青藏高原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星融合應(yīng)用研究

文 | 宋忠航 牛澤鵬 馬紅波 符晗 王劍 張拯寧 艾宇 曹小敏 靳代櫻 李洪福 董逵才 謝文斌 吳向楠 李媛 楊朝輝 周文 侯利波李斌 張文謙

1.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司 2.航天恒星科技有限公司 3.陜西航天技術(shù)應(yīng)用研究院有限公司 4.三江源國家公園管理局

一、引言

近年來，我國大力推動生態(tài)文明建設(shè)并將其納入社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的總體布局，體現(xiàn)了更為全面的價值取向和更為深刻的生態(tài)倫理。青藏高原作為我國乃至亞洲重要生態(tài)安全屏障區(qū)和全球生物多樣性保護關(guān)鍵區(qū)，具有重要的水源涵養(yǎng)、防風固沙、碳固定和生物多樣性保護等功能，已成為生態(tài)文明的新高地。保護好青藏高原對人類生存環(huán)境和中華民族的未來發(fā)展具有十分重要的意義。

為保護青藏高原生態(tài)環(huán)境，我國依托三江源國家公園、祁連山國家公園等自然保護地開展了一系列生態(tài)環(huán)境保護與修復工程，極大地增強了高原生態(tài)安全屏障功能的穩(wěn)定性。但由于青藏高原脆弱的生態(tài)系統(tǒng)以及獨特的地理環(huán)境，傳統(tǒng)單一以地面監(jiān)測為主的監(jiān)管模式面臨巨大挑戰(zhàn)，已越來越無法滿足精準化、全面化與一體化監(jiān)管目標要求。隨著航天事業(yè)高速發(fā)展以及生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星手段日益強烈的應(yīng)用需求，結(jié)合新一代人工智能、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)，構(gòu)建基于衛(wèi)星通導遙與大數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境信息化應(yīng)用體系成為必然趨勢。

二、衛(wèi)星融合應(yīng)用體系總體設(shè)計

以北斗導航、高分遙感和低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為代表的衛(wèi)星通導遙等空間信息基礎(chǔ)設(shè)施已漸成規(guī)模，通過綜合利用衛(wèi)星通信鏈路全覆蓋的區(qū)域信息網(wǎng)絡(luò)、北斗定位系統(tǒng)以及多空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率遙感衛(wèi)星可構(gòu)建青藏高原衛(wèi)星通導遙天基信息感知與傳輸體系（圖1）。

圖1 衛(wèi)星通導遙綜合應(yīng)用

1.體系內(nèi)涵與架構(gòu)

青藏高原區(qū)域監(jiān)測與保護涵蓋自然資源、生態(tài)環(huán)保、執(zhí)法監(jiān)察、應(yīng)急減災(zāi)等多個領(lǐng)域，業(yè)務(wù)流程復雜，貫穿整體監(jiān)測與管理工作流程、全鏈條滿足多種業(yè)務(wù)需求的技術(shù)體系仍有缺失。綜合運用以衛(wèi)星通導遙為核心的天基手段，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建青藏高原生態(tài)環(huán)境信息化監(jiān)管技術(shù)體系（圖2），解決青藏高原因地域廣闊、人口稀少、地面監(jiān)測設(shè)施匱乏導致無法開展全域、全天候、全天時綜合監(jiān)測的難題。同時，結(jié)合地面和空基手段，可打造天地一體、上下協(xié)同、信息共享的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)天空地一體化集成服務(wù)，形成全方位地理空間生態(tài)大數(shù)據(jù)集。在生態(tài)大數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)上，借助大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行存儲管理、治理與挖掘分析，構(gòu)建以數(shù)據(jù)—分析—服務(wù)為驅(qū)動的一體化大數(shù)據(jù)平臺，為青藏高原生態(tài)監(jiān)測、保護與管理提供支撐。

圖2 青藏高原生態(tài)環(huán)境信息化監(jiān)管技術(shù)體系

2.體系功能與特點

（1）體系功能

高海拔、大范圍、高精度遙感監(jiān)測分析。以三江源國家公園為代表的青藏高原重點生態(tài)功能區(qū)，其生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系數(shù)據(jù)底座為基于高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)構(gòu)建的統(tǒng)一時空基準，在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)天空地多源時空信息高精度統(tǒng)一匹配與套合，提高圖像信息匹配準確度與疊置分析的處理效率。同時，根據(jù)地理國情普查數(shù)據(jù)成果以及高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，利用自動采集工具，可得到面向青藏高原地區(qū)，具有區(qū)域性、時序性、多類型、精度高的土地分類數(shù)據(jù)集，滿足深度學習數(shù)據(jù)集大規(guī)模、高分辨率、精細分類等要求，依托于該數(shù)據(jù)集，融合高精度語義分割方法，提高針對青藏高原這一區(qū)域遙感影像自動解譯和變化檢測精度。該體系貫穿遙感數(shù)據(jù)處理、生態(tài)產(chǎn)品生產(chǎn)、遙感行業(yè)應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)，具備從衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取、處理到綜合分析應(yīng)用的全流程能力（圖3）。

圖3 遙感監(jiān)測綜合分析應(yīng)用流程

高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)通信傳輸保障。青藏高原地域遼闊，通信資源匱乏，各類監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取依靠野外紅外相機和攝像頭，紅外相機采集數(shù)據(jù)不能及時上報，面對應(yīng)急事件同樣存在信息傳輸與通信指揮難題。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)作為該體系的重要組成部分（圖4），通過衛(wèi)星鏈路為用戶提供文件、語音、視頻等業(yè)務(wù)傳輸，支持遠程雙向視頻會商及互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。在重點監(jiān)控區(qū)域和環(huán)境應(yīng)急情況下，系統(tǒng)可保障管理機構(gòu)也可接收到實時的監(jiān)控區(qū)域資料，提供可靠的通信傳輸保障，實現(xiàn)各監(jiān)測站點之間可進行實時的話音交流，實現(xiàn)監(jiān)測站點狀態(tài)反饋。重點監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)測站點可將攝像監(jiān)控采集到的視頻直接通過衛(wèi)星鏈路實時傳輸至管理機構(gòu)，便于指揮人員實時獲取資源，并根據(jù)現(xiàn)場傳回的視頻，通過遠程控制軟件，對監(jiān)控攝像進行控制，有效獲取重點監(jiān)控區(qū)域的資源信息。

圖4 衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)

智能時空大數(shù)據(jù)融合分析。青藏高原自然場景復雜，監(jiān)測手段多樣的特點決定了大量涉及衛(wèi)星通信、北斗導航、衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)以及各類監(jiān)測視頻、圖片等海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型多、時間跨度大、數(shù)據(jù)源彼此獨立，使得各類數(shù)據(jù)資源難以共享和融合。衛(wèi)星通導遙與大數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境信息化應(yīng)用體系融合大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，按照高原生態(tài)保護監(jiān)測各類主題建立不同的數(shù)據(jù)應(yīng)用場景，支持人獸沖突、生物多樣性監(jiān)測與保護、生態(tài)管護、行政執(zhí)法、生態(tài)環(huán)境等時空大數(shù)據(jù)融合分析模型（圖5）?；诘匦巍⑸鷳B(tài)因子等時空數(shù)據(jù)，融合大量人獸沖突發(fā)生事件信息，構(gòu)建時空分析模型，實現(xiàn)人獸沖突事件規(guī)律發(fā)現(xiàn)及預測，為管理機構(gòu)制定防范機制提供科學數(shù)據(jù)支撐。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測旗艦物種棲息的分布和自然環(huán)境狀況以及衛(wèi)星導航監(jiān)測的遷徙路徑等海量信息，分析野生動物活動規(guī)律、生活習性、熱力分布等，從而有效評估物種保護現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

圖5 智能時空大數(shù)據(jù)融合分析流程

（2）體系特點

適應(yīng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)全面感知與管理。適應(yīng)未來數(shù)據(jù)增長及業(yè)務(wù)升級的應(yīng)用需求，拓展生態(tài)環(huán)境和自然資源監(jiān)測要素，結(jié)合衛(wèi)星應(yīng)用、人工智能與大數(shù)據(jù)、信息安全與技術(shù)等先進技術(shù)手段，實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)接入、處理、儲存、服務(wù)分發(fā)等各個環(huán)節(jié)，保障生態(tài)環(huán)境信息化應(yīng)用體系先進、高效支撐行業(yè)應(yīng)用。

面向高原生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)融合分析與挖掘。面向青藏高原特殊的地理環(huán)境區(qū)位以及對氣候變化異常敏感的反饋特征，利用人工智能、大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)等，形成適用于高原大尺度、高精度遙感分析模型，通過交互式智能提取和目標識別，實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)信息向結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)變，支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)分析、預測、偏差分析和時序分析等，深化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用的深度。

支撐數(shù)據(jù)共享與協(xié)同應(yīng)用。運用云計算等信息技術(shù)手段，構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺，按照青藏高原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)資源整合的要求，對各類監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行互聯(lián)、融合和共享，實現(xiàn)更好的協(xié)同聯(lián)動，整合外部系統(tǒng)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息，推動生態(tài)環(huán)境監(jiān)管、執(zhí)法與環(huán)境應(yīng)急等數(shù)據(jù)共享應(yīng)用。

三、應(yīng)用實踐

目前，我國正建設(shè)全世界最大的國家公園體系，黨的二十大報告也重點提出“推進以國家公園為主體的自然保護地體系建設(shè)”的要求。青藏高原作為我國安全屏障，不僅生態(tài)功能良好，生態(tài)區(qū)位也十分重要。根據(jù)國家公園空間布局方案，在第一批十個國家公園體制試點和未來計劃創(chuàng)建國家公園中，三江源、祁連山、昆侖山、青海湖等近十個國家公園位于“地球第三極”青藏高原及其邊緣地區(qū)，青藏高原國家公園群呼之欲出。本研究在我國第一個國家公園三江源國家公園建設(shè)過程中運用衛(wèi)星通導遙及大數(shù)據(jù)技術(shù)開展相關(guān)實踐應(yīng)用，并形成豐富成果。

1.生態(tài)系統(tǒng)格局遙感監(jiān)測

為加強宏觀生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和新時期國家公園環(huán)境保護工作，本研究利用高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取三江源國家公園生態(tài)系統(tǒng)各類面積，并計算各類生態(tài)系統(tǒng)類型占三江源國家公園的面積比例，分析三江源國家公園生態(tài)系統(tǒng)的空間分布格局，摸清生態(tài)系統(tǒng)的基本狀況。對園區(qū)范圍2021年度生態(tài)系統(tǒng)類型和結(jié)構(gòu)進行研究，通過內(nèi)業(yè)解譯并結(jié)合野外核查，初步得出生態(tài)系統(tǒng)類型面積和空間分布數(shù)據(jù)。2021年，三江源國家公園森林生態(tài)系統(tǒng)面積2.53km2，占總面積的0.001%；灌叢生態(tài)系統(tǒng)面積310.69km2，占總面積的0.16%；草地生態(tài)系統(tǒng)面積138594.48km2，占總面積的72.66%；濕地生態(tài)系統(tǒng)面積36245.35km2，占總面積的19.00%；城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)面積93.44km2，占總面積的0.05%；荒漠生態(tài)系統(tǒng)面積2693.70km2，占總面積的1.41%；其他生態(tài)系統(tǒng)面積12791.08km2，占總面積的6.71%。從空間上來看，三江源國家公園生態(tài)系統(tǒng)草地的空間分布范圍最廣，其次是濕地，濕地在西南部地區(qū)分布較少，其余方向均有集中分布；草地在各個方向均有集中連片分布；荒漠零散分布在長江源區(qū)西北及西南部地區(qū)；其他生態(tài)系統(tǒng)集中分布在長江源北部、南部地區(qū)及黃河源的四周（圖6）。（注：結(jié)果僅為科學研究，不作為權(quán)威發(fā)布）

圖6 2021年三江源國家公園生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)空間分布圖

2.人獸沖突場景智能分析

20世紀，人類定居、農(nóng)耕、修路、水電開發(fā)等活動對野生動物棲息環(huán)境造成一定影響。自2003年三江源國家級自然保護區(qū)成立后，野生動物保護力度加強，野生動物種群不斷發(fā)展和壯大，人獸沖突問題呈增長態(tài)勢。如何認識人獸沖突，如何管理人獸沖突，亟需給予重點關(guān)注和跟進研究。通過遙感衛(wèi)星、地面監(jiān)測站等手段獲取三江源國家公園水文、氣象、植被覆蓋度等數(shù)據(jù)，建立分析模型對人獸沖突的地點、海拔、人口、動物種類和數(shù)量等相關(guān)因子量化分析，為三江源國家公園人獸沖突風險管理提供數(shù)據(jù)支持。圍繞人獸沖突監(jiān)測，相關(guān)數(shù)據(jù)情況如表1所示。

表1 人獸沖突數(shù)據(jù)類型、采集方式及主要內(nèi)容

依據(jù)《三江源國家公園野生動物本底調(diào)查報告》中人獸沖突統(tǒng)計結(jié)果數(shù)據(jù)，本研究模擬相關(guān)因子數(shù)值并建模，探究三江源國家公園各區(qū)域人獸沖突情況。

根據(jù)調(diào)查報告以及相關(guān)文獻參考構(gòu)建了包含區(qū)域、肇事次數(shù)、肇事類型、平均海拔（m）、最高海拔（m）、最低海拔（m）、高差、植被覆蓋狀況、月平均溫度、月平均降雨量等10類自然和社會因子作為模型輸入?yún)?shù)。通過模擬和收集各鄉(xiāng)鎮(zhèn)具體參數(shù)，輸入到XGBoost算法中進行模型訓練，上述特征參數(shù)與研究目標（人獸沖突次數(shù)）擬合計算其相關(guān)性最終生成成熟模型，該模型可生成各鄉(xiāng)鎮(zhèn)每月發(fā)生人獸沖突次數(shù)，通過與沖突風險等級轉(zhuǎn)化，可直觀量化展現(xiàn)分析結(jié)果。沖突風險可分為無（0）、一般（1—4）、較大（5—10）、重大（11—20）和特大（20以上）五類。以索加鄉(xiāng)為例，預測2023年不同月份人獸沖突風險等級，模型分析結(jié)果如下：2023年1—2月沖突風險為0；3、5、6、10、11、12月人獸沖突風險等級為一般；4、7、8、9月人獸沖突風險等級為較大。從此次分析預測結(jié)果看，人獸沖突的時間分布不是十分穩(wěn)定，但總體上看，人獸沖突發(fā)生在第三季度的風險較大。

人獸沖突大數(shù)據(jù)挖掘分析得到的風險等級預測可有效指導牧民在人獸沖突事件多發(fā)區(qū)和季節(jié)提前采取防范措施，把野生動物襲擾負面影響降到最低，同時，也大幅提高管理部門管理水平和工作成效。

3.高原生態(tài)災(zāi)害事件應(yīng)對

隨著近幾年生態(tài)環(huán)境保護工程的實施，青藏高原生態(tài)保護與管理水平有了長足進步，但其腹地無人區(qū)仍存在監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)能力低下、信息無法傳輸?shù)亩贪?，生態(tài)巡護人員進入后無法和外界建立穩(wěn)定有效的聯(lián)系，人身安全無法得到保障，嚴重影響了日常管理與科研工作的開展，用衛(wèi)星通信手段為無信號覆蓋地區(qū)提供有效、優(yōu)質(zhì)、可靠的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)連接變得十分必要。衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為生態(tài)大數(shù)據(jù)中心建設(shè)中重要的通信支撐手段，可實現(xiàn)各平臺間數(shù)據(jù)傳輸以及站點之間數(shù)據(jù)共享，滿足各應(yīng)用場景下的日常及緊急通信需求。特別是近年來，由于全球氣候變化對青藏高原地區(qū)生態(tài)安全有一定影響，為高效應(yīng)對無人區(qū)生態(tài)災(zāi)害緊急事件，通過搭建衛(wèi)星通信系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)鏈結(jié)合無人機空基監(jiān)測，實現(xiàn)天空地一體數(shù)據(jù)感知與傳輸（圖7）。該系統(tǒng)在可可西里水患疏導治理期間提供水情、氣象、施工進度等各類監(jiān)測信息的實時傳輸，為事件緊急應(yīng)對措施制定提供了堅實保障。

圖7 生態(tài)災(zāi)害應(yīng)急事件數(shù)據(jù)傳輸示意圖

四、結(jié)論與展望

本文根據(jù)在青藏高原大區(qū)域、高海拔地區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作中所面臨的問題，結(jié)合生態(tài)環(huán)境監(jiān)測尺度大、驅(qū)動因素多、過程復雜等特點，提出基于衛(wèi)星通導遙和大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境信息化應(yīng)用體系的框架概念，闡述其內(nèi)涵定義，并介紹了該體系在三江源國家公園生態(tài)系統(tǒng)格局監(jiān)測、人獸沖突預測、生態(tài)災(zāi)害事件應(yīng)對等業(yè)務(wù)中的具體實踐應(yīng)用。未來，隨著遙感對地觀測技術(shù)、通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，如何對海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行高效智能的解譯、分析與應(yīng)用是持續(xù)面臨的挑戰(zhàn)。因此，需在衛(wèi)星通導遙綜合應(yīng)用基礎(chǔ)上，突破新一代天基大數(shù)據(jù)信息智能快速挖掘、天地數(shù)據(jù)融合以及衛(wèi)星通信+5G融合等技術(shù)，打造更為完善、成熟的生態(tài)環(huán)境信息化體系，發(fā)揮綜合應(yīng)用效果，催生成熟的以天基信息為主的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)綜合決策管理體系，提升生態(tài)環(huán)境科學決策管理水平。