“五基”协同生态遥感监测体系构建与应用

　　“五基”协同生态遥感监测体系构建与应用

　　    “五基”协同生态遥感监测体系提出的背景

　　    近年来，生态环境部门不断加强卫星遥感技术的应用力度。2008年，环境一号卫星成功发射：2009年，原环境保护部卫星环境应用中心正式成立；2012年，全国生态环境十年变化（2000-2010年）遥感调查与评估完成；2017年，“绿盾”国家级自然保护区监督检查专项行动开始实施；2022年，国家生态保护红线监管平台建成并上线运行。这些举措无不发挥了卫星遥感技术在生态监测评估领域的巨大作用，取得了积极成效。但是与生态环境保护监管需求相比，传统的卫星遥感监测手段存在以下几方面的不足。

　　    一是精度不高，难以同时满足长时间和高空间分辨率的要求。现代卫星技术仍然未能突破高时间和高空间分辨率兼备的难点，对地表生态变化监测的时效性和精度不足，且难以识别工程车辆、小规模采伐、野生动物等精细目标。

　　    二是手段单一，精细化程度不足。传统的卫星遥感在获取区域尺度影像的同时，只能提供平面化信息，难以直接获取高度、纵深、群落结构等三维信息，无法实现高频次、长时序的植被参数观测，无法实现对生态系统状况的精细化、立体化监测评价。

　　    三是覆盖有限，快速响应能力较低。现有分辨率优于2m的高分辨率卫星受自身重访周期、视场角以及地形、云雾等因素限制，很难实现一定时空范围内的全覆盖和高频次观测。在突发生态环境事件、自然灾害等应急响应下，有效数据获取问题尤为突出。

　　    四是技术不足，缺乏协同能力。现有的卫星平台多是小型、微型平台，功能单一，卫星与无人机、地面观测等多种手段获取的数据空间范围、几何精度、辐射精度等指标不一致，多种数据协同处理分析的算法模型和关键技术尚未解决，无法形成多种手段、多源数据的协同监测应用能力。

　　    为满足新时代生态文明建设和生态环境保护需求，完善和发展生态环境遥感监测技术，提升重要生态空间“高精度、全方位、短周期”的遥感监测能力，生态环境部卫星环境应用中心创新提出并设计了“五基”协同生态遥感监测体系（以下简称“‘五基’体系”）。“五基”体系成为“奋进新时代”主题成就展的一大亮点，得到了现场观众的一致赞扬。

　　    “五基”体系的概念和特点

　　    “五基”体系的概念

　　    “五基”体系是指集天基卫星、空基遥感、航空无人机、移动巡护监测车和地面观测设备五种手段为一体的生态遥感协同监测体系。该体系将天基卫星“落地”高空平台、将移动巡护监测车与卫星联动，创新实现对重点区域、重点目标的高精度、短周期协同监测，可全方位、全天候守护自然边界，有力推动生态环境监测由点上向面上、静态向动态、平面向立体发展，是推动构建现代化生态环境监测体系的重要实践，进一步提升了生态环境管理精细化、信息化、智慧化水平。

　　    “五基”体系作为一种全新监测理念和技术体系，主要面向重要生态空间人类活动监管、生态状况监测、风险预警响应和生物多样性观测等管理需求，综合运用天基卫星、空基遥感、航空无人机、移动巡护监测车和地面观测设备五种遥感监测手段，集成可见光、红外、雷达、激光等多种传感器，通过在装备、数据、算法、产品和成果应用等方面的改进提升，有效弥补常规遥感手段在监测时效、精度、周期等方面的短板，充分发挥每一种监测平台和技术的特点优势，构建形成星地协同、五位一体的立体监测评估技术体系和应用能力。

　　    “五基”体系的组成

　　    如前所述，“五基”体系由天基卫星、空基遥感、航空无人机、移动巡护监测车和地面观测设备五种遥感监测手段组成。

　　    (1)天基卫星

　　    天基卫星是当前较为成熟的监测手段，通过搭载可见光、多光谱、高光谱、热红外等载荷，有效提供全色谱段、多光谱谱段、红外谱段等信息，为人类开发活动监测、植被参量（如NDVI、FVC、GPP等）生产、环境参量（ET、APAR等）监测等提供数据支持。天基卫星具有监测范围广、数据空间连续、监测指标多等优势，为重要生态空间人类活动监测、生态状况评估提供基础数据保障。

　　    (2)空基遥感

　　    空基遥感常由高塔平台或高处建筑物搭载多种监测载荷组成，可以根据区域生态系统类型（森林、草地、湿地、荒漠等）与人类干扰活动监管重点（矿产开发、树木采伐、车辆进入等）定制部署，一般包括超远距离红外监视系统、高清透雾相机、高光谱成像相机、激光雷达等。空基遥感可实现近360度高精度观测，空间分辨率可达到分米级，时间频次可达到半小时乃至分钟级，具有监测数据时空分辨率高、异常预警和应急响应快等优势，有效弥补天基卫星监测时效性不足、精度不够等短板。

　　    (3)航空无人机

　　    航空无人机通过搭载可见光相机、多光谱相机、高光谱相机、机载激光雷达、热红外成像仪等高精度传感器，精准监测植被类型分布、植被生长状况、生态系统异常、人类干扰活动等关键生态环境指标，是定期巡护监测的主要途径。航空无人机具有灵活机动、可达性强、空间分辨率高、捕获信息丰富等优势，具备云下低空飞行的能力，弥补了卫星光学遥感经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷，补齐天基卫星和空基遥感监测的短板，是地表生态变化核查验证的有效手段。

　　    (4)移动巡护监测车

　　    移动巡护监测车集成多种载荷（包含激光雷达、多光谱相机、高光谱成像仪、叶绿素荧光探测仪、红外相机、声纹识别仪、空气质量监测仪等），开发和部署车载一体化智能监测系统，实现对道路两侧植被生长状况、人类干扰活动、动物活动、大气质量状况等生态要素的移动监测。移动巡护监测车具有监测信息丰富（包含多要素二维、三维立体信息）、监测精度和效率高、可与巡护执法联动等优势，能够实现近地面大范围、快速连续监测，可补齐天基卫星和空基遥感监测的时空盲区，是开展定期巡护监测的主要手段。

　　    (5)地面观测设备

　　    地面观测设备包括不同类型传感器（激光雷达、红外相机、摄像雷达、摄照一体机等）、数据传输系统及配套监控信息预警系统，可以实现对生态系统类型、植被质量、生物多样性、气象参量等目标长时间、不间断、高频次、高精度的监测。地面观测设备具有部署便捷、监测时间全天候等优势，能及时发现和识别人类活动问题线索，为天基卫星、空基遥感获取的大范围遥感反演产品提供准确、有效的真实性验证数据。

　　    “五基”体系的技术特点

　　    “五基”体系并不是由多种监测平台、载荷和技术方法简单罗列、堆积构建的监测体系，而是从生态遥感监测需求出发，通过装备、数据和应用等多方协同技术方法将监测过程中每个节点相互连接，充分发挥多个监测节点的优势，构建形成的多维度、多节点、非线性的复杂监测网络。

　　    (1)装备协同

　　    传统监测装备多数功能单一，监测能力难以满足当前生态遥感监测需求。例如，高清摄像机具备高清拍照、拍视频两种功能，多用于人员、车辆抓拍场景，但在图像背景复杂、夜晚或光线很差等条件下，高清摄像机自动识别精度不高。红外监视系统基于红外辐射识别监测对象，具有扫描速度快、识别精度高等优点，但图像多以灰度差或伪彩色形式表现，难以支撑目标信息精确识别和问题判定。通过研发红外—可见光协同监测算法，依托红外载荷发现监测对象，驱动可见光载荷进行抓拍和跟踪，实现监测对象的发现、识别、跟踪与取证，提高了监测精准性和时效性。

　　    (2)数据协同

　　    在生态遥感监测数据分析中，单一遥感数据源往往存在提取精度不高、反映问题片面等情况，而将不同来源、不同尺度的监测数据通过机器学习和深度学习等人工智能算法进行融合，可以最大限度地发挥各自优势，获得更高精度和更多指标信息。例如无人机激光雷达数据可以提取森林顶部冠层信息，而背包激光雷达提取的是森林底部树干信息，两种数据融合可以更全面展示森林三维结构的完整信息，从而提高生态质量评价的精度和可靠性。

　　    (3)应用协同

　　    在实践应用中，“五基”体系可以通过多平台联动、数据实时传输、信息共享和交互等方式，实现多种应用场景下的协同。当在天基卫星定期监测中发现某一区域有疑似人类活动变化时，可以将人类活动位置、范围、类型等初步信息实时推送到移动巡护监测车，及时进行实地核查，对无法到达的地方通过起飞航空无人机进行监测，并将监测结果和卫星结果进行比对验证，从而准确识别和定位，实现生态破坏问题第一时间发现、第一时间核实和第一时间处置。

　　    “五基”体系的应用场景

　　    人类干扰活动监测

　　    人口扩增、集约农业和工业活动快速发展等是引发生态系统退化、生物多样性危机等生态问题的主要原因。在自然保护区、生态保护红线的重要生态空间和热点敏感地区，“五基”体系可实时监控人员、车辆移动以及放牧、采伐、旅游等于扰行为，及时发现和预警矿产资源、小水电等开发建设活动；监测频次从原有的季度和年度监测提升到周和日监测，对突发生态环境事件实现小时和分钟级跟踪监测与实时预警，为生态监管执法和中央生态环境保护督察提供更有力的支撑。

　　    生态状况精细化评价

　　    综合应用“五基”协同观测能力，构建高频次、多角度、时空连续的生态系统立体观测和生态状况精细化评价体系。在天基卫星大范围光学遥感观测的基础上，应用空基遥感和移动巡护监测车搭载的高光谱、多光谱和激光雷达等载荷，获取叶面积指数、生物量等植被生理参数和树高、胸径等植被结构信息，将生态状况评价的精度从公里级提升至米级和分米级，时间从月和旬提升到日和小时级，大幅提升生态质量监测和评价的精细化、科学化水平。

　　    风险预警和应急响应

　　    依托“五基”体系，构建以空基遥感为主、其他方式为补充的生态环境风险监测预警响应体系，实时监测和获取高精度地表生态要素变化数据，通过样本构建、机器学习和智能分析，及时发现和预警火灾、旱灾、病虫害、环境污染等自然灾害和突发生态环境事件，分析、评估自然灾害和突发生态环境事件对重要生态功能区、重要生态系统、生态脆弱地区的生态影响和潜在风险，形成线索发现、信息推送、智能分析、实地核查、应急处理等全流程预警响应机制，全面提升生态风险防控预警与应急处理能力。

　　    生物多样性观测

　　    传统卫星遥感分辨率主要在公里级至30m，主要是对区域土地覆盖类型和生态系统状况进行定期观测，无法实现对植被群落、物种分布和主要干扰因素的监测评估。通过“五基”协同观测，可以对植被群落结构，动物数量、分布、活动轨迹等进行精准监测，准确识别和分析主要生态干扰问题并提出针对性措施。例如，通过在空基遥感和移动巡护监测车中搭载声纹识别仪器，可实时获取和分辨数千种鸟类类型，并统计其出现频次和范围，从而评估物种保护现状和发展趋势。

　　    “五基”体系的典型应用——以通辽市为例

　　    通辽市位于内蒙古自治区东部，地形地貌兼具沙漠、草原、湿地、湖泊、疏林、山地等特点，是科尔沁疏林草原最典型、最具生物多样性的地区，也是北方农牧交错带生态保护修复治理的重点区域。本文以通辽市为监测区域开展“五基”协同生态遥感立体监测，以期为研究和突破“五基”协同关键技术、推动“五基”体系落地应用提供参考。

　　    监测手段及数据情况

　　在利用高分辨率卫星遥感数据解译获得通辽市土地利用和生态系统分布情况数据的基础上，利用空基遥感同步开展植被指数(NDVI)、植被覆盖度(FVC)、叶面积指数(LAI)、株高、冠幅、胸径、郁闭度、人车移动、鸟类等监测，并通过地面观测数据对空基遥感、移动巡护产品进行验证。

　　监测产品

　　(1)植被状况监测

　　依托天基卫星、空基遥感、移动巡护监测车等监测手段，基于核驱动模型逐像元角度归一化算法、基于孔隙率理论的FVC反演法、几何重采样算法等，开展辐射校正、几何校正、角度效应校正，生产NDVI、FVC、LAI、植被株高、胸径等监测产品。

　　(2)人类活动监测

　　依托空基遥感监测，基于深度学习目标检测追踪技术，开展多视角、多距离（百米到千米级）、多焦距（短焦、中焦、长焦）人类活动监测拍摄，捕获有效视频1.5万余条，获取不同车速下的车辆视频，抓拍到轿车、工程运输车、挖掘机、摩托车等多种车型，同时解决复杂场景多天气、多视角、多距离等特性引起的运动模糊、变形、遮挡、目标交叉等识别问题。

　　依托移动巡护监测车，通过车载红外光电系统（包含车载红外雷达及高清摄像头）和微光夜视仪，开展日常以及傍晚、夜晚和沙尘天气等可见度较低情况下的人类活动监测。经过多轮测试及优化，在无遮挡情况下，车载红外雷达可探测跟踪2km距离的大型动物、行人及车辆，发现500m距离内的小型动物；微光夜视仪能够在夜间发现2km范围内的大型动物活动，识别800m范围内的动物种类。

　　地面观测验证

　　(1)植被参量反演产品精度验证

　　选取搭载空基遥感高塔周边的森林、草地、耕地、居民点等典型生态系统采集多种光谱信息，开展地面测量工作。结果显示，基于空基遥感的植被参量反演产品在植被覆盖较浓密的区域有稳定精度，尤其是NDVI值为0.4～0.6的植被空基遥感高光谱相机数据与地面采集数据拟合误差较小。与天基卫星观测相比，空基遥感能够获得分米级的高光谱观测信息，显著提升了生态系统空间细节变化监测能力。

　　(2)人类活动监测产品精度验证

　　开展人类活动模拟追踪抓拍试验，针对红外一可见光相机，开展不同视角、不同距离、不同遮挡情况的移动目

　　标样本采集和模型训练。结果显示，空基遥感和移动监测可以精准、快速发现人类干扰活动，可实现对人类干扰活动的高频次、连续、实时监测。

　　未来展望

　　相比传统监测手段，“五基”体系具有监测手段丰富、监测指标多、数据精度高、时效性强、协同分析能力强、应急响应快等优势，实现了全天时、全天候、高精度、时空连续、立体协同的监测，有效弥补了常规遥感手段在监测时效、精度、周期等方面的短板，实现了天空地一体化精准、快速监测。目前，生态环境部卫星环境应用中心正在积极推进“五基”体系监测装备、技术方法、标准规范、能力建设和业务应用等各项工作，并已经取得了大量成果，在内蒙古、四川等多地开展了示范应用。随着“五基”体系的逐步成熟和推广应用，其必将为全国重要生态空间监管、中央生态环境保护督察、生态环境执法应急、生物多样性保护和气候变化评估等重点工作提供更有力、更全面的技术支撑和服务。

　　                   摘自：《环境保护》2022年第20期