基于高分遥感卫星的三江源国家公园空间基准建设及生态环保应用

文 | 宋忠航 王剑 马红波 董佰山 李媛

1.西安航天天绘数据技术有限公司 2.航天恒星科技有限公司

一、引言

三江源是长江、黄河、澜沧江的发源地，被誉为“中华水塔”，是我国实施生态安全屏障保护和建设的重要战略区，也是指示全球气候变化及反馈响应过程和揭示全球气候变化方面的关键地区，其生态环境状况与气候变化对我国乃至全球生态平衡起着极其重要的作用。三江源国家公园作为我国首个国家公园体制试点，其地域辽阔、生态环境复杂多样的特点使遥感监测技术发挥出最大的应用潜力和效果，但随着监测业务不断增加，产生的海量要素信息数据存在空间参考不统一，多种数据间交互性较差等一系列标准化不一致的问题，严重阻碍了国家公园生态系统与自然资源整体性、系统性的监管和保护。本文提出基于国产高分辨率遥感数据建立统一人类活动与生态系统空间框架基准，并在此基础上通过信息提取揭示区域生态系统和土地类型分布及转化，进行各类监管要素的空间化表达，实现地面和遥感监测数据在统一空间基准下的热点提取、变化趋势预测、关联演化规律印证等空间分析处理，形成园区精准空间“态势一张图”，提升大数据条件下的信息决策服务水平（图1）。

图1 三江源人类活动与生态系统基准构建与应用架构图

二、三江源人类活动与生态系统基准构建方法

三江源人类活动与生态系统基准建设采用内外业结合的方法开展。以高分二号（GF-2）全色及多光谱融合数据为主进行高分辨率的影像基准产品生产；以资源三号（ZY-3）三线阵数据为主，天绘一号（TH-1）三线阵数据为辅，进行高精度的地形基准产品生产。将高精度地形基础与融合后的亚米级高分辨率卫星影像进行叠加处理，形成精度满足园区人类活动的基准地理框架数据。

基准生产主要包括数据获取、数据处理、控制数据生产和地形基础数据采集与编辑等内容。为保证基准体系完整性，首先需对青海三江源国家生态保护综合试验区范围39.5万平方千米内遥感卫星数据覆盖情况进行查询分析，卫星影像查询类型为GF-2和 ZY-3。

其次，对遥感影像进行辐射定标、大气校正和几何校正等预处理。同时，利用基准网的布设和地面基础点测量完成控制基础数据的生产，通过空中三角测量、地形基础数据采集与编辑等处理建立地形基础数据。最后，利用空中三角测量技术，在地形成果基础上完成基准制作（图2）。

图2 基准生产作业流程

三、基于基准的三江源生态环境监测应用

基准的建立将园区内各类空间数据按照统一坐标系、统一数据精度、统一数据格式、统一数据采集成果标准进行整合，解决了三江源国家公园在管理、保护、科研、宣教工作中产生的海量信息存在数据空间参考不统一、交互性较差等一系列标准化不一致的问题。基于基准形成的三江源生态环境监测体系，利用面向对象的遥感信息提取方法，综合考虑光谱特征、纹理、形状等一系列因素，得到高精度的信息提取结果，实现三江源地区“天空地”多源异构时空数据在统一时空框架下的成果集成展示与动态变化分析，为三江源生态环境监管、自然资源资产管理和生物多样化监测保护等业务提供有力支撑。

1. 生态环境监测与保护

环境监测站点管理：三江源区域范围内的800余个监测点位（保护站、水文气象监测站、森林公安派出所、野生动物监测红外相机等）在基准上精准落图，对站点的分布、监测范围进行空间化管理。

生态环境核查点监测：获取园区历年来1000余个野外核查点多期高分辨率遥感影像，对其判读解译后在基准上套合，展现年度变化，提高野外核查工作质量和效率。

人类活动监测：将园区2016年度人类活动八万个图斑与2017-2019年九万个图斑在基准上的套合叠加，形成人类活动动态数据库，进行年度动态对比分析（图3）。

图3 基于基准的人类活变化动态监测

生态保护和修复工程管理：各类生态保护和修复工程（黑土滩治理、人工造林等）多期影像在基准上叠加，宏观掌握项目建设范围，并对修复工程成效进行对比分析。

2. 自然资源管理

草地、林地和湿地管理：在基准上接入黄河源园区、长江源园区、澜沧江源园区及三江源内其他保护分区草地数据（54251个图斑）、林地数据（227501个图斑）和湿地数据（3906个图斑），形成“山水林田湖草”综合本底数据，分析自然资源动态变化（图4）。

矿区监测：针对三江源地区内矿区，在基准上套合2015-2020年间高分辨率遥感影像，结合遥感目标智能提取技术，对退出矿场、周边环境及生态修复治理情况进行动态监测。

3. 生物多样性监测和保护

将红外相机记录的雪豹、藏羚羊、藏野驴等旗舰物种位置信息在基准上综合呈现，得到物种空间分布和物种多样性热力值分布图，有效掌握动物活动规律及主要栖息地情况。

图4 基于基准的草地资源管理

四、结语

本文主要以三江源国家公园生态环境保护为例，探讨了基于高分辨率遥感影像的人类活动与生态系统基准构建及应用。该套基准数据体系的建立解决了在恶劣地理条件和自然条件下生产高海拔、大范围人类活动与生态系统高精度基准的难题。初步实现了生态监测数据与自然资源本底数据在统一时空基准框架下的标准处理、整合统筹、动态接入和直观展示，通过叠加长时间序列数据，综合地理、气候、经济、人文等因素，可对生态状况变化和生态系统功能进行分析，形成空间态势“一张图”，有效提升三江源数据的应用价值和生态效益，是我国国家公园信息化手段建设和管理新模式的一次重要探索。