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3S技术在我国生态环境动态演变研究中的应

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3S技术在我国生态环境动态演变研究中的应

  3S技术可实现对区域生态环境演变各要素的综合、动态、实时监测,是进行生态环境动态监测与研究领域不可替代的重要观测手段和信息处理工具。本文通过介绍生态环境监测必要性、3S发展历程及总结该技术在生态环境动态监测与演变分析研究中的优势及特点,对3S技术在我国生态环境动态监测领域的应用现状进行了综合分析;基于对地综合观测系统的全球发展视角,从监测内容尺度、技术研究方法、监测分析手段及多源技术融合等方面阐述了3S技术在我国生态环境动态监测领域面临的机遇与挑战。

  引文格式:闫正龙,高凡,何兵. 3S技术在我国生态环境动态演变研究中的应用进展[J].地理信息世界,2019,26(2):43-48.

  生态环境是自然环境和人文环境进行能量交换和物质循环的动态平衡系统。工业革命以来,人类活动对生态环境的影响由单一的资源破坏、环境污染问题,逐渐演变为涉及自然资源保护、生态环境平衡、生物多样性保存、人与自然和谐共存及可持续发展等一系列复合生态环境问题,对环境变化的监测也从一般意义上的环境污染监测向生态环境一体化监测扩展。及时准确地对生态环境的动态变化进行监测,掌握其变化规律及趋势,以实现合理的人为调控及科学管理,具有积极和重要的意义。随着高新技术的快速发展,由遥感(Remote Sensing,RS)、地理信息系统(Geographic Information System,GIS)和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)集成的3S技术成为空间信息获取、管理、分析和应用领域不可替代的重要观测手段和信息处理工具,3S技术在生态环境动态监测与管理实践中的应用为解决上述问题提供了有效手段,并实现了对生态环境演变中各地物要素的综合、动态及实时监测。其中,GPS技术主要提供基准定位,RS技术主要获取基础数据源信息,GIS技术则是对GPS、RS等多源时空数据进行综合处理、集成管理、空间查询分析及图形动态存取,以实现区域生态环境空间与属性信息一体化分析处理与综合决策的有效工具。基于此,本文结合3S技术在生态环境动态监测与演变分析应用实践中的优势与特点,对其在我国生态环境动态演变研究领域的应用现状进行梳理与总结,并基于对地综合观测系统的全球发展视角,提出3S一体化技术在生态环境管理及监测领域面临的主要问题及进一步完善方向。

  生态环境指自然环境或自然地理环境,实质是由一定地域范围内生物、土壤、水体、空气、地质、地貌等生态环境要素组成的综合生态系统。生态环境动态监测技术于20世纪60年代后期产生,是一种收集自然环境资源信息的手段,其在时空尺度上实现了对特定地域范围内的生态系统或生态系统聚合体的类型、数量、结构和功能等要素定期、系统地观测与测定,揭示影响生态系统或生态系统聚合体变化的驱动要素及其相互作用机制,实现对生态系统或生态系统聚合体现状和发展趋势的评价与预测。生态环境动态监测主要涉及对生态系统影响的现状调查、趋势分析、环境污染、土地利用类型及变化、森林砍伐、城市化进程等内容,具有长期性、综合性、周期性等特点,对监测结果精确度和准确度要求较高。常规的监测手段主要是借助手工或半自动方法获取信息,缺点是效率低、耗时长,难以实时、快速、准确实现区域环境数据的动态采集,对生态环境信息综合分析及数据挖掘能力弱,无法高效支持生态环境的动态管理及决策服务。

  3S一体化技术是RS、GPS、GIS技术的统称,是当前对地观测系统中空间信息获取、存贮管理、更新维护、分析应用的三大支撑技术。RS技术起源于航空探测。1957年前苏联发射首颗人造地球卫星、1972年美国发射首颗陆地卫星等事件标志着全球航天遥感时代的开始。近年来,RS与GPS、GIS、虚拟现实(Virtual Reality,VR)、网络(Networks)及多媒体(Multimedia,MM)等信息技术的发展与综合应用,极大地推动了RS技术的发展。1981年中国等5个亚洲国家遥感组织发起成立的亚洲遥感协会标志着我国遥感技术研究的真正起步。目前,我国已成为遥感应用大国,建成了全国卫星遥感信息接收处理分发、国家级资源环境宏观信息服务、海洋环境立体监测等体系及灾害遥感监测评估业务运行等众多系统。

  GPS技术是20世纪70年代由美国研制、90年代布设完成的空间卫星导航定位系统,由含21颗工作卫星+3颗备用卫星的空间部分、地面控制和用户设备三部分组成,卫星轨道平均高度达20 000 km。除美国外,俄罗斯(GLONASS)、欧洲(EGNOS)、日本(MTSAS)、中国(BDS)等国家先后建立或规划建立了卫星定位系统。其中,我国BDS始建于2000年,现已成功发射43颗并完成基本部署,开始服务于“一带一路”沿线国家和地区,迈出了从区域走向全球服务的“关键一步”。目前,GLONASS已与BDS完成兼容合作,GPS也和BDS签署了信号兼容与互操作联合声明,预计2020年前后,我国的BDS将面向全球用户提供服务。

  GIS技术最先由加拿大测量学家R.F.Tomlinson于1963年提出,并建立了世界上第一个用于自然资源的管理和规划的地理信息系统——加拿大地理信息系统(CGIS)。20世纪70年代,随着计算机技术的发展及在自然资源和环境数据处理中的应用,地理信息系统迅速发展;20世纪80年代,微型计算机、远程通讯传输设备的出现及计算机网络的建立,在地理信息传输时效得到极大提高的同时,其应用领域不断扩大;20世纪90年代至今,计算机软、硬件的更新升级及互联网的迅速普及,地理信息系统得到迅速普及推广。我国的GIS技术起步较晚,先后经历了筹备阶段(1978~1980年)、起步阶段(1980~1985年)、发展阶段(1985~1995年)和产业化阶段(1996年后),近年来发展尤为迅速,先后在地理信息系统标准化、国家基础地理信息系统设计、国家资源与环境信息系统建立、自然资源调查等领域取得了重要成果,并逐渐得到广泛应用,现已成为国民经济建设的一种现代化管理和决策手段。

  随着全球范围内“数字地球”热潮的兴起,3S技术广泛应用于测绘、水利工程、生态环境监测分析、生态环境质量评价与预测、土地资源利用监测、病虫害预测预报等领域,并取得了重要成果。其中,生态环境动态监测领域的3S一体化技术相比传统的监测手段与分析方法优势尤为明显,一是RS技术可从多角度、多时相获取区域内地物要素的高分辨率信息,实现大范围内的生态环境动态监测,还可基于虚拟现实+三维可视技术实现动态视觉模拟仿真;二是基于GPS技术可实现遥感影像或野外数据采集点空间位置的精确获取定位。目前,GPS技术已能为全球任意地点、任意多个用户同时提供高精度、全天候、连续、实时的七维空间定位(含三维空间位置、三维测速和时间基准)、厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位、米级甚至亚米级的动态定位服务,加之实时动态测量(RTK)模式下GPS的定位时间仅1~2 s,更为精准、迅速地区域生态环境信息动态获取已成为现实;第三,GIS技术强大的空间信息采集、组织管理、空间查询分析、及与多源地学信息综合、图像增强处理、三维图像显示、海量数据建库技术等内容的联合应用,可为区域范围内生态环境数据的深层挖掘、综合分析、服务决策等提供了强有力的服务支撑。

  国外早在1960年就基于TIROS和NOAA卫星数据通过植被指数 (Normalized Difference Vegetation Index,NVDI)研究土地利用和土地覆盖变化(Land-Use and Land-Cover Change,LUCC)。此后,利用对地观测卫星数据进行森林分类,将全球森林按常绿、阔叶、混交、针叶等类型进行划分,精确描述了其地理分布状况并进行了动态更新。20世纪八九十年代,澳大利亚、美国、加拿大、日本、德国等国家相继建立了基于3S技术的资源环境信息系统。目前,加拿大、日本、印度等国大约在25 min内即可利用前一天接收的TM等卫星遥感数据,按统一的指标体系和图例输出整幅的1:200 000或1:500 000土地利用/土地覆盖图。

  我国基于3S技术的生态环境监测与研究虽起步较晚但成果显著,在原始数据获取、信息管理与分析、信息查询与检索,以及成果多维显示与表达等领域取得了许多重要的研究成果。

  中国科学院和农业部组织实施的“八五”重大应用研究项目——“国家资源环境遥感宏观调查与动态研究”,完成了国家资源环境的组合分类调查、建设了“国家资源环境数据库”并进行了典型地区的资源环境动态研究;“九五”国家科技攻关重中之重项目——“遥感、地理信息系统及全球定位系统技术综合应用研究”,以全数字化方法构建了不同级别的土地资源数据库与生态环境背景数据库。2000年后,我国集成3S技术及数据挖掘与统计技术,针对青藏高原、西北干旱区、农牧交错带、绿洲区、黄土丘陵沟壑区等不同陆地地貌带的生态环境变化开展了大量研究,取得了一系列具有代表性的成果。如尹昭汉等(2001)基于3S技术对鸭绿江中下游地区近百年生态环境演变进行了分析;王乃昂等(2002)基于3S技术对近2000年来我国西部生态环境变化及其影响因素进行了研究;李晓文等(2003)基于高分辨率土地利用数据对1985~2000年期间河西地区生态环境及其效应进行了分析;王思远等(2004)基于RS和GIS技术对黄河流域1980~1990年生态环境动态演变特征及趋势进行了综合评价;高会军等(2005)基于MSS、TM遥感卫星图像与GIS技术,对青海湖地区1975~2000年生态环境动态变化进行了监测;吴炳方等(2005)利用RS和GIS技术对5个典型脆弱区1997~2002年生态环境变化进行了动态监测;王晓峰等(2006)在3S技术动态监测基础上,采用脆弱度公式计算了陇南地区生态环境脆弱度;吴虹(2007)等基于TM/TEM+和MODIS等多源影像对近30年来漓江流域生态环境变化进行了动态监测;卓静(2008)基于3S技术对陕北地区生态环境变化进行了动态监测及分析评价;赵静(2009)以多源遥感数据及统计监测数据为数据源,借助RS和GIS技术探讨了三江源生态环境演化趋势及驱动因子;王冬梅(2013)基于多期TM影像和气候资料,研究了武都区1992~2011年植被覆盖度动态变化分析。在此期间,由于我国西北干旱与半干旱区的草原和荒漠地区涉及区域广泛且生态环境问题突出,20世纪80年代初我国展开了基于3S技术的荒漠生态监测应用研究。如新疆环境保护科学研究院(1984)开展了“荒漠生态系统定位观测研究”工作;新疆环境监测中心站(1984)利用全区气象卫星NOAA-12五个波段影像数据完成了土地荒漠现状评价工作;高丽敏等(2007)基于3S技术对西北地区不同生态类型区生态环境的时空变化进行了分析;孙权等(2011)基于3S技术实现了新疆石河子地区的生态环境敏感参量提取与评价分析;蒋菊芳(2018)等基于3S技术分析了1987~2016近30年来石羊河流域生态环境动态变化趋势及驱动力分析,证明了流域综合治理后10年间生态改善效果显著。

  近年来,随着我国高分卫星的多频次发射,高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率卫星数据已成为遥感监测的主要数据源,基于此开展的生态环境动态变化监测及资源环境调查应用研究也成为热点。如林楠等(2014)利用最小二乘法支持向量机良好的非线性划分能力,基于资源一号02C高分辨率遥感数据及图像形状纹理特征等信息,完成了我国农业区土地利用类型的快速分类提取和高精度划分;刘凌露(2015)基于2013年GF-1遥感影像等数据,重点探讨了传统分类方法与面向对象分类方法提取石家庄市生态用地的实用性;任冲(2016)基于GF-1遥感影像对甘肃省百花林场森林类型动态变化进行了监测;周禹(2017)利用2013~2016年GF-1卫星数据,开展了潘阳湖水面变化的监测与研究等。

  综合上述已有研究成果发现,基于3S技术的生态环境动态监测研究,已由最初的生态与环境资源调查发展为如今的资源与生态状况综合监测,即由单一监测指标向多指标转变并逐步向多功能生态环境综合监测发展,监测内容趋于更加标准规范,分析评价方法趋于综合多样,监测成果逐步迈向网络化及共享化,监测视角更是趋于全球。其次,研究成果年度发表论文数量综合统计分析发展呈不规律变化,如图1所示,截止2018年12月通过中国知网()统计的基于3S技术的生态环境监测研究相关文献总计约为124篇,主要涉及工程技术(63篇)、基础与应用基础研究(44篇)、行业技术指导(12篇)、行业指导(3篇)、基础研究(1篇)、政策研究(1篇)等6个研究层次,通过文献数量发现生态环境研究在一定程度上受经济及技术能力制约。另外,监测数据源选取趋于多样,已不限于TM/ETM+、CBERS、SPOT、ASTER等中低分辨率影像,IKONOS、QuickBird、WorldView、HJ-1、GF-1等、航空摄影、无人机摄影等高分辨率影像也多频次出现。

  目前,我国已具备天空地一体化综合观测能力,2020年前后我国还将全面建成具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率能力的天空一体化高精度对地观测网络,并初步实现空间信息资源共享。近年来,我国虽在对地观测系统的全球应用领域做了许多积极的尝试,但与发达国家相比仍存在如面向全球的卫星对地观测系统数据获取能力受限、地面产品验证能力不足、全球综合观测与应用意识薄弱等瓶颈问题。未来,随着科技发展的不断日新月异,3S一体化技术与互联网、云计算、人工智能、大数据、无人机等新技术的不断交汇融合,全球视角下基于3S技术的生态环境动态监测研究领域,还将有待在以下方面实现进一步完善。

  1)监测内容尺度,需加大中观及微观尺度的研究与分析。国内基于3S技术的生态环境监测研究,多基于宏观尺度,多应用于大范围生态环境监测,其成果仅能反映某区域的生态环境状况及变化趋势,故需利用相关影像等数据加大区域内或区域间中观及微观尺度下的生态环境监测研究及差异化比较分析。

  2)技术研究方法,需强化多学科协同复合交叉研究。基于3S技术的空间和时间尺度数据,需与动力学、大气学、生态学、水文学等学科协同,并与计量经济、数理统计等分析方法和问卷调查法等传统决策方法有机结合,以实现基于多学科复合交叉的生态环境监测、模拟及预警,最终服务于生态环境管理、保护和可持续发展。此外,还应尝试将3S技术与建模方法耦合,以有效解决不同尺度上生态环境因素与社会经济复杂系统的动态耦合研究。

  3)监测分析手段,需加强各类传感器及监测平台研发。基于3S技术的生态环境监测已步入高分、多层、立体、多角度、全方位、全天候对地观测新时代,需立足服务需求开展多源卫星数据快速高精度校正、天—空—地—海环境监测数据同化融合、生态环境变化快速高精度动态检测、多目标遥感监测产品自动生产、大数据环境下遥感数据挖掘/分析评估等关键技术研发,为生态环境监测保护、管理决策及功能可持续发展提供信息支撑。

  4)多源技术融合,需完善系统技术一体化集成及数据格式标准化、多平台同步互容研究、实时空间信息交流等关键技术。3S技术集成涉及信息获取、综合处理、应用分析等一体化需求,要实现3S系统内部间无良好兼容数据格式的无缝连接,需要解决诸如信息流描述、集成系统原型开发、计算机仿真研究、多平台异质数据采集/压缩/编码/存储及数据结构研究、异质数据复合分析等系列关键问题。此外,还应加强3S技术与大数据、云计算、人工智能、网络及专家决策系统、互联网、物联网、无人机等技术的融合发展,形成一个高度协调化、信息系统网络化和信息分析智能化的决策支持系统,实现智能3S集成系统在生态环境信息管理与监测中的广泛应用。

  3S技术是实现生态环境动态演变监测、评估成效及决策保护的重要方法和手段,也是推进生态文明建设的重要技术支撑。本文较为客观和系统地梳理并总结了3S技术在生态环境监测与管理中的应用及研究现状,着重论述了3S技术在我国生态环境动态监测与演变分析实践中的应用成果,分析指出了我国与国外监测指标及技术的差距,探讨了全球视野角度下3S一体化集成技术在生态环境监测与管理领域的完善方向。

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