吉林一號衛(wèi)星在查干湖國家級自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測中的應(yīng)用

文|劉思言 王春月 趙宇恒 秦磊 付璐 于海洋

1.長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司

2.吉林省衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)重點實驗室

一、前言

自然保護區(qū)可以積極保護生態(tài)平衡，有利于加強研究合理的生態(tài)平衡和對人類環(huán)境的保護，是中華民族的寶貴財富、美麗中國的重要象征[1]。截至2021 年2 月，中國已有34 處國家級自然保護區(qū)已被聯(lián)合國教科文組織的“人與生物圈計劃”列為國際生物圈保護區(qū)。近年受到人類活動的干擾，如農(nóng)田的擴張、工礦企業(yè)的違規(guī)建設(shè)等，生態(tài)環(huán)境遭到一定程度的破壞。為加強自然保護區(qū)監(jiān)督管理，2016 年上半年，環(huán)境保護部組織衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心開展了全國446 個國家級自然保護區(qū)2013-2015 年人類活動遙感監(jiān)測[2]。吉林查干湖國家級自然保護區(qū)位于吉林省西北部，霍林河末端與嫩江的交匯處，總面積506.84 km2。范圍在東經(jīng)124°03′28″—124°30′59″，北緯45°05′42″—45°25′50″之間。吉林查干湖國家級自然保護區(qū)以半干旱地區(qū)湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)和野生珍稀、瀕危鳥類為主要保護對象，具有重要的生態(tài)價值和保護意義。為了使查干湖自然保護區(qū)在涵養(yǎng)水源、保持水土、改善環(huán)境、保護生物多樣性等方面持續(xù)發(fā)揮重要作用，加強對查干湖保護區(qū)的人類活動的識別與監(jiān)管十分重要。

多數(shù)自然保護區(qū)具有覆蓋面積大、地形地勢復(fù)雜等特點，導(dǎo)致人工進行人類活動排查成本高、工作量大，時間周期長，容易遺漏[3]。并且人類活動具有8 種一級類型、20 余種二級類型，難以全面準確地掌握人類活動在自然保護區(qū)中的分布情況。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有探測范圍大、光譜信息豐富、分辨率較高等特點，可在自然保護區(qū)人類活動提取中發(fā)揮巨大的優(yōu)勢，提高監(jiān)測工作的精度及效率。在吉林一號星座的高分辨衛(wèi)星遙感影像中，各類型人類活動具有明顯特征。通過遙感解譯進行精細化提取，獲得準確的人類活動分布信息，可為自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境保護提供本底數(shù)據(jù)支持和科學決策依據(jù)。本文以吉林一號高分辨率衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，吉林查干湖國家級自然保護區(qū)作為監(jiān)測示例區(qū)域，介紹吉林一號衛(wèi)星在自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測中的應(yīng)用。

二、監(jiān)測數(shù)據(jù)與人類活動介紹

1. 監(jiān)測數(shù)據(jù)源

根據(jù)《自然保護地人類活動遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中的要求，對查干湖自然保護區(qū)進行人類活動監(jiān)測的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，需滿足分辨率優(yōu)于2m，單景影像云量低于10%，能夠清晰地表現(xiàn)紋理信息，突出主要地類。截至2022 年9 月，吉林一號衛(wèi)星星座目前已有70 顆衛(wèi)星在軌運行，是中國目前最大的商業(yè)遙感衛(wèi)星星座，可對全球任意地點實現(xiàn)每天23—25 次重訪，具備全球一張圖一年更新2 次、全國一張圖一年更新6 次的能力，最快可在11 分鐘內(nèi)實現(xiàn)對應(yīng)急任務(wù)的響應(yīng)。吉林一號寬幅系列、高分02 系列、高分03 系列、高分04 系列等衛(wèi)星均可達到亞米級空間分辨率，滿足人類活動提取的影像需求。其中吉林一號寬幅系列衛(wèi)星分辨率最高可達到0.5m，幅寬136 km。通過一次拍攝即可滿足大多數(shù)自然保護區(qū)的全覆蓋需求。綜合考慮耕地中農(nóng)作物的物候信息與植被生長特性，選用2021 年9 月的吉林一號寬幅01B 0.5m 分辨率衛(wèi)星影像作為提取查干湖自然保護區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。影像包含藍光、綠光、紅光以及近紅外四個光譜通道，且全域范圍達到無云狀態(tài)，滿足實際解譯中云量的要求。

2. 人類活動介紹

自然保護區(qū)人類活動類型包括礦產(chǎn)資源開發(fā)、工業(yè)開發(fā)、能源開發(fā)、旅游開發(fā)、交通開發(fā)、養(yǎng)殖開發(fā)、農(nóng)業(yè)開發(fā)、居民點與其他活動8 種一級類型，在此基礎(chǔ)上又區(qū)分了若干二級人類活動類型[5]。

自然保護區(qū)人類活動變化類型包括新增、擴大和減少等3 種類型，每種變化類型根據(jù)實際分為新增、面積擴大、強度增強、面積減少、強度減弱5種不同變化情況。

三、監(jiān)測工作流程與方法

1. 自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測

能夠準確且全面地提取人類活動信息，是制定自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境治理相關(guān)工作政策的基礎(chǔ)。利用基于深度學習的自動化提取技術(shù)結(jié)合人工核查的監(jiān)測手段，建立從衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取、處理到人類活動成果準確化提取及相關(guān)成果應(yīng)用的全流程監(jiān)測體系。高效利用高分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，精準獲取全面的人類活動變化及整體分布信息。監(jiān)測的整體工作流程如圖1 所示。

圖1 人類活動遙感監(jiān)測技術(shù)流程圖

以自然保護區(qū)邊界為拍攝范圍，獲取保護區(qū)內(nèi)主要作物與植被數(shù)據(jù)，通過該地區(qū)的主要植物的生長情況規(guī)劃拍攝時間，以便于區(qū)分人類活動類型。將拍攝得到的影像進行正射校正、融合、配準等處理，得到用于解譯的基礎(chǔ)影像。

以上一期人類活動數(shù)據(jù)為基準期數(shù)據(jù)，影像為基準期影像。將所建立的人類活動樣本庫，采用深度學習算法進行訓(xùn)練，得到人類活動提取模型。在拍攝得到的影像與基準期影像的基礎(chǔ)上，利用提取模型進行自動化提取人類活動變化信息。對提取得到的圖斑有針對性地進行實地核查，采集實際的人類活動屬性進行對比。修改不準確的圖斑信息，得到人類活動變化數(shù)據(jù)。整合人類活動基準期數(shù)據(jù)，獲得人類活動現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

以得到的監(jiān)測成果為基礎(chǔ)，對保護區(qū)內(nèi)的人類活動信息進行統(tǒng)計分析。評價保護區(qū)內(nèi)人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響程度。制作人類活動分布專題圖，撰寫報告，為自然保護區(qū)的綜合治理工作提供決策上的幫助。

2. 技術(shù)方法

（1）人類活動自動化提取

采用基于深度學習的方式對人類活動進行自動化提取。對于在影像中呈現(xiàn)分散分布狀態(tài)，并且形態(tài)較小、場景復(fù)雜的人類活動，如能源開發(fā)活動中的風電、水電、輸變電等設(shè)施，使用選擇應(yīng)用較廣的YOLOv5[6-7]作為自動化提取所用的目標檢測算法。訓(xùn)練樣本集數(shù)據(jù)，充分學習各項設(shè)施的特征，得到能源開發(fā)人類活動檢測模型。YOLOv5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及能源開發(fā)檢測流程如圖2 所示。該模型提取速度快，在查干湖國家級自然保護區(qū)人類活動提取中，可以高效地遍歷保護區(qū)范圍內(nèi)的影像。結(jié)合人工質(zhì)檢的方式，在人機交互篩查的過程中刪減誤檢信息，可以提升整體的提取精度。

在高分辨率遙感影像中，人類活動一般具有大分散小聚集的分布特點，適用地表分類技術(shù)。選擇HRNet+OCRNet[8]為使用的語義分割算法，并建立以東北地區(qū)地表信息為主要部分的地表類型樣本庫。通過GPU 并行加速減少預(yù)測時間，提升算法整體效率。算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及地表分類結(jié)果如圖 3 所示。在進行人工質(zhì)檢過程中對圖斑的邊緣進行優(yōu)化，使提取的結(jié)果更加貼合實際地物的分布情況。

圖3 HRNet+OCRNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及地表分類結(jié)果

（2）人類活動影響評價模型

根據(jù)自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測結(jié)果，計算自然保護區(qū)人類活動影響指數(shù)[9]，并進行分級，對區(qū)域內(nèi)的人類活動影響進行評價，評價模型如下：

其中，NRHI為自然保護區(qū)人類活動影響指數(shù)，xi為人類活動類型的面積，x為自然保護區(qū)的總面積。ai和bi為權(quán)重，其中ai根據(jù)每一類人類活動斑塊所在的功能區(qū)來確定，bi根據(jù)不同人類活動類型對自然保護區(qū)的影響程度來確定。

3. 服務(wù)方式

現(xiàn)有人類活動強度不再增加、減少新增人類活動數(shù)量、針對性治理重點類型人類活動，對于保護自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境十分重要[10]。為了方便對人類活動實施嚴格的監(jiān)管，建立自然保護區(qū)人類活動監(jiān)管平臺，有效地利用現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)對自然保護區(qū)人類干擾活動進行統(tǒng)計、分析和展示，統(tǒng)籌管理人員進行任務(wù)下發(fā)、執(zhí)行。通過統(tǒng)一的人類活動監(jiān)管平臺，提升數(shù)據(jù)供應(yīng)、核查整改等工作的效率，以遙感影像準確展示人類活動的實際治理效果，為自然保護區(qū)管理工作提供依據(jù)。

四、監(jiān)測成果及分析

基于吉林一號高分辨衛(wèi)星影像對吉林查干湖國家級自然保護區(qū)進行人類活動提取，除礦產(chǎn)資源開發(fā)外其他7 種人類活動均存在于保護區(qū)內(nèi)部。保護區(qū)內(nèi)人類活動提取數(shù)據(jù)如表 1 中所示，表中空白處即為未提取得到該區(qū)域或該類型的人類活動。

表1 查干湖國家級自然保護區(qū)人類活動分布情況

續(xù)表1

全域共提取得到309 處人類活動圖斑，總面積2188.41 hm2，占保護區(qū)總面積的4.3%。其中存在131 處農(nóng)業(yè)開發(fā)，面積1996.79 hm2，占保護區(qū)總面積的3.94%，占所有人類活動面積的91.24%。對自然保護區(qū)環(huán)境影響最大的礦產(chǎn)資源開發(fā)、工業(yè)開發(fā)、旅游開發(fā)、能源開發(fā)總共存在89 處，總面積為34.8 hm2，所占總體人類活動比例較小。查干湖保護區(qū)人類活動空間分布情況如圖4 所示。

圖4 2021 年查干湖國家級自然保護區(qū)人類活動分布現(xiàn)狀

根據(jù)人類活動影響評價模型，結(jié)合提取得到的各功能區(qū)的人類活動分布，計算吉林查干湖國家級自然保護區(qū)人類活動影響指數(shù)NRHI。結(jié)果如表2 所示。整個保護區(qū)的人類活動影響指數(shù)為0.000309，其中緩沖區(qū)的影響指數(shù)為0.0002021，占總影響的65.4%，說明在查干湖自然保護區(qū)中對環(huán)境影響較大的人類活動主要集中在緩沖區(qū)內(nèi)。以吉林省各自然保護區(qū)的NRHI值作為參考依據(jù)，設(shè)計人類活動影響程度等級劃分為5個等級：劇烈（NRHI＞0.003）、明顯（0.0007 ＜NRHI≤0.003）、較明顯（0.0002 ＜NRHI≤ 0.0007）、一般（0.00009＜NRHI≤0.0002）和輕微（NRHI≤0.00009）。查干湖保護區(qū)內(nèi)人類活動屬于較明顯等級，結(jié)合實際影像觀察，以農(nóng)田、居民點、道路、養(yǎng)殖場和人工設(shè)施等為主，有少量開發(fā)建設(shè)活動。

表2 查干湖國家級自然保護區(qū)人類活動影響指數(shù)

總體上查干湖自然保護區(qū)內(nèi)人類活動主要分布在東北部和南部。保護區(qū)內(nèi)人類活動在實驗區(qū)、緩沖區(qū)、核心區(qū)的面積分布分別為1118.21 hm2、994.01 hm2、76.19 hm2，其中實驗區(qū)人類活動最多，面積占保護區(qū)總面積的2.2%。緩沖區(qū)內(nèi)人類活動對保護區(qū)影響最大。核心區(qū)仍然存在人類活動的痕跡，分布著部分水田和旱地。

查干湖保護區(qū)是濕地類型保護區(qū)，主要地表類型為水域濕地，面積約為420 km2，占80%以上。雖然人類活動占總面積的比例不高，但是占陸域面積的比例過大，超過1/4，人類活動治理防控形勢仍然十分嚴峻。

在監(jiān)測過程中仍然需要人工進行參與：一是需要人工進行現(xiàn)場核查，明確具有爭議圖斑的屬性，提升二級人類活動提取的準確性；二是需要進行人工優(yōu)化提取結(jié)果的邊界，使之更加符合實際地類的分布特征。在監(jiān)測過程中充分利用自動化提取的效率，并且輔助人工進行優(yōu)化，最大程度上滿足準確與高效的要求。

五、結(jié)論及展望

通過吉林一號高分辨率影像提取得到了查干湖國家級自然保護區(qū)內(nèi)人類活動的主要分布情況和類型，以此為基礎(chǔ)對生態(tài)環(huán)境的干擾程度進行分析。查干湖自然保護區(qū)內(nèi)人類活動集中分布在保護區(qū)周邊，以農(nóng)業(yè)開發(fā)為主，人類活動較為明顯。雖然與歷史影像進行對比可觀察到保護區(qū)內(nèi)存在大量人類活動減少痕跡，表明查干湖保護區(qū)的生態(tài)環(huán)境治理工作正在有序推進，但是綜合考慮人類活動面積在保護區(qū)的占比情況，仍需進一步加快對干擾活動的綜合治理的腳步，在保持現(xiàn)有成果的前提下快速提升查干湖保護區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況。

吉林一號衛(wèi)星星座的遙感影像具有高時間分辨率、高空間分辨率、覆蓋能力強的特點，在進行大范圍、具有復(fù)雜地表的自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測中具有優(yōu)勢。在亞米級影像中可以準確地識別各種人類活動類型的地表特征，通過自動化提取+人工核查的方式能夠極大地提升人類活動排查的效率和準確度。高頻次的拍攝能力可以在第一時間得到人類活動的變化信息，提高自然保護區(qū)人類活動的動態(tài)監(jiān)測能力。自然保護區(qū)人類活動監(jiān)管平臺進一步增強了資源整合能力，使生產(chǎn)和核查等各方深度參與，提升人類活動的監(jiān)管能力。在后續(xù)的工作中仍需進一步提升監(jiān)測過程中的自動化水平，提高提取算法的準確性，增加各類型人類活動的樣本庫，完善提取模型。準確且全面地監(jiān)測人類活動，可以有效抑制對自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞，為保護區(qū)的環(huán)境治理工作提供數(shù)據(jù)支撐。