陆表自然资源综合观测体系构建的思考

     

0 引言

     

恩格斯在《自然辩证法》中指出：劳动和自然界一起是财富的源泉，自然界为劳动提供材料，劳动把材料变为财富。这里自然界提供的“材料”可以称作为自然资源，劳动则是将自然资源经济化的过程。自然资源是人类生产、生活的基本物质基础和空间载体，科学保护并合理利用自然资源是人类社会可持续发展面临的永恒主题。当前全球经济社会高速发展，自然资源过度开发、消耗加剧，由此导致环境污染问题突出、生物多样性退化、生态系统服务功能降低，人类生存空间被大幅压缩。资源、生态、环境不协调问题，已经严重影响到人类可持续发展。人地关系和谐成为发展的必然趋势。

党的十八大以来，我国着眼于中华民族永续发展伟大目标，按照地球系统科学理论，提出了“山水林田湖草是生命共同体”论断，深刻揭示了各类自然资源有机统一的本质，确立了资源、生态、环境三者有机统一的国家治理理念，强调统筹自然资源利用与生态环境修复保护工作，开启了新时代生态文明建设和自然资源统一管理的序幕。

长期、持续、稳定的自然资源系统观测研究，有利于准确掌握自然资源的开发利用程度、变化态势，探究自然资源各要素间耦合作用机理，评价各要素间协调程度，预判自然资源系统发展趋势，为自然资源资产统一管理、国土空间的统一规划和生态保护修复等提供基础理论支撑，更好服务国家生态文明建设。2018年10月，自然资源部发布《自然资源科技创新发展规划纲要》，将“自然资源要素综合观测网络工程”列为十二项重大科技工程之首；2019年10月该工程正式启动，由原武警黄金部队转隶组建的中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心（简称“指挥中心”）负责实施。该工程被定位为国家自然资源管理和生态文明建设的战略性、基础性、紧迫性系统工程。

     

1 陆表自然资源

综合观测研究

动态及进展

     

地球系统科学的概念最早提出于19世纪80年代，主要是指将地球的大气圈、水圈、岩石圈、生物圈视作一个相互作用的有机整体，研究其中各个圈层的相互作用,借以了解现状、分析过去和预见将来，解决人类可持续发展问题。陆表系统属于地球系统的一部分，主要范围上限为对流层的顶部，下限为岩石圈的上部。

陆表自然资源主要包括地表覆被资源（耕地、森林、草原、湿地等）、水资源和气候资源，这些自然资源相互作用形成了复杂的系统。目前，陆表自然资源的研究，逐渐由对森林、草原、耕地、水等单资源或相关的生态系统研究，转向区域植物-土地-水等自然资源间和自然资源与生态环境间的系统研究，如土地覆盖变化与生物多样性、气候变化的关系研究，陆表蒸散发对气候的响应，碳循环与降水量之间的关系研究，植被NDVI指数和人类活动、气温的关系研究等。这些研究主要以水土气生为核心的生态环境过程研究为主，而从区域自然资源种类、数量、质量等变化对自然资源系统和生态环境间关系的研究，则比较薄弱。随着地球科学系统理念的发展，以及自然资源观测和模拟技术的成熟，开展多种学科、跨部门的资源-生态-环境系统综合研究逐渐成为发展趋势，以地球系统角度出发，预测变化环境下陆表自然资源的变化具有重要意义。如2021年美国提出了earthmap计划，旨在打破学科界限，按照地球系统科学理论的工作方法，注重观测、模拟、评估、预测工作流程的学科融合，实现对整个地球的全面分析、监测、观测和预测。2018年，自然资源部印发《自然资源科技创新发展规划纲要》，明确提出要以地球系统科学理论为核心，揭示不同时期自然资源及环境要素的变化状况及其动因，阐明不同自然综合体的功能特征，探索重点区域、重点类型国土和海域利用变化与自然生态演化相互作用机理，形成管控机制。

在这种大背景下，以地球系统科学为理论基础，以区域为单元，建立自然资源综合观测体系，开展各类自然资源的配比结构与自然资源、生态环境的关系研究，掌握自然资源、生态环境的演替规律，可为自然资源系统研究和自然资源治理提供依据，有效服务于自然资源系统履行“两统一”可职责。

1.2 陆表自然资源观测技术体系研究进展

调查、观测、监测是研究和掌握自然资源规律的主要手段。服务于调查、监测、观测的技术主要有航天遥感技术、航空遥感技术和实地调查、站点观测及监测技术。我国航天遥感技术已经进入高空间分辨率和高时间分辨率阶段，空间分辨率已经达到亚米级，时间分辨率达到小时级，可以高精度地对地面自然资源变化进行探测。高精度无人机航空遥感也广泛应用于生态环境安全监测、区域建设与管理服务等，相比于航天遥感受云层的影响更小。在实地调查和站点定点观测、监测方面，我国已经建立的各类生态站700余座，可以作为研究的基础。同时，开展覆盖全国的观测站网布设，通过对各类资源、生态环境数据的加权平均和聚类分析，利用机器学习和专家评判相结合的方式，完成了全国自然资源的一级、二级和三级的综合区划图，服务于覆盖全国的自然资源站网布设。

     

2 陆表自然资源系统

观测体系思考

     

地球系统科学理论指出，地球系统中不同圈层间的相互作用构成了一个有机整体，地球上的自然资源存在相互作用的关系。一定区域内各自然资源要素的种类、数量、质量、分布范围等组成特定的空间自然资源结构配比，区域内一种自然资源的变化可能会引发其它自然资源和生态环境的变化。以地球系统科学为理论指导，将全国自然资源的变化视为一个综合的整体，同时陆地表层圈层中各自然资源组成的系统也存在一定的空间异质性。服务于全国范围的观测需求，需要对自然资源进行精细化的综合区划，以区域为单元研究区域内各类自然资源的配比关系，以及区域内各类自然资源配比与环境的关系，摸清我国自然资源家底，同时要研究资源环境的关系，为自然资源合理开发利用提供决策支持。结合自然资源的经济属性和生态属性，在环境保护和经济发展不同角度上，为区域内自然资源合理开发利用提供决策支持。

本文以自然资源综合区划所划分出的三级区域——辽河平原南部旱地地区为例，研究该区域内各自然资源配比情况，以及自然资源与生态环境之间的关系。辽河平原南部旱地地区属于东北林耕自然资源大区，该区域自然资源分布情况如图1（a）所示,各类自然资源配比情况为：耕地占68.27%，林地占13.21%，草原占5.76%，水域占1.29%，其他占11.4%。根据从文献中查阅到的不同土地和植被类型的碳密度值和蒸散发系数，结合相应的观测数据，通过InVEST模型计算，得出该区域的总产水量和总固碳量，详见图1（b）和图1（c）。然后改变自然资源配比数据，模拟出不同配比下固碳量和产水量的值。当林地转换为耕地后，该区域陆表资源分布如图2（a）所示，模拟出的总产水量和总固碳量如图2（b）和图2（c）所示。相比于现状，在林地转换为耕地后，区域产水量由约1.73×10 10 m 3 变为约1.86×10 10 m 3 ，固碳量由7.47×10 8 吨变为6.93× 10 8 吨。由于不同的自然资源有不同的生态服务价值，依据不同资源类型的服务价值当量和标准当量因子，可以计算出区域内自然资源的生态服务价值，为经济可持续发展提供支持。因此以区域为单元对域内自然资源配比进行系统研究，能够得出不同自然资源配比下的环境状态及生态服务价值，从而在自然资源合理开发利用和经济发展上为政府提供决策支持。

2.2 构建系统调查-观测试验-预测模拟-监测评价“四位一体”的方法技术体系

自然资源随外界条件不断变化，只有清晰地认识陆表自然资源的过去、现在、未来等状态，才能更好地服务于决策。建立获取自然资源过去、现在、未来等状态的方法技术体系，从而实现对不同状态自然资源进行有序化、系统化获取，是目前需要解决的问题。获取自然资源要素状态的业务手段主要有调查、监测、观测，同时根据已有的研究基础，可以对自然资源进行预测。其中自然资源调查主要描述自然资源的总体情况，摸清自然资源的家底，更适用于长时间尺度的定期系统调查；自然资源监测主要掌握自然资源自身变化和人类活动引起的变化；自然资源观测主要研究自然资源间的相互作用，预判自然资源的变化趋势，掌握资源的变化动因机制，具有长期连续观测的特点。同时由于各类自然资源的形成、变化过程因时间尺度而异，因此需要选择不同时间尺度进行调查、监测和观测研究（图3）。

通过对调查、监测、观测方法进行有效衔接，加强野外科学站网融合，实现单类自然资源要素观测研究向区域多类自然资源要素综合观测研究的转变，建立由系统调查-观测试验-预测模拟-监测评价构成的全链条“四位一体”方法技术体系，系统化地获取自然资源要素和自然资源要素间过去、现在、未来的三种状态（图4）。其中系统调查可以全面掌握自然资源现状家底，以覆盖全国的观测站网为依托，以区域为单元对全国各区域的自然资源进行数年尺度的系统化全面调查；观测试验掌握资源变化动因机制和不同条件下的资源状态，主要技术手段为把观测研究站定点观测与卫星遥感观测结合，观测自然资源的变化，以及自然资源变化与环境的关系。对固定样地进行监测，研究自然资源间及自然资源与环境间的转换关系，主要针对陆表自然资源的蒸散发、碳循环、水循环、光合作用率进行小时尺度和日尺度的研究，同时也可以得到长时间连续序列的自然资源数量和质量等观测基础数据；预测模拟判断未来状态，一般对变换气候情景下的资源进行模拟，可以建立不同时间尺度的模型，有作物生长模型、水文模型，以及基于地理元胞自动机模拟土地资源变化的PLUS和FLUS模型等，同时也可以引入深度学习、人工智能等方式进行预测，还可以进行不同政策驱动下的资源状态进行模拟；监测评价判别自然资源现状及未来状态与既定目标的差距问题，为咨询服务和政府决策提供科学支撑。依据“四位一体”的方法技术体系来实现对区域内多类自然资源要素之间耦合效应的研究，对于探索自然资源要素变化本质，准确掌握变化规律，探究自然资源过去-现在-未来演替机理，实现科学决策具有重要作用。

2.3 卫星遥感-航空遥感-定点多时空尺度立体化观测协同

依据地球系统科学理论，陆表圈层内的各个圈层之间的相互作用关系，以及自然资源与环境之间的互馈作用具有时空异质性，需要以不同的时空尺度进行观测研究。从空间尺度上看，以个体、景观、区域三个尺度进行观测可以更全面地掌握区域内各自然资源分布和变化情况。个体观测无法掌握区域内自然资源整体的变化，而以区域为主的遥感观测无法了解该区域内特定自然资源的变化和分布，个体、景观、区域相结合的观测研究更利于对自然资源变化进行试验模拟和监测评价。在时间尺度上，由于在整个地球系统中大气圈、水圈与自然资源之间的互馈关系，需要以天、时、分、秒为尺度进行观测研究，生物圈中的碳存储量、土壤养分含量与各类自然资源间的关系需要以年、季、月时间尺度去观测，而地下的矿产资源是历经百万年演变形成的，因此区域内不同自然资源需要以不同的时间尺度进行调查、观测和监测，以便于建立全面的自然资源观测体系。因此，可通过卫星遥感观测、航空遥感观测和地面定点观测多种技术方法相结合，利用不同时空分辨率遥感数据和地面观测站观测数据，结合不同时间尺度的定点观测和实地调查数据，实现不同空间尺度上的协同观测和时间上的全天候观测，最终掌握区域内资源与环境的时空变化规律。

     

3 构建陆表自然资源

探测体系技术架构

     

构建陆表自然资源综合观测体系顶层技术架构的大体思路和技术方法如图5所示。首先明确自然资源观测对象，综合各类自然资源及与之相关的环境要素，对全国进行自然资源综合区划，将全国自然资源进行综合化、系统化、精细化划分，一般划分为三到四级。根据区划底图，以异质性表面无偏估计法，确定三个等级站点的位置和控制区域，以现有的观测站为基础，通过空白填建和融合共建相结合的方式进行站点布设。依据自然资源分类标准和各类自然资源的属性及相互作用特征，建立统一的覆盖全国陆表自然资源的包含自然资源数量、质量和相互作用关系的观测指标模块体系，为统一、规范地观测自然资源夯实基础。各个观测区域根据观测对象的不同，从已有的指标体系中选取指标并构建不同的指标模块集，用于观测研究。针对区域资源禀赋的差异，可选取对应的森林区、冰川冻土区和草原区等指标模块集。明确观测区域、观测对象和观测指标后，采取航天-航空-站点观测技术手段，通过系统调查-观测试验-预测模拟-监测评价方法业务体系，多尺度、全面地获取自然资源各个指标数据的过去、现在状态，预测未来变化趋势。然后以观测站为依托，建立统一标准规范、统一管理精度、统一基准原则和统一规范要求的数据质量管理体系，对获取的数据进行规范化管理。运用云存储技术、物联网技术、数据可视化技术构建观测一体化平台，实现数据存储、共享、展示，最终通过大数据分析建立相应的模型，为政府决策提供支撑或产出高质量数据为科学研究服务。

图5 自然资源观测体系技术架构

     

4 结论与展望

     

(1)以区域为单元研究自然资源要素间的相互作用，以及资源与环境间的互馈关系，研究区域内自然资源的配比平衡和自然资源配比变化产生的影响，综合自然资源的生态和经济价值为政府提供决策支持。

(2)将调查、监测和观测三种方法获取的数据进行有效衔接，建立系统调查-观测试验-预测模拟-监测评价的方法体系，进行区域内自然资源要素的观测和预测，系统化和有序化地获取区域内自然资源过去、现在和未来的状态。

(3)不同自然资源具有不同时空属性，运用卫星遥感、航空遥感、定点观测开展天-空-地一体化立体观测，加强卫星遥感观测与地面观测站的顶层统筹部署，推进观测站遥感校验场、试验场和航空遥感观测建设，实现个体、景观、区域和秒、分、时、日、月、年、10年的不同时空尺度的观测和协同，更全面地掌握自然资源变化情况，对自然资源未来动态变化情况作出更科学、更合理的预测。

(4)对全国自然资源进行精细化的综合区划，根据区划底图布设站点，确定各观测站的观测区域、观测对象和观测指标、观测手段和方法体系，明确观测数据质量控制和管理方法，并建设数据存储和分享一体化的观测平台技术架构。

以地球系统科学为理论基础、以区域为单元的陆表自然资源观测，可以打破地理、生态和资源的分隔，提升人类对地球系统的认知水平，系统了解地球的过去、现在和未来。实现宜居地球的梦想，还面临巨大的挑战，陆表自然资源观测技术方法体系还需要在实践中不断完善，包括观测的多源数据融合和尺度转换，该体系的保障机制也需要通过实践不断探索完善。