監管需要更加嚴格；生態環境治理的水平仍需提高，對遭到破壞的森林、山體、河流修復需要增強實時性；對生態補償機制進一步完善，保護規劃體系還需健全，秦嶺生態環境保護科學研究程度還需加深等。

目前，遙感技術應用于生態環境監測已取得顯著效果，并將進一步向遙感信息定量化、智能化、動態化的方向發展。將遙感技術應用于秦嶺國家級生態功能保護區，研究并分析生態發展現狀，是生態功能保護區規劃的基礎，可以大大縮短生態功能保護區規劃和建設的時間，具有很高的經濟效益和社會效益。但是遙感技術仍然存在局限性，如遙感技術所使用的電磁波很有限，僅利用了幾個波段范圍，而在電磁波譜中，尚有許多譜段的資源有待進一步開發；目前使用的電磁波譜段對一些地物的反映不夠清晰，需要研發分辨率更高的遙感衛星，并輔助地面調查進行補充和驗證；現有的遙感監測算法對于特殊的地形、地貌或者特征分析處理結果不理想，精度不夠高，存在邊界模糊問題，有待于進一步提高算法的監測精度。總的來講，未來遙感技術的應用必然是與其他技術相輔相成的，包括多種遙感技術之間的結合，從而形成較為完整的體系，最終實現秦嶺生態資源的全面自動化觀測，為秦嶺生態保護的科學規劃提供及時地、可靠地技術和數據支撐。