文 | 宋忠航 牛澤鵬 馬紅波 陳璐 王劍 張拯寧 曹小敏 李媛 侯利波李洪福 靳代櫻 董逵才 秦陽

1.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司 2.北京空間科技信息研究所3.航天恒星科技有限公司 4.陜西航天技術(shù)應(yīng)用研究院有限公司5.三江源國家公園管理局 6.中國航天科技集團有限公司

一、三江源國家公園的生態(tài)地位

三江源被譽為“中華水塔”，是亞洲、北半球乃至全球氣候變化的敏感區(qū)和重要啟動區(qū)，也是我國實施生態(tài)安全屏障保護和建設(shè)的重要戰(zhàn)略區(qū)，其生態(tài)環(huán)境狀況對我國乃至全球生態(tài)平衡起著極其重要的作用。2021 年10 月，在聯(lián)合國生物多樣性大會（COP15）上，三江源作為我國第一批國家公園正式設(shè)立，對推進自然資源與生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)保護與合理利用，促進人與自然和諧共生，具有極其重要的意義。

二、三江源國家公園監(jiān)測現(xiàn)狀

作為我國第一個國家公園體制試點，三江源國家公園面積最大、自然景觀最獨特、自然遺產(chǎn)最精華、生物多樣性最富集，注重對自然生態(tài)系統(tǒng)原真性、完整性保護，實行的是最嚴格的自然保護地監(jiān)測與管理。由于三江源國家公園地理條件復(fù)雜、氣候惡劣、自然條件嚴酷，點多線長面廣的特點為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測帶來了諸多挑戰(zhàn)和困難。傳統(tǒng)的三江源國家公園監(jiān)測以地面監(jiān)測站點所構(gòu)建的監(jiān)測網(wǎng)為主，站點分散于園區(qū)各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，點位稀少且距離較遠，無法實現(xiàn)全域監(jiān)測，通信手段缺失也影響日常管理效能。除生態(tài)監(jiān)測站點外，園區(qū)17211 名生態(tài)管護員也是園區(qū)重要監(jiān)測力量，但在生態(tài)管護工作中，野外作業(yè)人員往往處在無人區(qū)，沒有地面通信網(wǎng)覆蓋，對作業(yè)人員的工作及人身安全造成巨大的影響和隱患。因此，以地面監(jiān)測為主的監(jiān)測模式已越來越無法滿足三江源國家公園嚴格、整體與系統(tǒng)的監(jiān)測目標要求，如何在地域廣闊、人口稀少、地面監(jiān)測能力匱乏條件下開展全方位的綜合監(jiān)測與保護，成為三江源國家公園建設(shè)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

三、三江源國家公園監(jiān)測需求

基于三江源國家公園監(jiān)測所面臨的問題，結(jié)合園區(qū)地域遼闊、生態(tài)環(huán)境復(fù)雜多樣的特點，本文認為衛(wèi)星技術(shù)可在三江源國家公園監(jiān)管方面發(fā)揮最大的潛力和效果。以高分辨率對地觀測系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為代表的國家空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)用工作已取得重大成效，衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)也已成為提升生態(tài)環(huán)境保護能力的重要手段。通過對通信衛(wèi)星、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星的綜合協(xié)同應(yīng)用，構(gòu)建以衛(wèi)星通導(dǎo)遙技術(shù)為特點的綜合監(jiān)測體系，能有效解決三江源國家公園監(jiān)測效率低、監(jiān)管存在盲區(qū)、信息無法傳輸?shù)壤_很久的問題，改造升級三江源國家公園傳統(tǒng)的監(jiān)管模式，形成三江源持續(xù)有效的生態(tài)監(jiān)測能力和監(jiān)測運行機制。

四、三江源國家公園衛(wèi)星通導(dǎo)遙綜合監(jiān)測體系

綜合利用衛(wèi)星通信鏈路全覆蓋的區(qū)域信息網(wǎng)絡(luò)、北斗定位系統(tǒng)以及多空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率遙感衛(wèi)星，打造覆蓋三江源國家公園全域的衛(wèi)星通導(dǎo)遙一體化天基信息服務(wù)體系，實現(xiàn)對園區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況、自然資源等全要素監(jiān)測，拓展生態(tài)環(huán)境監(jiān)測能力，為推進三江源國家公園發(fā)展提供信息支撐、監(jiān)測預(yù)警和決策支持，提升三江源國家公園綜合監(jiān)管、信息共享與服務(wù)的科學(xué)化管理水平。圖1 為三江源國家公園衛(wèi)星通導(dǎo)遙應(yīng)用框架。

圖 1 三江源國家公園衛(wèi)星通導(dǎo)遙應(yīng)用框架

1.衛(wèi)星遙感

目前，我國高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)飛速發(fā)展，衛(wèi)星影像的圖像處理技術(shù)、生態(tài)環(huán)境信息提取技術(shù)、生態(tài)參數(shù)因子高精度反演技術(shù)也不斷提升，相比三江源傳統(tǒng)地面監(jiān)管存在的效率低、時效差、不全面等問題，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可實現(xiàn)三江源園區(qū)全域、客觀的系統(tǒng)測定和長期動態(tài)監(jiān)測，周期性獲取園區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型、結(jié)構(gòu)和功能，為三江源國家公園生態(tài)環(huán)境保護與管理提供有力支撐。同時，衛(wèi)星遙感也可提取自然資源、環(huán)境災(zāi)害等重要信息，為三江源園區(qū)自然資源調(diào)查、礦區(qū)退出評估、災(zāi)害事件應(yīng)對等業(yè)務(wù)提供技術(shù)保障。

圖 2 三江源國家公園衛(wèi)星遙感監(jiān)測成果示例

1）自然資源調(diào)查監(jiān)測。三江源國家公園自然資源調(diào)查監(jiān)測的主要任務(wù)是查清園區(qū)內(nèi)林地、草地、濕地等自然資源分布、開發(fā)利用與保護情況。以三江源自然資源歷史遙感監(jiān)測成果為本底，結(jié)合三江源年度遙感監(jiān)測獲取的高分辨率影像數(shù)據(jù)，基于遙感智能解譯算法技術(shù)對遙感影像解譯以及變化信息提取，實現(xiàn)三江源國家公園自然資源本底動態(tài)更新。圖2 為三江源國家公園衛(wèi)星遙感監(jiān)測成果示例。為保證所采集的自然資源變化圖斑信息的準確性，輔助外業(yè)調(diào)查，打造“天上看、網(wǎng)上管、地上查”的綜合監(jiān)管模式，實現(xiàn)自然資源變化信息的快速、準確獲取，為三江源國家公園自然資源監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。

2）礦區(qū)退出評估監(jiān)管。礦區(qū)監(jiān)管是三江源國家公園生態(tài)保護中的一項重要工作，衛(wèi)星遙感技術(shù)不受天氣環(huán)境影響，能夠及時獲取第一手調(diào)查數(shù)據(jù)，能夠客觀準確地收集礦山開采信息，對三江源國家公園區(qū)域內(nèi)礦山退出、生態(tài)修復(fù)情況進行調(diào)查監(jiān)測，省去人工實地勘察、信息上報等傳統(tǒng)調(diào)查中不必要的步驟，極大地提高工作效率，為三江源國家公園履行礦區(qū)退出與管理職能提供重要的支撐。

2.衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信不易受地形和災(zāi)害等影響，能夠在任何時間、任何地點、任何環(huán)境下建立通信服務(wù)，具有通信距離遠，運用靈活、適應(yīng)性強的特點，可為無信號覆蓋地區(qū)提供有效、優(yōu)質(zhì)、可靠的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)連接。三江源國家公園所在區(qū)域多為大面積的無人區(qū)，在生態(tài)巡護、執(zhí)法管理以及野外調(diào)查和科考等工作中，經(jīng)常無地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，影響正常工作開展且對人身安全造成巨大隱患。通過配備動中通、靜中通以及衛(wèi)星便攜站等設(shè)備，利用衛(wèi)星鏈路提供文件、語音、視頻等業(yè)務(wù)傳輸及互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，在無人區(qū)實現(xiàn)與管理單位信息聯(lián)通，滿足園區(qū)全區(qū)的通信需求，有效提升三江源國家公園管理局對各監(jiān)測站點的日常管理和巡護監(jiān)測執(zhí)法效能。圖3 為三江源國家公園衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。

圖 3 三江源國家公園衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

3.衛(wèi)星導(dǎo)航

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、通信和定位一體化的特點可在范圍廣闊且地理條件復(fù)雜的三江源國家公園區(qū)域發(fā)揮很強的應(yīng)用潛力。結(jié)合三江源國家公園管理過程中的生態(tài)巡護、自然資源資產(chǎn)監(jiān)管、環(huán)境災(zāi)害應(yīng)對和野生動物保護等核心業(yè)務(wù)訴求，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位和短報文通信功能，進行北斗國家公園綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)。在通信方面，為國家公園各級生態(tài)環(huán)保執(zhí)法人員和巡護人員分別配置手持北斗終端，通過短報文通信實現(xiàn)信息互聯(lián)互通，消除生態(tài)信息網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)，實現(xiàn)園區(qū)90%以上地區(qū)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，大幅提高信息網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。在導(dǎo)航定位方面，在生態(tài)巡護與執(zhí)法工作中，快速直觀定位到當前野外作業(yè)人員所處位置以及目標位置，規(guī)劃出常規(guī)路線，引導(dǎo)巡護執(zhí)法人員高效開展業(yè)務(wù)。圖4 為三江源國家公園巡護執(zhí)法人員車輛實時導(dǎo)航定位圖。

圖 4 三江源國家公園巡護執(zhí)法人員車輛實時導(dǎo)航定位

五、衛(wèi)星通導(dǎo)遙在三江源國家公園監(jiān)測中的探索與實踐

依托航天科技集團衛(wèi)星資源優(yōu)勢、技術(shù)優(yōu)勢和人才優(yōu)勢，三江源國家公園已初步構(gòu)建了覆蓋全域39.5 萬平方千米的衛(wèi)星通導(dǎo)遙綜合監(jiān)測體系，形成科學(xué)先進、有效可行的三江源生態(tài)監(jiān)測模式，本文以三江源國家公園生態(tài)環(huán)境保護、應(yīng)急工程監(jiān)管項目為例，闡述衛(wèi)星通導(dǎo)遙技術(shù)在三江源國家公園生態(tài)監(jiān)測中的探索與實踐。

1.可可西里鹽湖漫溢生態(tài)環(huán)境災(zāi)害事件應(yīng)對

由于全球氣候變暖，青藏高原發(fā)生一系列生態(tài)環(huán)境連鎖響應(yīng)，可可西里地區(qū)鹽湖發(fā)生擴張和漫溢并嚴重威脅到三江源生態(tài)安全和“青藏走廊”的運行安全。在可可西里這種無網(wǎng)、無電、缺少地面監(jiān)測設(shè)施區(qū)域開展環(huán)境災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測面臨巨大困難。為保障鹽湖漫溢應(yīng)對工作的順利開展，三江源國家公園綜合利用衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星通信等多介質(zhì)、多層次監(jiān)測技術(shù)，構(gòu)建了以衛(wèi)星手段為主的天空地一體化生態(tài)環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測體系。圖5為可可西里鹽湖衛(wèi)星綜合監(jiān)測網(wǎng)。在遙感監(jiān)測方面，通過對覆蓋鹽湖區(qū)域的高、中、低分辨率遙感影像高頻次的獲取，以及漫溢面積、水質(zhì)等監(jiān)測要素專題產(chǎn)品生產(chǎn)，形成中低分辨率周期性監(jiān)測與高分辨率應(yīng)急監(jiān)測相結(jié)合的全天時、全天候監(jiān)測機制，各類監(jiān)測成果在三江源國家公園基準的統(tǒng)一時空框架下進行統(tǒng)籌接入和疊加分析，形成鹽湖地區(qū)時空對齊的長時間序列監(jiān)測數(shù)據(jù)集，為鹽湖歷史演化和現(xiàn)狀的宏觀把握提供支持。在通信方面，利用搭建的鹽湖流域與管理部門高通量衛(wèi)星通信鏈路，保障鹽湖現(xiàn)場與指揮部門的信息聯(lián)通，實現(xiàn)現(xiàn)場視頻、語音、實時水位和漫溢等詳細數(shù)據(jù)的全天候、實時穩(wěn)定傳輸，為應(yīng)急指揮與決策提供了有力支撐。在導(dǎo)航方面，監(jiān)測車輛在北斗衛(wèi)星協(xié)助下，完成對鹽湖地區(qū)的巡查及險情上報。衛(wèi)星通導(dǎo)遙鹽湖流域監(jiān)測體系在鹽湖漫溢應(yīng)對中發(fā)揮了重要作用，為災(zāi)情的掌握和指揮決策提供了重要支撐，也為今后高海拔區(qū)域的災(zāi)害應(yīng)急與生態(tài)綜合監(jiān)測積累了寶貴經(jīng)驗。

圖 5 可可西里鹽湖衛(wèi)星綜合監(jiān)測網(wǎng)

2.生物多樣性監(jiān)測與保護

三江源作為高原生物多樣性最集中的地區(qū)，素有“高寒生物種質(zhì)資源庫”之稱。生物多樣性也是三江源地區(qū)重要的資源特性之一，為更好地研究三江源區(qū)生物多樣性的現(xiàn)狀、存在的問題和演化趨勢，三江源國家公園綜合利用衛(wèi)星遙感、高通量衛(wèi)星和北斗定位技術(shù)構(gòu)建包含信息采集、通信傳輸、業(yè)務(wù)應(yīng)用的天地一體生物多樣性保護系統(tǒng)。

在三江源生物多樣性保護實踐中，通過高通量衛(wèi)星將地面無網(wǎng)、無電區(qū)域野生動物監(jiān)測視頻、抓拍圖片等數(shù)據(jù)實時回傳到園區(qū)管理部門，基于智能識別算法客觀真實地從視頻、圖片中提取旗艦野生動物，捕捉其遷徙數(shù)量、行動軌跡和生活習(xí)慣，并將獲取的野生動物的點位、活動范圍等空間化信息套合疊加在衛(wèi)星遙感圖像上展示和評判分析。同時，還可利用遙感衛(wèi)星監(jiān)測旗艦物種棲息的分布和自然環(huán)境狀況，利用北斗項圈對野生動物實時跟蹤，掌握野生動物的遷徙規(guī)律、時間和路徑。衛(wèi)星通導(dǎo)遙的綜合應(yīng)用可實現(xiàn)對野生動物全方位、多層次、立體化的監(jiān)測，極大提高生物多樣性監(jiān)測與保護工作效率和水平，為國家公園生物多樣性保護和科研實驗提供堅實的技術(shù)支撐。

六、結(jié)論

三江源國家公園雖已高質(zhì)量通過體制試點并正式建園，但三江源國家公園的建設(shè)仍需不斷探索，結(jié)合業(yè)務(wù)需求持續(xù)開展衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)的試驗與創(chuàng)新，不斷完善衛(wèi)星綜合監(jiān)測體系。未來，在本文已論述的現(xiàn)有衛(wèi)星應(yīng)用能力基礎(chǔ)上，攻克多星智能協(xié)同、天地數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)，提升衛(wèi)星遙感、導(dǎo)航與通信一體化實時綜合服務(wù)能力，實現(xiàn)全域、全天候、全天時、智能化的三江源國家公園天基信息服務(wù)目標，進一步提高園區(qū)生態(tài)監(jiān)測保護能力和管理水平，滿足新時代生態(tài)文明建設(shè)的新任務(wù)、新要求，也為青海省建立以國家公園為主體的自然保護地體系建設(shè)工作提供扎實保障。