王遠超， 彭毅， 劉曉煌, 高陽， 代雪健， 邵玉祥

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局應用地質(zhì)研究中心，四川 成都 610036； 2.自然資源要素耦合過程與效應重點實驗室，北京 100055； 3.中國地質(zhì)調(diào)查局長沙自然資源綜合調(diào)查中心，湖南 長沙 410000； 4.中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心，北京 100055； 5.中國農(nóng)業(yè)大學土地科學與技術學院，北京 100193； 6.自然資源要素耦合過程與效應重點實驗室，北京 100055)

0 引言

自然資源是人類生存和發(fā)展的必要條件，隨著人類社會的發(fā)展變化，人類對自然資源需求和開發(fā)利用能力也在不斷地發(fā)生著改變，因而關于自然資源的定義在不同的歷史時期也有著不同的理解。目前，自然資源是指天然存在、有使用價值、可提高人類當前和未來福利的自然環(huán)境因素的總和，涵蓋陸地和海洋、地上和地下的土地、礦產(chǎn)、森林、草原、水、氣候、濕地、海域海島等可更新和不可更新資源[1-3]。當前，我國經(jīng)濟社會發(fā)展出現(xiàn)了一系列的資源環(huán)境問題，這是實現(xiàn)人與自然和諧共生所必須面對和解決的。因此，要解決資源環(huán)境問題，實現(xiàn)自然資源的合理開發(fā)利用和保護，必須以地球系統(tǒng)科學理論為指導，堅持“山水林田湖草生命共同體”理念，對自然資源進行統(tǒng)籌管理。

自然資源部作為履行自然資源“兩統(tǒng)一”(統(tǒng)一行使全民所有自然資源資產(chǎn)所有者職責和統(tǒng)一行使所有國土空間用途管制和生態(tài)保護修復職責)的職責部門，系統(tǒng)調(diào)查自然資源本底、家底，持續(xù)觀測資源環(huán)境變化，預判其發(fā)展趨勢，是其重要的基礎性工作。構(gòu)建全國統(tǒng)一的自然資源要素綜合觀測體系是判別自然資源要素變化趨勢、為資源管理部門提供重大決策支撐的重要保障。目前，國內(nèi)野外觀測網(wǎng)絡主要分為以政府為主導的部門業(yè)務觀測網(wǎng)絡(如地震網(wǎng)、氣象網(wǎng))和以科學問題為導向組建的生態(tài)要素觀測網(wǎng)絡(如生態(tài)網(wǎng)、高寒網(wǎng))兩類[4]。此外，部分研究者主要是通過遙感的手段進行自然資源監(jiān)測[5-6]。因而，有關自然資源要素長期、立體式的觀測體系還沒有形成，導致在系統(tǒng)認識自然資源的種類、數(shù)量和質(zhì)量變化對自然資源結(jié)構(gòu)功能的影響以及揭示其動因機制及演變趨勢等方面的信息支撐能力嚴重不足。

自然資源部于2018年10月發(fā)布的《自然資源科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃綱要》[7]已明確將“自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡工程”列為十二項重大科技工程之首，目前該工程已經(jīng)取得一系列成果和進展。本文旨在通過對構(gòu)建自然資源要素綜合觀測體系需求的分析及相應進展的綜述，總結(jié)經(jīng)驗，凝練成果，并在此基礎上對今后開展自然資源要素綜合觀測體系建設工作提出一些具體建議。

1 需求分析

自然資源要素綜合觀測以“山水林田湖草生命共同體”理念為出發(fā)點，通過多方技術手段的綜合觀測，服務于自然資源的統(tǒng)一管理。然而長期以來，我國自然資源實行分部門管理，均有各自的自然資源分類體系，造成各部門數(shù)據(jù)交叉重疊、家底不清，且現(xiàn)有各行業(yè)部門、科研單位所建立的觀測網(wǎng)絡主要針對土地、森林、草地、濕地、水資源、海洋、礦產(chǎn)等單個自然資源建立了較為完善的觀測指標體系，缺乏資源綜合的評價指標體系，缺乏各自然資源之間相互關系、互相影響作用的評價模型，無法支撐一個區(qū)域多種資源指標的綜合評價，因而亟須建立內(nèi)涵、外延統(tǒng)一的自然資源分類體系[8-12]和面向自然資源管理需求的基于自然資源種類、數(shù)量、質(zhì)量及其耦合機制的自然資源要素綜合觀測指標體系[13]。

過去我國主要進行了各種單項自然資源區(qū)劃以及綜合自然地理區(qū)劃、生態(tài)地理區(qū)劃、礦產(chǎn)資源區(qū)劃等[14-22]，當前我國已進入了人類與生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展的社會階段[23-24]，以上各種區(qū)劃已不能滿足自然資源綜合觀測的需求。因而，亟須構(gòu)建突出自然資源空間格局、生態(tài)過程和功能異質(zhì)性的自然資源綜合區(qū)劃。

在此基礎之上，準確預判自然資源、生態(tài)環(huán)境發(fā)展變化趨勢，需要長期、連續(xù)的觀測研究數(shù)據(jù)，因而需要布設合理的野外觀測臺站，構(gòu)建衛(wèi)星遙感、航空遙感、近地觀測塔、地面樣地(點)和地下觀測井立體觀測配套的技術體系，搭建物理分散、邏輯集中、資源共享、業(yè)務互通的自然資源要素綜合觀測一體化平臺，解決當前預判自然資源環(huán)境趨勢數(shù)據(jù)支撐不足的問題。同時，由于自然資源要素綜合觀測涉及臺站建設、野外觀測、數(shù)據(jù)處理、運行管理等環(huán)節(jié)，需要以觀測指標為基礎，構(gòu)建系統(tǒng)完整、結(jié)構(gòu)合理、協(xié)調(diào)有序、能用實用的觀測標準體系[25]，為觀測工作標準研制和標準化建設提供依據(jù)和指導，從而提升觀測水平和研究能力，確保觀測數(shù)據(jù)的準確性和可比性。

2 基本思路及發(fā)展動態(tài)

根據(jù)以上關于自然資源要素綜合觀測體系構(gòu)建的需求分析，進一步明確了觀測體系構(gòu)建的基本思路，并分別論述了在滿足各項需求方面取得的新進展(圖1)。

圖1 自然資源要素綜合觀測體系建設需求與發(fā)展動態(tài)

2.1 基本思路

全國自然資源要素綜合觀測體系的構(gòu)建堅持以國家需求為導向，以科學研究服務自然資源管理為宗旨，瞄準自然資源科學問題和管理需求，按照“氣候資源、地面覆蓋資源、地下資源相統(tǒng)籌”的觀測技術思路，建立基于自然資源管理的分類體系、多尺度-多要素-全天候的觀測指標體系和空天地立體觀測技術體系[4]，運用六位一體的方法手段，經(jīng)過長期連續(xù)的監(jiān)測，最終形成包括全要素共享探測數(shù)據(jù)、全天候觀測研究年鑒、技術理論研究報告、專項資源調(diào)查報告、不定期專項探測報告五位一體的產(chǎn)品服務(圖2)。按照“統(tǒng)籌規(guī)劃，分步推進”的原則，采用以融合共建為主、空白添建為輔的模式，選取重點區(qū)域，開展觀測試點示范； 按照“統(tǒng)一標準，規(guī)范管理”的原則，采用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字中臺、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能技術，搭建自然資源要素綜合觀測一體化平臺，實現(xiàn)資源“一張圖，一張網(wǎng)”； 按照“開放共享，協(xié)同合作”的原則，打破行業(yè)和部門壁壘，加強科技資源共享，構(gòu)建布局合理、體系完整的自然資源要素綜合觀測站網(wǎng)[4]。

圖2 自然資源要素綜合觀測理念和技術示意圖

2.2 發(fā)展動態(tài)

2.2.1 構(gòu)建了基于自然資源管理的分類體系

針對目前自然資源分類不統(tǒng)一的問題，在充分考慮各個空間的資源分布特征、相互間依存關系、用途功能的基礎上，同時兼顧自然資源學術分類[11]、法理分類[12，26]和原有單資源管理分類[12，14-15]，為最大限度確保各分類間的有效銜接以及數(shù)據(jù)的有效融合，提出了基于自然資源管理的分類方案，形成了新的自然資源分類體系。

在新的自然資源分類體系中： 一級類依據(jù)自然資源空間分布屬性進行劃分，包括陸地資源、海洋資源和氣候資源，囊括了所有自然資源類別； 二級類依據(jù)資源要素進行劃分，包括耕地資源、森林資源、草原資源、陸表水資源、地下水資源、大氣資源等15種自然資源，既結(jié)合了現(xiàn)行的自然資源分類標準，又滿足了“山水林田湖草生命共同體”發(fā)展理念視角下自然資源統(tǒng)籌管理的需求； 三級類在二級類的基礎上依據(jù)用途和功能共劃分為56類，可直接反映資源利用方式的分類，能夠直接服務于自然資源部門及傳統(tǒng)各個部門的管理需求[27]。

2.2.2 構(gòu)建了自然資源要素綜合觀測指標體系

自然資源要素綜合觀測指標體系是開展綜合觀測的前提和基礎。構(gòu)建自然資源要素綜合觀測指標體系要遵循主導因素原則、整體性原則、系統(tǒng)性原則、空間顯性原則、繼承性原則和可比性原則，在分類的基礎上，采用正反演相結(jié)合、模塊組合等方法，圍繞自然資源數(shù)量、質(zhì)量和相互影響作用方面開展篩選、整合和設計。

瞄準自然資源類型多樣、結(jié)構(gòu)復雜的基本特點以及自然資源數(shù)量、質(zhì)量和作用過程的基本特征，以站點、景觀、區(qū)域尺度觀測研究為核心，梳理、整理觀測對象可觀測指標的正演，結(jié)合各資源服務生態(tài)功能所需指標的反演，通過正、反演相結(jié)合的方法遴選出觀測指標。按照資源數(shù)量、質(zhì)量和資源間相互耦合作用構(gòu)建“歸類模塊”； 按照地表覆蓋資源的類型劃分觀測區(qū)類型，并依據(jù)大氣、地表和地下3種資源分布空間和不同資源系統(tǒng)涉及資源要素情況篩選出相應“歸類模塊”并構(gòu)建“資源要素觀測模塊指標集”進行觀測； 然后，利用觀測模塊組合形成相應的“賦能模塊”，共搭建了40個“歸類模塊”(包括資源數(shù)量、質(zhì)量子模塊和資源間相互作用過程子模塊)、6個“資源要素綜合觀測指標模塊集”(陸地水面區(qū)、植被覆蓋區(qū)、裸地區(qū)、冰川-凍土區(qū)、過渡區(qū)、海岸區(qū))和若干個“賦能模塊”； 最終，建立了3大類40小類野外綜合觀測模塊指標體系[13]。

2.2.3 劃分了自然資源綜合區(qū)劃

自然資源綜合區(qū)劃主要依據(jù)不同自然資源的地域分異規(guī)律，進行國土空間綜合評價和區(qū)域劃分，分時段地將全國劃分為不同的自然地理單元[22]。自然資源綜合區(qū)劃首先通過整合不同要素類數(shù)據(jù)，形成自然資源大數(shù)據(jù)庫。在區(qū)劃指標選取上，由于我國氣候、地形、地貌和地質(zhì)作用過程復雜，自然資源稟賦條件千差萬別，自然資源和生態(tài)環(huán)境獨特，因此用單一的自然資源區(qū)劃指標和相關權(quán)重不能很好地解決全國不同自然稟賦條件資源區(qū)劃問題。同時，專家分析法又具有很大的主觀性，因而，按照氣候、地表覆蓋和地下資源時空演化特征和資源間相互耦合作用程度，采用時間、空間等多個維度及氣候、植被、土壤、水網(wǎng)密度等多種指標，構(gòu)建了自然資源綜合評定指標體系。在自然資源大數(shù)據(jù)庫和綜合評定指標體系建立的基礎之上，綜合利用定性(德爾菲法、專家經(jīng)驗法、古地理法等)和定量(主成分法、判別分析法、聚類分析法、層次分析法、加權(quán)疊置法、地理空間分析法、機器學習等)劃分方法，將全國劃分為7個自然資源大區(qū)，即東北林耕自然資源大區(qū)、華北草耕自然資源大區(qū)、華東林耕自然資源大區(qū)、西南林耕自然資源大區(qū)、華南林耕自然資源大區(qū)、西北荒漠自然資源大區(qū)和青藏草地自然資源大區(qū)[22]。利用1990—2018年多年動態(tài)土地利用覆被遙感影像解譯，結(jié)合實地調(diào)查查證方法，通過大數(shù)據(jù)聚分類、關聯(lián)分析、云計算、人工智能等機器學習技術設定指標權(quán)重，把專家分析與機器自動區(qū)劃相結(jié)合，探索形成了1990年、2000年、2010年和2018年4期全國動態(tài)自然資源三級區(qū)劃，以及1990—2018年全國自然資源總體狀態(tài)三級區(qū)劃。

2.2.4 形成了自然資源要素標準體系建設方案

建設自然資源要素標準體系需要融合以往部門、行業(yè)、科研等領域的各自的標準體系。根據(jù)構(gòu)建的目標和原則，借鑒霍爾系統(tǒng)工程方法[28]，從標準性質(zhì)、專業(yè)領域和適用階段3個維度，構(gòu)建適用于綜合觀測的標準體系框架，形成自然資源要素標準體系建設方案。針對自然資源要素綜合觀測各項活動中標準化需求，在梳理我國森林生態(tài)網(wǎng)絡、中國生態(tài)網(wǎng)絡、氣象網(wǎng)絡和地下水網(wǎng)絡、地表水網(wǎng)絡標準規(guī)范的基礎上，結(jié)合自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡的實際情況，構(gòu)建了包括5大類25個小類的標準規(guī)范體系。體系涵蓋了基礎綜合、野外觀測站建設、觀測技術方法、觀測數(shù)據(jù)管理、野外觀測站運行管理等觀測工作重點環(huán)節(jié)，為觀測工作標準研制和標準化建設提供了依據(jù)。目前已梳理出《自然資源要素綜合觀測技術規(guī)范》《自然資源要素綜合觀測經(jīng)費預算標準》和《自然資源要素綜合觀測野外臺站管理辦法》3個標準規(guī)范討論稿。

2.2.5 布設了野外觀測臺站

針對森林、草原、耕地、濕地、荒漠等陸表自然資源綜合觀測對象(圖2)，基于空間抽樣與統(tǒng)計推斷“三位一體”理論，采用自然資源四級區(qū)劃作為反映自然資源的空間分異性[29]。在自然資源區(qū)劃的基礎上，采用空間變異函數(shù)建模每個分區(qū)內(nèi)自然資源的空間變異情況以及分區(qū)之間的相關性，形成了資源耦合作用、空間結(jié)構(gòu)配比、調(diào)查監(jiān)測一體化的站網(wǎng)布設理念，科學合理地布設了野外觀測臺站(圖2)。目前，已經(jīng)在青藏高原、黃河流域和黑河流域布設了自然資源要素綜合觀測站： 在青藏高原的長江源、拉薩河和尼洋河流域完成了3個綜合觀測網(wǎng)的建設，包括凍土觀測站2個、水資源觀測站5個、土壤觀測站3個、氣象觀測站5個、植被觀測站2個； 在黃河上游盆地景觀區(qū)、中游荒漠草地景觀區(qū)和下游黃河三角洲景觀區(qū)完成了綜合觀測點建設； 在黑河流域森林、草地、農(nóng)田、荒漠、湖泊等典型自然資源系統(tǒng)融合共建成11個自然資源要素綜合觀測臺站，新建2個自然資源要素綜合觀測臺站。這些觀測站的建立初步滿足了預判自然資源和生態(tài)環(huán)境發(fā)展變化趨勢的數(shù)據(jù)需求。

2.2.6 構(gòu)建了空天地一體化觀測技術體系

以地球系統(tǒng)科學理論為指導，構(gòu)建了以服務自然資源重大研究和重大決策需求為目標，采用人工與自動、站點與區(qū)域、地面與天空、宏觀與微觀、試驗與模擬、科研與管理六位一體的全天候探測方式，從多圈層交互、多要素耦合、自然資源整體性出發(fā)的，時空一體、點線面一體、研究決策一體的多圈層綜合探測技術體系(圖2)。

空天地一體化觀測技術體系中，空-天遙感宏觀監(jiān)測技術能夠摸清自然資源的種類、數(shù)量、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等宏觀尺度信息，地-井微觀觀測技術能夠獲取元素、礦物、有機物在各資源間的作用機理和循環(huán)示蹤等微觀尺度信息。同時，在地-井定點觀測信息矯正和標定的基礎上，點面結(jié)合建立自然資源耦合平衡和自然資源演變模型并持續(xù)交互修正，可提高遙感解譯識別的精度和準確度，提升空天地井一體化探測技術水平，從而形成覆蓋全國、標準統(tǒng)一、要素齊全的全天候空天地一體化探測能力(圖2)。

2.2.7 搭建了自然資源要素綜合觀測一體化平臺

空天地一體化觀測技術體系決定了自然資源要素綜合觀測數(shù)據(jù)具有多來源、類型復雜和數(shù)據(jù)量龐大的特點，因而需要搭建物理分散、邏輯集中、資源共享、業(yè)務互通的自然資源要素綜合觀測一體化平臺對大量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的管理和利用[30]。在深度調(diào)研國內(nèi)外數(shù)據(jù)管理規(guī)范和觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法、數(shù)據(jù)平臺功能和界面的基礎上，搭建了自然資源要素綜合觀測一體化平臺，共設計了6個子系統(tǒng)(圖3)，其中自然資源要素綜合觀測物聯(lián)網(wǎng)中心和自然資源要素綜合觀測一體化應用平臺已經(jīng)完成并投入使用。

2020年，通過構(gòu)建自然資源要素綜合觀測一體化平臺，實時采集青藏高原、黑河流域和黃河流域自然資源要素綜合觀測試點項目第一手觀測數(shù)據(jù)，集成了歷史與實時、遙感與地面、地理與氣象等融合站點各類基礎數(shù)據(jù)，跟蹤研究了各類自然資源、環(huán)境動態(tài)變化規(guī)律并預測了其發(fā)展趨勢，緩解了資源、環(huán)境變化規(guī)律與趨勢研判類數(shù)據(jù)支撐不足的問題。

圖3 自然資源要素綜合觀測一體化平臺

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本文通過對構(gòu)建自然資源要素綜合觀測體系的需求分析以及當前觀測體系建設發(fā)展動態(tài)的綜述，得出以下結(jié)論。

(1)明確了構(gòu)建自然資源要素綜合觀測體系建設的各類需求，包括觀測對象、指標體系、自然資源綜合區(qū)劃、標準體系、自然資源環(huán)境變化趨勢預判等。

(2)構(gòu)建了基于自然資源管理的分類體系和自然資源要素綜合觀測指標體系，劃分了自然資源綜合區(qū)劃，形成了自然資源要素標準體系建設方案，布設了野外觀測臺站，并在此基礎上構(gòu)建了空天地一體化觀測技術體系。通過搭建自然資源要素綜合觀測一體化平臺集成觀測數(shù)據(jù)，為自然資源管理提供了數(shù)據(jù)支撐。

3.2 建議

當前，我國自然資源要素綜合觀測體系構(gòu)建已經(jīng)打開了良好局面，形成了自然資源分類體系、指標體系、區(qū)劃方案以及標準體系等。青藏高原、黃河流域和黑河流域試點示范項目自然資源要素野外觀測網(wǎng)絡目前已初具規(guī)模，初步形成了空天地一體化的自然資源觀測技術體系，已獲取并上傳了第一批觀測數(shù)據(jù)，為預判自然資源環(huán)境變化趨勢提供了數(shù)據(jù)支撐。下一步，建議從以下5個方面繼續(xù)完善和加強有關自然資源要素綜合觀測的理論研究和技術創(chuàng)新，加快推進全國野外觀測站網(wǎng)建設，使觀測成果盡早、盡快服務于自然資源部“兩統(tǒng)一”職責和國家生態(tài)文明建設。

(1)構(gòu)建評價指標體系。探索以區(qū)劃為單元的自然資源綜合承載力和耦合平衡配比評價指標體系。

(2)構(gòu)建航空觀測體系。探索航空遙感觀測自然資源數(shù)量、質(zhì)量、作用過程相關指標和技術方法； 探索建立自然資源數(shù)量、質(zhì)量、作用過程的地面點上觀測與航空遙感監(jiān)測對應關系的建模和影像識別技術。

(3)新建標準規(guī)范。針對已編制的觀測指標、觀測技術方法、經(jīng)費預算標準、數(shù)據(jù)采集等標準規(guī)范，通過調(diào)研和研究已有臺站數(shù)據(jù)，結(jié)合二級項目工作開展和相關站(點)管理運維情況，對過程中出現(xiàn)的問題和不足及時進行討論和論證，并進一步修改完善，確保標準規(guī)范的科學性、操作性和實用性，形成自然資源要素綜合站的建設標準和運維標準。

(4)發(fā)展數(shù)字臺站及保密傳輸技術?；谖锫?lián)網(wǎng)和數(shù)字平臺技術，實現(xiàn)野外人工觀測和自動觀測工作的實時可視化，實現(xiàn)實地站與網(wǎng)絡數(shù)字站同步運行，構(gòu)建全國各地森林、草原、濕地等單資源網(wǎng)上虛擬超級站，開展相應野外臺站(觀測樣地、點)聯(lián)網(wǎng)觀測和對比研究。此外，考慮到觀測裝備主要是國外進口裝備和通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸，存在很大的數(shù)據(jù)安全問題，建議通過研發(fā)數(shù)據(jù)加密傳輸模塊，保證數(shù)據(jù)傳輸安全。

(5)推動觀測研究成果向咨詢決策轉(zhuǎn)化。開展觀測數(shù)據(jù)分析研究，形成觀測成果報告和咨詢決策報告，服務于自然資源部“兩統(tǒng)一”管理。