山水林田湖草生态保护修复项目区监测方法研究

杨 菁，强建华，李 原，吕俊娥，周晨辉

(中国煤炭地质总局 航测遥感局，陕西 西安 710199)

党的十八大以来，以习近平总书记为核心的党中央高度重视我国生态文明建设，把生态文明建设纳入中国特色社会主义事业“五位一体”总体布局，并把“美丽中国”作为生态文明建设的宏伟目标。为落实习近平生态文明思想，加强生态文明建设、推进生态保护修复，2016—2018年，我国财政部与原国土资源部、环保部联合印发《关于推进山水林田湖草生态保护修复工作的通知》，以“山水林田湖草是一个生命共同体”的重要理念，共同组织实施以提升山水林田湖草生态系统服务功能为导向的保护修复，开展试点工程3批25个，近年来在生态系统稳定性和改善重点区生态环境等方面取得了显著成效。

为验证、监督和评估山水林田湖草生态保护修复效果，解决区域内生态环境长远保护需求，针对以山水林田湖草为主体的自然生态系统，及其光、热、空气、水汽、土壤等综合要素组成的生态环境，分析设计一套全要素生态系统监测体系。该套体系可以根据生态环境内不同区域代表性的测量要素进行分布测量、计算处理和动态监测评估，依托多源卫星遥感数据进行生态保护修复项目遥感监测地物的信息提取，可以监测工作区山水林田湖草全要素宏观动态变化；
并结合监测点仪器设备和物联网技术，检测环境相关的空气温度、湿度、风、雨、雪、气压、太阳辐射、负氧离子等要素，进行水文相关的地表和地下水水位、降雨量、水流量流速、土壤水分、含氧量、电解质、pH、浊度等水环境因子的实时监测；
综合各类要素生态保护修复数据库，建设监管信息化平台，为该地区的生态环境保护科学治理提供基础依据和资料。

依托光学、高光谱、雷达等在轨陆地卫星影像协同组网观测，局部采集高精度无人机摄影测量数据，建立山水林田湖草全要素、全天候、全覆盖、全尺度的遥感监测体系，开展基于遥感的自然资源宏观变化监测和常态化季度性监测。

以往，卫星遥感监测以面积监测为主进行年度监测。随着在轨卫星数量的增加和类型日渐丰富，影像数据能做到当日获取、处理、分发，数据涵盖面日益广泛，形成了多元化的数据产品体系，可根据不同尺度、不同对象的遥感监测需求选择精度和类型相对最适合的卫星数据源。

1.1 湿地要素监测

在我国沿海区县红树林地块监测评估的基础上，以自然资源部国土卫星遥感应用中心为主的遥感应用示范单位正在推进全国湿地遥感监测技术体系建设。对主要河流及其关联水库、主要湖泊地表水和重要湿地的变化状况，通过遥感影像进行边缘动态和面积变化监测。同时，全要素监测任务也将冰川纳入其中，不但对要素的基础范围变化进行监测，结合高分7号等立体测绘卫星，还可以对冰川的体积和储量变化进行监测。高光谱遥感能够获取内陆水体中各种物质的光谱特征,可以反演叶绿素a、悬浮物、黄色物质等3种典型的水质参数,并进一步获取水体透明度、浑浊度、营养状态级别等水质要素参量,为卫星监测水质创造了良好的技术条件。

1.2 植被监测

围绕自然资源管理“质量、生态”管控需求，综合利用大幅宽多光谱卫星的高重访能力和高光谱卫星的地物光谱探测能力，通过植被覆盖度、叶面积指数和净初级生产力(NPP)等指标来监测植被覆盖空间分布及变化特征。针对不同生态功能区、典型流域或生态单元开展大范围、长时序的宏观监测，同时通过叠加年际之间的变化，可有效获取区域的植被生态状况时空演变趋势信息。

对山体和坡体土壤松散区域进行监测，特别是雨水多发季和矿山开采造成的山体斑秃、地面沉降，加强重点防护保护，结合隐患识别技术做好防范工作。

开展草地生态系统稳定性和水源涵养、水土流失监测，为做好保土改质、土地复垦、退耕还草等草地生态修复保护提供监测评价。

1.3 耕地变化监测

对生态保护红线和以国家公园为主体的自然保护地内耕地情况进行持续监测。

根据农作物的作物熟制、物候特征和种植制度等信息，通过长时序的监测，建立基于玉米、小麦、水稻、大豆等不同农作物物候特征的光谱曲线模型，提取出粮食作物、非粮食作物、粮食与非粮轮作和未耕种等4个种植类型信息,对耕地进行“非粮化”监测分析。

1.4 其他小空间尺度变化监测

地表空间异质性较强区域，如陆地表面与人类生产建设、人类生活相关的动态变化，大多在较小的空间尺度或较短的周期内发生。针对此类情况，可依托高空间和高时间分辨率的卫星遥感数据或无人机摄影测量数据，及时监测小空间尺度上的地表覆被变化。

通过检测设备、监测仪等，定期获取生态环境实时测量数据及动态变化情况，通过物联技术实现数据回传和集成，形成时序式观测数据。观察监测数据的阶段均值和区间动态变化，分析气象环境因子和生态适宜度指标变化对生态环境系统的影响，为建立更加完善的环境变化信息体系，加强生态环境监测治理和生物的多样性保护提供保障。

山脚、坡地近人类活动区及历史开采矿山区等隐患区域，装置地质灾害监测仪器，实现对隐患点的实时监测与预警。

2.1 大气环境监测

通过大气环境传感器和监测仪采集环境因子数据值，以大气负(氧)离子监测设备为例，可提取记录空气中的负离子电荷浓度值和负离子变化情况，长期、自动、连续、全天候监测大气环境因子变化，实现全自动精确测量和在线监测，为大气环境和气象监测需求提供高精度测量数据(图1)。

图1 大气负(氧)离子监测仪日监测数据示例

2.2 水环境监测

包括地表水、径流量和水质等监测，水质监测站水质传感器主要有pH传感器、含氧量传感器、电解质传感器、浊度传感器等。以监测水质的浮标式监测站为例，主要用于河道沿岸水域、湖泊水库的水质监测，可全天候、连续、定点地观测水质，并实时将数据传输到监测中心，有助于形成河道水质监测网格化管理。

2.3 地质灾害监测

主要对相对位移、绝对位移、降雨量、含水率和地面沉降等指标进行监测。设置多种预警手段：仪器本地预警、远程预警站预警、软件界面报警和短信传输报警等。

生态环境监测管理信息平台充分利用物联网技术，是以监测数据采集、传输、发布、应用、集成为一体的综合环境监测系统。通过多点分布的环境监测网络，调用各类监测结果并根据需求存储入库，对山水林田湖草全要素监测数据进行集中化管理，为管理人员提供可追溯的监测数据查询、统计和智能分析服务。

3.1 数据集成建库

集成遥感调查和自然资源本底数据，及山水林田湖草全要素生态保护修复调查评估分时期、分空间、分专题数据，通过生态环境保护修复监测评估体系和数据标准管理体系，建设全要素生态保护修复数据库，推动天空地一体化的多源数据融合，实现生态资源统一管理。

3.2 一体化监测管理平台

基于大数据和云计算、WebGIS技术和Nginx发布环境，构建全要素时空数据框架，在该框架上整合各类研究应用专题，形成B/S架构的一体化生态系统监测管理信息平台。可按期次和类型、专业展示全要素生态保护及修复调查数据，支持本地化集成或云端部署，最终实现跨平台浏览和展示，支持数据分层调用、叠加展示、空间对比和分析，为统筹国土空间保护、开发和利用，决策国土空间规划、生态环境修复和督查保护提供基础。

目前，我国虽已开展了部分重点区域的山水林田湖草生态保护修复工程，但仍存在一些问题：在规划层面，地区建设发展与生态文明建设协调度不够，人与自然和谐共生的局面尚未形成；
在实施层面，项目以行政区划切分、项目跟着资金走的方式较为普遍，全要素、多维度、近自然的保护修复措施力度不够；
在监管层面，未充分考虑山水林田湖草要素之间的关联性及生态系统的整体性，部门协同监测、数据相互共享程度不够，多头分治的局面尚未破除，统一协调的管理体制、机制有待健全；
在信息化层面，暂未充分拓展GIS、RS在对象监测方面的信息化优势，尚未普及成熟的动态监测机制和智能的生态资源数字化集成管理体系。

应通过进一步加强生态系统保护修复监测工程，充分发挥监测管控措施在生态系统持续保护、治理中的关键作用。通过开展水陆统筹、“山水林田湖草生命共同体”保护综合监测，推进全要素生态系统监测网络及生态修复监管体系；
紧密依托国土空间规划“三区三线”，强化自然生态空间用途管制，建立涵盖山水林田湖草全要素从准入到考核全过程的管理体系，全面提升生态保护修复成效和长远保护。