廖小罕， 師春香， 王兵

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 中國科學(xué)院無人機(jī)應(yīng)用與管控研究中心，北京 100101；2.國家氣象信息中心氣象數(shù)據(jù)研究室，北京 100081； 3.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100091)

發(fā)揮無人機(jī)遙感作用，推動自然資源綜合觀測三維體系建設(shè)

廖小罕 研究員

隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，遙感作為對地觀測的核心技術(shù)實現(xiàn)了空間、時間、光譜三大尺度的跨越式增長。我國在遙感空間信息技術(shù)領(lǐng)域形成了從米級到厘米級、從單譜段到多譜段、從航天到航空(高、中、低空)等立體的遙感技術(shù)體系。其中無人機(jī)遙感是在無人機(jī)自主控制、遙測遙控、數(shù)據(jù)智能化處理等相關(guān)技術(shù)發(fā)展成熟之后形成的一種新型的航空遙感，具備高分辨率、高頻次的觀測能力。

相比于傳統(tǒng)的航空遙感，無人機(jī)遙感成本低、機(jī)動性強(qiáng)，能快速及時獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)類型豐富，能夠滿足自然資源綜合觀測的需求，是自然資源觀測體系中航空遙感方面的核心和中堅力量，將成為自然資源“天-空-地-網(wǎng)”調(diào)查監(jiān)測技術(shù)體系的重要組成部分。無人機(jī)遙感可對土地、礦產(chǎn)、森林、草原、濕地、海域海島等各類自然資源的數(shù)量、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、生態(tài)狀況及變化等多維數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查和監(jiān)測，具體體現(xiàn)在基于無人機(jī)組網(wǎng)觀測的自然資源常態(tài)化調(diào)查與定期更新和自然資源精細(xì)化觀測兩方面。

單架的無人機(jī)遙感存在作業(yè)效率低、獲取數(shù)據(jù)類型單一的問題，通過多平臺、多載荷、面向異構(gòu)多源無人機(jī)系統(tǒng)的迅捷組網(wǎng)管控技術(shù)，以國家野外觀測臺站作為區(qū)域調(diào)度的無人航空器空港，構(gòu)建全國尺度的無人機(jī)遙感自然資源觀測的組網(wǎng)觀測體系，可有效實現(xiàn)從區(qū)域尺度到全國尺度的自然資源觀測，滿足從常態(tài)化調(diào)查到實時監(jiān)測更新的需求。同時構(gòu)建全國無人機(jī)遙感大數(shù)據(jù)航母系統(tǒng)，匯聚海量多源異構(gòu)無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)； 通過統(tǒng)一的遙感數(shù)據(jù)編目，服務(wù)支撐自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設(shè)，解決效率、成本和數(shù)據(jù)共享利用的問題。

無人機(jī)遙感憑借其超高的分辨率和搭載的多類型遙感傳感器，在未來自然資源精細(xì)化管理中將發(fā)揮不可或缺的作用： 基于厘米級分辨率的可見光遙感可以對自然資源(如草原植被、荒漠濕地、海島等分布面積、修復(fù)變化狀況)進(jìn)行調(diào)查監(jiān)測； 基于高/超光譜遙感可以對大區(qū)域植被類型、裸露礦物質(zhì)類型、水資源等進(jìn)行快速提取和評估，指導(dǎo)和結(jié)合外業(yè)調(diào)查形成地表覆蓋數(shù)據(jù)； 基于傾斜攝影、激光雷達(dá)等技術(shù)獲取自然資源精細(xì)化三維結(jié)構(gòu)信息，對山水林田湖草等各類自然資源進(jìn)行分層分類提取和評估，如林業(yè)領(lǐng)域的植被冠層提取和精確生物量估算等方面。

充分利用和發(fā)揮無人機(jī)組網(wǎng)遙感觀測、傾斜攝影測量等技術(shù)，建設(shè)自然資源監(jiān)測的三維數(shù)據(jù)庫，在常態(tài)化觀測的基礎(chǔ)上根據(jù)需要進(jìn)行動態(tài)刷新，還可以在此基礎(chǔ)上開展統(tǒng)計與對比分析。該體系作為自然資源綜合觀測有機(jī)整體的一部分，是新時期自然資源觀測的重要特點與精細(xì)化管理的突出表現(xiàn)，是推動自然資源形成覆蓋全國的全天候、全時段、全要素的天-空-地立體綜合觀測能力，系統(tǒng)認(rèn)識山水林田湖草生命共同體，準(zhǔn)確把握自然資源要素關(guān)系、變化規(guī)律與演化發(fā)展趨勢，為自然資源統(tǒng)一管理、資源安全態(tài)勢研判提供長期、連續(xù)的數(shù)據(jù)支撐，為自然資源管理的重大決策提供科學(xué)依據(jù)。

以氣象資源為例談資源綜合觀測研究的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

師春香 研究員

當(dāng)前，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)有了較大進(jìn)展。在線、離線數(shù)據(jù)，不同資源、不同時間和空間的基礎(chǔ)、專題數(shù)據(jù)，航空(天)遙感監(jiān)測、野外自動觀測、人工調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及文字、影像、圖像、圖片資料等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了不同部門、不同型號的設(shè)備接入、監(jiān)測，數(shù)據(jù)實時采集、查詢和監(jiān)測各類數(shù)據(jù)的來源及服務(wù)流向，為自然資源綜合觀測研究中的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)融合提供了理論技術(shù)基礎(chǔ)。

氣象資源是自然資源系統(tǒng)中的重要要素，探討氣象數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)融合對于自然資源要素數(shù)據(jù)融合具有示范意義。利用數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)同化技術(shù)，綜合多源觀測資料、多類型模擬數(shù)據(jù)，來獲得高精度、時空連續(xù)的多元數(shù)據(jù)融合氣象產(chǎn)品是具體實現(xiàn)路徑[1]。氣象多源數(shù)據(jù)融合主要有降水?dāng)?shù)據(jù)融合、陸面數(shù)據(jù)融合、海洋表面數(shù)據(jù)融合、三維云數(shù)據(jù)融合等4個方面。其中，降水?dāng)?shù)據(jù)融合與海洋表面數(shù)據(jù)融合的思路與技術(shù)類似，均是利用多顆衛(wèi)星、不同類型探測資料反演降水進(jìn)行校正與融合，再采用地面觀測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行系統(tǒng)性偏差的訂正； 陸面數(shù)據(jù)融合包括陸地大氣驅(qū)動場和陸面要素融合分析兩類，前者融合修訂技術(shù)較為成熟，而后者多數(shù)系統(tǒng)尚未真正同化陸面狀態(tài)變量； 三維云數(shù)據(jù)融合主要通過融合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品、地面天空、雷達(dá)、靜止氣象衛(wèi)星、飛機(jī)等多源觀測數(shù)據(jù)，獲得三維云融合數(shù)據(jù)。

中國在借鑒國際先進(jìn)融合系統(tǒng)與技術(shù)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化自主創(chuàng)新，基于中國的業(yè)務(wù)環(huán)境開展本地化研發(fā)，在降水、陸面、海表和三維云數(shù)據(jù)融合4個方面取得迅速突破進(jìn)展，其中最突出的經(jīng)驗是建設(shè)了中國氣象局國家氣象信息中心多元數(shù)據(jù)融合平臺[1]。該平臺包括： ①構(gòu)建多元數(shù)據(jù)融合的資源環(huán)境； ②涵蓋降水、陸面數(shù)據(jù)、海表要素和三維云大氣融合等多源數(shù)據(jù)融合分析一體化的系統(tǒng)環(huán)境； ③研發(fā)融合格點實況產(chǎn)品的檢驗評估統(tǒng)一規(guī)范和評估工具； ④建立準(zhǔn)入規(guī)則以及系統(tǒng)開發(fā)、檢驗評估、業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化流程等規(guī)范。但包括氣象資源在內(nèi)的自然資源綜合觀測研究多源數(shù)據(jù)融合仍存在不少科學(xué)和技術(shù)問題需要探討。

科學(xué)問題包括： ①在不同的數(shù)據(jù)條件、地形條件、氣候背景、天氣系統(tǒng)下，如何設(shè)置多元融合分析產(chǎn)品的時空分辨率來獲得最優(yōu)尺度、時序一致的融合產(chǎn)品； ②如何對融合數(shù)據(jù)作真實性評判，即如何利用多源協(xié)同觀測和外場科學(xué)實驗來進(jìn)行獨立檢驗，建立產(chǎn)品的質(zhì)量評價體系。

技術(shù)難題涉及如下方面： ①多種來源資料的協(xié)同質(zhì)量控制； ②各來源資料的誤差分析系統(tǒng)和偏差訂正技術(shù)； ③局地優(yōu)化應(yīng)用技術(shù)； ④人工智能方法在數(shù)據(jù)融合中的應(yīng)用。

未來數(shù)據(jù)融合產(chǎn)品的發(fā)展方向包括： ①空間分辨率由千米級向米級提升； ②時間分辨率由小時縮小至分鐘級； ③產(chǎn)品時效提升至分鐘級； ④覆蓋區(qū)域由國內(nèi)向全球范圍拓展，重點覆蓋“一帶一路”范圍； ⑤基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回算，形成長時序多源數(shù)據(jù)融合產(chǎn)品。

從森林資源的生態(tài)價值談自然資源的資產(chǎn)價值

王兵 研究員

森林生態(tài)系統(tǒng)(森林資源)具有服務(wù)功能，包括涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳制氧、積累營養(yǎng)物質(zhì)、凈化大氣環(huán)境和保護(hù)生物多樣性等6項功能[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能長期以來是國內(nèi)外研究的熱點與前沿。Costanza等[3]最早對全球尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行了分類評估。我國學(xué)者最早借鑒了國外方法，對森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行了評價。其后，許多學(xué)者在不同尺度、不同生態(tài)系統(tǒng)類型上對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值進(jìn)行了研究。由于側(cè)重點以及評估指標(biāo)體系不同、評估公式有所差異，評估結(jié)果的可比性有待提高。

2008年，國家林業(yè)局發(fā)布實施了《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》[4]。依據(jù)該規(guī)范，基于中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網(wǎng)絡(luò)(Chinese Forest Ecosystem Research Network， CFERN)、國家林業(yè)和草原局典型林業(yè)生態(tài)工程效益監(jiān)測評估國家創(chuàng)新聯(lián)盟的長期觀測數(shù)據(jù)，依托科學(xué)技術(shù)部江西大崗山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站孕育的森林生態(tài)連清技術(shù)體系，結(jié)合全國第七次、第八次、第九次的森林資源清查數(shù)據(jù)，筆者對2009年、2014年和2019年我國森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了評價，精準(zhǔn)評價了森林系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能的物質(zhì)量和價值總量，刻畫了森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的全國分省空間格局，效果良好。其中重要的經(jīng)驗是，森林資源的生態(tài)價值科學(xué)評價的基礎(chǔ)是對于森林生產(chǎn)力、林分質(zhì)量、健康狀況等要素以及其影響因素的溫度、降水等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確觀測。

由森林資源要素的服務(wù)價值評價推而廣之，對于自然資源的種類、數(shù)量、質(zhì)量等信息的長期、不間斷、高頻次的觀測數(shù)據(jù)是自然資源資產(chǎn)核算的源泉。基于這些實物信息，可以評價自然資源的實物資產(chǎn)價值。進(jìn)一步地，更要通過觀測數(shù)據(jù)來研究自然資源要素之間的相互作用以及自然資源與生態(tài)、環(huán)境的耦合所引起的潛在的外部性價值。綜合了自然資源實物價值和潛在外部性價值的資產(chǎn)價值評估，將為自然資源資產(chǎn)權(quán)益登記和生態(tài)保護(hù)補(bǔ)償工作提供有力支撐。