基于時空譜的生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測技術框架研究

張丹丹 肖晨超 魏丹丹 梁樹能 魏英娟

基于時空譜的生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測技術框架研究

張丹丹 肖晨超 魏丹丹 梁樹能 魏英娟

（自然資源部國土衛(wèi)星遙感應用中心，北京 100048）

構建星空地一體化的生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測技術體系是完善國土空間生態(tài)修復碳匯支撐體系的重要組成部分。文章在對生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測需求進行系統(tǒng)分析的基礎上，充分利用多源遙感大數據在時間維、空間維、光譜維的技術優(yōu)勢，設計了基于時空譜的星空地協(xié)同的生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測技術框架，包含觀測網絡體系、數據體系、產品體系、云服務平臺、標準體系、應用體系6大部分，重點分析了技術框架亟需突破的4項關鍵技術，最后以尋烏廢棄稀土礦山環(huán)境修復工程區(qū)碳匯遙感監(jiān)測的初步應用為例，闡述體系框架的應用模式和實踐效果。文章設計的框架思路可為山水林田湖草等不同尺度生態(tài)保護修復工程乃至陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯精準監(jiān)測提供一定參考。

時空譜 遙感大數據 陸地碳匯 生態(tài)保護修復工程 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星

0 引言

陸地生態(tài)系統(tǒng)具有重要的碳匯（通過植樹造林、植被恢復等措施，吸收大氣中二氧化碳、甲烷等導致溫室效應的氣體，從而減少溫室氣體在大氣中濃度的過程、活動或機制[1-2]）作用，陸地碳匯對“碳中和”目標的實現(xiàn)具有舉足輕重的作用[3]。黨的“十九大”提出，要統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，實施重要生態(tài)系統(tǒng)保護和修復重大工程。2016-2018年，中國實施了3批25個山水林田湖草生態(tài)保護修復工程試點，對原有陸地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能的改善，以及森林、草原、濕地、土壤等的固碳作用的有效發(fā)揮都起到了重要作用[4-5]。相關研究表明，生態(tài)修復區(qū)域的碳匯有56%是由生態(tài)保護修復工程帶來的[5]。然而，單純依靠中國生態(tài)系統(tǒng)研究網絡（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）、國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網絡（Chinese National Ecosystem Research Network，CNERN）、中國通量觀測研究聯(lián)盟等生態(tài)系統(tǒng)地面觀測網絡和觀測臺站等手段，由于受到目前觀測站點布設不足且空間分布不均衡、長期且規(guī)范的觀測平臺和網絡數據獲取困難等多種因素的限 制[1-2]，難以在更為精細的尺度上更為細致全面地為陸地碳匯估算提供支撐數據。鑒于生態(tài)保護修復工程具有生態(tài)系統(tǒng)結構復雜性、功能多樣性、時空多變性等特點，多源遙感技術近年來已經成為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯監(jiān)測的重要手段[1,6-8]。隨著國產陸地衛(wèi)星數量和觀測模式的不斷豐富，“高分七號”等激光雷達衛(wèi)星、L波段差分干涉SAR衛(wèi)星、“句芒號”衛(wèi)星等新型衛(wèi)星載荷的相繼成功發(fā)射，衛(wèi)星遙感對地觀測能力不斷提高[9-10]，同時機載激光雷達、高光譜、無人機等航空遙感技術日益成熟，使得碳匯監(jiān)測的數據源日益豐富。因此，通過構建星空地協(xié)同的應用模式，利用不同時間尺度和空間尺度下的光學、高光譜、雷達等多源遙感數據所獲取的高時效性、動態(tài)變化的地表覆蓋、植被類型及冠層理化參量、特定類別目標等信息，可為生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測提供局部生態(tài)系統(tǒng)邊界、組成、結構、理化參量數據及變化趨勢有關信息，可承接地面站點觀測數據，進一步開展不同尺度的推廣分析，并通過點面結合的手段，形成常態(tài)化監(jiān)測能力，確保碳匯監(jiān)測分析數據在不同區(qū)域不同時間跨度下的可比性。

本文以生態(tài)保護修復工程不同實施階段碳匯監(jiān)測需求為基礎，設計了基于時空譜的星空地協(xié)同的生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測技術框架思路，并通過具體案例的分析，闡述體系框架的應用模式和實踐效果，最后總結和討論了該技術框架實施面臨的問題和應用前景。

1 國土空間生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測數據需求

國土空間生態(tài)保護修復工程的碳匯遙感監(jiān)測貫穿工程實施前、實施中和實施后的全生命周期，除了監(jiān)測不同階段主要的碳匯參量及其變化外，還需要監(jiān)測各個階段不同精細程度的地表覆蓋、工程治理狀況和環(huán)境條件，以從宏觀、中觀、微觀等層面系統(tǒng)全面掌握生態(tài)保護修復工程治理與碳匯的耦合關系，為后續(xù)工程的規(guī)劃部署提供參考依據。工程實施前重點是本底的調查，查明對固碳作用顯著的各類要素的基底情況，如工程范圍內的植被類型、土地利用類型、樹種、林齡、植被的生長變化、土壤類型、土壤有機碳含量、土壤砂粒、黏粒等[11-12]。工程實施階段主要是對河道、退化土地、林草治理、礦山修復治理等治理工程實施情況及引起的碳匯變化情況的監(jiān)測。工程實施后主要是監(jiān)測對固碳作用顯著的各類要素的變化情況，如植被類型變化、土地利用變化、土壤品質變化等。生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測的主要內容及數據需求如表1所示。

表1 生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測內容及數據需求表

注：“基期”是指開始生態(tài)保護修復工程監(jiān)測的起始期或對比的標準時期。

2 總體技術框架設計

2.1 基于時空譜的生態(tài)保護修復工程碳匯監(jiān)測總體技術框架

生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測技術框架主要由星空地一體化碳匯觀測網絡體系、基于時空譜的星空地一體化碳匯遙感監(jiān)測大數據體系、碳匯關鍵遙感參量產品體系、碳匯監(jiān)測監(jiān)管云服務平臺、基于多源遙感數據的碳匯遙感監(jiān)測標準規(guī)范體系和分析應用體系6部分組成，如圖1所示。

（1）星空地一體化碳匯觀測網絡體系

針對重點生態(tài)保護修復工程多時空尺度的碳匯監(jiān)測需求，綜合利用“高分七號”衛(wèi)星、L波段SAR衛(wèi)星、高光譜、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星等多源衛(wèi)星，機載LiDAR、高光譜、CCD相機、無人機等航空、低空載荷，形成虛擬的衛(wèi)星-航空-低空遙感觀測“面狀”網絡，同時整合CERN、CNERN等已建的地面通量觀測網絡、在建和待建的觀測站點及樣地/樣方形成的“點”狀網絡，構建生態(tài)保護修復工程星空地一體化的“點”、“面”結合的碳匯觀測網絡體系，逐步形成對生態(tài)保護修復工程碳匯持續(xù)的觀測能力，為開展碳匯調查、監(jiān)測、分析評估等提供高精度、強時效和全覆蓋的數據源。

圖1 生態(tài)修復工程碳匯遙感監(jiān)測技術框架

（2）基于時空譜的碳匯遙感監(jiān)測大數據體系

充分發(fā)揮多源衛(wèi)星遙感數據及定量遙感等技術優(yōu)勢，通過整合已建、在建和待建的CERN等野外觀測站點等其他地面觀測數據，充分發(fā)揮多源數據的時–空–譜優(yōu)勢，通過高時–空–譜融合技術，多源數據同化等技術，構建與碳匯監(jiān)測綜合站點相匹配的星空地一體化的碳匯遙感監(jiān)測數據集，形成時間、空間、光譜多維度的海量遙感大數據集，提升碳匯監(jiān)測模型在站點尺度和區(qū)域尺度的精度和通用性。

（3）碳匯關鍵遙感參量產品體系

通過多源衛(wèi)星遙感時空譜系構建、定量遙感、遙感大數據挖掘、生態(tài)系統(tǒng)過程-遙感模型模擬預測等技術，構建區(qū)域連續(xù)碳匯監(jiān)測產品反演模型，形成多類型多尺度的生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測系列產品，包括總初級生產力（Gross Primary Production，GPP）、凈初級生產力（Net Primary Production，NPP）、凈生態(tài)系統(tǒng)生產力（Net Ecosystem Production，NEP）、葉面積指數（LAI）、森林蒸散（Evaportraspiration，ET）、光能利用率（Light Use Efficiency，LUE）、生物量、土壤有機質含量、土壤水分等，為碳匯調查評價、固碳速率及潛力評價提供基礎支撐數據。

（4）碳匯遙感監(jiān)測監(jiān)管云服務平臺

圍繞碳匯監(jiān)測監(jiān)管需求，建設碳匯遙感監(jiān)測評估數據庫，融合衛(wèi)星、機載等多源遙感數據、森林資源清查、地理國情監(jiān)測、第三次國土調查等基礎數據、地面生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)觀測站點數據和氣象、社會經濟統(tǒng)計等支撐碳匯核算的數據資源，通過虛擬化、云服務資源管理等技術，研發(fā)包括成果集成管理、綜合展示、統(tǒng)計匯總、時空分析、碳匯核算、模擬分析、輔助決策支持等功能的監(jiān)管云服務平臺，為碳匯的監(jiān)測監(jiān)管提供信息化軟件支持。

（5）基于多源遙感數據的碳匯遙感監(jiān)測標準規(guī)范體系

碳匯遙感監(jiān)測標準規(guī)范體系包括空天地一體化的碳匯觀測網絡建設技術要求、碳匯遙感大數據集建設技術要求、碳匯關鍵遙感產品生產規(guī)范等。梳理形成生態(tài)保護修復工程星空地一體化碳匯遙感監(jiān)測數據資源體系，明確野外觀測站點所對應的地面觀測數據的采集、處理、存儲等策略，規(guī)范數據類型、數據內容、格式等。設計觀測站點對應的多源衛(wèi)星影像數據、地表覆蓋數據、生態(tài)參量反演產品的采集與制作頻次，及一體化組織管理的概念、邏輯、物理存儲模式等。

（6）分析應用體系

基于反演的冠層高度、生物量等碳匯監(jiān)測關鍵遙感產品，根據生物量轉換因子、精細區(qū)分段求積、統(tǒng)計遙感模型等方法估算碳儲量，分析生態(tài)保護修復工程不同實施階段碳儲量的差異；利用碳匯核算方法和潛力評價模型，結合規(guī)劃管理等數據，分析固碳速率、增匯能力等；利用遙感、定位觀測和定點監(jiān)測技術，監(jiān)測評估重要生態(tài)空間的碳匯功能現(xiàn)狀以及變化情況，量化評估生態(tài)保護修復區(qū)碳增匯成效；識別評估生態(tài)碳匯功能重要空間和生態(tài)碳匯提升適宜空間，量化評估不同區(qū)域、不同時段各類型生態(tài)系統(tǒng)的碳匯潛力與關鍵影響因素等。

2.2 技術流程設計

生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測技術流程如圖2所示，包括星空地一體化數據獲取、星空地一體化數據標準化處理、多級多尺度碳匯遙感監(jiān)測產品標準化生產、碳匯估算與模擬分析、綜合應用等5個環(huán)節(jié)。首先，基于光學、高光譜、激光、SAR等衛(wèi)星，以及航空、低空遙感平臺及地面觀測臺站和網絡體系獲取生態(tài)保護修復工程的多源數據，然后基于標準化的數據處理規(guī)范，通過時空譜數據融合、數據同化、數據再分析等技術對獲取的星空地一體化數據進行標準化處理，形成時空譜融合的生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測大數據集；借助定量遙感技術、機器學習、生態(tài)系統(tǒng)過程-遙感模型模擬預測等技術，以碳匯遙感監(jiān)測關鍵指標和標準化生產規(guī)范為指導，開展多級、多尺度碳匯遙感監(jiān)測產品標準化生產，形成碳匯遙感監(jiān)測系列產品；基于構建的碳匯監(jiān)測服務云平臺和碳匯遙感監(jiān)測大數據集，開展碳匯的時空分析、估算、統(tǒng)計計算等，形成專題圖件和分析報告；最后，基于碳匯估算與模擬分析的結果，開展增匯成效評價等綜合分析應用，為生態(tài)保護修復工程的規(guī)劃、實施和監(jiān)管等提供決策支持。

圖2 生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測技術流程圖

2.3 生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測產品體系

按照生態(tài)保護修復工程不同實施階段對遙感產品的需求分析，綜合激光、高光譜、光學、SAR、熱紅外等遙感載荷的數據獲取能力和智能計算、定量遙感等技術，圍繞生態(tài)保護修復工程實施的目標，按照可分、實用等原則梳理生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測的關鍵產品體系，如表2所示。

3 生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測關鍵技術方法

（1）智能感知與多源異構數據匯聚技術

星空地一體化碳匯觀測網絡體系的核心是對多種觀測手段的動態(tài)和智能感知及數據的匯聚。結合已建的CERN等生態(tài)觀測網絡和在建的生態(tài)觀測站點，通過衛(wèi)星虛擬網、傳感網、互聯(lián)網等組網技術，構建面向生態(tài)保護修復工程的碳匯智能感知網絡，為碳匯監(jiān)測的多站點聯(lián)合、多網絡系統(tǒng)組合、多尺度聯(lián)合數據獲取提供技術支撐。同時圍繞星空地一體化的碳匯遙感監(jiān)測數據具備的數據密集、計算密集、并發(fā)訪問密集、時空密集等技術特點，通過數據清洗、數據同化、數據融合等技術實現(xiàn)海量多源異構感知數據的匯聚和管理[14-15]。

（2）基于時空譜的多源遙感數據組織與融合技術

鑒于開展碳匯遙感監(jiān)測所用的衛(wèi)星、航空（包括無人機）等不同的遙感平臺和傳感器在成像的時間、角度、高度、空間分辨率、光譜等特性上存在很大不同，為更有效組織管理和處理時-空-譜多維遙感數據，快速高效提取區(qū)域內的多維多要素信息，需對多源、多傳感器、多模式的遙感數據進行有效的管理和高精度一體化處理，需逐步突破遙感時空譜多維數據組織模型和融合處理算法等算法，如SPAtial- Temporal-Spectral（SPATS）時空譜多維遙感數據一體化存儲結構[16]等，一方面提升多數據產品品質的一致性和穩(wěn)定性；另一方面，充分發(fā)揮多源時空大數據的規(guī)?；瘍?yōu)勢和互補性優(yōu)勢，提升處理精度[17]。

表2 生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測關鍵產品體系

（3）數據和模型耦合驅動的關鍵碳匯參量定量反演技術

鑒于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程機理的復雜性，現(xiàn)有地面觀測臺站嚴重不足，小區(qū)域或場地尺度等對關鍵碳匯參數時間和空間分辨率要求越來越高等實際需求，需要發(fā)揮機理模型驅動和回歸、機器學習、深度學習等數據驅動的定量遙感技術各自的優(yōu)勢，將物理過程建模與靈活的數據驅動建模相結合，構建耦合物理過程機理與數據驅動模型的定量遙感范式[17]，形成泛化能力強、可遷移、小樣本適用的關鍵碳匯參量的定量反演技術[18-19]。

（4）基于遙感大數據的智能解譯技術

生態(tài)保護修復工程實施不同階段精細的土地利用類型、植被類型及其變化是進行碳匯監(jiān)測的重要指標和碳匯估算模型的重要輸入參數?；谶b感大數據的智能解譯技術對遙感解譯的工程化應用具有重要的推動作用[20]，該技術的核心是遙感影像樣本庫、遙感智能解譯的算法與模型、能夠進行大規(guī)模計算的硬件平臺[21]。通過突破多模態(tài)知識融合關聯(lián)的深度網絡構建、智能化的加速技術、面向復雜地理場景標準化、規(guī)范化的多模態(tài)樣本庫構建技術等[20,22]，為碳匯估算提供高時效性、高精度的土地利用、植被類型等支撐數據。

4 典型生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測應用案例

江西贛南山水林田湖生態(tài)保護修復工程位于江西省贛州市，是南嶺生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)域，也是我國南方丘陵山地生態(tài)屏障重要組成部分。該工程于2016年批復，執(zhí)行周期為2017–2019年，重點實施生態(tài)系統(tǒng)與生物多樣性保護、流域水環(huán)境保護與整治、礦山環(huán)境修復、水土流失治理、土地整治與土壤改良等5大工程。其中位于尋烏縣的廢棄稀土礦山環(huán)境修復工程實施成效顯著，入選2020年全國第一批生態(tài)產品價值實現(xiàn)典型案例和2021年中國生態(tài)修復典型案例，成為中國向全球推介生態(tài)與發(fā)展共贏的“中國方案”之一。通過本文所構建的基于時空譜的重大生態(tài)保護修復工程的技術框架，借助多源遙感大數據等技術對工程區(qū)的碳匯進行遙感監(jiān)測，形成多級碳匯遙感監(jiān)測產品。圖3為基于機器學習等技術，利用“高分一號”、“資源三號”等優(yōu)于2m的高分辨率衛(wèi)星影像識別的工程區(qū)實施前、實施過程中及實施后的土地利用情況。由圖3可知，該工程啟動后，通過逐步對廢棄的稀土礦山治理、土地整治、周邊植被的恢復重建等措施的實施，區(qū)域的植被覆蓋情況明顯改善。圖4為利用2016年3月和2020年3月中分辨率衛(wèi)星影像，基于定量遙感技術反演的植被覆蓋度產品（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC）的工程實施前后對比圖。由圖4可知，區(qū)域的植被覆蓋已由近10%提高到90%以上。隨著林地、園地、草地、耕地等植被的恢復，及不同物種、林齡等的變化，區(qū)域的固碳能力和碳匯等參量也隨之變化。圖5為基于遙感數據、地面觀測數據、氣象數據等多源數據，利用Invest模型估算的區(qū)域固碳量產品的變化圖。由圖5可知，區(qū)域的總碳固持量由2016年的2.65kg增加到2020年的2.72kg，此外，在中部礦區(qū)植被恢復的區(qū)域及西北部耕地恢復的區(qū)域固碳總量在持續(xù)增加，充分表明了植被對固碳的顯著作用。

圖3 尋烏廢棄稀土礦山環(huán)境修復工程區(qū)實施不同年份土地利用對比圖

圖4 尋烏廢棄稀土礦山環(huán)境修復工程實施前后植被覆蓋度對比圖

圖5 尋烏廢棄稀土礦山環(huán)境修復工程區(qū)實施不同年份固碳量對比圖

5 結束語

本文針對國土空間生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測需求，設計了包括觀測網絡體系、數據體系等六大核心內容的生態(tài)保護修復工程遙感監(jiān)測技術體系框架，梳理了碳匯遙感監(jiān)測的關鍵產品體系，提出了需要突破的智能感知與多源異構數據匯聚、基于時空譜的多源遙感數據組織與融合、數據和模型耦合驅動的關鍵碳匯參量定量反演等關鍵技術，并以具體的應用案例說明體系的初步應用模式，對后續(xù)山水林田湖草等生態(tài)保護修復工程及其它國土空間生態(tài)保護修復項目的碳匯監(jiān)測都有一定的參考意義。

然而由于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的復雜性，山水林田湖草等生態(tài)保護修復工程的系統(tǒng)性，體系框架的跨學科、跨領域、跨部門性，數據共享的不充分性和技術的復雜性等特點，為本文所提出的技術框架的實施帶來了一定的難度。然而隨著國家“雙碳”目標的深入推進，也為跨學科、跨部門的聯(lián)合、多源數據的充分共享、聯(lián)合科技創(chuàng)新等提供了契機。通過加大對“十四五”期間正在實施的生態(tài)保護修復工程的實踐探索，不斷優(yōu)化和完善體系框架結構，對進一步推動多源遙感大數據等技術在國土空間生態(tài)保護修復的應用和碳中和目標的實現(xiàn)具有重要意義。

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Study on the Technical Framework of Carbon Sink Monitoring for Ecological Protection and Restoration Projects Based on Spatial-temporal-spectral Data

ZHANG Dandan XIAO Chenchao WEI Dandan LIANG Shuneng WEI Yingjuan

（Land Satellite Remote Sensing Application Center, MNR, Beijing 100048,China）

The construction of remote sensing monitoring system of carbon sink for ecological protection and restoration projects is an important part of improving the supporting system of carbon sink for ecological restoration of territorial space. A spatial-temporal-spectral based technology framework for carbon sink monitoring in ecological protection and restoration projects was designed based on the systematic analysis of carbon sink monitoring requirements. It included six parts: observation network system, data system, product system, cloud service platform,standard system and application system. Four key technologies needed to be broken through were proposed. Finally, a case study on the application of remote sensing monitoring of carbon sink in the environmental rehabilitation project area of abandoned rare earth mine in Xunwu County is given to illustrate the application model and practical effect of the framework. The framework proposed can be used as a reference for ecological conservation and restoration projects in different scales for the accurate monitoring of carbon sink in terrestrial ecosystems.

spatial-temporal-spectral; remote sensing big data; land carbon sink monitoring; ecological protection and restoration project; terrestrial ecosystem carbon inventory satellite (TECIS-1)

TP79

A

1009-8518(2022)06-0119-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.06.012

2022-11-07

自然資源衛(wèi)星遙感技術體系建設與應用示范項目

張丹丹, 肖晨超, 魏丹丹, 等. 基于時空譜的生態(tài)保護修復工程碳匯遙感監(jiān)測技術框架研究[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(6): 119-128.

ZHANG Dandan, XIAO Chenchao, WEI Dandan, et al. Study on the Technical Framework of Carbon Sink Monitoring for Ecological Protection and Restoration Projects Based on Spatial-temporal-spectral Data[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(6): 119-128. (in Chinese)

張丹丹，女，1982年出生，2009年在中國科學院地理科學與資源研究所獲博士學位，高級工程師。研究方向為遙感智能處理和生態(tài)遙感監(jiān)測。E-mail：zhangdandan@ lasac.cn。

（編輯：毛建杰）