青藏高原生态环境监测卫星融合应用研究

文 | 宋忠航 牛泽鹏 马红波 符晗 王剑 张拯宁 艾宇 曹小敏 靳代樱 李洪福 董逵才 谢文斌 吴向楠 李媛 杨朝辉 周文 侯利波李斌 张文谦

1.西安航天天绘数据技术有限公司 2.航天恒星科技有限公司 3.陕西航天技术应用研究院有限公司 4.三江源国家公园管理局

一、引言

近年来，我国大力推动生态文明建设并将其纳入社会主义现代化建设的总体布局，体现了更为全面的价值取向和更为深刻的生态伦理。青藏高原作为我国乃至亚洲重要生态安全屏障区和全球生物多样性保护关键区，具有重要的水源涵养、防风固沙、碳固定和生物多样性保护等功能，已成为生态文明的新高地。保护好青藏高原对人类生存环境和中华民族的未来发展具有十分重要的意义。

为保护青藏高原生态环境，我国依托三江源国家公园、祁连山国家公园等自然保护地开展了一系列生态环境保护与修复工程，极大地增强了高原生态安全屏障功能的稳定性。但由于青藏高原脆弱的生态系统以及独特的地理环境，传统单一以地面监测为主的监管模式面临巨大挑战，已越来越无法满足精准化、全面化与一体化监管目标要求。随着航天事业高速发展以及生态环保领域对卫星手段日益强烈的应用需求，结合新一代人工智能、大数据等先进技术，构建基于卫星通导遥与大数据生态环境信息化应用体系成为必然趋势。

二、卫星融合应用体系总体设计

以北斗导航、高分遥感和低轨卫星互联网为代表的卫星通导遥等空间信息基础设施已渐成规模，通过综合利用卫星通信链路全覆盖的区域信息网络、北斗定位系统以及多空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率遥感卫星可构建青藏高原卫星通导遥天基信息感知与传输体系（图1）。

图1 卫星通导遥综合应用

1.体系内涵与架构

青藏高原区域监测与保护涵盖自然资源、生态环保、执法监察、应急减灾等多个领域，业务流程复杂，贯穿整体监测与管理工作流程、全链条满足多种业务需求的技术体系仍有缺失。综合运用以卫星通导遥为核心的天基手段，结合大数据技术，构建青藏高原生态环境信息化监管技术体系（图2），解决青藏高原因地域广阔、人口稀少、地面监测设施匮乏导致无法开展全域、全天候、全天时综合监测的难题。同时，结合地面和空基手段，可打造天地一体、上下协同、信息共享的生态环境监测网，实现天空地一体化集成服务，形成全方位地理空间生态大数据集。在生态大数据集基础上，借助大数据、人工智能技术对多源异构数据进行存储管理、治理与挖掘分析，构建以数据—分析—服务为驱动的一体化大数据平台，为青藏高原生态监测、保护与管理提供支撑。

图2 青藏高原生态环境信息化监管技术体系

2.体系功能与特点

（1）体系功能

高海拔、大范围、高精度遥感监测分析。以三江源国家公园为代表的青藏高原重点生态功能区，其生态环境监测体系数据底座为基于高分辨率卫星数据构建的统一时空基准，在此基础上可实现天空地多源时空信息高精度统一匹配与套合，提高图像信息匹配准确度与叠置分析的处理效率。同时，根据地理国情普查数据成果以及高分辨率遥感影像数据，利用自动采集工具，可得到面向青藏高原地区，具有区域性、时序性、多类型、精度高的土地分类数据集，满足深度学习数据集大规模、高分辨率、精细分类等要求，依托于该数据集，融合高精度语义分割方法，提高针对青藏高原这一区域遥感影像自动解译和变化检测精度。该体系贯穿遥感数据处理、生态产品生产、遥感行业应用等各个环节，具备从卫星数据获取、处理到综合分析应用的全流程能力（图3）。

图3 遥感监测综合分析应用流程

高通量卫星通信系统通信传输保障。青藏高原地域辽阔，通信资源匮乏，各类监测数据获取依靠野外红外相机和摄像头，红外相机采集数据不能及时上报，面对应急事件同样存在信息传输与通信指挥难题。卫星通信网络作为该体系的重要组成部分（图4），通过卫星链路为用户提供文件、语音、视频等业务传输，支持远程双向视频会商及互联网接入服务。在重点监控区域和环境应急情况下，系统可保障管理机构也可接收到实时的监控区域资料，提供可靠的通信传输保障，实现各监测站点之间可进行实时的话音交流，实现监测站点状态反馈。重点监控区域的监测站点可将摄像监控采集到的视频直接通过卫星链路实时传输至管理机构，便于指挥人员实时获取资源，并根据现场传回的视频，通过远程控制软件，对监控摄像进行控制，有效获取重点监控区域的资源信息。

图4 卫星通信系统架构

智能时空大数据融合分析。青藏高原自然场景复杂，监测手段多样的特点决定了大量涉及卫星通信、北斗导航、卫星遥感监测数据以及各类监测视频、图片等海量多源异构数据，数据类型多、时间跨度大、数据源彼此独立，使得各类数据资源难以共享和融合。卫星通导遥与大数据生态环境信息化应用体系融合大数据、人工智能等技术，按照高原生态保护监测各类主题建立不同的数据应用场景，支持人兽冲突、生物多样性监测与保护、生态管护、行政执法、生态环境等时空大数据融合分析模型（图5）。基于地形、生态因子等时空数据，融合大量人兽冲突发生事件信息，构建时空分析模型，实现人兽冲突事件规律发现及预测，为管理机构制定防范机制提供科学数据支撑。利用卫星遥感监测旗舰物种栖息的分布和自然环境状况以及卫星导航监测的迁徙路径等海量信息，分析野生动物活动规律、生活习性、热力分布等，从而有效评估物种保护现状和发展趋势。

图5 智能时空大数据融合分析流程

（2）体系特点

适应生态环境监测数据全面感知与管理。适应未来数据增长及业务升级的应用需求，拓展生态环境和自然资源监测要素，结合卫星应用、人工智能与大数据、信息安全与技术等先进技术手段，实现对于数据接入、处理、储存、服务分发等各个环节，保障生态环境信息化应用体系先进、高效支撑行业应用。

面向高原生态环境大数据融合分析与挖掘。面向青藏高原特殊的地理环境区位以及对气候变化异常敏感的反馈特征，利用人工智能、大数据挖掘分析技术等，形成适用于高原大尺度、高精度遥感分析模型，通过交互式智能提取和目标识别，实现非结构化大数据信息向结构化大数据信息的转变，支持多源异构数据间关联分析、预测、偏差分析和时序分析等，深化生态环境监测数据应用的深度。

支撑数据共享与协同应用。运用云计算等信息技术手段，构建大数据平台，按照青藏高原生态环境监测数据资源整合的要求，对各类监测业务系统数据进行互联、融合和共享，实现更好的协同联动，整合外部系统关联数据信息，推动生态环境监管、执法与环境应急等数据共享应用。

三、应用实践

目前，我国正建设全世界最大的国家公园体系，党的二十大报告也重点提出“推进以国家公园为主体的自然保护地体系建设”的要求。青藏高原作为我国安全屏障，不仅生态功能良好，生态区位也十分重要。根据国家公园空间布局方案，在第一批十个国家公园体制试点和未来计划创建国家公园中，三江源、祁连山、昆仑山、青海湖等近十个国家公园位于“地球第三极”青藏高原及其边缘地区，青藏高原国家公园群呼之欲出。本研究在我国第一个国家公园三江源国家公园建设过程中运用卫星通导遥及大数据技术开展相关实践应用，并形成丰富成果。

1.生态系统格局遥感监测

为加强宏观生态环境监测和新时期国家公园环境保护工作，本研究利用高分辨率卫星遥感数据提取三江源国家公园生态系统各类面积，并计算各类生态系统类型占三江源国家公园的面积比例，分析三江源国家公园生态系统的空间分布格局，摸清生态系统的基本状况。对园区范围2021年度生态系统类型和结构进行研究，通过内业解译并结合野外核查，初步得出生态系统类型面积和空间分布数据。2021年，三江源国家公园森林生态系统面积2.53km2，占总面积的0.001%；灌丛生态系统面积310.69km2，占总面积的0.16%；草地生态系统面积138594.48km2，占总面积的72.66%；湿地生态系统面积36245.35km2，占总面积的19.00%；城镇生态系统面积93.44km2，占总面积的0.05%；荒漠生态系统面积2693.70km2，占总面积的1.41%；其他生态系统面积12791.08km2，占总面积的6.71%。从空间上来看，三江源国家公园生态系统草地的空间分布范围最广，其次是湿地，湿地在西南部地区分布较少，其余方向均有集中分布；草地在各个方向均有集中连片分布；荒漠零散分布在长江源区西北及西南部地区；其他生态系统集中分布在长江源北部、南部地区及黄河源的四周（图6）。（注：结果仅为科学研究，不作为权威发布）

图6 2021年三江源国家公园生态系统结构空间分布图

2.人兽冲突场景智能分析

20世纪，人类定居、农耕、修路、水电开发等活动对野生动物栖息环境造成一定影响。自2003年三江源国家级自然保护区成立后，野生动物保护力度加强，野生动物种群不断发展和壮大，人兽冲突问题呈增长态势。如何认识人兽冲突，如何管理人兽冲突，亟需给予重点关注和跟进研究。通过遥感卫星、地面监测站等手段获取三江源国家公园水文、气象、植被覆盖度等数据，建立分析模型对人兽冲突的地点、海拔、人口、动物种类和数量等相关因子量化分析，为三江源国家公园人兽冲突风险管理提供数据支持。围绕人兽冲突监测，相关数据情况如表1所示。

表1 人兽冲突数据类型、采集方式及主要内容

依据《三江源国家公园野生动物本底调查报告》中人兽冲突统计结果数据，本研究模拟相关因子数值并建模，探究三江源国家公园各区域人兽冲突情况。

根据调查报告以及相关文献参考构建了包含区域、肇事次数、肇事类型、平均海拔（m）、最高海拔（m）、最低海拔（m）、高差、植被覆盖状况、月平均温度、月平均降雨量等10类自然和社会因子作为模型输入参数。通过模拟和收集各乡镇具体参数，输入到XGBoost算法中进行模型训练，上述特征参数与研究目标（人兽冲突次数）拟合计算其相关性最终生成成熟模型，该模型可生成各乡镇每月发生人兽冲突次数，通过与冲突风险等级转化，可直观量化展现分析结果。冲突风险可分为无（0）、一般（1—4）、较大（5—10）、重大（11—20）和特大（20以上）五类。以索加乡为例，预测2023年不同月份人兽冲突风险等级，模型分析结果如下：2023年1—2月冲突风险为0；3、5、6、10、11、12月人兽冲突风险等级为一般；4、7、8、9月人兽冲突风险等级为较大。从此次分析预测结果看，人兽冲突的时间分布不是十分稳定，但总体上看，人兽冲突发生在第三季度的风险较大。

人兽冲突大数据挖掘分析得到的风险等级预测可有效指导牧民在人兽冲突事件多发区和季节提前采取防范措施，把野生动物袭扰负面影响降到最低，同时，也大幅提高管理部门管理水平和工作成效。

3.高原生态灾害事件应对

随着近几年生态环境保护工程的实施，青藏高原生态保护与管理水平有了长足进步，但其腹地无人区仍存在监测系统联网能力低下、信息无法传输的短板，生态巡护人员进入后无法和外界建立稳定有效的联系，人身安全无法得到保障，严重影响了日常管理与科研工作的开展，用卫星通信手段为无信号覆盖地区提供有效、优质、可靠的宽带通信网络连接变得十分必要。卫星通信系统作为生态大数据中心建设中重要的通信支撑手段，可实现各平台间数据传输以及站点之间数据共享，满足各应用场景下的日常及紧急通信需求。特别是近年来，由于全球气候变化对青藏高原地区生态安全有一定影响，为高效应对无人区生态灾害紧急事件，通过搭建卫星通信系统，利用数据链结合无人机空基监测，实现天空地一体数据感知与传输（图7）。该系统在可可西里水患疏导治理期间提供水情、气象、施工进度等各类监测信息的实时传输，为事件紧急应对措施制定提供了坚实保障。

图7 生态灾害应急事件数据传输示意图

四、结论与展望

本文根据在青藏高原大区域、高海拔地区生态环境监测工作中所面临的问题，结合生态环境监测尺度大、驱动因素多、过程复杂等特点，提出基于卫星通导遥和大数据技术构建生态环境信息化应用体系的框架概念，阐述其内涵定义，并介绍了该体系在三江源国家公园生态系统格局监测、人兽冲突预测、生态灾害事件应对等业务中的具体实践应用。未来，随着遥感对地观测技术、通信技术和大数据技术的快速发展，如何对海量多源异构数据进行高效智能的解译、分析与应用是持续面临的挑战。因此，需在卫星通导遥综合应用基础上，突破新一代天基大数据信息智能快速挖掘、天地数据融合以及卫星通信+5G融合等技术，打造更为完善、成熟的生态环境信息化体系，发挥综合应用效果，催生成熟的以天基信息为主的生态环境大数据综合决策管理体系，提升生态环境科学决策管理水平。