多源遙感助力“絲綢之路”經(jīng)濟帶生態(tài)景觀資源監(jiān)測

馬玲 蒙友波 楊軍 王成

摘要：在高強度人類活動影響下，“絲綢之路經(jīng)濟帶”的資源環(huán)境面臨嚴峻問題與挑戰(zhàn)，沿線景觀資源也受到較大尺度的影響，遙感技術(shù)的出現(xiàn)可為大范圍區(qū)域的生態(tài)景觀資源監(jiān)測提供理論支撐和技術(shù)保障。全球環(huán)境變化影響局部和區(qū)域尺度的人居環(huán)境（景觀），而人類活動又通過不同的土地利用方式，改變局地土地覆被、景觀格局，進而促使全球環(huán)境變化。因此，對局部景觀格局的分析有助于全球環(huán)境變化的研究。文章以多源遙感數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)為例，介紹長時間序列下的水資源、荒漠化監(jiān)測中的應(yīng)用。根據(jù)結(jié)果可以認為遙感技術(shù)在服務(wù)“一帶一路”戰(zhàn)略中具有獨特作用，契合該戰(zhàn)略的地理科學(xué)內(nèi)涵和對地觀測科學(xué)要素，可為“一帶一路”戰(zhàn)略的實施進行長時間的監(jiān)測，了解經(jīng)濟帶的生態(tài)脆弱性和景觀變化，提供重要的空間信息支持和輔助決策。

關(guān)鍵詞：遙感;湖泊;荒漠化;生態(tài)景觀;絲綢之路

1引言

2013年習(xí)近平首次提出了建設(shè) “絲綢之路經(jīng)濟帶”和“21世紀海上 絲綢之路”的構(gòu)想。“一帶一路”是中國面對 21 世紀世界發(fā)展新格局制定的具有突破性、全局性、長遠性的國家重大戰(zhàn)略，自倡議提出至今，已經(jīng)有100多個國家和國際組織參與其中，目前我國已經(jīng)和沿線地區(qū)30多個國家共同簽署了合作協(xié)議?！?1世紀海上絲綢之路”是面向南海、太平洋和印度洋的戰(zhàn)略合作經(jīng)濟帶。“一帶一路”建設(shè)需要在建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護之間取得全面平衡。環(huán)境問題無國界的，一旦出現(xiàn)資源和環(huán)境問題，這些問題就會擴散到世界各地。

由于陸上絲綢之路所處地區(qū)屬于生態(tài)脆弱區(qū)，水資源嚴重短缺，土地荒漠化問題尤其嚴重，在高強度人類活動和全球變化的影響下，“絲綢之路經(jīng)濟帶”的資源環(huán)境面臨嚴峻問題與挑戰(zhàn)。中亞地區(qū)由于人類活動的加強和對水資源的過度利用，導(dǎo)致該區(qū)域湖泊的萎縮和消亡。沿線地區(qū)荒漠化問題突出。由于絲綢之路國家，大多屬于干旱、半干旱氣候類型區(qū)。年降水量從東部400 mm 減少到西部200 mm，咸海及中亞西部年降水量僅75 ～ 100 mm。西北5省植被覆蓋低，地形以高原、盆地為主，還包括戈壁、綠洲、冰川等地貌類型。中亞5 國多以分布在里海到天山山地之間的草原和荒漠、半荒漠土地為主，其中還分布著中亞面積最大的克孜勒庫姆沙漠和卡拉庫姆沙漠。

景觀指數(shù)是指高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標;適合定量表達景觀格局和生態(tài)過程之間關(guān)聯(lián)的空間分析方法。景觀指數(shù)的重要作用在于，它能用來描述景觀格局，進而建立景觀結(jié)構(gòu)與過程或現(xiàn)象的聯(lián)系，更好地解釋與理解景觀功能。遙感技術(shù)具有信息豐富、觀測范圍廣、精度高、速度快、實時性和動態(tài)性強等優(yōu)點。該技術(shù)的優(yōu)點是可以為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和評價提供客觀準確的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全球范圍的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。開展基于空間觀測的“絲綢之路經(jīng)濟帶”資源環(huán)境格局研究可以獲得對“絲綢之路經(jīng)濟帶”豐富、全面的科學(xué)認識，為國家建設(shè)“絲之路經(jīng)濟帶”提供科學(xué)咨詢和科技支撐。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、生態(tài)環(huán)境背景監(jiān)測和動態(tài)變化監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。

2.研究區(qū)與研究數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)

“一帶一路”指“絲綢之路經(jīng)濟帶”和“21世紀海上絲綢之路” 。絲綢之路沿線的干旱半干旱地區(qū)位于東經(jīng)26-110°，北緯36-50°，包括中國西北部，亞洲中部、亞洲西部和歐洲東南部的部分地區(qū)，如阿富汗，伊朗，伊拉克，土耳其，敘利亞，烏克蘭等。該地區(qū)的地形特別復(fù)雜，包括山脈、丘陵、高原、盆地、平原和沙漠，同時，位于歐亞大陸腹地，遠離大西洋、印度和太平洋，此外，高山高原作為屏障阻止了東南季風、盛行西風和西南季風的到達，故形成了典型的溫帶大陸性氣候，該區(qū)年降水量小，集中在夏季，區(qū)域分布不均勻且蒸發(fā)量大。盡管該地區(qū)降水少，但熱量和能源資源豐富，在水資源豐富的河流和湖泊周圍，分布著許多城市、灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。除城市的生活用水外，還從河流和湖泊中提取水資源用于農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)生產(chǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)的選擇主要包括相對穩(wěn)定的要素：例如地形、土壤、植被等;活躍易變的要素，例如氣溫、降水、干旱指數(shù)、徑流深等。同時多源遙感數(shù)據(jù)是對絲綢之路經(jīng)濟帶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重要基石?；谶b感數(shù)據(jù)和專題產(chǎn)品，結(jié)合氣溫、降水等氣象數(shù)據(jù)，人口、GDP等統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及其他參考數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建對“一帶一路”區(qū)域生態(tài)景觀系統(tǒng)的監(jiān)測體系，通過收集的相關(guān)資料，對遙感影像進行一系列數(shù)據(jù)處理，提取了研究區(qū)的景觀類型信息，進而通過計算不同層次的景觀指數(shù)，對該區(qū)的現(xiàn)時景觀格局進行定量分析。通過分析各景觀指數(shù)變化反映研究區(qū)景觀格局的變化規(guī)律，計算相應(yīng)指標求得環(huán)境脅迫。

3 “絲綢之路”生態(tài)景觀環(huán)境監(jiān)測

3.1湖泊水資源景觀監(jiān)測

準確地提取湖泊面積是研究湖泊動態(tài)變化以及建立長時間序列湖泊面積數(shù)據(jù)庫中的一個關(guān)鍵技術(shù)。遙感技術(shù)為大范圍湖泊面積監(jiān)測提供了有力的技術(shù)支撐，能夠?qū)崟r地獲取大范圍的地表信息，并能夠快速準確的提取湖泊水體，對水資源景觀呈現(xiàn)不同序列變化。其基本原理在于水體對太陽光不同波段敏感度的差異導(dǎo)致在不同波段水體對太陽光的反射和吸收比例不同。在400-760nm（可見光）范圍內(nèi)，水體的反射主要在藍綠光波段，到750nm以后的近紅外波段，水體的反射率接近于0?；谶b感波段之間的加減乘除組合運算，可以找出目標地物具有的獨特光譜之間的關(guān)系特征來排除其他地區(qū)對目標地物的影響。近年來所常用的歸類為歸一化植被指數(shù)（NDVI）、歸一化水體指數(shù)（NDWI）、改進的歸一化水體指數(shù)（MNDWI）和混合水體指數(shù)（CIWI）等。通常情況下，提取過程最關(guān)鍵在于湖泊水體閾值的設(shè)定，這需要根據(jù)不同的產(chǎn)品和實際的陸地情況加以多因素判別。

以絲綢之路地區(qū)的湖泊景觀提取為例。在多源影像支持下，通過計算MODIS 250m 的NDVI數(shù)據(jù)并根據(jù)湖泊水體和背景地物的光譜差異，可提取面積較大的湖泊。根據(jù)2001-2016年絲綢之路沿線干旱半干旱區(qū)域24個湖泊的提取結(jié)果顯示， 總面積減少了2.51%。2002-2009年間湖泊總面積出現(xiàn)了持續(xù)性地減少，2010-2014年湖泊總面積呈現(xiàn)出波動性地減少。在2014年以后，湖泊的總面積呈現(xiàn)增加的趨勢。分布在咸海、里海和烏爾米耶湖周圍的湖泊，面積也出現(xiàn)了明顯的減少。然而，位于咸海和里海之間的薩雷卡梅什湖與周圍的湖泊不同，面積增加十分明顯，因為自二十世紀五十年代末，通過修建排水渠將農(nóng)區(qū)的水排入薩雷卡梅什湖，同時阿姆河反復(fù)的洪泛也使其部分水量注入薩雷卡梅什湖。

綜合Topex/Poseidon 衛(wèi)星 MGDR（雷達高度計）和Envisat 衛(wèi)星 RA2_GDR（雷達高度計）可以獲取絲綢之路沿線湖泊的水位高度數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果標明，咸海水位呈較大幅度降低，近 20 年平均水位下降了 3.52m，于 1987 年自然分成南、北咸海兩片水域。南北咸海自身的水位變化差異較大，北咸海水位變化幾經(jīng)升降，2005 年后逐漸穩(wěn)定，呈現(xiàn)緩慢回升趨勢，近 20 年水位上升了 1.6 m。南咸海水位持續(xù)下降，2010 年達到最低值，近 20 年水位下降了8.63 m，在 7 個湖泊中水位變化最大。薩雷卡梅什湖水位變化基本呈持續(xù)增長態(tài)勢，前 10 年水位增長幅度持續(xù)變大，2007 年后趨于平穩(wěn)，近 20 年水位上升了 6.3 m。巴爾喀什湖水位變化相對穩(wěn)定，近 20 年水位上升了 1.33 m?？偟膩碚f，近 20 年間水位變化最大的是作為平原尾閭湖的薩雷卡梅什湖和咸海，高山封閉湖（伊塞克湖、阿拉湖）變化最小，水位變化不足 0.5 m;區(qū)別于前兩類湖泊，吞吐湖（薩瑟克湖、齋桑泊）水位變化相對復(fù)雜，既有薩瑟克湖較穩(wěn)定的水位上升，也有齋桑泊相對較大的水位波動。

3.2 荒漠化景觀演變

陸上絲綢之路沿線國家和地區(qū)包含大面積沙漠和戈壁，年降水量小、水資源貧乏、生態(tài)環(huán)境脆弱、人居環(huán)境相對惡劣，制約了沿線國家經(jīng)濟發(fā)展。利用遙感技術(shù)監(jiān)測絲綢之路國家的荒漠化程度主要是通過傳感器波段計算植被覆蓋度，通過通過多年衛(wèi)星遙感圖像分析，可對荒漠化過程和植被狀況進行有效監(jiān)測。一個地區(qū)的荒漠化程度與植被覆蓋率有直接的負相關(guān)關(guān)系，荒漠化程度越高，植被蓋度越低。根據(jù)現(xiàn)有荒漠化的土地劃分標準和方法，可以將絲綢之路區(qū)域的土地景觀荒漠化程度歸類為5個分級。

中亞地區(qū)景觀不同程度荒漠化土地由西南的嚴重、重度荒漠化向東北部輕度荒漠化呈遞減的條帶狀分布，且不斷向哈薩克斯坦的北部地區(qū)推移; 中國西北荒漠化程度則由西向東部依次減弱并呈帶狀分布，嚴重荒漠化土地占比較大。嚴重、重度荒漠化土地多分布在里海中部沿岸到咸海以東的地區(qū)、土庫曼斯坦南部、新疆塔里木盆地和吐魯番盆地以及青海柴達木盆地，中、輕度荒漠化主要分布在哈薩克斯坦中、北部地區(qū)、中國與中亞相接壤的沿線地區(qū)、青海中東部以及甘肅東部沿線地區(qū)。在實時多尺度的監(jiān)測下，遙感技術(shù)不僅為今后荒漠化的相關(guān)研究提供借鑒和參考，還對該地區(qū)荒漠化的治理提供合理的依據(jù)。絲綢之路經(jīng)濟帶沿線地區(qū)荒漠化的形成是多種復(fù)雜的要素導(dǎo)致的，而研究表明，人類不合理的經(jīng)濟和社會活動與脆弱的自然條件耦合是土地荒漠化發(fā)生并擴展的主要原因。

4. 結(jié)論與討論

“一帶一路”建設(shè)作為一個國際性構(gòu)想，具有覆蓋范圍廣、建設(shè)周期長、涉及領(lǐng)域?qū)挼忍攸c，在推進過程中，傳統(tǒng)的地理學(xué)思維和新興的地理空間信息科學(xué)大有可為?？臻g觀測技術(shù)具有宏觀、快速、準確認知對象的優(yōu)勢。本文以遙感技術(shù)在“絲綢之路”生態(tài)景觀資源監(jiān)測上的應(yīng)用為背景，介紹了多源長時間序列下沿線地區(qū)湖泊水資源、土地荒漠化監(jiān)測與環(huán)境中資源評估中的重要作用。遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)日益成為景觀格局動態(tài)分析的主要手段。借助地理信息系統(tǒng)強大的空間存儲、管理和分析功能，建立相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，實時、動態(tài)地揭示“一帶一路”景觀格局的動態(tài)變化。同時，運用景觀分析原理，建立景觀評價指標體系，構(gòu)建景觀動態(tài)模型，以地理學(xué)視角分析了這些生態(tài)環(huán)境要素參數(shù)時空演進格局及響應(yīng)因素，隨著社會各界對資源保護的重視與生態(tài)環(huán)境安全措施的實施，遙感技術(shù)在絲綢之路宏觀監(jiān)測上的應(yīng)用會有更加廣闊的前景。

參考文獻

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