張丹丹 肖晨超 魏丹丹 梁樹(shù)能 魏英娟

基于時(shí)空譜的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)框架研究

張丹丹 肖晨超 魏丹丹 梁樹(shù)能 魏英娟

（自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，北京 100048）

構(gòu)建星空地一體化的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)體系是完善國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)碳匯支撐體系的重要組成部分。文章在對(duì)生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，充分利用多源遙感大數(shù)據(jù)在時(shí)間維、空間維、光譜維的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了基于時(shí)空譜的星空地協(xié)同的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)框架，包含觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系、數(shù)據(jù)體系、產(chǎn)品體系、云服務(wù)平臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)體系、應(yīng)用體系6大部分，重點(diǎn)分析了技術(shù)框架亟需突破的4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，最后以尋烏廢棄稀土礦山環(huán)境修復(fù)工程區(qū)碳匯遙感監(jiān)測(cè)的初步應(yīng)用為例，闡述體系框架的應(yīng)用模式和實(shí)踐效果。文章設(shè)計(jì)的框架思路可為山水林田湖草等不同尺度生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程乃至陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)提供一定參考。

時(shí)空譜 遙感大數(shù)據(jù) 陸地碳匯 生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星

0 引言

陸地生態(tài)系統(tǒng)具有重要的碳匯（通過(guò)植樹(shù)造林、植被恢復(fù)等措施，吸收大氣中二氧化碳、甲烷等導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體，從而減少溫室氣體在大氣中濃度的過(guò)程、活動(dòng)或機(jī)制[1-2]）作用，陸地碳匯對(duì)“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有舉足輕重的作用[3]。黨的“十九大”提出，要統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，實(shí)施重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程。2016-2018年，中國(guó)實(shí)施了3批25個(gè)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程試點(diǎn)，對(duì)原有陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的改善，以及森林、草原、濕地、土壤等的固碳作用的有效發(fā)揮都起到了重要作用[4-5]。相關(guān)研究表明，生態(tài)修復(fù)區(qū)域的碳匯有56%是由生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程帶來(lái)的[5]。然而，單純依靠中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）、國(guó)家生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)（Chinese National Ecosystem Research Network，CNERN）、中國(guó)通量觀測(cè)研究聯(lián)盟等生態(tài)系統(tǒng)地面觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)和觀測(cè)臺(tái)站等手段，由于受到目前觀測(cè)站點(diǎn)布設(shè)不足且空間分布不均衡、長(zhǎng)期且規(guī)范的觀測(cè)平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取困難等多種因素的限 制[1-2]，難以在更為精細(xì)的尺度上更為細(xì)致全面地為陸地碳匯估算提供支撐數(shù)據(jù)。鑒于生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程具有生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、功能多樣性、時(shí)空多變性等特點(diǎn)，多源遙感技術(shù)近年來(lái)已經(jīng)成為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯監(jiān)測(cè)的重要手段[1,6-8]。隨著國(guó)產(chǎn)陸地衛(wèi)星數(shù)量和觀測(cè)模式的不斷豐富，“高分七號(hào)”等激光雷達(dá)衛(wèi)星、L波段差分干涉SAR衛(wèi)星、“句芒號(hào)”衛(wèi)星等新型衛(wèi)星載荷的相繼成功發(fā)射，衛(wèi)星遙感對(duì)地觀測(cè)能力不斷提高[9-10]，同時(shí)機(jī)載激光雷達(dá)、高光譜、無(wú)人機(jī)等航空遙感技術(shù)日益成熟，使得碳匯監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)源日益豐富。因此，通過(guò)構(gòu)建星空地協(xié)同的應(yīng)用模式，利用不同時(shí)間尺度和空間尺度下的光學(xué)、高光譜、雷達(dá)等多源遙感數(shù)據(jù)所獲取的高時(shí)效性、動(dòng)態(tài)變化的地表覆蓋、植被類型及冠層理化參量、特定類別目標(biāo)等信息，可為生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)提供局部生態(tài)系統(tǒng)邊界、組成、結(jié)構(gòu)、理化參量數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)有關(guān)信息，可承接地面站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步開(kāi)展不同尺度的推廣分析，并通過(guò)點(diǎn)面結(jié)合的手段，形成常態(tài)化監(jiān)測(cè)能力，確保碳匯監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)在不同區(qū)域不同時(shí)間跨度下的可比性。

本文以生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程不同實(shí)施階段碳匯監(jiān)測(cè)需求為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于時(shí)空譜的星空地協(xié)同的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)框架思路，并通過(guò)具體案例的分析，闡述體系框架的應(yīng)用模式和實(shí)踐效果，最后總結(jié)和討論了該技術(shù)框架實(shí)施面臨的問(wèn)題和應(yīng)用前景。

1 國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需求

國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的碳匯遙感監(jiān)測(cè)貫穿工程實(shí)施前、實(shí)施中和實(shí)施后的全生命周期，除了監(jiān)測(cè)不同階段主要的碳匯參量及其變化外，還需要監(jiān)測(cè)各個(gè)階段不同精細(xì)程度的地表覆蓋、工程治理狀況和環(huán)境條件，以從宏觀、中觀、微觀等層面系統(tǒng)全面掌握生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程治理與碳匯的耦合關(guān)系，為后續(xù)工程的規(guī)劃部署提供參考依據(jù)。工程實(shí)施前重點(diǎn)是本底的調(diào)查，查明對(duì)固碳作用顯著的各類要素的基底情況，如工程范圍內(nèi)的植被類型、土地利用類型、樹(shù)種、林齡、植被的生長(zhǎng)變化、土壤類型、土壤有機(jī)碳含量、土壤砂粒、黏粒等[11-12]。工程實(shí)施階段主要是對(duì)河道、退化土地、林草治理、礦山修復(fù)治理等治理工程實(shí)施情況及引起的碳匯變化情況的監(jiān)測(cè)。工程實(shí)施后主要是監(jiān)測(cè)對(duì)固碳作用顯著的各類要素的變化情況，如植被類型變化、土地利用變化、土壤品質(zhì)變化等。生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容及數(shù)據(jù)需求如表1所示。

表1 生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容及數(shù)據(jù)需求表

注：“基期”是指開(kāi)始生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程監(jiān)測(cè)的起始期或?qū)Ρ鹊臉?biāo)準(zhǔn)時(shí)期。

2 總體技術(shù)框架設(shè)計(jì)

2.1 基于時(shí)空譜的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯監(jiān)測(cè)總體技術(shù)框架

生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)框架主要由星空地一體化碳匯觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系、基于時(shí)空譜的星空地一體化碳匯遙感監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)體系、碳匯關(guān)鍵遙感參量產(chǎn)品體系、碳匯監(jiān)測(cè)監(jiān)管云服務(wù)平臺(tái)、基于多源遙感數(shù)據(jù)的碳匯遙感監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和分析應(yīng)用體系6部分組成，如圖1所示。

（1）星空地一體化碳匯觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系

針對(duì)重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程多時(shí)空尺度的碳匯監(jiān)測(cè)需求，綜合利用“高分七號(hào)”衛(wèi)星、L波段SAR衛(wèi)星、高光譜、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星等多源衛(wèi)星，機(jī)載LiDAR、高光譜、CCD相機(jī)、無(wú)人機(jī)等航空、低空載荷，形成虛擬的衛(wèi)星-航空-低空遙感觀測(cè)“面狀”網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)整合CERN、CNERN等已建的地面通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、在建和待建的觀測(cè)站點(diǎn)及樣地/樣方形成的“點(diǎn)”狀網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程星空地一體化的“點(diǎn)”、“面”結(jié)合的碳匯觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，逐步形成對(duì)生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯持續(xù)的觀測(cè)能力，為開(kāi)展碳匯調(diào)查、監(jiān)測(cè)、分析評(píng)估等提供高精度、強(qiáng)時(shí)效和全覆蓋的數(shù)據(jù)源。

圖1 生態(tài)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)框架

（2）基于時(shí)空譜的碳匯遙感監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)體系

充分發(fā)揮多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及定量遙感等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)整合已建、在建和待建的CERN等野外觀測(cè)站點(diǎn)等其他地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮多源數(shù)據(jù)的時(shí)–空–譜優(yōu)勢(shì)，通過(guò)高時(shí)–空–譜融合技術(shù)，多源數(shù)據(jù)同化等技術(shù)，構(gòu)建與碳匯監(jiān)測(cè)綜合站點(diǎn)相匹配的星空地一體化的碳匯遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集，形成時(shí)間、空間、光譜多維度的海量遙感大數(shù)據(jù)集，提升碳匯監(jiān)測(cè)模型在站點(diǎn)尺度和區(qū)域尺度的精度和通用性。

（3）碳匯關(guān)鍵遙感參量產(chǎn)品體系

通過(guò)多源衛(wèi)星遙感時(shí)空譜系構(gòu)建、定量遙感、遙感大數(shù)據(jù)挖掘、生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程-遙感模型模擬預(yù)測(cè)等技術(shù)，構(gòu)建區(qū)域連續(xù)碳匯監(jiān)測(cè)產(chǎn)品反演模型，形成多類型多尺度的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)系列產(chǎn)品，包括總初級(jí)生產(chǎn)力（Gross Primary Production，GPP）、凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Production，NPP）、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（Net Ecosystem Production，NEP）、葉面積指數(shù)（LAI）、森林蒸散（Evaportraspiration，ET）、光能利用率（Light Use Efficiency，LUE）、生物量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤水分等，為碳匯調(diào)查評(píng)價(jià)、固碳速率及潛力評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)。

（4）碳匯遙感監(jiān)測(cè)監(jiān)管云服務(wù)平臺(tái)

圍繞碳匯監(jiān)測(cè)監(jiān)管需求，建設(shè)碳匯遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)，融合衛(wèi)星、機(jī)載等多源遙感數(shù)據(jù)、森林資源清查、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、第三次國(guó)土調(diào)查等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地面生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)和氣象、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)等支撐碳匯核算的數(shù)據(jù)資源，通過(guò)虛擬化、云服務(wù)資源管理等技術(shù)，研發(fā)包括成果集成管理、綜合展示、統(tǒng)計(jì)匯總、時(shí)空分析、碳匯核算、模擬分析、輔助決策支持等功能的監(jiān)管云服務(wù)平臺(tái)，為碳匯的監(jiān)測(cè)監(jiān)管提供信息化軟件支持。

（5）基于多源遙感數(shù)據(jù)的碳匯遙感監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

碳匯遙感監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系包括空天地一體化的碳匯觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)技術(shù)要求、碳匯遙感大數(shù)據(jù)集建設(shè)技術(shù)要求、碳匯關(guān)鍵遙感產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)范等。梳理形成生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程星空地一體化碳匯遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源體系，明確野外觀測(cè)站點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)等策略，規(guī)范數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)內(nèi)容、格式等。設(shè)計(jì)觀測(cè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、地表覆蓋數(shù)據(jù)、生態(tài)參量反演產(chǎn)品的采集與制作頻次，及一體化組織管理的概念、邏輯、物理存儲(chǔ)模式等。

（6）分析應(yīng)用體系

基于反演的冠層高度、生物量等碳匯監(jiān)測(cè)關(guān)鍵遙感產(chǎn)品，根據(jù)生物量轉(zhuǎn)換因子、精細(xì)區(qū)分段求積、統(tǒng)計(jì)遙感模型等方法估算碳儲(chǔ)量，分析生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程不同實(shí)施階段碳儲(chǔ)量的差異；利用碳匯核算方法和潛力評(píng)價(jià)模型，結(jié)合規(guī)劃管理等數(shù)據(jù)，分析固碳速率、增匯能力等；利用遙感、定位觀測(cè)和定點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)評(píng)估重要生態(tài)空間的碳匯功能現(xiàn)狀以及變化情況，量化評(píng)估生態(tài)保護(hù)修復(fù)區(qū)碳增匯成效；識(shí)別評(píng)估生態(tài)碳匯功能重要空間和生態(tài)碳匯提升適宜空間，量化評(píng)估不同區(qū)域、不同時(shí)段各類型生態(tài)系統(tǒng)的碳匯潛力與關(guān)鍵影響因素等。

2.2 技術(shù)流程設(shè)計(jì)

生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)流程如圖2所示，包括星空地一體化數(shù)據(jù)獲取、星空地一體化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理、多級(jí)多尺度碳匯遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、碳匯估算與模擬分析、綜合應(yīng)用等5個(gè)環(huán)節(jié)。首先，基于光學(xué)、高光譜、激光、SAR等衛(wèi)星，以及航空、低空遙感平臺(tái)及地面觀測(cè)臺(tái)站和網(wǎng)絡(luò)體系獲取生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的多源數(shù)據(jù)，然后基于標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)處理規(guī)范，通過(guò)時(shí)空譜數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)同化、數(shù)據(jù)再分析等技術(shù)對(duì)獲取的星空地一體化數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，形成時(shí)空譜融合的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)集；借助定量遙感技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程-遙感模型模擬預(yù)測(cè)等技術(shù)，以碳匯遙感監(jiān)測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)規(guī)范為指導(dǎo)，開(kāi)展多級(jí)、多尺度碳匯遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，形成碳匯遙感監(jiān)測(cè)系列產(chǎn)品；基于構(gòu)建的碳匯監(jiān)測(cè)服務(wù)云平臺(tái)和碳匯遙感監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)集，開(kāi)展碳匯的時(shí)空分析、估算、統(tǒng)計(jì)計(jì)算等，形成專題圖件和分析報(bào)告；最后，基于碳匯估算與模擬分析的結(jié)果，開(kāi)展增匯成效評(píng)價(jià)等綜合分析應(yīng)用，為生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的規(guī)劃、實(shí)施和監(jiān)管等提供決策支持。

圖2 生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)流程圖

2.3 生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品體系

按照生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程不同實(shí)施階段對(duì)遙感產(chǎn)品的需求分析，綜合激光、高光譜、光學(xué)、SAR、熱紅外等遙感載荷的數(shù)據(jù)獲取能力和智能計(jì)算、定量遙感等技術(shù)，圍繞生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程實(shí)施的目標(biāo)，按照可分、實(shí)用等原則梳理生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵產(chǎn)品體系，如表2所示。

3 生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)方法

（1）智能感知與多源異構(gòu)數(shù)據(jù)匯聚技術(shù)

星空地一體化碳匯觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系的核心是對(duì)多種觀測(cè)手段的動(dòng)態(tài)和智能感知及數(shù)據(jù)的匯聚。結(jié)合已建的CERN等生態(tài)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)和在建的生態(tài)觀測(cè)站點(diǎn)，通過(guò)衛(wèi)星虛擬網(wǎng)、傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等組網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建面向生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的碳匯智能感知網(wǎng)絡(luò)，為碳匯監(jiān)測(cè)的多站點(diǎn)聯(lián)合、多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組合、多尺度聯(lián)合數(shù)據(jù)獲取提供技術(shù)支撐。同時(shí)圍繞星空地一體化的碳匯遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具備的數(shù)據(jù)密集、計(jì)算密集、并發(fā)訪問(wèn)密集、時(shí)空密集等技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)同化、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量多源異構(gòu)感知數(shù)據(jù)的匯聚和管理[14-15]。

（2）基于時(shí)空譜的多源遙感數(shù)據(jù)組織與融合技術(shù)

鑒于開(kāi)展碳匯遙感監(jiān)測(cè)所用的衛(wèi)星、航空（包括無(wú)人機(jī)）等不同的遙感平臺(tái)和傳感器在成像的時(shí)間、角度、高度、空間分辨率、光譜等特性上存在很大不同，為更有效組織管理和處理時(shí)-空-譜多維遙感數(shù)據(jù)，快速高效提取區(qū)域內(nèi)的多維多要素信息，需對(duì)多源、多傳感器、多模式的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理和高精度一體化處理，需逐步突破遙感時(shí)空譜多維數(shù)據(jù)組織模型和融合處理算法等算法，如SPAtial- Temporal-Spectral（SPATS）時(shí)空譜多維遙感數(shù)據(jù)一體化存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)[16]等，一方面提升多數(shù)據(jù)產(chǎn)品品質(zhì)的一致性和穩(wěn)定性；另一方面，充分發(fā)揮多源時(shí)空大數(shù)據(jù)的規(guī)?；瘍?yōu)勢(shì)和互補(bǔ)性優(yōu)勢(shì)，提升處理精度[17]。

表2 生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)關(guān)鍵產(chǎn)品體系

（3）數(shù)據(jù)和模型耦合驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵碳匯參量定量反演技術(shù)

鑒于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程機(jī)理的復(fù)雜性，現(xiàn)有地面觀測(cè)臺(tái)站嚴(yán)重不足，小區(qū)域或場(chǎng)地尺度等對(duì)關(guān)鍵碳匯參數(shù)時(shí)間和空間分辨率要求越來(lái)越高等實(shí)際需求，需要發(fā)揮機(jī)理模型驅(qū)動(dòng)和回歸、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的定量遙感技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，將物理過(guò)程建模與靈活的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模相結(jié)合，構(gòu)建耦合物理過(guò)程機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的定量遙感范式[17]，形成泛化能力強(qiáng)、可遷移、小樣本適用的關(guān)鍵碳匯參量的定量反演技術(shù)[18-19]。

（4）基于遙感大數(shù)據(jù)的智能解譯技術(shù)

生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程實(shí)施不同階段精細(xì)的土地利用類型、植被類型及其變化是進(jìn)行碳匯監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)和碳匯估算模型的重要輸入?yún)?shù)?；谶b感大數(shù)據(jù)的智能解譯技術(shù)對(duì)遙感解譯的工程化應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用[20]，該技術(shù)的核心是遙感影像樣本庫(kù)、遙感智能解譯的算法與模型、能夠進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算的硬件平臺(tái)[21]。通過(guò)突破多模態(tài)知識(shí)融合關(guān)聯(lián)的深度網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、智能化的加速技術(shù)、面向復(fù)雜地理場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的多模態(tài)樣本庫(kù)構(gòu)建技術(shù)等[20,22]，為碳匯估算提供高時(shí)效性、高精度的土地利用、植被類型等支撐數(shù)據(jù)。

4 典型生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用案例

江西贛南山水林田湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程位于江西省贛州市，是南嶺生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)域，也是我國(guó)南方丘陵山地生態(tài)屏障重要組成部分。該工程于2016年批復(fù)，執(zhí)行周期為2017–2019年，重點(diǎn)實(shí)施生態(tài)系統(tǒng)與生物多樣性保護(hù)、流域水環(huán)境保護(hù)與整治、礦山環(huán)境修復(fù)、水土流失治理、土地整治與土壤改良等5大工程。其中位于尋烏縣的廢棄稀土礦山環(huán)境修復(fù)工程實(shí)施成效顯著，入選2020年全國(guó)第一批生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值實(shí)現(xiàn)典型案例和2021年中國(guó)生態(tài)修復(fù)典型案例，成為中國(guó)向全球推介生態(tài)與發(fā)展共贏的“中國(guó)方案”之一。通過(guò)本文所構(gòu)建的基于時(shí)空譜的重大生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的技術(shù)框架，借助多源遙感大數(shù)據(jù)等技術(shù)對(duì)工程區(qū)的碳匯進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，形成多級(jí)碳匯遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。圖3為基于機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，利用“高分一號(hào)”、“資源三號(hào)”等優(yōu)于2m的高分辨率衛(wèi)星影像識(shí)別的工程區(qū)實(shí)施前、實(shí)施過(guò)程中及實(shí)施后的土地利用情況。由圖3可知，該工程啟動(dòng)后，通過(guò)逐步對(duì)廢棄的稀土礦山治理、土地整治、周邊植被的恢復(fù)重建等措施的實(shí)施，區(qū)域的植被覆蓋情況明顯改善。圖4為利用2016年3月和2020年3月中分辨率衛(wèi)星影像，基于定量遙感技術(shù)反演的植被覆蓋度產(chǎn)品（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC）的工程實(shí)施前后對(duì)比圖。由圖4可知，區(qū)域的植被覆蓋已由近10%提高到90%以上。隨著林地、園地、草地、耕地等植被的恢復(fù)，及不同物種、林齡等的變化，區(qū)域的固碳能力和碳匯等參量也隨之變化。圖5為基于遙感數(shù)據(jù)、地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，利用Invest模型估算的區(qū)域固碳量產(chǎn)品的變化圖。由圖5可知，區(qū)域的總碳固持量由2016年的2.65kg增加到2020年的2.72kg，此外，在中部礦區(qū)植被恢復(fù)的區(qū)域及西北部耕地恢復(fù)的區(qū)域固碳總量在持續(xù)增加，充分表明了植被對(duì)固碳的顯著作用。

圖3 尋烏廢棄稀土礦山環(huán)境修復(fù)工程區(qū)實(shí)施不同年份土地利用對(duì)比圖

圖4 尋烏廢棄稀土礦山環(huán)境修復(fù)工程實(shí)施前后植被覆蓋度對(duì)比圖

圖5 尋烏廢棄稀土礦山環(huán)境修復(fù)工程區(qū)實(shí)施不同年份固碳量對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)了包括觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系、數(shù)據(jù)體系等六大核心內(nèi)容的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)體系框架，梳理了碳匯遙感監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵產(chǎn)品體系，提出了需要突破的智能感知與多源異構(gòu)數(shù)據(jù)匯聚、基于時(shí)空譜的多源遙感數(shù)據(jù)組織與融合、數(shù)據(jù)和模型耦合驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵碳匯參量定量反演等關(guān)鍵技術(shù)，并以具體的應(yīng)用案例說(shuō)明體系的初步應(yīng)用模式，對(duì)后續(xù)山水林田湖草等生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程及其它國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)項(xiàng)目的碳匯監(jiān)測(cè)都有一定的參考意義。

然而由于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程的復(fù)雜性，山水林田湖草等生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的系統(tǒng)性，體系框架的跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨部門性，數(shù)據(jù)共享的不充分性和技術(shù)的復(fù)雜性等特點(diǎn)，為本文所提出的技術(shù)框架的實(shí)施帶來(lái)了一定的難度。然而隨著國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的深入推進(jìn)，也為跨學(xué)科、跨部門的聯(lián)合、多源數(shù)據(jù)的充分共享、聯(lián)合科技創(chuàng)新等提供了契機(jī)。通過(guò)加大對(duì)“十四五”期間正在實(shí)施的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的實(shí)踐探索，不斷優(yōu)化和完善體系框架結(jié)構(gòu)，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)多源遙感大數(shù)據(jù)等技術(shù)在國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)的應(yīng)用和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

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Study on the Technical Framework of Carbon Sink Monitoring for Ecological Protection and Restoration Projects Based on Spatial-temporal-spectral Data

ZHANG Dandan XIAO Chenchao WEI Dandan LIANG Shuneng WEI Yingjuan

（Land Satellite Remote Sensing Application Center, MNR, Beijing 100048,China）

The construction of remote sensing monitoring system of carbon sink for ecological protection and restoration projects is an important part of improving the supporting system of carbon sink for ecological restoration of territorial space. A spatial-temporal-spectral based technology framework for carbon sink monitoring in ecological protection and restoration projects was designed based on the systematic analysis of carbon sink monitoring requirements. It included six parts: observation network system, data system, product system, cloud service platform,standard system and application system. Four key technologies needed to be broken through were proposed. Finally, a case study on the application of remote sensing monitoring of carbon sink in the environmental rehabilitation project area of abandoned rare earth mine in Xunwu County is given to illustrate the application model and practical effect of the framework. The framework proposed can be used as a reference for ecological conservation and restoration projects in different scales for the accurate monitoring of carbon sink in terrestrial ecosystems.

spatial-temporal-spectral; remote sensing big data; land carbon sink monitoring; ecological protection and restoration project; terrestrial ecosystem carbon inventory satellite (TECIS-1)

TP79

A

1009-8518(2022)06-0119-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.06.012

2022-11-07

自然資源衛(wèi)星遙感技術(shù)體系建設(shè)與應(yīng)用示范項(xiàng)目

張丹丹, 肖晨超, 魏丹丹, 等. 基于時(shí)空譜的生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程碳匯遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)框架研究[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(6): 119-128.

ZHANG Dandan, XIAO Chenchao, WEI Dandan, et al. Study on the Technical Framework of Carbon Sink Monitoring for Ecological Protection and Restoration Projects Based on Spatial-temporal-spectral Data[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(6): 119-128. (in Chinese)

張丹丹，女，1982年出生，2009年在中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所獲博士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)檫b感智能處理和生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)。E-mail：zhangdandan@ lasac.cn。

（編輯：毛建杰）