裴小龍， 高天勝， 祝曉松， 韓小龍

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局廊坊自然資源綜合調(diào)查中心，河北 廊坊 065000；2.自然資源要素耦合過程與效應(yīng)重點實驗室，北京 100055；3.中國地質(zhì)調(diào)查局西寧自然資源綜合調(diào)查中心，青海 西寧 810000）

各自然資源要素之間由于存在著密切的物質(zhì)、能量和信息交換而構(gòu)成一個相互依存、相互聯(lián)系和不可分割的生命共同體［1-3］。面對我國自然資源管理的新形勢，解決國土空間用途管制和生態(tài)修復(fù)中涉及到的資源-環(huán)境-生態(tài)問題，就必須遵循生命共同體發(fā)展理念，統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，綜合考慮自然生態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)性、完整性，科學(xué)合理確定工程實施范圍和規(guī)模。流域是自然系統(tǒng)的縮影，是自然地理中的基本單元，既包含了水土氣生的生態(tài)-環(huán)境問題，也包含了山水林田湖草的資源問題。強調(diào)整體、系統(tǒng)，以流域為單元去認識區(qū)域資源系統(tǒng)，是解決資源-環(huán)境-生態(tài)問題的科學(xué)途徑［4-6］。流域觀測系統(tǒng)和模型系統(tǒng)的建設(shè)，是流域科學(xué)研究的基礎(chǔ)和前提，近些年來，以流域為單元建立的觀測研究日益增多，國際上比較有名的有美國的CZO（Critical Zoon Observatory）、歐洲的TERENO（Terres?trial Environmental Observations）、加拿大的CCRN（Changing Cold Regions Network）和中國的黑河流域綜合觀測網(wǎng)絡(luò)等［7-9］。

黑河流域綜合觀測網(wǎng)絡(luò)始于2007年啟動的“黑河遙感聯(lián)合實驗”（Watershed Allied Telemetry Ex?perimental Research,WATER, 2007—2011），2010 年國家自然科學(xué)基金委員會又啟動了“黑河流域生態(tài)-水文過程集成研究”重大研究計劃（簡稱黑河計劃），通過選取代表性站點，整合已有的設(shè)施，建設(shè)形成了現(xiàn)有的生態(tài)水文觀測網(wǎng)絡(luò)［10-12］。在圍繞遙感產(chǎn)品生產(chǎn)與驗證、水文與生態(tài)過程、決策支持系統(tǒng)等方面取得了一系列重要的研究進展，但成果僅是針對水文和生態(tài)方面的科學(xué)試驗研究，難以有效解決黑河流域內(nèi)自然資源全要素資源-環(huán)境問題，還有待繼續(xù)深入開展觀測研究。

目前，全國自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)已經(jīng)被列為我國《自然資源科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃綱要》中十二大科技工程之首，于2020 年已全面啟動和建設(shè)［13-14］。黑河流域作為西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河流域，綜合包括山水林田湖草等多種自然資源要素，是開展流域內(nèi)自然資源觀測研究的理想之地；再者，黑河流域處于絲綢之路經(jīng)濟帶的核心地段，區(qū)域內(nèi)資源-生態(tài)-環(huán)境問題關(guān)系到我國西北乃至中亞的生態(tài)安全與社會安定，迫切需要在黑河流域開展自然資源要素試點研究。因此，遵循生命共同體發(fā)展理念，基于流域科學(xué)觀測研究方法，結(jié)合黑河流域現(xiàn)有觀測基礎(chǔ)，逐步構(gòu)建黑河流域自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡(luò)，通過長期、連續(xù)、穩(wěn)定的觀測，獲取資源間耦合作用過程、變化趨勢等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對提高黑河流域自然資源認知能力、科學(xué)管理和戰(zhàn)略決策具有十分重要的意義，對其他流域開展觀測研究也具有很高的借鑒和示范作用。

1 黑河流域觀測研究概況

1.1 研究區(qū)概況

黑河流域位于97°06′～102°00′E 和37°42′～42°42′N之間，地處中國西部干旱半干旱區(qū)，是我國第二大內(nèi)陸河流域，面積約14.3×104km2。黑河流域發(fā)源于祁連山中段，從發(fā)源地到居延海全長821 km，全流域以水為紐帶形成了“冰川/凍土-森林-草原-河流-湖泊-綠洲-沙漠-戈壁”的多元自然資源景觀；流域內(nèi)寒區(qū)和干旱區(qū)并存，山區(qū)冰凍圈和極端干旱的河流尾閭地區(qū)形成了鮮明對比，具有典型的流域上、中、下游自然景觀特點（圖1）。同時，黑河流域開發(fā)歷史悠久，人類活動顯著地影響了流域的水文環(huán)境，這一地區(qū)的農(nóng)業(yè)開發(fā)、屯田墾殖，無不與水資源深刻地聯(lián)系在一起。自然和人文過程交匯在一起，使黑河流域成為開展流域綜合研究十分理想的試點場地。

圖1 黑河流域景觀類型及現(xiàn)有觀測站分布示意圖Fig.1 Landscape types and distribution diagram of existing observation stations in Heihe River Basin

1.2 以往工作基礎(chǔ)

目前各科研團隊根據(jù)自身研究需要，已在黑河流域建立了多個野外觀測站（網(wǎng)）［10-11,15］，研究內(nèi)容涉及氣象、水文、森林等多個生態(tài)領(lǐng)域（表1）。目前黑河流域最大和綜合的觀測網(wǎng)絡(luò)是黑河流域地表過程綜合觀測網(wǎng)，它也是我國第一個多要素、多尺度、精細化流域綜合觀測系統(tǒng)，主要包括水文氣象觀測網(wǎng)、生態(tài)水文傳感器網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星遙感等［16］。該網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)布設(shè)運行11個觀測站，基本覆蓋了黑河流域主要下墊面類型（圖1），這也對黑河流域自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了很好的工作基礎(chǔ)。

表1 黑河流域現(xiàn)有野外觀測站（網(wǎng)）Tab.1 Current field observation stations(networks)in Heihe River Basin

1.3 前期臺站主要存在問題

面對國家自然資源管理的新形勢，全面開展黑河流域開展自然資源全要素綜合觀測工作，前期臺站仍存在以下幾方面的問題［17］：

（1）現(xiàn)有觀測站（網(wǎng)）隸屬多個部門與單位，缺少體系化的頂層設(shè)計，尚未形成整體的規(guī)劃、數(shù)據(jù)整合和共享機制。

（2）黑河流域雖有大型的綜合觀測站（網(wǎng)），但針對自然資源要素觀測研究仍存在站點分布不均衡、觀測數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、觀測指標不全面的問題，難以系統(tǒng)支撐自然資源全要素數(shù)據(jù)獲取。

（3）現(xiàn)有觀測站（網(wǎng)）多以科學(xué)問題為導(dǎo)向，重點圍繞某生態(tài)系統(tǒng)過程或生態(tài)環(huán)境問題開展科學(xué)觀測研究，尚缺乏針對自然資源要素多尺度、全要素的業(yè)務(wù)觀測研究，難以服務(wù)支撐黑河流域自然資源管理的需要。

2 黑河流域自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

2.1 總體思路

堅持“山水林田湖草”生命共同體理念，秉持“創(chuàng)新機制、協(xié)調(diào)機構(gòu)、綠色共建、開放合作、數(shù)據(jù)共享”的建設(shè)原則，以黑河流域自然資源問題和管理需求為導(dǎo)向，構(gòu)建黑河流域自然資源要素綜合觀測網(wǎng)。堅持團結(jié)黑河流域現(xiàn)有觀測和研究力量，探索形成互為補充、協(xié)同合作、資源共享的合作機制，充分利用黑河流域現(xiàn)有觀測基礎(chǔ)，選取和建設(shè)具有科學(xué)性和代表性的觀測站點，探索多種建站模式，優(yōu)化布設(shè)綜合觀測網(wǎng)絡(luò)。堅持標準先行，統(tǒng)一觀測技術(shù)、觀測指標、運行維護和質(zhì)量控制等標準體系，形成自然資源綜合觀測質(zhì)量管理體系，確保數(shù)據(jù)精度和質(zhì)量，為黑河流域自然資源管理提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 建設(shè)目標

按照系統(tǒng)規(guī)劃、重點先行、分步推進的建設(shè)思路，綜合考慮已有觀測站（網(wǎng)）基礎(chǔ)、自然資源區(qū)劃單元和經(jīng)濟成本等因素，通過融合、合建、改建和自建等多種方式，逐步構(gòu)建起觀測體系完整、站網(wǎng)布局合理、運行基本穩(wěn)定的黑河流域自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡(luò)，最終形成覆蓋黑河流域多尺度、全天候、全要素的空天地立體觀測能力。通過產(chǎn)出黑河流域長期、連續(xù)的科學(xué)數(shù)據(jù)，揭示自然資源要素相互作用的關(guān)鍵機制，分析預(yù)判自然資源發(fā)展趨勢，為黑河流域自然資源管理提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保障和科學(xué)供給。

2.3 具體部署

遵循黑河流域自然資源地帶性規(guī)律，以自然資源區(qū)劃環(huán)境類型為單元［18-20］，利用融合共建、升級改建和空白添建3種方式，分流域、分級別布設(shè)觀測站13個（圖2），基本覆蓋了黑河流域草原、森林、河流、湖泊、荒漠、濕地、農(nóng)田等主要地表資源類型。以13個觀測站為依托，圍繞資源類型，開展航天和無人機遙感協(xié)同觀測，并結(jié)合人工樣地調(diào)查，對其數(shù)據(jù)進行相互比對、驗證和集成處理，進而獲取高質(zhì)量的自然資源要素觀測數(shù)據(jù)集。

圖2 黑河流域自然資源要素綜合觀測站布設(shè)Fig.2 Layout of comprehensive observation stations for natural-resource elements in Heihe River Basin

2.3.1 臺站觀測按照統(tǒng)一的觀測規(guī)范及技術(shù)標準，融合共建了8 個臺站，升級改建了3 個臺站，空白添建了2 個臺站。從下墊面類型來看，上游主要以高寒草甸和森林為主，中游主要以荒漠、農(nóng)田和濕地為主，下游主要以荒漠、綠洲和濕地為主，觀測臺站的布設(shè)基本覆蓋了整個黑河流域的主要下墊面資源類型（表2）。

表2 觀測站點信息Tab.2 Observation stations information

從流域分布上來看，在上游、中游、下游各布設(shè)了5個、4個、4個觀測臺站，且在每個流域段中各布設(shè)有一個二級站（圖3a），其他均為三級站（圖3b），在成本控制的情況下，實現(xiàn)臺站分級別、分層次的聯(lián)合觀測，最大化臺站的觀測效用［16］。二級站主要由多尺度地表通量與土壤水分觀測系統(tǒng)（蒸滲儀/植物液流儀-渦動相關(guān)儀-閃爍儀、土壤水分傳感器、宇宙射線土壤水分測定儀、土壤溫濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等）、水文氣象要素觀測系統(tǒng)（風(fēng)溫濕廓線、氣壓、降水量、土壤溫濕度廓線、四分量輻射、光合有效輻射、土壤熱通量、地表輻射溫度、平均土壤溫度、區(qū)域土壤水分、地下水位等）、植被觀測系統(tǒng)（物候、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、反射率光譜和葉綠素?zé)晒獾龋┑冉M成。三級站主要由渦動相關(guān)儀、水文氣象觀測系統(tǒng)（風(fēng)溫濕壓、降水量、土壤溫濕度廓線、四分量輻射、光合有效輻射、土壤熱通量、地表輻射溫度、地下水位等參數(shù)）、植被觀測系統(tǒng)（物候、植被覆蓋度）等組成。

圖3 觀測站示意圖Fig.3 Schematic diagram of observation stations

2.3.2 遙感觀測衛(wèi)星遙感觀測主要包括無人機-高分衛(wèi)星和中高分辯率衛(wèi)星觀測，利用長時間序列的中、高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及精細無人機監(jiān)測數(shù)據(jù)，并融合和同化地面觀測數(shù)據(jù)，生成黑河流域中高分辨率長時序動態(tài)自然資源多要素遙感產(chǎn)品，實現(xiàn)對全區(qū)域自然資源的長時序、動態(tài)監(jiān)測［10-11,21］。主要的自然資源遙感產(chǎn)品包括：基礎(chǔ)要素［土地覆蓋/利用、數(shù)字高程（DEM）等］，植被要素（植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、植被初級生產(chǎn)力、歸一化植被指數(shù)、草地生物量、森林蓄積量等），水文要素（冰川分布、水體指數(shù)、土壤水分、地表蒸散發(fā)等），以及包括森林、草地、農(nóng)田、荒漠等資源要素的空間分布和面積等。

2.3.3 樣地調(diào)查在觀測站（網(wǎng)）融合共建的基礎(chǔ)上，為補充觀測臺站和遙感觀測難以獲取的參數(shù)，主要開展水、土壤、植被資源樣地調(diào)查和采樣分析［22］。水資源調(diào)查主要包括地表和地下水水質(zhì)、水量、理化性質(zhì)等指標，土壤資源調(diào)查主要包括土地利用/覆蓋、土壤理化性質(zhì)、土壤肥力、耕地面積與立地質(zhì)量、產(chǎn)量等指標，植被資源調(diào)查主要包括物候、葉面積指數(shù)、草地植被蓋度與生產(chǎn)力、森林蓄積量等指標（圖4）。

圖4 黑河流域人工樣地分布Fig.4 Distribution of artificial sample plots in Heihe River Basin

3 觀測技術(shù)體系

3.1 觀測標準規(guī)范

技術(shù)標準規(guī)范是野外觀測臺站規(guī)范建設(shè)、科學(xué)運行的基本保證，是確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵。在梳理國內(nèi)主要觀測臺站標準規(guī)范的基礎(chǔ)上（表3），結(jié)合自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡(luò)實際，初步建立了自然資源要素標準規(guī)范體系，現(xiàn)已形成《自然資源要素綜合觀測技術(shù)規(guī)范》《自然資源要素綜合觀測項目預(yù)算標準》《自然資源要素綜合觀測數(shù)據(jù)融合規(guī)程》《自然資源要素綜合觀測數(shù)據(jù)規(guī)范》《自然資源要素綜合觀測數(shù)據(jù)采集指南》和《自然資源要素綜合觀測觀測站管理辦法》6個標準規(guī)范討論稿。

表3 國內(nèi)野外觀測站建設(shè)標準規(guī)范Tab.3 Construction standards and specifications of domestic field observation stations

3.2 觀測指標體系

自然資源要素綜合觀測綜合采用了臺站觀測、遙感觀測、人工樣地調(diào)查等多種觀測技術(shù)方法，很好地解決了在時間尺度和空間尺度方面的差異化精度要求。而系統(tǒng)的觀測指標體系是開展自然資源觀測的前提和基礎(chǔ)。根據(jù)自然資源要素綜合觀測指標體系建立和指標選取的基本原則，在自然資源要素分類的基礎(chǔ)上，采用正反演相結(jié)合、模塊組合等方法［23］，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(shè)計，構(gòu)建合理的觀測指標體系（表4），可有效應(yīng)用于多尺度的立體化綜合觀測中，努力解決自然資源要素綜合觀測在數(shù)據(jù)應(yīng)用上的兼容難題。

表4 觀測指標信息Tab.4 Information of observation indices

3.3 運行維護體系

制定詳細的運維體系和運維流程是實現(xiàn)觀測臺站長期穩(wěn)定運行的根本。培養(yǎng)專業(yè)的運維管理團隊，分別從日、旬、月、年的時間尺度做好觀測儀器設(shè)備日常運行維護（圖5）。每日須瀏覽各觀測站點實時傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，查看數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，通過監(jiān)控設(shè)備查看觀測場地的儀器狀況和運行狀態(tài)。每旬須通過系統(tǒng)繪制的連續(xù)數(shù)據(jù)變化圖，查看數(shù)據(jù)變化是否發(fā)生持續(xù)性異常值等。每月須由運維技術(shù)人員實地到觀測站進行巡檢，主要進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、儀器設(shè)備檢測、異常傳感器擦拭、觀測場景拍照、植被物候和下墊面狀況記錄等內(nèi)容。每年初要對前一年的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和檢查，同時在春、秋季（植被生長、結(jié)束）需要對觀測儀器設(shè)備全面進行檢查和標定［16］。

圖5 黑河流域自然要素綜合觀測網(wǎng)運維流程Fig.5 Operation and maintenance process of comprehensive observation network of natural elements in Heihe River Basin

3.4 質(zhì)量控制體系

融合遙感觀測、臺站觀測和地面調(diào)查等數(shù)據(jù)，統(tǒng)一標準規(guī)范、統(tǒng)一精度要求、統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，建立觀測數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制流程［24］，實現(xiàn)自動、半自動和人工質(zhì)量控制模式，構(gòu)建基于觀測技術(shù)、儀器標定和運行維護等的全過程觀測站管理體系。通過黑河流域觀測數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)檢驗和質(zhì)量分析，確保觀測數(shù)據(jù)準確、規(guī)范、完整，產(chǎn)出高質(zhì)量的黑河流域自然資源要素觀測數(shù)據(jù)集，進而匯總提交到全國自然資源綜合觀測一體化平臺［25］，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線管理和終端共享等服務(wù)（圖6）。

圖6 自然資源要素觀測質(zhì)量控制示意圖Fig.6 Schematic diagram of quality control for observation of natural-resource elements

4 案例與成效

通過遙感觀測，得到了阿柔站、大沙龍站、花寨子站、大滿站、四道橋站5 個站點方圓1 km 內(nèi)的自然資源要素的分布范圍及空間位置信息，結(jié)合5 個站點的自動觀測和周邊布設(shè)典型樣地的人工調(diào)查，有效獲取了上述5 個站點的自然資源要素種類、數(shù)量、質(zhì)量等信息（圖7、圖8）。從應(yīng)用效果來看，通過布設(shè)合理的觀測臺站，結(jié)合遙感觀測等技術(shù)方法，能有效獲取自然資源多要素的空間分布、種類、數(shù)量、質(zhì)量等關(guān)鍵信息。構(gòu)建的自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡(luò)，已初步形成局部控制的空天地立體觀測能力。

圖7 5個站點自然資源斑塊數(shù)量Fig.7 Number of natural resource patches in the five stations

圖8 5個站點自然資源分布Fig.8 Distribution of natural resources in the five stations

5 結(jié)論

通過與中科院西北院、北京師范大學(xué)和蘭州大學(xué)等科研院所廣泛合作，利用黑河流域原有觀測基礎(chǔ)，采用融合共建、升級改建、空白添建3 種建站模式，分流域、分級別建成觀測臺站13個，結(jié)合遙感觀測和人工樣地調(diào)查，初步構(gòu)建起黑河流域自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡(luò)，基本形成了局部控制的立體化觀測能力。但要看到，然資源要素綜合觀測是一項長期性和探索性很強的系統(tǒng)建設(shè)工程，涉及臺站建設(shè)、經(jīng)費保障、運行維護、質(zhì)量控制等多個方面工作。要實現(xiàn)觀測網(wǎng)絡(luò)的全面運行，筆者認為還需要加強以下幾方面的工作：

（1）加強組織領(lǐng)導(dǎo)，建立健全組織機構(gòu)，統(tǒng)籌觀測網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)，確保臺站科學(xué)運行管理。

（2）探索合作機制，打破行業(yè)壁壘，加強與現(xiàn)有觀測臺站就合作建站和數(shù)據(jù)共享等方面廣泛開展研究，探索建立與農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)等有關(guān)部門的長期合作機制，促進社會各行業(yè)市場化服務(wù)。

（3）穩(wěn)定經(jīng)費保障，建立多元化的經(jīng)費投入保障體系。設(shè)立觀測網(wǎng)絡(luò)專項經(jīng)費，積極探索社會資金投入機制。

（4）創(chuàng)建重點實驗室等科技創(chuàng)新平臺，加強人才培養(yǎng)，開展跨部門、跨領(lǐng)域、跨學(xué)科科學(xué)研究，為解決黑河流域地區(qū)重大資源環(huán)境問題提供科研支撐。