卫星通导遥技术在三江源国家公园生态环境监测与保护中的探索与实践

文 | 宋忠航 牛泽鹏 马红波 陈璐 王剑 张拯宁 曹小敏 李媛 侯利波李洪福 靳代樱 董逵才 秦阳

1.西安航天天绘数据技术有限公司 2.北京空间科技信息研究所3.航天恒星科技有限公司 4.陕西航天技术应用研究院有限公司5.三江源国家公园管理局 6.中国航天科技集团有限公司

一、三江源国家公园的生态地位

三江源被誉为“中华水塔”，是亚洲、北半球乃至全球气候变化的敏感区和重要启动区，也是我国实施生态安全屏障保护和建设的重要战略区，其生态环境状况对我国乃至全球生态平衡起着极其重要的作用。2021 年10 月，在联合国生物多样性大会（COP15）上，三江源作为我国第一批国家公园正式设立，对推进自然资源与生态系统的科学保护与合理利用，促进人与自然和谐共生，具有极其重要的意义。

二、三江源国家公园监测现状

作为我国第一个国家公园体制试点，三江源国家公园面积最大、自然景观最独特、自然遗产最精华、生物多样性最富集，注重对自然生态系统原真性、完整性保护，实行的是最严格的自然保护地监测与管理。由于三江源国家公园地理条件复杂、气候恶劣、自然条件严酷，点多线长面广的特点为生态环境监测带来了诸多挑战和困难。传统的三江源国家公园监测以地面监测站点所构建的监测网为主，站点分散于园区各个乡镇，点位稀少且距离较远，无法实现全域监测，通信手段缺失也影响日常管理效能。除生态监测站点外，园区17211 名生态管护员也是园区重要监测力量，但在生态管护工作中，野外作业人员往往处在无人区，没有地面通信网覆盖，对作业人员的工作及人身安全造成巨大的影响和隐患。因此，以地面监测为主的监测模式已越来越无法满足三江源国家公园严格、整体与系统的监测目标要求，如何在地域广阔、人口稀少、地面监测能力匮乏条件下开展全方位的综合监测与保护，成为三江源国家公园建设所面临的巨大挑战。

三、三江源国家公园监测需求

基于三江源国家公园监测所面临的问题，结合园区地域辽阔、生态环境复杂多样的特点，本文认为卫星技术可在三江源国家公园监管方面发挥最大的潜力和效果。以高分辨率对地观测系统、北斗卫星导航系统为代表的国家空间基础设施建设应用工作已取得重大成效，卫星应用技术也已成为提升生态环境保护能力的重要手段。通过对通信卫星、北斗导航卫星和遥感卫星的综合协同应用，构建以卫星通导遥技术为特点的综合监测体系，能有效解决三江源国家公园监测效率低、监管存在盲区、信息无法传输等困扰很久的问题，改造升级三江源国家公园传统的监管模式，形成三江源持续有效的生态监测能力和监测运行机制。

四、三江源国家公园卫星通导遥综合监测体系

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，打造覆盖三江源国家公园全域的卫星通导遥一体化天基信息服务体系，实现对园区生态环境状况、自然资源等全要素监测，拓展生态环境监测能力，为推进三江源国家公园发展提供信息支撑、监测预警和决策支持，提升三江源国家公园综合监管、信息共享与服务的科学化管理水平。图1 为三江源国家公园卫星通导遥应用框架。

图 1 三江源国家公园卫星通导遥应用框架

1.卫星遥感

目前，我国高分辨率卫星遥感技术飞速发展，卫星影像的图像处理技术、生态环境信息提取技术、生态参数因子高精度反演技术也不断提升，相比三江源传统地面监管存在的效率低、时效差、不全面等问题，利用卫星遥感技术可实现三江源园区全域、客观的系统测定和长期动态监测，周期性获取园区生态系统类型、结构和功能，为三江源国家公园生态环境保护与管理提供有力支撑。同时，卫星遥感也可提取自然资源、环境灾害等重要信息，为三江源园区自然资源调查、矿区退出评估、灾害事件应对等业务提供技术保障。

图 2 三江源国家公园卫星遥感监测成果示例

1）自然资源调查监测。三江源国家公园自然资源调查监测的主要任务是查清园区内林地、草地、湿地等自然资源分布、开发利用与保护情况。以三江源自然资源历史遥感监测成果为本底，结合三江源年度遥感监测获取的高分辨率影像数据，基于遥感智能解译算法技术对遥感影像解译以及变化信息提取，实现三江源国家公园自然资源本底动态更新。图2 为三江源国家公园卫星遥感监测成果示例。为保证所采集的自然资源变化图斑信息的准确性，辅助外业调查，打造“天上看、网上管、地上查”的综合监管模式，实现自然资源变化信息的快速、准确获取，为三江源国家公园自然资源监测提供科学依据。

2）矿区退出评估监管。矿区监管是三江源国家公园生态保护中的一项重要工作，卫星遥感技术不受天气环境影响，能够及时获取第一手调查数据，能够客观准确地收集矿山开采信息，对三江源国家公园区域内矿山退出、生态修复情况进行调查监测，省去人工实地勘察、信息上报等传统调查中不必要的步骤，极大地提高工作效率，为三江源国家公园履行矿区退出与管理职能提供重要的支撑。

2.卫星通信

卫星通信不易受地形和灾害等影响，能够在任何时间、任何地点、任何环境下建立通信服务，具有通信距离远，运用灵活、适应性强的特点，可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。三江源国家公园所在区域多为大面积的无人区，在生态巡护、执法管理以及野外调查和科考等工作中，经常无地面通信网络覆盖，影响正常工作开展且对人身安全造成巨大隐患。通过配备动中通、静中通以及卫星便携站等设备，利用卫星链路提供文件、语音、视频等业务传输及互联网接入服务，在无人区实现与管理单位信息联通，满足园区全区的通信需求，有效提升三江源国家公园管理局对各监测站点的日常管理和巡护监测执法效能。图3 为三江源国家公园卫星通信网络架构示意图。

图 3 三江源国家公园卫星通信网络架构示意图

3.卫星导航

北斗卫星导航、通信和定位一体化的特点可在范围广阔且地理条件复杂的三江源国家公园区域发挥很强的应用潜力。结合三江源国家公园管理过程中的生态巡护、自然资源资产监管、环境灾害应对和野生动物保护等核心业务诉求，利用北斗卫星导航系统定位和短报文通信功能，进行北斗国家公园综合应用服务系统建设。在通信方面，为国家公园各级生态环保执法人员和巡护人员分别配置手持北斗终端，通过短报文通信实现信息互联互通，消除生态信息网络盲区，实现园区90%以上地区网络全覆盖，大幅提高信息网络覆盖率。在导航定位方面，在生态巡护与执法工作中，快速直观定位到当前野外作业人员所处位置以及目标位置，规划出常规路线，引导巡护执法人员高效开展业务。图4 为三江源国家公园巡护执法人员车辆实时导航定位图。

图 4 三江源国家公园巡护执法人员车辆实时导航定位

五、卫星通导遥在三江源国家公园监测中的探索与实践

依托航天科技集团卫星资源优势、技术优势和人才优势，三江源国家公园已初步构建了覆盖全域39.5 万平方千米的卫星通导遥综合监测体系，形成科学先进、有效可行的三江源生态监测模式，本文以三江源国家公园生态环境保护、应急工程监管项目为例，阐述卫星通导遥技术在三江源国家公园生态监测中的探索与实践。

1.可可西里盐湖漫溢生态环境灾害事件应对

由于全球气候变暖，青藏高原发生一系列生态环境连锁响应，可可西里地区盐湖发生扩张和漫溢并严重威胁到三江源生态安全和“青藏走廊”的运行安全。在可可西里这种无网、无电、缺少地面监测设施区域开展环境灾害应急监测面临巨大困难。为保障盐湖漫溢应对工作的顺利开展，三江源国家公园综合利用卫星遥感、卫星通信等多介质、多层次监测技术，构建了以卫星手段为主的天空地一体化生态环境应急监测体系。图5为可可西里盐湖卫星综合监测网。在遥感监测方面，通过对覆盖盐湖区域的高、中、低分辨率遥感影像高频次的获取，以及漫溢面积、水质等监测要素专题产品生产，形成中低分辨率周期性监测与高分辨率应急监测相结合的全天时、全天候监测机制，各类监测成果在三江源国家公园基准的统一时空框架下进行统筹接入和叠加分析，形成盐湖地区时空对齐的长时间序列监测数据集，为盐湖历史演化和现状的宏观把握提供支持。在通信方面，利用搭建的盐湖流域与管理部门高通量卫星通信链路，保障盐湖现场与指挥部门的信息联通，实现现场视频、语音、实时水位和漫溢等详细数据的全天候、实时稳定传输，为应急指挥与决策提供了有力支撑。在导航方面，监测车辆在北斗卫星协助下，完成对盐湖地区的巡查及险情上报。卫星通导遥盐湖流域监测体系在盐湖漫溢应对中发挥了重要作用，为灾情的掌握和指挥决策提供了重要支撑，也为今后高海拔区域的灾害应急与生态综合监测积累了宝贵经验。

图 5 可可西里盐湖卫星综合监测网

2.生物多样性监测与保护

三江源作为高原生物多样性最集中的地区，素有“高寒生物种质资源库”之称。生物多样性也是三江源地区重要的资源特性之一，为更好地研究三江源区生物多样性的现状、存在的问题和演化趋势，三江源国家公园综合利用卫星遥感、高通量卫星和北斗定位技术构建包含信息采集、通信传输、业务应用的天地一体生物多样性保护系统。

在三江源生物多样性保护实践中，通过高通量卫星将地面无网、无电区域野生动物监测视频、抓拍图片等数据实时回传到园区管理部门，基于智能识别算法客观真实地从视频、图片中提取旗舰野生动物，捕捉其迁徙数量、行动轨迹和生活习惯，并将获取的野生动物的点位、活动范围等空间化信息套合叠加在卫星遥感图像上展示和评判分析。同时，还可利用遥感卫星监测旗舰物种栖息的分布和自然环境状况，利用北斗项圈对野生动物实时跟踪，掌握野生动物的迁徙规律、时间和路径。卫星通导遥的综合应用可实现对野生动物全方位、多层次、立体化的监测，极大提高生物多样性监测与保护工作效率和水平，为国家公园生物多样性保护和科研实验提供坚实的技术支撑。

六、结论

三江源国家公园虽已高质量通过体制试点并正式建园，但三江源国家公园的建设仍需不断探索，结合业务需求持续开展卫星监测技术的试验与创新，不断完善卫星综合监测体系。未来，在本文已论述的现有卫星应用能力基础上，攻克多星智能协同、天地数据融合等关键技术，提升卫星遥感、导航与通信一体化实时综合服务能力，实现全域、全天候、全天时、智能化的三江源国家公园天基信息服务目标，进一步提高园区生态监测保护能力和管理水平，满足新时代生态文明建设的新任务、新要求，也为青海省建立以国家公园为主体的自然保护地体系建设工作提供扎实保障。