贺兰山东麓山水林田湖草生态保护修复工程生态效益评估系统的设计与应用

李晓虹,牛宏宇,陈彦虎,吴 晓

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,银川 750000;2.宁夏气象防灾减灾重点实验室,银川 750000; 3.石嘴山市气象局,宁夏 石嘴山 753000)

0 引言

石嘴山市位于黄河中游上段、宁夏回族自治区北部,按地形地貌可分为贺兰山山地、贺兰山东麓洪积扇冲积平原、黄河冲积平原及鄂尔多斯台地四种类型。由于缺乏统筹规划,加上矿产资源日益枯竭,石嘴山市生态环境破坏严重。在生态文明发展建设目标提出后,石嘴山市加快了生态环境治理的步伐,围绕“山、水、林、田、湖、草、沙”等各项要素,坚持修山、治污、增绿、净水、固沙、扩湿、整地并重,实施山水林田湖草沙一体化保护和生态修复[1-2]。石嘴山市气象局以山水林田湖草生态保护修复工程试点为契机,开发了“贺兰山东麓山水林田湖草生态保护修复工程生态效益评估系统”(以下简称“生态效益评估系统”)项目。

在生态环境研究相关平台的设计与应用上,刘成伟论述了草原生态节水灌溉系统的设计与运用[3]。薛帅等基于物联网技术设计了大气微颗粒采样及环境监测装置[4]。魏铁鑫等设计研发了气象灾害防御决策支撑平台[5]。李明哲利用GIS技术对生态城市规划进行了设计与应用[6]。谢永强探讨了O2O模式下电子商务平台的构建与实现,并设计了具体生态环境平台[7]。孙振勇等设计了一套集成Web端和手机App端的水文应急GNSS测流系统平台[8]。李琦等研发了滑坡地质灾害远程无线实时预警监测系统[9]。高尚等基于大数据、5G、智能传感器技术构建了空天地生态大数据平台[10]。吴勰等运用云计算、三维WebGIS、遥感、水量水质模拟等技术,开发了鄱阳湖数字湿地生态调控智慧管理平台[11]。李莹等设计并建设了气象灾害风险管理系统[12]。呼海涛等系统设计了陕西省“生态云”综合服务平台[13]。朱坚等建成了“一网—二库—二系统”的生态环境监测服务平台[14]。袁红平等面向湿地生态系统设计了基于物联网架构的湿地生态监测系统[15]。

以上学者针对生态环境的某一方面进行了平台设计及应用,但关于生态效益评估的综合性平台设计还较少。为此,本研究对生态效益评估系统进行了设计和应用,围绕“山、水、林、田、湖、草、沙”等各项要素,对石嘴山市生态环境进行了持续的跟踪监测,以实现天空地一体化监测,进而为生态治理效益评估提供科学的数据支撑。

1 生态效益评估系统的总体框架设计

生态效益评估系统的设计思路是“GIS一张图分类展示成果”,系统框架如图1所示。展示层包含生态环境因子、重大工程效益、数据检索、后台管理等;业务层包含数据管理和运行管理等。其中,数据管理包含对基础数据和加工数据的管理,运行管理包含任务、算法配置和报告管理等;服务层包含数据的调用、入库等服务及系统、日值管理服务,产品的制作、分发等;数据层包含空间数据、基础数据、业务数据及成果数据等。

图2 贺兰山东麓山水林田湖草生态保护修复工程生态效益评估系统Fig.2 Ecological benefit assessment system for ecological protection and restoration project of water, forest, farmland, lake and grassland at the eastern foot of Helan Mountain

2 分系统设计

根据现实需求并结合石嘴山市实际情况,生态效益评估系统分为数据管理子系统、运行管理子系统、共享管理子系统3个基本支撑子系统,以及生态环境因子和重大工程效益评估2个业务应用子系统。

2.1 数据管理子系统

数据管理子系统是生态效益评估系统的基础数据功能服务平台,包括数据存储、数据采集、数据检索、数据预处理、数据订单管理、数据归档、统计分析与决策、资源管理等功能模块。通过数据管理子系统,可实现对风云、高分、Landsat等21种多源卫星的遥感数据、无人机的航拍数据、地面的气象观测数据进行采集、存储、预处理等功能,实现对各类遥感数据依照产品系列、原始数据、再加工数据等条件的采集与存储。

2.2 运行管理子系统

运行管理子系统是生态效益评估系统的核心,主要包括算法配置、任务管理、产品分发、报告管理等功能模块,在数据管理子系统的基础上创建数据生产任务,配置算法模型,自动完成六大工程效益评估数据的生产与发布。

2.3 共享管理子系统

共享管理子系统包含产品共享数据库及数据传输、产品分类和展示、数据管理(用户管理、权限管理、日志管理)等模块,以数据单向定时传输的方式将效益评估产品,包括矿山修复监测评估、生物多样性监测评估、重点水体监测评估、水土流失及土壤沙化监测评估、盐碱化土壤监测评估、湿地监测评估等数据在气象大数据云平台及政务云数据库发布。

2.4 生态环境因子子系统

生态环境因子子系统主要围绕五大工程进行评估。利用多源卫星遥感影像,结合地面气象数据,实现对石嘴山植被、水体、湿地、地表温度及土地利用等开展动态监测评估,实现植被空间分布、植被指数、植被覆盖度、植被长势、植被净初级生产力、植被蒸散、植被生态质量指数、水体空间分布、水体透明度、水体面积变化、黄河河道变化、湿地分类、湿地净初级生产力、湿地空间分布、地表温度及土地利用分类等产品的生成。

2.5 重大工程效益评估子系统

效益评估子系统包括矿山修复监测评估、生物多样性监测评估、重点水体监测评估、水土流失及土壤沙化监测评估、盐渍化土壤监测评估、湿地监测评估等6个监测评估模块,围绕六大工程生态效益评估,利用遥感技术,基于多源卫星遥感影像,结合地面气象数据与无人机航拍影像,实现对贺兰山东麓林地、草地、水体、湿地、湖泊、土地利用等的动态监测评估,为贺兰山东麓山水林田湖草生态保护修复工程提供参考借鉴。

3 实证应用

3.1 生态环境因子分析

生态环境因子子系统可直接对石嘴山市的植被、水体、湿地、地表温度及土地利用等因子开展动态监测与评估。如图3所示,以植被空间分布为例,该界面包含所要生成图形的说明性内容为:选择区域、类型、数据源、频次、植被分类、选择数据的时间范围等;对生态环境因子的描述,可下载的图件、数据,各区县植被空间分布的面积数据及柱状图等。根据图文及数据可分析出每年各区县植被(林地、草地、耕地)面积的变化特征及空间分布特征。

图3 贺兰山东麓植被空间分布界面Fig.3 Interface of vegetation spatial distribution of Helan Mountain

3.2 六大工程效益评估

六大工程效益评估子系统可直接对矿山修复、生物多样性、重点水体、水土流失及土壤沙化、盐渍化土壤、湿地6个模块进行监测评估。如图4、图5所示,以人工林草地分布和盐渍化土壤分布为例,该界面包含所要生成图形的说明性内容:选择区域、数据源、选择数据的时间范围等;该项目计算方法的简要描述,可下载的图件、数据。根据图文及数据可分析出每年各区县人工林草地面积的变化特征及空间分布特征,以及各区县轻度或非盐渍化和中度及以上盐渍化土壤面积。

图4 贺兰山东麓人工林草地分布界面Fig.4 Interface of plantation grassland distribution of Helan Mountain

图5 贺兰山东麓盐渍化土壤分布界面Fig.5 Interface of salinized soil distribution of Helan Mountain

利用无人机搭载RGB相机,不定期在矿山修复区域航飞,借助第三方软件处理生成矿山修复区域的地形、正射影像等基础数据,导入平台后,结合Cesium框架,综合历史高清影像及无人机拍摄影像,实现矿山生态修复过程的三维展示与浏览动态图。如图6所示,可以清晰地看到矿山生态环境综合整治成效,“黑、脏、乱、差”的状况得到根本性好转,生态环境得到极大改善,贺兰山生态环境综合整治取得明显成效。

图6 大磴沟整治前后无人机航拍正射影像图Fig.6 Image of Dadengou before and after renovation by UAV aerial orthophoto

3.3 自动生成生态效益评估报告

如图7所示,为节省人力资源最大化,符合生态监测评估智能化需求,以平台6大业务监测模块定期生产的业务产品为数据基石,结合服务产品模板,对年度及长时间序列的监测数据进行自动化再分析评价,自动生成石嘴山市辖区内矿山修复、生物多样性、重点水体、水土流失及土壤沙化、盐渍化土壤、湿地等六大工程生态效益评估报告,也可对报告进行新增、编辑、查看、发布、撤回、搜索重置等操作。

图7 自动化生成生态效益评估报告图Fig.7 Report of ecological benefit evaluation of automatic generation

4 结束语

贺兰山东麓山水林田湖草生态保护修复工程生态效益评估系统以“GIS一张图分类展示成果”为设计思路,包含数据层、服务层、业务层、展示层,分为数据管理子系统、运行管理子系统、共享管理子系统3个基本支撑子系统,以及生态环境因子、重大工程效益评估2个业务应用子系统。生态效益评估系统已实现业务化应用,在矿山修复、生物多样性、重点水体、水土流失及土壤沙化、盐渍化土壤、湿地等六大工程生态效益评估中发挥了重要作用;能够通过无人机航拍正射影像图对矿山修复进行精细化监测评估,自动生成六大工程生态效益评估报告,具有良好的业务能力与发展前景,可以推广应用,对生态环境进行持续跟踪监测,为生态治理效益评估提供科学数据支撑。