遥感科技服务国家战略——以西北自然资源调查为例.pdf

遥感科技服务国家战略以西北自然资源调查为例文|李志忠1？卫征1 付垒韩海辉3赵君陈霄燕白鹏飞刘拓张文龙？1.中国遥感应用协会专家委员会2.上合组织地学卫星遥感中心3.中国地质调查局西安地质调查中心摘要：随着新一轮科技革命和产业变革加速推进，遥感科技结合人工智能分析、空天地一体化调查监测、深地深海探测等地学前沿研究及新技术应用的迫切性更加突显。本文以西北自然资源调查监测工作为切入点，阐述遥感技术在支撑服务黄河流域生态保护和高质量发展、能源资源安全、粮食安全等国家战略中的适用性、实用性及潜力挖掘，最后对遥感科技服务国家战略存在的技术问题及难点进行分析并提出建议。关键词：遥感科技；自然资源调查；国家战略一、自然资源遥感调查监测的需求党的十八大把生态文明建设纳人“五位一体”的总体布局和“四个全面”的战略布局。党的十九大后为推进生态文明体制改革重新组建了自然资源部，并赋予自然资源部统一行使全民所有自然资源资产所有者职责、统一行使所有国土空间用途管制和生态保护修复职责。党的二十大提出，以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴。为实现人与自然和谐共生的现代化，国家把统筹处理人与自然的关系、发展和保护的关系作为重大原则，深人实施黄河流域生态保护和高质量发展、能源资源安全、新一轮西部大开发等国家战略，这就要求自然资源工作必须坚持“严守资源安全底线、优化国土空间格局、促进绿色低碳发展、维护资源资产权益”的工作定位，全面做好自然资源保护利用工作。遥感作为一门建立在空间科学、物理学、计算2023年第8 期卫星应用1 3 3遥感视野IRemoteSensing机科学、地球科学等多学科上的现代前沿交叉科学技术，近年来伴随着航空、航天技术的发展和人工智能等新一代技术的推广，在服务西北自然资源调查监测工作中不断扩展，如持续支撑山水林田湖草一体化保护修复、境内外找矿突破、粮食主产区土地质量监测、重要经济区清洁能源开发利用等任务，已显示出极其广泛的应用价值、良好的经济效益和强大的生命力。2023年召开的全国自然资源调查监测工作会议，明确提出未来五年要着力构建调查监测感知体系，加强新模型、新算法研究，不断提升自然资源监测能力和水平，并重点围绕国家重大战略实施、重大区域格局调整、城镇发展、乡村振兴等需要，继续开展地类变化监测，深化探索城市国土空间监测，加强专项监测和重点监测，适机开展快速反应监测；同时深入挖掘自然资源调查监测数据的内在价值和应用潜力，深化数据综合分析，提升咨询服务能力，不断提升自然资源调查监测在支撑自然资源管理、服务经济社会发展方面的实际成效。以上需求为开展西北自然资源调查指明了方向，即要由常规地面调查方法向以充分依靠科技创新和现代信息化建设为技术支撑的新方法转变，逐步形成应用大数据、云计算、智能识别、5G、北斗为核心的信息技术改造、引领、支撑测绘遥感、地球物理、地球化学、钻探、分析测试、地质信息和资源利用等七大传统自然资源调查手段，构建“天一空一地一网”的自然资源动态立体监测预警评估体系，破解“资源怎么科学利用”“人地关系如何平衡”“双碳目标下生态修复如何开展”等关键问题，调查研究成果直接应用于国家重大战略实施和重大区域格局调整。二、自然资源遥感监测的应用1.黄河流域人地关系全要素系统分析人地关系指人类活动与自然环境之间的关系，其核心目标是协调区域社会经济发展与自然环境间的矛盾，达到人与自然环境协调发展。工业革命以来，人类活动对自然环境的影响不断加深，已造成自然资源稀缺、地质环境质量下降、地表圈层功能退化等生态环境问题。在现代人地协调观的要求下，黄河流域人地关系的监测评估需综合考量自然资源多要素的变化和相互作用关系，遥感技术可以快速掌握山水林田湖草的分布及之间的转化趋势，进而进行“水一土一气一生一人”综合作用分析。但应用仍存在几方面挑战：1）研究对象的复杂性：黄河流域干流长达50 0 0 多千米，西到东横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和黄淮海平原四个地貌单元，气候类型多样、地质条件复杂、自然资源和能源丰富，是当前地球关键带研究尚未系统涉及的巨型流域。2）自然变化和人类的工业、农业和城镇化活动相互交织且作用强烈：黄河流域横跨9 个省区，生活着近3 亿多人口，建设了龙羊峡等重要水库，建立了兰西、关中等城市群以及汾渭平原等商品粮基地，暖湿化和人类活动双重作用显著。3）全流域生态地质问题的多样性和连锁性：源头区的冰川消融和草场退化，中游区的水土流失与地质灾害，下游的湿地退化和地面沉降等问题依旧存在。传统的人地关系调查研究多局限于上千平方千米的小流域，环境变量梯度和生态地质问题相对单一，无法解决诸如黄河这样巨型流域的资源环境问题。但遥感技术宏观、动态、综合、快速、多层次、多时相的优势，可为人类可持续利用地球关键带生态服务提供科学支撑。未来应继续建设空天地一体化监测体系，促进人地关系研究，重点围绕以下方向：1）地质环境变化对流域主要地球关键带自然资源保护、生物多样性维持、水资源平衡等的作用。2）基于空天地一体化地质调查监测开展地球关键带不同生态系统服务功能的评估预测。3）地球关键带过程及系统的模型模拟研究，包括加强全流域341卫星应用1 2 0 2 3 年第8 期遥感视野Remote Sensing尺度的多源地质调查数据同化技术，以及基于遥感监测和模拟的地球关键带重要特征参数的可视化制图等。2.青藏高原生态地质环境保护近年来，被誉为“中华水塔”的青藏高原因生态地质环境变化引起水资源涵养功能降低和水环境变异，致使土地退化面积扩大、生物多样性减少，本就脆弱的生态加剧恶化，尤其是黄河源地区的生态、绿色发展要求对地质环境的需要提出了新挑战。2 0 1 9 年起，为全面支撑青藏高原生态保护修复工作，自然资源部中国地质调查局统筹部署了“黄河源等地区生态地质调查工程”，重点开展了1：50 0 0 0 0 生态地质背景调查以及重点生态功能区1：50 0 0 0 生态地质要素调查，旨在查明从地下一地表一地上全过程的地质构造背景与自然资源各要素的关系，多源遥感技术作为空天地一体化调查的主要手段发挥了重要作用。基于光学遥感和合成孔径雷达（SAR）等干涉雷达监测，陆续开展源头地区冰川融化、冻土消融、湿地退缩、土地退化等典型生态地质问题的持续监测与三水转化数量的遥感定量反演，定量评价了黄河上游生态功能保护区水源涵养功能，分析了黄河上中游重点矿区开发利用及生态损毁修复情况，这些高寒区地球关键带研究为保护和恢复高原的生态地质环境提供了大量基础数据和科学依据。目前，这项工作已成为自然资源部中国地质调查局长期开展的公益性调查任务，这将为黄河流域生态保护和高质量发展战略提供重要的科技支撑。3.西北特殊景观区矿产遥感调查我国铀、铁、铜、铝、镍、锂、锰等十余种矿产资源的自然烹赋较差，其供给与需求的矛盾至今没有实质性改善，结构性短缺态势长期存在。2 0 2 0年9 月，我国正式作出“将力争2 0 3 0 年前实现碳达峰、2 0 6 0 年前实现碳中和”的“双碳”目标承诺，这将进一步促使新能源产业所需的矿产资源呈爆发式增长，也势必将拉动铜、铝、镍、钻等相关资源的消费增长。西北地区是我国战略性矿产资源的重要保障基地，利用遥感技术为依托的空地一体智能化快速勘查体系服务新一轮找矿突破势在必行。通过在西北重要成矿带部署矿产资源遥感调查工作，可创造性地将高分辨率遥感数据与多光谱、高光谱遥感数据相结合，开展多层次遥感解译，形成一套高分遥感地质矿产调查技术方法体系，助力矿化异常信息的快速发现。这项工作目前已有很好的基础，如研究人员已构建了适用西北特殊景观区的遥感+地质+地球化学空地一体快速勘查技术方法体系，突破了高寒深切割区、戈壁荒漠区的遥感信息提取技术，技术成果成功引领西昆仑大红柳滩超大型锂辉石矿找矿突破，加速甜水海地区萨岔口、五峰山一带铅锌找矿新发现，有效推动高分、高光谱遥感调查技术在西北地区矿产勘查中的规模化应用，为在我国西部艰险区开展战略性矿产资源勘查提供了重要支撑。4.西北粮食主产区土地健康调查西北地区的新疆北疆、陕西关中、甘肃河西走廊等地区，水草丰美、土壤肥沃、有机质含量相对高，是保障我国粮食安全的重要地区。随着气候变化和多年高强度开垦，西北耕地区土壤面临着退化和盐碱化问题，利用高新技术开展调查监测迫在眉睫，大量学者也展开了遥感技术应用示范工作。在西北五省1：2 50 0 0 0 土地质量地球化学调查中，通过卫星、航空、地面高光谱、地球化学分析准同步数据采集，构建了土壤质量高光谱遥感综合评价模型，开展了地物特征光谱重建与评价工作，科学支撑国家粮食安全。尤其是通过间接法寻找土壤盐碱化的光谱特征波段，应用无人机高光谱资料分析元素相关性，对耆等地区的钾、硒、氯及粘土矿物含量进行了科学预测，取得了良好的示范对比效果。同时利用土壤样本的地球化学测试数据和地面高光谱数据，探2023年第8 期卫星应用1 3 5遥感视野IRemoteSensing索土壤重金属与氧化铁的吸附赋存关系，构建基于氧化铁反演的土壤重金属间接反演模型，对白银等地区重金属含量模型反演输出值与重金属实测值进行拟合比对，探讨微量重金属间接定量反演模型的可行性和准确性，另外还参照中国居民膳食2 8 种人体有关的主微量元素变化和遥感数据绘制西北地区水土异常图，这些工作均为保障国家粮食安全提供了“遥感智慧”。5.西北地区地热资源遥感调查地热资源是指贮存在地球内部的可再生热能，是一种十分宝贵的综合性矿产资源。我国尤其是西北地区地热资源丰富，因此大力开展地热资源勘探和开发利用，是区域清洁能源结构调整的重要内容，也是短期内我国优化能源结构的重要途径，更是我们实现双碳目标的有效手段。地热资源调查一般遵循先从区域性、大面积范围圈定地热远景区，再进行中等比例尺地面调查，辅以相关地球物理勘探手段，圈定地热勘探开发靶区，最后通过地热调查井或开采井验证或开发利用。但这个过程耗时耗力，国内外已有研究证明利用遥感进行地球热能探测技术上可行，主要是利用热红外数据填图地表温度并与地热建立联系，可以辅助进行地热资源调查。但由于目前热红外遥感波段单一、空间分辨率低，不能很好地满足地热资源勘探需求，尤其是缺乏专门针对地热流场（地热通量）指标的传感器（目前为止尚无高光谱分辨率和高空间分辨率的专用热红外遥感卫星），使得深部和高温地热探测仍存在较大技术瓶颈。目前学者们正在结合地球热能探测需求，研制专门的地热遥感卫星，综合提供地表温度、地热通量精确反演所需数据，进一步提升地热资源勘探开发速度和效率。未来，遥感探测手段或将成为提高地热资源勘探的重要手段。三、存在的技术问题与难点1.大系统大科学框架下的学科融合体系尚需进一步加强利用自然资源调查数据支撑生态文明建设、国家重大战略实施和重大区域格局调整，首先需要构建统一的调查监测总体框架，并绘就自然资源一张底图。这就意味着要从科学性和系统性人手，遵循自然资源演替规律和生态系统内在机理，对地表、地上和地下的各类自然资源科学组织，分层分类进行管理；在地表覆盖的基础上，叠加各类管理信息，形成真实反映自然资源利用状况的准确数据，满足自然资源管理的需要。但这个工作涉及复杂的地球圈层系统乃至经济、人文、历史等众多学科与领域，导致“核心要素信息的自动化提取”依旧是自然资源调查监测的主要技术瓶颈问题，这就需要引导和支持交叉学科的发展与壮大，尤其是在信息提取方面加快大数据、人工智能、5G、区块链、知识图谱、空间信息等高新技术与航空遥感、无人机航空遥感的迅猛融合，构建“天一空一地一网”一体化的技术体系，尽早实现自然资源要素变化信息高精度自动化提取；另外，地理空间分析、区块链、知识图谱等技术的交叉融合，也可以为揭示自然资源“格局一过程一服务”的地域分异、形成机理、演化规律及人地关系全要素系统分析提供支撑，实现从调查监测到知识服务的跨越。2.技术标准规范不完善，工程规划与设计不成熟完善自然资源遥感监测技术标准规程，拓展遥感技术工程化应用是支撑国家重大战略实施的有效途径。虽然国内外都发布了不少资源环境遥感监测与评估的规范标准，但其针对性、适用性、通用性等还相对有限，完整的体系也尚未形成，导致规划工程应用缺乏足够依据。未来，自然资源调查监测工作将更加重视技术规范化、数据标准化、应用工36|卫星应用1 2 0 2 3 年第8 期遥感视野RemoteSensing程化，只有进一步明确自然资源遥感监测的定量指标，加速自然资源参数的遥感反演、自然资源时空信息一体化建模、自然资源知识服务模型等关键技术方法研发，完善技术流程和标准规程，并在我国和“一带一路”相关区域开展专题性或工程化应用试点试验，实现自然资源全要素、全流程、全覆盖的动态感知和精准认知，才能有效支撑国家战略的实施。3.多信息维度融合的地球大数据智能信息化有待深化未来，自然资源遥感监测实现数字化和信息化方可有效支撑国家战略的实施。目前的对地观测已显现出高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率的“三高”特征，随着地球科学的发展和地球关键带研究的深入，对不同尺度下地球大数据的信息维度、分辨率都提出了更高要求。但在综合运用航天、航空遥感和地面站点、手持终端、岩心光谱扫描等多种监测手段，基于数据挖掘、融合、协同、同化等关键技术，形成天空地一体化的探测装备和数据处理与应用系统等方面，仍然面临监测难协同、数据难共享、信息难融合、质量难统一、精度难提高、管理难有效等问题。如多尺度非结构化信息、多目标特征信息、多维度时序信息等融合难度大，环境耦合分析模型与灾变风险预测不精准，严重制约了自然资源大数据的整合、分析与工程化应用。进一步加强地球大数据基础信息平台建设，推进自然资源“一张图”从二维调查走向三维调查，并利用大数据、区块链等技术努力解决“数据孤岛”等问题，形成“用数据监管、用数据决策”的技术支撑模式，方可适应生态文明建设和自然资源管理需要。参考文献1张继贤，李海涛，顾海燕，等人机协同的自然资源要素智能提取方法 J.测绘学报，2 0 2 1,50(8)：1 0 2 3-1 0 3 2.2李志忠，洪增林，陈霄燕，等.卫星遥感支撑地球健康体检 J.卫星应用，2 0 2 2,(1 1)：58-6 4.3赵文波，李帅，李博，等，新一代体系效能型对地观测体系发展战略研究 J.中国工程科学，2 0 2 1,2 3(6)：1 2 8-138.4李志忠，卫征，陈霄燕，等.新型对地观测技术与地球健康体检 J西北地质，2 0 2 2(2)：56-7 0.5黄河源地区生态地质调查 M.陕西西安：中国地质调查局西安地质调查中心，2 0 2 2.6李志忠，穆华一，刘德长，等“遥感先行”服务自然资源调查技术变革与调整 J.地质与资源，2 0 2 1,3 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