賀蘭山東麓山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工程生態(tài)效益評估系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

李曉虹,牛宏宇,陳彥虎,吳 曉

(1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室,銀川 750000;2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,銀川 750000; 3.石嘴山市氣象局,寧夏 石嘴山 753000)

0 引言

石嘴山市位于黃河中游上段、寧夏回族自治區(qū)北部,按地形地貌可分為賀蘭山山地、賀蘭山東麓洪積扇沖積平原、黃河沖積平原及鄂爾多斯臺地四種類型。由于缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃,加上礦產(chǎn)資源日益枯竭,石嘴山市生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重。在生態(tài)文明發(fā)展建設(shè)目標(biāo)提出后,石嘴山市加快了生態(tài)環(huán)境治理的步伐,圍繞“山、水、林、田、湖、草、沙”等各項要素,堅持修山、治污、增綠、凈水、固沙、擴濕、整地并重,實施山水林田湖草沙一體化保護和生態(tài)修復(fù)[1-2]。石嘴山市氣象局以山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工程試點為契機,開發(fā)了“賀蘭山東麓山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工程生態(tài)效益評估系統(tǒng)”(以下簡稱“生態(tài)效益評估系統(tǒng)”)項目。

在生態(tài)環(huán)境研究相關(guān)平臺的設(shè)計與應(yīng)用上,劉成偉論述了草原生態(tài)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與運用[3]。薛帥等基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了大氣微顆粒采樣及環(huán)境監(jiān)測裝置[4]。魏鐵鑫等設(shè)計研發(fā)了氣象災(zāi)害防御決策支撐平臺[5]。李明哲利用GIS技術(shù)對生態(tài)城市規(guī)劃進(jìn)行了設(shè)計與應(yīng)用[6]。謝永強探討了O2O模式下電子商務(wù)平臺的構(gòu)建與實現(xiàn),并設(shè)計了具體生態(tài)環(huán)境平臺[7]。孫振勇等設(shè)計了一套集成Web端和手機App端的水文應(yīng)急GNSS測流系統(tǒng)平臺[8]。李琦等研發(fā)了滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程無線實時預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)[9]。高尚等基于大數(shù)據(jù)、5G、智能傳感器技術(shù)構(gòu)建了空天地生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺[10]。吳勰等運用云計算、三維WebGIS、遙感、水量水質(zhì)模擬等技術(shù),開發(fā)了鄱陽湖數(shù)字濕地生態(tài)調(diào)控智慧管理平臺[11]。李瑩等設(shè)計并建設(shè)了氣象災(zāi)害風(fēng)險管理系統(tǒng)[12]。呼海濤等系統(tǒng)設(shè)計了陜西省“生態(tài)云”綜合服務(wù)平臺[13]。朱堅等建成了“一網(wǎng)—二庫—二系統(tǒng)”的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測服務(wù)平臺[14]。袁紅平等面向濕地生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的濕地生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[15]。

以上學(xué)者針對生態(tài)環(huán)境的某一方面進(jìn)行了平臺設(shè)計及應(yīng)用,但關(guān)于生態(tài)效益評估的綜合性平臺設(shè)計還較少。為此,本研究對生態(tài)效益評估系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和應(yīng)用,圍繞“山、水、林、田、湖、草、沙”等各項要素,對石嘴山市生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了持續(xù)的跟蹤監(jiān)測,以實現(xiàn)天空地一體化監(jiān)測,進(jìn)而為生態(tài)治理效益評估提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

1 生態(tài)效益評估系統(tǒng)的總體框架設(shè)計

生態(tài)效益評估系統(tǒng)的設(shè)計思路是“GIS一張圖分類展示成果”,系統(tǒng)框架如圖1所示。展示層包含生態(tài)環(huán)境因子、重大工程效益、數(shù)據(jù)檢索、后臺管理等;業(yè)務(wù)層包含數(shù)據(jù)管理和運行管理等。其中,數(shù)據(jù)管理包含對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)的管理,運行管理包含任務(wù)、算法配置和報告管理等;服務(wù)層包含數(shù)據(jù)的調(diào)用、入庫等服務(wù)及系統(tǒng)、日值管理服務(wù),產(chǎn)品的制作、分發(fā)等;數(shù)據(jù)層包含空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及成果數(shù)據(jù)等。

圖2 賀蘭山東麓山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工程生態(tài)效益評估系統(tǒng)Fig.2 Ecological benefit assessment system for ecological protection and restoration project of water, forest, farmland, lake and grassland at the eastern foot of Helan Mountain

2 分系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)實需求并結(jié)合石嘴山市實際情況,生態(tài)效益評估系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、運行管理子系統(tǒng)、共享管理子系統(tǒng)3個基本支撐子系統(tǒng),以及生態(tài)環(huán)境因子和重大工程效益評估2個業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)。

2.1 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是生態(tài)效益評估系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)功能服務(wù)平臺,包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)訂單管理、數(shù)據(jù)歸檔、統(tǒng)計分析與決策、資源管理等功能模塊。通過數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng),可實現(xiàn)對風(fēng)云、高分、Landsat等21種多源衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)、無人機的航拍數(shù)據(jù)、地面的氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、預(yù)處理等功能,實現(xiàn)對各類遙感數(shù)據(jù)依照產(chǎn)品系列、原始數(shù)據(jù)、再加工數(shù)據(jù)等條件的采集與存儲。

2.2 運行管理子系統(tǒng)

運行管理子系統(tǒng)是生態(tài)效益評估系統(tǒng)的核心,主要包括算法配置、任務(wù)管理、產(chǎn)品分發(fā)、報告管理等功能模塊,在數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建數(shù)據(jù)生產(chǎn)任務(wù),配置算法模型,自動完成六大工程效益評估數(shù)據(jù)的生產(chǎn)與發(fā)布。

2.3 共享管理子系統(tǒng)

共享管理子系統(tǒng)包含產(chǎn)品共享數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)傳輸、產(chǎn)品分類和展示、數(shù)據(jù)管理(用戶管理、權(quán)限管理、日志管理)等模塊,以數(shù)據(jù)單向定時傳輸?shù)姆绞綄⑿б嬖u估產(chǎn)品,包括礦山修復(fù)監(jiān)測評估、生物多樣性監(jiān)測評估、重點水體監(jiān)測評估、水土流失及土壤沙化監(jiān)測評估、鹽堿化土壤監(jiān)測評估、濕地監(jiān)測評估等數(shù)據(jù)在氣象大數(shù)據(jù)云平臺及政務(wù)云數(shù)據(jù)庫發(fā)布。

2.4 生態(tài)環(huán)境因子子系統(tǒng)

生態(tài)環(huán)境因子子系統(tǒng)主要圍繞五大工程進(jìn)行評估。利用多源衛(wèi)星遙感影像,結(jié)合地面氣象數(shù)據(jù),實現(xiàn)對石嘴山植被、水體、濕地、地表溫度及土地利用等開展動態(tài)監(jiān)測評估,實現(xiàn)植被空間分布、植被指數(shù)、植被覆蓋度、植被長勢、植被凈初級生產(chǎn)力、植被蒸散、植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)、水體空間分布、水體透明度、水體面積變化、黃河河道變化、濕地分類、濕地凈初級生產(chǎn)力、濕地空間分布、地表溫度及土地利用分類等產(chǎn)品的生成。

2.5 重大工程效益評估子系統(tǒng)

效益評估子系統(tǒng)包括礦山修復(fù)監(jiān)測評估、生物多樣性監(jiān)測評估、重點水體監(jiān)測評估、水土流失及土壤沙化監(jiān)測評估、鹽漬化土壤監(jiān)測評估、濕地監(jiān)測評估等6個監(jiān)測評估模塊,圍繞六大工程生態(tài)效益評估,利用遙感技術(shù),基于多源衛(wèi)星遙感影像,結(jié)合地面氣象數(shù)據(jù)與無人機航拍影像,實現(xiàn)對賀蘭山東麓林地、草地、水體、濕地、湖泊、土地利用等的動態(tài)監(jiān)測評估,為賀蘭山東麓山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工程提供參考借鑒。

3 實證應(yīng)用

3.1 生態(tài)環(huán)境因子分析

生態(tài)環(huán)境因子子系統(tǒng)可直接對石嘴山市的植被、水體、濕地、地表溫度及土地利用等因子開展動態(tài)監(jiān)測與評估。如圖3所示,以植被空間分布為例,該界面包含所要生成圖形的說明性內(nèi)容為:選擇區(qū)域、類型、數(shù)據(jù)源、頻次、植被分類、選擇數(shù)據(jù)的時間范圍等;對生態(tài)環(huán)境因子的描述,可下載的圖件、數(shù)據(jù),各區(qū)縣植被空間分布的面積數(shù)據(jù)及柱狀圖等。根據(jù)圖文及數(shù)據(jù)可分析出每年各區(qū)縣植被(林地、草地、耕地)面積的變化特征及空間分布特征。

圖3 賀蘭山東麓植被空間分布界面Fig.3 Interface of vegetation spatial distribution of Helan Mountain

3.2 六大工程效益評估

六大工程效益評估子系統(tǒng)可直接對礦山修復(fù)、生物多樣性、重點水體、水土流失及土壤沙化、鹽漬化土壤、濕地6個模塊進(jìn)行監(jiān)測評估。如圖4、圖5所示,以人工林草地分布和鹽漬化土壤分布為例,該界面包含所要生成圖形的說明性內(nèi)容:選擇區(qū)域、數(shù)據(jù)源、選擇數(shù)據(jù)的時間范圍等;該項目計算方法的簡要描述,可下載的圖件、數(shù)據(jù)。根據(jù)圖文及數(shù)據(jù)可分析出每年各區(qū)縣人工林草地面積的變化特征及空間分布特征,以及各區(qū)縣輕度或非鹽漬化和中度及以上鹽漬化土壤面積。

圖4 賀蘭山東麓人工林草地分布界面Fig.4 Interface of plantation grassland distribution of Helan Mountain

圖5 賀蘭山東麓鹽漬化土壤分布界面Fig.5 Interface of salinized soil distribution of Helan Mountain

利用無人機搭載RGB相機,不定期在礦山修復(fù)區(qū)域航飛,借助第三方軟件處理生成礦山修復(fù)區(qū)域的地形、正射影像等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),導(dǎo)入平臺后,結(jié)合Cesium框架,綜合歷史高清影像及無人機拍攝影像,實現(xiàn)礦山生態(tài)修復(fù)過程的三維展示與瀏覽動態(tài)圖。如圖6所示,可以清晰地看到礦山生態(tài)環(huán)境綜合整治成效,“黑、臟、亂、差”的狀況得到根本性好轉(zhuǎn),生態(tài)環(huán)境得到極大改善,賀蘭山生態(tài)環(huán)境綜合整治取得明顯成效。

圖6 大磴溝整治前后無人機航拍正射影像圖Fig.6 Image of Dadengou before and after renovation by UAV aerial orthophoto

3.3 自動生成生態(tài)效益評估報告

如圖7所示,為節(jié)省人力資源最大化,符合生態(tài)監(jiān)測評估智能化需求,以平臺6大業(yè)務(wù)監(jiān)測模塊定期生產(chǎn)的業(yè)務(wù)產(chǎn)品為數(shù)據(jù)基石,結(jié)合服務(wù)產(chǎn)品模板,對年度及長時間序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化再分析評價,自動生成石嘴山市轄區(qū)內(nèi)礦山修復(fù)、生物多樣性、重點水體、水土流失及土壤沙化、鹽漬化土壤、濕地等六大工程生態(tài)效益評估報告,也可對報告進(jìn)行新增、編輯、查看、發(fā)布、撤回、搜索重置等操作。

圖7 自動化生成生態(tài)效益評估報告圖Fig.7 Report of ecological benefit evaluation of automatic generation

4 結(jié)束語

賀蘭山東麓山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工程生態(tài)效益評估系統(tǒng)以“GIS一張圖分類展示成果”為設(shè)計思路,包含數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層、展示層,分為數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、運行管理子系統(tǒng)、共享管理子系統(tǒng)3個基本支撐子系統(tǒng),以及生態(tài)環(huán)境因子、重大工程效益評估2個業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)。生態(tài)效益評估系統(tǒng)已實現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用,在礦山修復(fù)、生物多樣性、重點水體、水土流失及土壤沙化、鹽漬化土壤、濕地等六大工程生態(tài)效益評估中發(fā)揮了重要作用;能夠通過無人機航拍正射影像圖對礦山修復(fù)進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測評估,自動生成六大工程生態(tài)效益評估報告,具有良好的業(yè)務(wù)能力與發(fā)展前景,可以推廣應(yīng)用,對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行持續(xù)跟蹤監(jiān)測,為生態(tài)治理效益評估提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。