多源遥感助力“丝绸之路”经济带生态景观资源监测

马玲 蒙友波 杨军 王成

摘要：在高强度人类活动影响下，“丝绸之路经济带”的资源环境面临严峻问题与挑战，沿线景观资源也受到较大尺度的影响，遥感技术的出现可为大范围区域的生态景观资源监测提供理论支撑和技术保障。全球环境变化影响局部和区域尺度的人居环境（景观），而人类活动又通过不同的土地利用方式，改变局地土地覆被、景观格局，进而促使全球环境变化。因此，对局部景观格局的分析有助于全球环境变化的研究。文章以多源遥感数据和辅助数据为例，介绍长时间序列下的水资源、荒漠化监测中的应用。根据结果可以认为遥感技术在服务“一带一路”战略中具有独特作用，契合该战略的地理科学内涵和对地观测科学要素，可为“一带一路”战略的实施进行长时间的监测，了解经济带的生态脆弱性和景观变化，提供重要的空间信息支持和辅助决策。

关键词：遥感;湖泊;荒漠化;生态景观;丝绸之路

1引言

2013年习近平首次提出了建设 “丝绸之路经济带”和“21世纪海上 丝绸之路”的构想。“一带一路”是中国面对 21 世纪世界发展新格局制定的具有突破性、全局性、长远性的国家重大战略，自倡议提出至今，已经有100多个国家和国际组织参与其中，目前我国已经和沿线地区30多个国家共同签署了合作协议。“21世纪海上丝绸之路”是面向南海、太平洋和印度洋的战略合作经济带。“一带一路”建设需要在建设与生态环境保护之间取得全面平衡。环境问题无国界的，一旦出现资源和环境问题，这些问题就会扩散到世界各地。

由于陆上丝绸之路所处地区属于生态脆弱区，水资源严重短缺，土地荒漠化问题尤其严重，在高强度人类活动和全球变化的影响下，“丝绸之路经济带”的资源环境面临严峻问题与挑战。中亚地区由于人类活动的加强和对水资源的过度利用，导致该区域湖泊的萎缩和消亡。沿线地区荒漠化问题突出。由于丝绸之路国家，大多属于干旱、半干旱气候类型区。年降水量从东部400 mm 减少到西部200 mm，咸海及中亚西部年降水量仅75 ～ 100 mm。西北5省植被覆盖低，地形以高原、盆地为主，还包括戈壁、绿洲、冰川等地貌类型。中亚5 国多以分布在里海到天山山地之间的草原和荒漠、半荒漠土地为主，其中还分布着中亚面积最大的克孜勒库姆沙漠和卡拉库姆沙漠。

景观指数是指高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标;适合定量表达景观格局和生态过程之间关联的空间分析方法。景观指数的重要作用在于，它能用来描述景观格局，进而建立景观结构与过程或现象的联系，更好地解释与理解景观功能。遥感技术具有信息丰富、观测范围广、精度高、速度快、实时性和动态性强等优点。该技术的优点是可以为生态环境监测和评价提供客观准确的数据，实现全球范围的生态环境监测。开展基于空间观测的“丝绸之路经济带”资源环境格局研究可以获得对“丝绸之路经济带”丰富、全面的科学认识，为国家建设“丝之路经济带”提供科学咨询和科技支撑。在基础设施建设、生态环境背景监测和动态变化监测中发挥着重要作用。

2.研究区与研究数据

2.1 研究区

“一带一路”指“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路” 。丝绸之路沿线的干旱半干旱地区位于东经26-110°，北纬36-50°，包括中国西北部，亚洲中部、亚洲西部和欧洲东南部的部分地区，如阿富汗，伊朗，伊拉克，土耳其，叙利亚，乌克兰等。该地区的地形特别复杂，包括山脉、丘陵、高原、盆地、平原和沙漠，同时，位于欧亚大陆腹地，远离大西洋、印度和太平洋，此外，高山高原作为屏障阻止了东南季风、盛行西风和西南季风的到达，故形成了典型的温带大陆性气候，该区年降水量小，集中在夏季，区域分布不均匀且蒸发量大。尽管该地区降水少，但热量和能源资源丰富，在水资源丰富的河流和湖泊周围，分布着许多城市、灌溉农业区。除城市的生活用水外，还从河流和湖泊中提取水资源用于农业灌溉和工业生产。

2.2 数据来源

研究数据的选择主要包括相对稳定的要素：例如地形、土壤、植被等;活跃易变的要素，例如气温、降水、干旱指数、径流深等。同时多源遥感数据是对丝绸之路经济带生态环境监测的重要基石。基于遥感数据和专题产品，结合气温、降水等气象数据，人口、GDP等统计数据以及其他参考数据，可以构建对“一带一路”区域生态景观系统的监测体系，通过收集的相关资料，对遥感影像进行一系列数据处理，提取了研究区的景观类型信息，进而通过计算不同层次的景观指数，对该区的现时景观格局进行定量分析。通过分析各景观指数变化反映研究区景观格局的变化规律，计算相应指标求得环境胁迫。

3 “丝绸之路”生态景观环境监测

3.1湖泊水资源景观监测

准确地提取湖泊面积是研究湖泊动态变化以及建立长时间序列湖泊面积数据库中的一个关键技术。遥感技术为大范围湖泊面积监测提供了有力的技术支撑，能够实时地获取大范围的地表信息，并能够快速准确的提取湖泊水体，对水资源景观呈现不同序列变化。其基本原理在于水體对太阳光不同波段敏感度的差异导致在不同波段水体对太阳光的反射和吸收比例不同。在400-760nm（可见光）范围内，水体的反射主要在蓝绿光波段，到750nm以后的近红外波段，水体的反射率接近于0。基于遥感波段之间的加减乘除组合运算，可以找出目标地物具有的独特光谱之间的关系特征来排除其他地区对目标地物的影响。近年来所常用的归类为归一化植被指数（NDVI）、归一化水体指数（NDWI）、改进的归一化水体指数（MNDWI）和混合水体指数（CIWI）等。通常情况下，提取过程最关键在于湖泊水体阈值的设定，这需要根据不同的产品和实际的陆地情况加以多因素判别。

以丝绸之路地区的湖泊景观提取为例。在多源影像支持下，通过计算MODIS 250m 的NDVI数据并根据湖泊水体和背景地物的光谱差异，可提取面积较大的湖泊。根据2001-2016年丝绸之路沿线干旱半干旱区域24个湖泊的提取结果显示， 总面积减少了2.51%。2002-2009年间湖泊总面积出现了持续性地减少，2010-2014年湖泊总面积呈现出波动性地减少。在2014年以后，湖泊的总面积呈现增加的趋势。分布在咸海、里海和乌尔米耶湖周围的湖泊，面积也出现了明显的减少。然而，位于咸海和里海之间的萨雷卡梅什湖与周围的湖泊不同，面积增加十分明显，因为自二十世纪五十年代末，通过修建排水渠将农区的水排入萨雷卡梅什湖，同时阿姆河反复的洪泛也使其部分水量注入萨雷卡梅什湖。

综合Topex/Poseidon 卫星 MGDR（雷达高度计）和Envisat 卫星 RA2_GDR（雷达高度计）可以获取丝绸之路沿线湖泊的水位高度数据。根据相关研究结果标明，咸海水位呈较大幅度降低，近 20 年平均水位下降了 3.52m，于 1987 年自然分成南、北咸海两片水域。南北咸海自身的水位变化差异较大，北咸海水位变化几经升降，2005 年后逐渐稳定，呈现缓慢回升趋势，近 20 年水位上升了 1.6 m。南咸海水位持续下降，2010 年达到最低值，近 20 年水位下降了8.63 m，在 7 个湖泊中水位变化最大。萨雷卡梅什湖水位变化基本呈持续增长态势，前 10 年水位增长幅度持续变大，2007 年后趋于平稳，近 20 年水位上升了 6.3 m。巴尔喀什湖水位变化相对稳定，近 20 年水位上升了 1.33 m。总的来说，近 20 年间水位变化最大的是作为平原尾闾湖的萨雷卡梅什湖和咸海，高山封闭湖（伊塞克湖、阿拉湖）变化最小，水位变化不足 0.5 m;区别于前两类湖泊，吞吐湖（萨瑟克湖、斋桑泊）水位变化相对复杂，既有萨瑟克湖较稳定的水位上升，也有斋桑泊相对较大的水位波动。

3.2 荒漠化景观演变

陆上丝绸之路沿线国家和地区包含大面积沙漠和戈壁，年降水量小、水资源贫乏、生态环境脆弱、人居环境相对恶劣，制约了沿线国家经济发展。利用遥感技术监测丝绸之路国家的荒漠化程度主要是通过传感器波段计算植被覆盖度，通过通过多年卫星遥感图像分析，可对荒漠化过程和植被状况进行有效监测。一个地区的荒漠化程度与植被覆盖率有直接的负相关关系，荒漠化程度越高，植被盖度越低。根据现有荒漠化的土地划分标准和方法，可以将丝绸之路区域的土地景观荒漠化程度归类为5个分级。

中亚地区景观不同程度荒漠化土地由西南的严重、重度荒漠化向东北部轻度荒漠化呈递减的条带状分布，且不断向哈萨克斯坦的北部地区推移; 中国西北荒漠化程度则由西向东部依次减弱并呈带状分布，严重荒漠化土地占比较大。严重、重度荒漠化土地多分布在里海中部沿岸到咸海以东的地区、土库曼斯坦南部、新疆塔里木盆地和吐鲁番盆地以及青海柴达木盆地，中、轻度荒漠化主要分布在哈萨克斯坦中、北部地区、中国与中亚相接壤的沿线地区、青海中东部以及甘肃东部沿线地区。在实时多尺度的监测下，遥感技术不仅为今后荒漠化的相关研究提供借鉴和参考，还对该地区荒漠化的治理提供合理的依据。丝绸之路经济带沿线地区荒漠化的形成是多种复杂的要素导致的，而研究表明，人类不合理的经济和社会活动与脆弱的自然条件耦合是土地荒漠化发生并扩展的主要原因。

4. 结论与讨论

“一带一路”建設作为一个国际性构想，具有覆盖范围广、建设周期长、涉及领域宽等特点，在推进过程中，传统的地理学思维和新兴的地理空间信息科学大有可为。空间观测技术具有宏观、快速、准确认知对象的优势。本文以遥感技术在“丝绸之路”生态景观资源监测上的应用为背景，介绍了多源长时间序列下沿线地区湖泊水资源、土地荒漠化监测与环境中资源评估中的重要作用。遥感和地理信息系统技术日益成为景观格局动态分析的主要手段。借助地理信息系统强大的空间存储、管理和分析功能，建立相应的空间数据库和属性数据库，实时、动态地揭示“一带一路”景观格局的动态变化。同时，运用景观分析原理，建立景观评价指标体系，构建景观动态模型，以地理学视角分析了这些生态环境要素参数时空演进格局及响应因素，随着社会各界对资源保护的重视与生态环境安全措施的实施，遥感技术在丝绸之路宏观监测上的应用会有更加广阔的前景。

参考文献

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