遥感新技术在秦岭保护行动中的应用

吴普侠，冯 伟，王 硕，赵国平，全英汇，钟 娴

(1.陕西省林业科学院，陕西 西安 710082；2.西安电子科技大学 电子工程学院遥感科学与技术系，陕西 西安 710071)

秦岭西起昆仑山，东至大别山，风景秀丽，四季分明，山脉绵延1 500 km，总面积5.97万km2，分割了中国南北地区主要自然地理要素。秦岭是水系、土壤、地质、气候、生物的分界线。而且秦岭地区孕育了十分丰富的生物种类，是地球上罕见的基因存储库。保护秦岭一直是人类义不容辞的责任。由于秦岭地势复杂、面积庞大，保护秦岭行动要涉及诸多方面，于是2007年陕西省制定了《陕西省秦岭保护条例》，致力于通过立法的方式强力、有效地保护秦岭地区的生态环境。2020年陕西省启动了秦岭生态环境遥感监测工程，主要内容包括秦岭生态状况遥感监测与评价、秦岭北麓面源污染遥感监测等2个方面。同年4月20日，习近平总书记来陕考察并发表了关于秦岭生态环境保护的重要讲话，提出要把秦岭生态环境保护和修复工作摆上重要位置，要求各相关单位履行好各自的职责，当好秦岭生态卫士，生态破坏行为决不能重蹈覆辙。

1 生态环境突出问题

近年来虽然秦岭生态环境得到了有效的保护，但是还存在一些比较突出的问题，比如秦岭地区水土流失严重、森林面积逐年减少、各种地质灾害频繁发生以及秦岭地区环境污染严重但治理水平低等[1]。

1.1 水土流失严重

秦岭作为陕西省重要的水源涵养区，其地区水资源总量高达222亿m3，约占陕西省水资源总量的1/2。然而研究显示[2]，到目前为止，秦岭地区的水土流失面积高达3.84万km2，超过土地总面积的1/2。另外，秦岭年平均土壤侵蚀量为1.89亿t，平均侵蚀模数2 706 t/km3·a，部分区域侵蚀模数多达5 000～8 000 t/km2·a。其中，水力侵蚀是秦岭主要的水土流失类型，而且秦岭部分地区同时受到多种山地灾害的迫害，包括泥石流、山体滑坡、山石崩塌等，是自然灾害的频发区。究其原因，既有秦岭自身山势陡峭、断面发育、褶皱强烈、岩石疏松易碎以及极端天气下强降雨、强风等自然因素，也有盲目开荒、滥垦滥伐和陡坡耕种等人为因素。保护秦岭地区的水土有着极其重要的影响，防治水土流成功与否，直接影响着秦岭地区生态环境建设以及我国南水北调工程中线的建设，是秦岭地区亟需解决的生态环境问题。

1.2 森林面积下降

根据资料显示，陕西省土地总面积为2 059.77万hm2,其中林业用地面积为1 109.79万hm2，而秦岭山脉又是陕西省森林资源含量最为丰富且最集中的区域。然而，由于火灾和森林病虫害等各种自然灾害以及滥砍滥伐、违规开发等人为因素的破坏，造成秦岭森林面积逐年减少。20世纪50年代以来，因为森工企业的兴起，导致乱砍滥伐、盲目毁林开荒的现象层出不穷，已经对秦岭森林造成了严重后果，山地森林面积骤减到了2.471 04 hm2，相比解放初期减少了12.310 4 hm2，森林覆盖率由64%降到了46%，此外，秦岭山地的林缘后退了10～20 km，森林分布的下线上升了300～500 m。主要的森林类型被次生林所代替，间接导致蓄水量急剧下降[3]。

1.3 地质灾害频发

由于秦岭地区自身地质条件复杂，地形状况多样，气候环境独特，还受到开矿、修路、建房建厂等人为工程活动和滥砍乱伐、开垦田地等不合理的农业行为等影响，最终造成了秦岭山洪灾害、滑坡、山石崩塌、泥石流及地表坍塌等地质灾害频发，森林生态受损严重，其中山体滑坡现象最常见。秦岭山区有滑坡隐患点821处；区内威胁30人以上的泥石流有104条，主要分布在中山区和亚高山区；黄土崩塌、岩质崩塌共52处，部分分布在铁路、公路沿线[4]。秦岭地区各种地质灾害的频发造成居民房屋被毁、道路中断、交通受阻、工厂和耕地被破坏，甚至是人员伤亡，给人们的生产和生活造成了重大损失，成为阻碍陕西省社会发展和国民经济增长的重要障碍之一。

1.4 环境污染防治水平低[1]

秦岭地区对环境污染防治力度仍在努力改善中。有些城市的环境整治工作不够到位，使得各类污染物排放的管理和处理能力一直处于偏下水平。例如，陕南地区自身的经济总量和发展速度比较落后，若一味加大力度发展生产力，单方面追求经济的提高，必定会给自然生态环境造成或多或少的负面影响，为环境保护带来阻力。另外，秦岭山区居住着大批的群众，人们生产生活需要消耗大量的山区自然资源。这些对秦岭的大气、土壤、水体以及生态环境同样造成了大量的负面影响，如果不加以控制与管理，将会直接影响到整个陕西省的生态健康以及南水北调中线工程的水质。

所以随着环境破坏的情况愈加严重，秦岭的生态亟需保护。然而传统的地理学手段，无论在其提供信息的数量上，还是质量上，亦或是提供信息的实时性和及时性等方面，都不能适应或满足当今人们对生态保护的需求以及高速发展的环保新形势的需要。遥感是20世纪60年代初兴起的一门非接触的、远距离的探测技术，经过几十年的探索与研究，现如今已发展为一套较为成熟的技术与理论体系。遥感技术一般利用传感器或遥感器探测物体辐射、反射的电磁波，研究其电磁波特性，并据此对物体的特性和状态等进行分析[5]。遥感技术能够迅速、及时地获取大量的、准确的、客观的地理信息，并动态地反映地物的变化。它可以通过周期地、反复地对同一地区观测，使得人类及时发现并动态地跟踪、观察地球上许多事物的变化成为了可能。另外，通过遥感方法获取信息过程中受到的条件限制相对较少，例如，在沙漠、沼泽、高海拔地带等很多自然条件恶劣的区域，利用遥感探测代替人工实地勘察、测绘的行动，能够大幅度地减少人力物力的投入。

2 遥感在生态中的应用

遥感技术应用范围十分广泛，在军事、测绘、农业、气象、水文、林业、环保和考古等众多领域[6]都有遥感的身影。遥感技术结合人工智能、数据挖掘等知识，可以真实、准确地展现并观察研究区域的生态环境、生物多样性现状以及影响因素敏感性等，为自然生态功能保护区的总体规划提供重要的基础资料[6]。

2.1 遥感在监测植被覆盖度中的应用

植被覆盖度是反映植被生长状况的重要指标，同时也是反映目标地区生态环境健康程度的主要依据[7]。相比传统的植被覆盖度调查方法，遥感技术的加入能够节省大量的人力物力，其大规模、高效率、高精度获取植被覆盖信息的能力使其成为强有力的手段。目前，TM、SPOT、MSS等遥感数据被广泛应用于大范围的植被覆盖度信息获取[8]，大量的遥感数据为植被覆盖度的准确计算奠定了坚实的基础。例如，牟怀义等[9]应用高分1号和多期国产高分辨率卫星遥感影像对红星林业局林地动态变化进行目视解译与提取识别，检测植被覆盖区域的变化情况。结果表明，高分辨率卫星遥感监测植被覆盖度的动态变化解译正判率达95%以上，其可视化分析方法和技术为动态监测森林资源提供一定的科学支撑和数据支持；吴见等[10]利用1988、2002年和2018年3个阶段的TM遥感数据，并采用像元二分模型法处理数据，最终得到了黄山市不同阶段的植被覆盖度信息，并利用植被覆盖度分级和转移矩阵，分析了黄山市植被覆盖度时空特征变化(图1)，该图清晰直观地展现了黄山市植被覆盖度在20 a间的变化，结果为黄山市植被保护提供了准确详细的数据。

图1 黄山市植被覆盖度时空演变特征[10]

2.2 遥感在监测森林病虫害中的应用

病虫害是森林树木的天敌，害虫会啃噬树木，使树木死亡，同时虫灾的肆虐最终很可能导致森林生态系统的毁灭。秦岭地区树木也深受病虫害的困扰，例如华山松疱锈病在秦岭华山松分布区域频发，病害由西向东渐渐加重，其中，中幼龄人工纯林受害较为严重，危害最严重的林分发病率高达54%，林分蓄积损失率为6.21%，村积损失量为4.16 m3/hm2[11]。传统的病虫害监测预警方法大多是基于地面调查、流行学机制、生物学模型结合相关专家知识等手段进行，此类方法的劣势在于：1)处理面积不够大，无法准确获取扩散区的范围；2)时空分辨率比较粗糙，不能当前满足科学防控的需求。长期以来，遥感技术一直被应用于作物病害的检测和地图绘制工作。在作物生长季节获得的机载和卫星图像不仅可以用于某些病害的早期发现和季节内管理，还可用于未来季节中复发性病害的管控[12]。从1970年开始，国内外就先后发射了多颗遥感卫星，目前应用最多的是具有高时空分辨率的遥感卫星，例如美国的Landsat系列、国产高分系列以及欧盟Sentinel系列等，这为森林病虫害监测和预警提供了时空连续、种类丰富的海量数据资源。陈孟禹等[13]为了深入了解胡杨春尺蠖虫害的发生规律,以新疆叶尔羌河流域胡杨林分布区为研究区，并结合2001-2015年的胡杨春尺蠖活动期遥感数据温度和实地调查虫情信息，基于有效积温法则，预测了春尺蠖的发生期，为准确地确定最佳防治时间提供了可靠的数据和技术支持。Chenghai Y等[14]利用机载技术、卫星图像和VRT在棉田中检测棉花根腐病(一种破坏性的土壤传播性真菌病)和绘制分布地图的原理，提出了从图像中提取处方图以施用定点杀菌剂并有效控制作物病害的方法，从而达到有效控制虫害疾病蔓延的目的(图2)。

注：(a)2010年7月30日获得的机载图像；(b)分类图，病害感染率=33%，未感染率= 67%；(c)处方图，已治疗= 57%，未治疗= 43%[14]。

2.3 遥感在监测河流水质中的应用

河流作为重要的自然资源和文化孕育的母体，是生态系统的生命线，河流的生态关系到人类的生存和发展。但是，河流的水环境极容易受到污染，而传统的水质监测方法依旧面临着数据获取速度慢和区域限制等问题。王歆晖等[15]针对上海市河流水质监测的问题，提出了一种基于因子分析的河流综合水质遥感反演的方法。作者以遥感图像为基础数据，绘制了上海市水质分布图(图3)。从图3可以清晰地看到上海市各处水资源的质量情况，试验结果为水资源的保护与清洁提供了有力的数据参考。

图3 上海市2019年4月研究区综合水质[15]

通过科研人员的工作，可以总结出利用遥感技术监测河流水体质量具有以下明显优势：1)遥感技术获取信息具有范围大、速度快和周期性的特点，可以弥补传统方法常规定时、定点数目少导致监测数据不足的缺点，同时节省大量人力、物力和财力[16]；2)随着对水体光谱特性的研究更加深入以及水质参数反演模型的不断改进，遥感图像能够较为高效地、准确地获取河流水质信息，将其与地面实测水文参数、地理位置等信息相结合，可正确地确定污染水体的位置以及水质变化动态趋势，作为水质管理与污水处理的参考。综上，遥感技术的发展和应用使得大面积水域的快速监测、大范围湖泊环境的实时变化等相关研究带成为了可能。

2.4 遥感在大气污染监测中的应用

大气环境的遥感调查主要指通过遥感手段调查大气污染源的分布、污染源周围的扩散条件、污染物的扩散影响范围等，并辅以少量地面同步监测数据，定量分析污染物浓度的梯度变化值。在通过红外扫描仪检测露天煤矿时，对矿坑上空逆温层的形成与大气污染物扩散的关系进行了详细分析，对产生污染的条件有一定的掌握，这些数据将有利于露天煤矿的污染防治和预测预报工作。例如，Liangfu Chen等[17]利用MODIS数据，通过对遥感图像处理，结合对识别雾霾地区的气溶胶载荷的改进，得到了中国北方雾霾分布的图像(图4)。

图4 中国北方霾污染的MODIS真彩图像[17]

3 遥感对秦岭的应用方向

根据前述调研，我们肯定在秦岭生态环境保护的过程中，遥感技术起着不可或缺的作用。遥感可以大面积同步观测秦岭地区的数据，而且获取信息的速度快，周期短，具有高时效性，能够动态反映秦岭地面事物的变化，以此来摸清人类干扰、生态状况、影响因子等秦岭保护相关问题，监测秦岭地区是否有过度开垦的耕地，不当开挖的矿山，违法建造建筑等现象，以便相关人员及时采取行动，守护秦岭。这里主要就遥感在森林面积监测、植被长势监测、水资源保护、自然灾害、生物多样性保护、病虫害监测等方面做重点阐述[6]。

3.1 森林面积监测

秦岭森林生态资源丰富，有林地面积247.5×104hm2，占陕西省有林地面积的54%，还具有种类丰富的自然景观和深厚文化底蕴的人文景观资源[25]。为了大范围、全面、准确得到森林面积现状及其动态变化的信息，可以结合地理信息系统和卫星遥感技术，构建针对信息获取、存储、传输、分析、处理和应用一体化的森林面积监测体系。利用遥感正射影像，结合实地调查结果，并以现有的森林面积图像数据为基础，进行森林面积统计，能够为秦岭生态保护及森林利用提供直观、真实、准确的统计数据。与实地调查的方式相比，遥感监测技术在监测精度、监测效率和覆盖范围等方面具有明显的优势，它可以准确并客观地反映出秦岭森林的利用情况和森林覆盖面积变化的趋势。遥感技术的应用，为秦岭森林的保护提供了基础依据，也使得森林修复和监测具备了更高的科学性。

表1 遥感在秦岭保护中的应用领域

图5为王君等[26]基于LandsatTM/OLI遥感影像数据反演了西安市1995-2016年的植被覆盖度，分析了西安市不同时期的植被覆盖度变化特征，并运用景观格局对植被覆盖度的空间格局变化进行了定量化分析。通过图5可以清晰地看出，1995-2016年植被面积的变化情况，并可准确地推测出森林面积在未来几年将呈现增长趋势。

图5 西安市1995-2016年植被覆盖度等级划分[26]

目前，利用无人机遥感监测植被覆盖度成为很多国内外学者研究的热点目标[27]。葛静等[28]利用无人机(UAV)、普通数码相机(Canon)、农业多光谱相机(agricultural digital camera,ADC)等设备在黄河源东部地区获取大量高寒草地的图片，结合相应的MODIS等遥感数据，构建了植被盖度与MODIS植被指数之间的反演模型。宋清洁等[29-30]以EVI和NDVI 2种植被指数作为自变量，利用无人机在甘南州高寒草地获取当地图片信息，以此数据为因变量建立了2种植被指数间的回归模型。

3.2 植被长势监测

秦岭地区植物种类繁多，其中更是有很多国家级保护植物，植被类型丰富，包括各种针叶林、阔叶林、草丛、草甸、灌木丛等。植被的长势容易受到水分、温度、水热条件变化、日照等的空间变化影响。作为陆地生态系统的主要部分，秦岭植被的长势对于维持秦岭地区生态系统功能和结构的稳定性具有极其重要的作用，或者说秦岭地区的植被长势好坏直接影响并改变着整体区域的生态系统功能、结构、格局与质量。因此，利用卫星遥感数据对秦岭区域的植被长势开展大空间尺度上同步观测、长时间序列连续观测，对于实现秦岭地区的生态保护具有重要现实意义。定量遥感技术可以将植被归一化指数、叶绿素含量以及叶面积指数等作为判定因子，高效、快速地监测植被长势。同时结合机器学习算法，高效地提取出不同植被的分布区域，最终实现多种植被的不同生长季节的详细观测。该技术对于能够直观地了解秦岭植被的分布与变化的历史和现状具有重要意义。

图6为夏浩铭等[31]采用2001-2010年MODISMOD09A1产品，通过引入MOD09A1的时间控制层DOY(Day of Year)提高EVI的时间精度，采用最大变化速率法和阈值法相结合的方式提取了遥感图像信息得到的秦岭森林物候期。图6a显示秦岭94.2%森林的SOG(Start of Growth Season,SOG)集中在第81～120天，即秦岭森林树木生长期主要在3月下旬和4月；图6b显示，98%的森林EOG(End of Growth Season,EOG)集中在第270～311天，即秦岭森林树木落叶期主要集中在10月初至11月上旬；图6c显示90%的森林LOG(Length of Growth Season,LOG)主要集中在150～230天。

图6 秦岭森林物候期多年均值的空间分布(DOY为日序)[30]

3.3 水资源保护

据现有资料统计：秦岭南北坡主要支流共包括14条，河流长度达495 km，流域面积高达3 930 km2，年平均径流量达到了60.34亿m3[32]。通过遥感技术能够对秦岭区域的降水量和水资源蒸发量进行统计，此外，还可以预测和预报河流径流量信息。通常，建立云顶温度和像素降水点之间的联系，并对比卫星数据与地面观测站之间的差值是监测降水量的主要手段，此外，还可协同雷达监测技术进行监测[6]。在测定水资源蒸发量时，可以构建遥感信息多层分治模型，例如辨别地表植被和土壤在第1层模型上，而统计地上热量和地下土壤之间的余热等信息在第2层模型。另外，为了能够迅速筛查出河流区域的位置、边界、面积、河网密度等基本信息，可以对遥感信息和图像进行分析，同时结合地理知识，可实现秦岭水资源分布情况的准确判别与鉴定。另外，由于遥感技术可周期性连续获得同一地点的不同数据，因此，可以为进一步观测水资源中多种要素的变化提供重要数据，从而实现水体的动态监测目的，最终为实现秦岭生态保护区内水资源的实时保护提供技术支持，这对其今后合理利用和保护秦岭资源具有重要意义。

Wangyu Cheng等[33]利用1980、2000、2005年和2010年9月前后的关中-天水经济区陆地卫星遥感数据，获得了关中-天水经济区土地利用图，再利用近30 a的年平均降水量资料，通过降水蓄水量方法Ⅰ，分析了关中-天水经济区1980-2000、2000-2005、2005-2010年3个时段的土地利用变化，计算了水资源涵养价值，得出了关中-天水经济区土地生态系统的空间分布，其中包含秦岭地区的单位面积节水量的空间分布(图7、图8)。虽然大部分区域的节水价值在2 a间几乎没有变化，但由于土地利用的相互变化，水源涵养价值会降低，从长远来看，不可避免地会给经济发展带来负面影响，尤其是秦岭生态保护区聚集着大部分的水资源，更需要重点防护。

图7 关中-天水经济区单位面积节水量的空间分布[32]

图8 关中-天水经济区1980-2000、2000-2005年和2005-2010年节水价值的变化[32]

3.4 自然灾害监测

由于秦岭自身特殊的地质环境和地理位置，自然灾害频繁发生。由于暴雨次数频繁且降水量大，导致山体崩塌、滑坡、泥石流等灾害频发，对周边居民和工作人员的人身安全造成巨大威胁，已造成巨大的经济财产损失和人员伤亡。遥感技术具有全天候、准确性、周期性等特点，已经成功应用于自然灾害观察中。自然灾害会在遥感影像上展示出不同的形态、色调和纹理结构等，因此可以利用无人机遥感观察、监测和分析不同灾害的分布特征和发育特点，进而探明自然灾害分布、形成原因、孕育特征、发展趋势、危害程度和其他影响因素[34]，最终通过自然灾害的发生类型、频率和强度等元素将秦岭区域进行灾害划分。此外，多源遥感卫星数据还可应用于监视和预测天气状况、自然灾害的实时动态监视以及灾害的调查和灾后损失评估。为有关部门及时制定有效的应急救援措施提供重要的参考资料。

3.5 生物多样性保护

秦岭生态系统以森林生态系统为主导，其植被种类也丰富多样，具有完整的垂直谱带，栖息着多种稀有、濒危和原始的物种。从生物地理学的角度来看，秦岭地处华中区西部、山地高原亚区的北部，是古北界和东洋界在我国东部的分界线，具有特殊的地理优势，哺乳类、爬行类、两栖类、鱼类、和鸟类等动物种类非常丰富。秦岭地区更是孕育着中国特有物种，比如大熊猫、朱鹮。因此，加强对这些珍贵生物资源的保护是十分必要的。利用遥感技术进行生物量的空间特征可以样地调查数据为基础,结合遥感及气象数据,进行研究区生物量与NDVI、EVI、海拔、年均降水、年均气温、积温、干燥度、湿润指数等因子的回归分析，并通过各因子对样地生物量影响权重参数分析和加权融合,运用Arc GIS、ENVI等软件,得到分析结果[35-36]。另外，遥感技术也可用于识别并绘制单个物种或生物环境的地图，并使用统计方法在遥感数据与现场调查数据之间建立依赖模型，进而分析物种分布和区域多样性。同时，遥感技术也是评估和检测物种栖息地的关键工具之一。

3.6 病虫害监测

森林病虫害被誉为“无烟的森林火灾”，陕西是我国森林病虫害发生与防治的重点省份之一，森林面积670.39×104hm2，秦岭森林面积占全省2/3以上，所以秦岭森林的“健康状况”对全省的气候稳定与环境来说至关重要。陕西现有森林病虫害1388种，能对森林造成严重危害的多达80种[37]，森林病虫害遥感是通过利用森林遭受病虫害后在外部形态与生理机制上表现出的可探测性，应用遥感手段处理分析探测到的数据，从而及时揭露危害因子，实时确定病虫害发生范围与灾害等级，周期性、动态地监测灾害发展情形，为秦岭森林的病虫害预警、治理和防护提供大量有效、可靠的数据。

4 结论

在21世纪初，陕西省曾表示将在未来的10 a中，重点建设秦岭国家级生态功能保护区，使秦岭山地重新成为陕西以及国家中部的生态安全屏障。但秦岭保护之路还面临很多阻碍，例如对违法开发建设活动的监管需要更加严格；生态环境治理的水平仍需提高，对遭到破坏的森林、山体、河流修复需要增强实时性；对生态补偿机制进一步完善，保护规划体系还需健全，秦岭生态环境保护科学研究程度还需加深等。

目前，遥感技术应用于生态环境监测已取得显著效果，并将进一步向遥感信息定量化、智能化、动态化的方向发展。将遥感技术应用于秦岭国家级生态功能保护区，研究并分析生态发展现状，是生态功能保护区规划的基础，可以大大缩短生态功能保护区规划和建设的时间，具有很高的经济效益和社会效益。但是遥感技术仍然存在局限性，如遥感技术所使用的电磁波很有限，仅利用了几个波段范围，而在电磁波谱中，尚有许多谱段的资源有待进一步开发；目前使用的电磁波谱段对一些地物的反映不够清晰，需要研发分辨率更高的遥感卫星，并辅助地面调查进行补充和验证；现有的遥感监测算法对于特殊的地形、地貌或者特征分析处理结果不理想，精度不够高，存在边界模糊问题，有待于进一步提高算法的监测精度。总的来讲，未来遥感技术的应用必然是与其他技术相辅相成的，包括多种遥感技术之间的结合，从而形成较为完整的体系，最终实现秦岭生态资源的全面自动化观测，为秦岭生态保护的科学规划提供及时地、可靠地技术和数据支撑。