內(nèi)蒙古“一湖兩?！彼騽討B(tài)監(jiān)測體系：框架、指標與專題可視化

姚姝娟 張 弛 寶力杰 劉殿鋒

1 內(nèi)蒙古自治區(qū)航空遙感測繪院，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010010 2 內(nèi)蒙古自治區(qū)地圖院，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010051 3 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢，430079

隨著城市化與工業(yè)進程的不斷推進，人類對作為發(fā)展基礎(chǔ)資料的自然資源的需求日益增加［1］。然而，自然資源具有稀缺性和開發(fā)有限性。受限于技術(shù)因素和地理稟賦條件，自然資源稀缺與沖突已經(jīng)成為當(dāng)代最為突出的全球性問題［2］。開展精準的自然資源監(jiān)測是科學(xué)解決自然資源短缺、環(huán)境破壞與生態(tài)退化問題的基礎(chǔ)［3］。伴隨國務(wù)院機構(gòu)改革，自然資源調(diào)查監(jiān)測評價已經(jīng)成為自然資源部統(tǒng)一開展的重要職責(zé)之一［4］。水資源監(jiān)測是自然資源監(jiān)測的核心任務(wù)之一［5，6］。開展水資源動態(tài)監(jiān)測是揭示水資源動態(tài)變化規(guī)律，科學(xué)制定水資源有效保護、水資源合理利用政策以及加強社會節(jié)水意識等的基礎(chǔ)。

水資源監(jiān)測需要具備系統(tǒng)性［7］。隨著中國自然資源治理理念的轉(zhuǎn)型發(fā)展，傳統(tǒng)單一要素監(jiān)測已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合要素監(jiān)測，監(jiān)測重點由單一要素數(shù)量、格局與功能升級為不同要素之間的相互作用關(guān)系。因此，水資源監(jiān)測需要從水資源、水環(huán)境與水生態(tài)視角切入，開展水域綜合監(jiān)測評估。在此背景下，傳統(tǒng)監(jiān)測框架與方法已經(jīng)難以滿足需求［8-11］。傳統(tǒng)水資源監(jiān)測以地面監(jiān)測、遙感監(jiān)測為主，著重對水資源數(shù)量、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、功能和空間布局進行動態(tài)變化監(jiān)測、評價與分析，但是無法完成水資源系統(tǒng)化監(jiān)測的目標［12，13］。例如，當(dāng)前研究中缺少“天-空-地-網(wǎng)”一體化的系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，無法完成對地表、地下水資源的整合監(jiān)測。在監(jiān)測指標方面，現(xiàn)有指標注重可獲取性和準確性，但是在指標系統(tǒng)性方面考慮不足，無法反映水資源與生態(tài)系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，系統(tǒng)化、動態(tài)化水資源監(jiān)測需要從監(jiān)測技術(shù)框架、監(jiān)測指標體系以及可視化分析3個方面進行整合提升［14-17］。

本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)（簡稱內(nèi)蒙古）“一湖兩?！睘檠芯繉ο?，從系統(tǒng)性、動態(tài)性監(jiān)測視角切入，依托“一湖兩海”區(qū)域遙感影像等地理信息大數(shù)據(jù)，結(jié)合水文、氣象等行業(yè)專題數(shù)據(jù)，通過整合現(xiàn)有衛(wèi)星遙感、空間抽樣等自然資源監(jiān)測技術(shù)，形成研究區(qū)水域綜合監(jiān)測框架。并且基于“驅(qū)動-壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（driving-pressure-status-response，DPSR）模型構(gòu)建“一湖兩?！彼蚓C合監(jiān)測指標體系，采用地圖可視化分析技術(shù)開展“一湖兩?！彼Y源動態(tài)變化分析。將監(jiān)測分析結(jié)果以專題地圖的形式呈現(xiàn)出來，實現(xiàn)“一湖兩?！标P(guān)注內(nèi)容從變化監(jiān)測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計結(jié)果、報告到專題地圖的轉(zhuǎn)化，進而輔助區(qū)域科學(xué)研究和決策。

1 “ 一湖兩?！彼騽討B(tài)監(jiān)測框架與指標體系

“一湖兩海”指呼倫湖、烏梁素海、岱海，是內(nèi)蒙古重要的生態(tài)系統(tǒng)，對于全區(qū)生態(tài)安全、糧食安全、生物多樣性保護、地區(qū)環(huán)境保護等具有重要意義。其中，呼倫湖位于內(nèi)蒙古東北部，多年平均水域面積為2 035.69 km2，是生態(tài)系統(tǒng)類型最豐富的濕地之一［18-20］。烏梁素海地處內(nèi)蒙古西部巴彥淖爾市境內(nèi)，是關(guān)系到黃河中下游水生態(tài)安全的重要節(jié)點。岱海位于內(nèi)蒙古涼城縣，平均水域面積為70 km2［21，22］。針對“一湖兩?！钡纳鷳B(tài)治理問題，開展“一湖兩?！北O(jiān)測、分析、評價是內(nèi)蒙古生態(tài)治理過程中的一項重要基礎(chǔ)性工作［23，24］。

1.1 動態(tài)監(jiān)測框架

水資源作為重要、稀缺、特有的資源，應(yīng)發(fā)展其特有的監(jiān)測、分析技術(shù)。水系要素是動態(tài)的，受大氣、流域影響。為了揭示水系對象的規(guī)律趨勢，需要從水域綜合環(huán)境（包括流域、氣象、地質(zhì)等）、水體特征動態(tài)變化（水量、水溫、水質(zhì)等）、水生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)等方面全面地反映其變化情況，從關(guān)鍵點、規(guī)律性入手，調(diào)控其發(fā)展趨勢和方向［25-28］。

本文充分利用現(xiàn)代測量、信息網(wǎng)絡(luò)以及空間探測等技術(shù)手段，構(gòu)建起“天-空-地-網(wǎng)”一體化的水資源調(diào)查監(jiān)測體系，實現(xiàn)對水資源全流程、全覆蓋的現(xiàn)代化監(jiān)管，動態(tài)監(jiān)測框架見圖1。一方面，將測繪地理信息大數(shù)據(jù)與行業(yè)專題數(shù)據(jù)融合，利用衛(wèi)星遙感等航天飛行平臺，搭載可見光、紅外、高光譜、微波、雷達等探測器，實現(xiàn)廣域的定期影像覆蓋和數(shù)據(jù)獲取，對監(jiān)測區(qū)面積、水質(zhì)、水溫等生態(tài)屬性進行遙感影像自動提?。?9］。另一方面，綜合利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、航空航天遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、實地調(diào)查、樣點監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)以及視頻監(jiān)控等現(xiàn)代傳感器監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測模式，對水體水質(zhì)、生物多樣性等生態(tài)環(huán)境要素進行動態(tài)監(jiān)測與分析［30，31］。統(tǒng)計分析水域各類指標的變化量、變化趨勢等，形成反映各類生態(tài)環(huán)境要素的空間分布及其發(fā)展變化規(guī)律的監(jiān)測數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)成果和統(tǒng)計圖表，為“一湖兩?！钡纳鷳B(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)、有效的基礎(chǔ)信息服務(wù)。

圖1 “一湖兩?！彼騽討B(tài)監(jiān)測框架Fig.1 Dynamic Monitoring Framework of“One Lake and Two Seas”

1.2 監(jiān)測指標體系

從水資源、水環(huán)境和水生態(tài)3個維度出發(fā)，基于DPSR 模型構(gòu)建“一湖兩海”水域動態(tài)監(jiān)測指標體系。指標體系主要包括準則層、類型層、指標層3個層次，具體用于反映與水域水資源相關(guān)的社會經(jīng)濟系統(tǒng)狀態(tài)及其演化規(guī)律以及自然資源、自然環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)特征及其演化規(guī)律。從水體特征維度來看，水域面積、葉綠素濃度、懸浮物濃度、水溫、富營養(yǎng)化、水生植被等指標已經(jīng)成為流域監(jiān)測的關(guān)鍵指標。從水域綜合環(huán)境維度來看，氣象、溫度是導(dǎo)致水域面積變化、水體容量變化、水質(zhì)變化、水生動植物生長的重要影響因素，因此成為重要監(jiān)測指標。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能出發(fā)，具體監(jiān)測水域生態(tài)系統(tǒng)的水資源供給、生態(tài)系統(tǒng)支持、生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)以及文化娛樂功能，尤其要監(jiān)測水域生物多樣性水平，為水域生態(tài)修復(fù)提供決策支持。

2 專題制圖與可視化分析

地理信息可視化是運用圖形學(xué)、計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將地學(xué)信息輸入、處理、查詢、分析以及預(yù)測的結(jié)果和數(shù)據(jù)以圖形符號、圖標、文字、表格、視頻等可視化形式展示并進行交互的理論、方法和技術(shù)。從地圖學(xué)與地理信息技術(shù)角度來看，專題圖編制是地圖和專題信息、數(shù)據(jù)分析的結(jié)合，能夠為水體整體環(huán)境分析與可視化、水體特征制圖、水域生物多樣性變化可視化分析以及上述信息的綜合可視化分析提供技術(shù)支撐。本文采用相關(guān)專題制圖與可視化分析技術(shù)，對“一湖兩?！彼蚝诵谋O(jiān)測指標進行分析，具體包括：

1）水域面積變化可視化分析。圖2 是“一湖兩?！彼蛎娣e變化圖，可以看出，岱海水域面積有不斷下降的趨勢。經(jīng)過調(diào)查分析，主要原因是周邊農(nóng)業(yè)、生活用水逐漸增加，使得岱海的水源得不到補給，電廠的用水引起水溫上升，蒸發(fā)量大，造成儲水量不斷減少，水質(zhì)變劣。應(yīng)急補水、生態(tài)修復(fù)、污水處理等舉措是岱海治理的重要方法。

圖2 “一湖兩海”水域面積變化圖Fig.2 Water Area Changes of“One Lake and Two Seas”

2）水體上層溫度變化可視化分析。圖3 展示了1986—2019年間岱海溫度變化趨勢。整體上看，岱海水溫波動明顯，但是絕大部分年份水溫相對較低，2015—2017年間水溫上升幅度比較大，并在2017年平均溫度達到26.4 ℃。水溫上升與岱海電廠冷凝水直排、氣溫上升、水量減少等因素存在密切關(guān)系。這已經(jīng)引起決策者的足夠重視。

圖3 岱海夏季上層水溫反演結(jié)果Fig.3 Inversion Results of Water Temperature in Upper Level of Daihai in Summer

3）水生植被變化可視化分析。圖4 呈現(xiàn)了烏梁素海水生植被變化分布情況。1977—2008年間，該區(qū)域蘆葦、水草增長迅速，年均增速分別達到175.8% 和1 246.6%，急劇變化原因為造紙業(yè)快速發(fā)展、工業(yè)污水及農(nóng)田退水大量排放導(dǎo)致的水體富營養(yǎng)化。2009—2019年間，通過造紙業(yè)整頓和生態(tài)修復(fù)，該區(qū)域蘆葦和水草面積分別下降了16% 和35.8%，生態(tài)治理效果顯著。

圖4 烏梁素海水生植被分布Fig.4 Distribution of Aquatic Vegetation in Wuliangsuhai

3 結(jié)束語

本文以內(nèi)蒙古“一湖兩?！睘檠芯繉ο?，集成多種監(jiān)測手段構(gòu)建“一湖兩?！彼騽討B(tài)監(jiān)測框架，基于DPSR 模型構(gòu)建水域監(jiān)測指標體系，為“一湖兩?！彼騽討B(tài)監(jiān)測提供可行框架，有助于從社會經(jīng)濟發(fā)展、自然生態(tài)系統(tǒng)以及兩者相互作用關(guān)系視角出發(fā)，揭示“一湖兩海”水域系統(tǒng)的動態(tài)演化規(guī)律以及存在問題的誘因，為科學(xué)解決“一湖兩海”生態(tài)問題提供了有效路徑?；趯ｎ}圖分析技術(shù)，本文實現(xiàn)了“一湖兩?！彼蚝诵闹笜梭w系的可視化分析，有效獲取了水域動態(tài)演化規(guī)律、趨勢及原因等信息，為水資源調(diào)查、監(jiān)測、保護治理以及河湖長制的建立提供科學(xué)支撐。