姚姝娟 張 弛 寶力杰 劉殿鋒

1 內(nèi)蒙古自治區(qū)航空遙感測(cè)繪院，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010010 2 內(nèi)蒙古自治區(qū)地圖院，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010051 3 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢，430079

隨著城市化與工業(yè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人類對(duì)作為發(fā)展基礎(chǔ)資料的自然資源的需求日益增加［1］。然而，自然資源具有稀缺性和開(kāi)發(fā)有限性。受限于技術(shù)因素和地理稟賦條件，自然資源稀缺與沖突已經(jīng)成為當(dāng)代最為突出的全球性問(wèn)題［2］。開(kāi)展精準(zhǔn)的自然資源監(jiān)測(cè)是科學(xué)解決自然資源短缺、環(huán)境破壞與生態(tài)退化問(wèn)題的基礎(chǔ)［3］。伴隨國(guó)務(wù)院機(jī)構(gòu)改革，自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)已經(jīng)成為自然資源部統(tǒng)一開(kāi)展的重要職責(zé)之一［4］。水資源監(jiān)測(cè)是自然資源監(jiān)測(cè)的核心任務(wù)之一［5，6］。開(kāi)展水資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是揭示水資源動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，科學(xué)制定水資源有效保護(hù)、水資源合理利用政策以及加強(qiáng)社會(huì)節(jié)水意識(shí)等的基礎(chǔ)。

水資源監(jiān)測(cè)需要具備系統(tǒng)性［7］。隨著中國(guó)自然資源治理理念的轉(zhuǎn)型發(fā)展，傳統(tǒng)單一要素監(jiān)測(cè)已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合要素監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)由單一要素?cái)?shù)量、格局與功能升級(jí)為不同要素之間的相互作用關(guān)系。因此，水資源監(jiān)測(cè)需要從水資源、水環(huán)境與水生態(tài)視角切入，開(kāi)展水域綜合監(jiān)測(cè)評(píng)估。在此背景下，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)框架與方法已經(jīng)難以滿足需求［8-11］。傳統(tǒng)水資源監(jiān)測(cè)以地面監(jiān)測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)為主，著重對(duì)水資源數(shù)量、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、功能和空間布局進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)與分析，但是無(wú)法完成水資源系統(tǒng)化監(jiān)測(cè)的目標(biāo)［12，13］。例如，當(dāng)前研究中缺少“天-空-地-網(wǎng)”一體化的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，無(wú)法完成對(duì)地表、地下水資源的整合監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)指標(biāo)方面，現(xiàn)有指標(biāo)注重可獲取性和準(zhǔn)確性，但是在指標(biāo)系統(tǒng)性方面考慮不足，無(wú)法反映水資源與生態(tài)系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，系統(tǒng)化、動(dòng)態(tài)化水資源監(jiān)測(cè)需要從監(jiān)測(cè)技術(shù)框架、監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系以及可視化分析3個(gè)方面進(jìn)行整合提升［14-17］。

本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)（簡(jiǎn)稱內(nèi)蒙古）“一湖兩海”為研究對(duì)象，從系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性監(jiān)測(cè)視角切入，依托“一湖兩?！眳^(qū)域遙感影像等地理信息大數(shù)據(jù)，結(jié)合水文、氣象等行業(yè)專題數(shù)據(jù)，通過(guò)整合現(xiàn)有衛(wèi)星遙感、空間抽樣等自然資源監(jiān)測(cè)技術(shù)，形成研究區(qū)水域綜合監(jiān)測(cè)框架。并且基于“驅(qū)動(dòng)-壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（driving-pressure-status-response，DPSR）模型構(gòu)建“一湖兩?！彼蚓C合監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，采用地圖可視化分析技術(shù)開(kāi)展“一湖兩?！彼Y源動(dòng)態(tài)變化分析。將監(jiān)測(cè)分析結(jié)果以專題地圖的形式呈現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)“一湖兩?！标P(guān)注內(nèi)容從變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)結(jié)果、報(bào)告到專題地圖的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而輔助區(qū)域科學(xué)研究和決策。

1 “ 一湖兩海”水域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)框架與指標(biāo)體系

“一湖兩?！敝负魝惡?、烏梁素海、岱海，是內(nèi)蒙古重要的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)于全區(qū)生態(tài)安全、糧食安全、生物多樣性保護(hù)、地區(qū)環(huán)境保護(hù)等具有重要意義。其中，呼倫湖位于內(nèi)蒙古東北部，多年平均水域面積為2 035.69 km2，是生態(tài)系統(tǒng)類型最豐富的濕地之一［18-20］。烏梁素海地處內(nèi)蒙古西部巴彥淖爾市境內(nèi)，是關(guān)系到黃河中下游水生態(tài)安全的重要節(jié)點(diǎn)。岱海位于內(nèi)蒙古涼城縣，平均水域面積為70 km2［21，22］。針對(duì)“一湖兩?！钡纳鷳B(tài)治理問(wèn)題，開(kāi)展“一湖兩?！北O(jiān)測(cè)、分析、評(píng)價(jià)是內(nèi)蒙古生態(tài)治理過(guò)程中的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作［23，24］。

1.1 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)框架

水資源作為重要、稀缺、特有的資源，應(yīng)發(fā)展其特有的監(jiān)測(cè)、分析技術(shù)。水系要素是動(dòng)態(tài)的，受大氣、流域影響。為了揭示水系對(duì)象的規(guī)律趨勢(shì)，需要從水域綜合環(huán)境（包括流域、氣象、地質(zhì)等）、水體特征動(dòng)態(tài)變化（水量、水溫、水質(zhì)等）、水生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)等方面全面地反映其變化情況，從關(guān)鍵點(diǎn)、規(guī)律性入手，調(diào)控其發(fā)展趨勢(shì)和方向［25-28］。

本文充分利用現(xiàn)代測(cè)量、信息網(wǎng)絡(luò)以及空間探測(cè)等技術(shù)手段，構(gòu)建起“天-空-地-網(wǎng)”一體化的水資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源全流程、全覆蓋的現(xiàn)代化監(jiān)管，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)框架見(jiàn)圖1。一方面，將測(cè)繪地理信息大數(shù)據(jù)與行業(yè)專題數(shù)據(jù)融合，利用衛(wèi)星遙感等航天飛行平臺(tái)，搭載可見(jiàn)光、紅外、高光譜、微波、雷達(dá)等探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)廣域的定期影像覆蓋和數(shù)據(jù)獲取，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)面積、水質(zhì)、水溫等生態(tài)屬性進(jìn)行遙感影像自動(dòng)提?。?9］。另一方面，綜合利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、航空航天遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、實(shí)地調(diào)查、樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)以及視頻監(jiān)控等現(xiàn)代傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)模式，對(duì)水體水質(zhì)、生物多樣性等生態(tài)環(huán)境要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析［30，31］。統(tǒng)計(jì)分析水域各類指標(biāo)的變化量、變化趨勢(shì)等，形成反映各類生態(tài)環(huán)境要素的空間分布及其發(fā)展變化規(guī)律的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)成果和統(tǒng)計(jì)圖表，為“一湖兩海”的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)、有效的基礎(chǔ)信息服務(wù)。

圖1 “一湖兩?！彼騽?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)框架Fig.1 Dynamic Monitoring Framework of“One Lake and Two Seas”

1.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系

從水資源、水環(huán)境和水生態(tài)3個(gè)維度出發(fā)，基于DPSR 模型構(gòu)建“一湖兩?！彼騽?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。指標(biāo)體系主要包括準(zhǔn)則層、類型層、指標(biāo)層3個(gè)層次，具體用于反映與水域水資源相關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)狀態(tài)及其演化規(guī)律以及自然資源、自然環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)特征及其演化規(guī)律。從水體特征維度來(lái)看，水域面積、葉綠素濃度、懸浮物濃度、水溫、富營(yíng)養(yǎng)化、水生植被等指標(biāo)已經(jīng)成為流域監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)。從水域綜合環(huán)境維度來(lái)看，氣象、溫度是導(dǎo)致水域面積變化、水體容量變化、水質(zhì)變化、水生動(dòng)植物生長(zhǎng)的重要影響因素，因此成為重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能出發(fā)，具體監(jiān)測(cè)水域生態(tài)系統(tǒng)的水資源供給、生態(tài)系統(tǒng)支持、生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)以及文化娛樂(lè)功能，尤其要監(jiān)測(cè)水域生物多樣性水平，為水域生態(tài)修復(fù)提供決策支持。

2 專題制圖與可視化分析

地理信息可視化是運(yùn)用圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將地學(xué)信息輸入、處理、查詢、分析以及預(yù)測(cè)的結(jié)果和數(shù)據(jù)以圖形符號(hào)、圖標(biāo)、文字、表格、視頻等可視化形式展示并進(jìn)行交互的理論、方法和技術(shù)。從地圖學(xué)與地理信息技術(shù)角度來(lái)看，專題圖編制是地圖和專題信息、數(shù)據(jù)分析的結(jié)合，能夠?yàn)樗w整體環(huán)境分析與可視化、水體特征制圖、水域生物多樣性變化可視化分析以及上述信息的綜合可視化分析提供技術(shù)支撐。本文采用相關(guān)專題制圖與可視化分析技術(shù)，對(duì)“一湖兩海”水域核心監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行分析，具體包括：

1）水域面積變化可視化分析。圖2 是“一湖兩?！彼蛎娣e變化圖，可以看出，岱海水域面積有不斷下降的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)調(diào)查分析，主要原因是周邊農(nóng)業(yè)、生活用水逐漸增加，使得岱海的水源得不到補(bǔ)給，電廠的用水引起水溫上升，蒸發(fā)量大，造成儲(chǔ)水量不斷減少，水質(zhì)變劣。應(yīng)急補(bǔ)水、生態(tài)修復(fù)、污水處理等舉措是岱海治理的重要方法。

圖2 “一湖兩?！彼蛎娣e變化圖Fig.2 Water Area Changes of“One Lake and Two Seas”

2）水體上層溫度變化可視化分析。圖3 展示了1986—2019年間岱海溫度變化趨勢(shì)。整體上看，岱海水溫波動(dòng)明顯，但是絕大部分年份水溫相對(duì)較低，2015—2017年間水溫上升幅度比較大，并在2017年平均溫度達(dá)到26.4 ℃。水溫上升與岱海電廠冷凝水直排、氣溫上升、水量減少等因素存在密切關(guān)系。這已經(jīng)引起決策者的足夠重視。

圖3 岱海夏季上層水溫反演結(jié)果Fig.3 Inversion Results of Water Temperature in Upper Level of Daihai in Summer

3）水生植被變化可視化分析。圖4 呈現(xiàn)了烏梁素海水生植被變化分布情況。1977—2008年間，該區(qū)域蘆葦、水草增長(zhǎng)迅速，年均增速分別達(dá)到175.8% 和1 246.6%，急劇變化原因?yàn)樵旒垬I(yè)快速發(fā)展、工業(yè)污水及農(nóng)田退水大量排放導(dǎo)致的水體富營(yíng)養(yǎng)化。2009—2019年間，通過(guò)造紙業(yè)整頓和生態(tài)修復(fù)，該區(qū)域蘆葦和水草面積分別下降了16% 和35.8%，生態(tài)治理效果顯著。

圖4 烏梁素海水生植被分布Fig.4 Distribution of Aquatic Vegetation in Wuliangsuhai

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以內(nèi)蒙古“一湖兩海”為研究對(duì)象，集成多種監(jiān)測(cè)手段構(gòu)建“一湖兩?！彼騽?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)框架，基于DPSR 模型構(gòu)建水域監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，為“一湖兩?！彼騽?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供可行框架，有助于從社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、自然生態(tài)系統(tǒng)以及兩者相互作用關(guān)系視角出發(fā)，揭示“一湖兩海”水域系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律以及存在問(wèn)題的誘因，為科學(xué)解決“一湖兩海”生態(tài)問(wèn)題提供了有效路徑?；趯ｎ}圖分析技術(shù)，本文實(shí)現(xiàn)了“一湖兩海”水域核心指標(biāo)體系的可視化分析，有效獲取了水域動(dòng)態(tài)演化規(guī)律、趨勢(shì)及原因等信息，為水資源調(diào)查、監(jiān)測(cè)、保護(hù)治理以及河湖長(zhǎng)制的建立提供科學(xué)支撐。