遥感技术在国土空间生态修复领域的应用

文| 陶培峰 周宏文 肖禾 袁月 汤曾伟 张宇

重庆市地理信息和遥感应用中心

一、引言

国土空间生态修复是指通过一系列的措施和行动，以改善、恢复和保护生态环境为目标，对国土空间中受到破坏的生态系统进行修复和重建的过程，是机构改革赋予自然资源主管部门的重要职责，也是自然资源主管部门履行“两统一”职责的重要内容[1]，对于维护国家与区域生态安全、提升生态系统稳定性和可持续性、促进人与自然和谐共生具有重要作用。相较于传统生态修复，国土空间生态修复聚焦山水林田湖草等全域、全要素的整体保护、系统修复、综合治理，更关注中宏观尺度下的国土空间结构优化、修整和生态功能的抚育、恢复[2]。

遥感技术凭借其高频度、大尺度同步获取各类生态参量的能力，在地面台站数据、专项监测数据等的支持下，能够快速、定量识别区域生态状况、特征、问题及其演变趋势，在国土空间生态修复中应用广泛。近年来，国产卫星观测应用体系日臻完善，数据保障能力逐步提升[3]，尤其通过遥感影像采集、处理、管理、分发的规范化统筹，实现了各类遥感数据从接收到处理发布的全过程管理服务，提高了遥感数据的可获取性和时效性，有效保障了遥感技术在国土空间生态修复领域的应用。

二、国土空间生态修复遥感应用框架

遥感技术具有监测面积大、重访周期短的特点，已经成为国土空间生态修复调查、监测和评估的重要手段，具体应用范围可归纳为生态本底调查、生态问题识别、生态保护修复格局构建、生态修复工程监管与成效评估4 个方面，据此构建了国土空间生态修复遥感技术应用的总体框架（图1）。

图1 国土空间生态修复遥感技术应用框架

1. 生态本底调查

全面、系统地掌握区域生态本底状况是开展国土空间生态修复的关键基础，基于遥感技术可以实现区域资源禀赋、自然地理、生态系统等要素的调查与动态监测，解决生态修复工作中“底数不清”“状况不明”“空间不准”的现实问题。利用卫星遥感影像的色彩、纹理、形状和光谱等特征，结合智能解译、定量反演等技术手段，可以精准获取耕地、林草、湿地等资源的类型、分布、数量和质量等信息；结合立体测绘技术和地形分析，能够充分发掘区域地形地貌、河流水文、山水格局等地理特征，掌握自然资源在不同海拔的垂直分布情况；通过模型计算和多期影像对比，能够快速获取生态系统评估参数，支撑生态系统景观格局、质量、服务功能等生态系统状况分析与变化监测，有助于全方面掌握生态系统在人类活动影响下的特征和变化趋势。

2. 生态问题识别

生态问题识别是国土空间生态修复的前提，利用遥感技术能够摸清区域主要生态问题的类型、位置及破坏程度，有助于确定生态修复实施的方向和力度，在识别和诊断系统性、生态空间、城镇空间、农业空间等生态问题方面能够提供准确的评判依据。

在系统性生态问题识别方面，可以利用遥感监测技术解译获取土地利用、水土保持措施、植被覆盖等信息，运用土壤流失方程，计算土壤侵蚀模数、评价水土流失强度[4]；采用多频段、多参数的“天—空—地”一体化观测和立体影像技术，能够判读地质灾害孕灾背景、灾害特征、变形速率和发展趋势等信息，提升地质灾害调查的准确性和有效性[5-6]；基于立体测绘技术与淹没分析，能够准确提取洪水淹没范围和淹没区水深分布，识别城市易涝重点区和消落区范围[7]。在生态空间生态问题识别方面，遥感技术可获取地物的光谱特征，利用不同地物的光谱差异可以实现水体、植被、气象、土壤等关键生态参量的反演，在识别水体富营养化、植被病虫害、土壤污染等方面应用广泛[8-9]。在城镇空间生态问题识别方面，利用热红外遥感技术，可以反演地表温度，分析城市热岛现象的时空变化[10]；通过遥感影像解译，可有效识别河道侵占、岸线硬化等生态问题。在农业空间生态问题识别方面，利用遥感地物信息分类提取技术，可以识别坡耕地的空间分布；基于面源污染负荷模型，耦合遥感技术，能够实现区域面源污染负荷量估算和污染特征分析，为面源污染防治提供决策支持[11]。

3. 生态保护修复格局构建

构建生态保护修复格局就是要明确生态安全格局，细化生态修复分区，是合理编制国土空间生态修复规划、科学布局国土空间生态修复重大工程的重要依据，对促进生态系统的整体保护与协同治理具有重要指导意义[12-13]。

依托遥感前期开展的生态系统评价和生态问题识别，可有效支撑生态安全格局构建、生态保护修复区识别、生态修复分区等工作。识别生态系统服务功能重要、生态系统质量优良的区域，作为生态保护区，同时作为生态安全格局中生态源地识别的参考，可用于提取生态廊道，识别生态节点；将生态系统结构不佳、功能受损、质量退化等生态问题突出区域划定为生态修复区，有助于确定修复目标和措施，实现因地制宜、优化治理[14]；根据自然地理单元的完整性、生态系统的相似性，以及生态问题的差异性，可支撑不同类型的生态修复分区，为制定分区管控和修复策略、指导生态修复工作提供参考。

4. 生态修复工程监管与成效评估

生态修复工程往往具有范围广、分布散、实施周期短、管护周期长等特点，传统工程监管方式以人工实地抽样调查为主，费时费力且无法覆盖全部工程，项目监管与成效评估存在一定困难。遥感技术以宏观、准确、实时等优势，可有效支撑生态修复项目的规划设计、进度监管、效益评估等工作。

在工程规划阶段，利用遥感技术可以快速摸清区域内土地利用、植被覆盖等生态本底状况以及主要生态问题，辅助管理部门进行工程选址和规划审批；在工程实施阶段，利用长时间序列的多源遥感数据产品，可动态监测工程区域内的地物信息、土地覆被等变化[15]，掌握生态修复工程的状态，包括生态修复所采取的措施、实施质量和建设进度等，方便管理部门对工程实时监管，及时发现制止“工程重复建设”“不按规划执行”“工程拖延”等违规行为；在工程验收和管护阶段，可以通过遥感技术开展植被生长状况、水质状况、水土保持等监测指标的生态参数定量反演，分析生态修复不同阶段生态系统的状态及变化，为生态修复工程验收、成效评估提供科学、可行的方法途径。

三、重庆市典型应用实例

1. 生态系统遥感解译

生态系统遥感解译是生态状况评估的重要基础，利用高分一号（GF-1）、高分二号（GF-2）等国产高分辨率卫星影像，通过人机交互解译、人工智能解译等方式，能够实现生态系统类型的识别。图2 是利用优于2m 分辨率的高分系列卫星解译的重庆市生态系统分布图，森林生态系统是重庆最主要的生态系统类型，占比40.1%；其次为农田、灌丛和城镇生态系统，分别占比28.3%、15.9%和9.2%；草地、湿地和其他生态系统规模相对较少，合计占比约6.5%。

图2 2020 年重庆市生态系统分布图

2. 生态系统服务功能评估

生态系统服务功能是生态系统满足和维持人类生存和发展需要的环境条件与效用，包括土壤保持、水源涵养、固碳释氧、生物多样性维护等类型[16]。多光谱、高光谱遥感数据作为量化评估生态系统服务功能的主要驱动数据，在定量反演技术和生态过程模型的支持下，可以获取植被覆盖度、生物量、净初级生产力、叶面积指数等关键评价指标，为生态系统服务功能评估提供基础数据。图3 是基于单位面积价值当量因子法，用植被覆盖指数（NDVI）和植被净初级生产力（NPP）修正得到的重庆市生态系统服务功能价值等级图[17]。生态系统服务价值高价值与较高价值区分别占比8.8%和23.12%，主要集中在渝东北、渝东南地区；中价值区占比31.12%，主要沿条形山脉分布；低价值与较低价值区分别占比7.17%和29.79%，主要集中于中心城区及其周边区域。

图3 重庆市生态系统服务功能价值等级图

3. 矿山生态问题识别

通过高分辨率和高光谱遥感影像，可以对矿山环境要素进行快速识别，包括矿山开发压占、损毁土地图斑提取、污染植被信息提取以及矿山污染边界划分等，为矿山生态修复提供指引。图4 是利用高分一号提取的涪陵区某矿山损毁土地图斑，根据影像的形状、色调、纹理可以识别矿山土地损毁的范围、面积和分布，影像特征一般为不规则闭环状或长条状，呈现亮白色调，与周边纹理有明显差异。通过遥感智能解译与人工判读，共提取涪陵区疑似矿山损毁土地图斑187 个，合计面积2.52km2，为后续矿山修复治理提供了数据支撑。

4. 生态修复工程监管

遥感具有覆盖面积大、重访周期短等技术优势，可以定期监测工程区地表覆盖变化，掌握工程施工进展，识别潜在的违规行为，评估植被恢复等工程实施成效，为管理部门提供及时、全面的工程信息，以支持生态修复工程的监督管理、决策制定和效果评估。图5 是利用国产高分系列遥感影像实现的铜锣山矿山生态修复工程监测，通过遥感影像可以清晰掌握在2017 年铜锣山矿山修复之前，矿坑周边土壤、植被遭到严重破坏，崖壁裸露；在2019 年生态修复过程中进行了客土回覆和植被修复；2021年修复后水域面积扩大、植被覆盖度增加，生态修复成效显著。

图5 铜锣山矿山生态修复工程监测

四、结语

遥感以其快速、客观、定量等技术特点，在国土空间生态修复的生态本底调查、生态问题识别、生态保护修复格局构建、生态修复工程监管与成效评估等方面有着广泛而深入的应用。随着遥感技术的不断发展和创新，遥感数据的数量、质量、类型和可获取性将不断提高，遥感技术在生态保护修复领域的应用将更加多样化和精细化。面向新时期的生态保护修复行业的应用需求，需要聚焦遥感与大数据、人工智能等前沿交叉学科之间的融合，强化多部门、多行业的应用探索，形成更加完善和高效的生态保护修复技术支撑体系。