“天空地”一体化生态系统监测概念介绍

“天空地”一体化生态系统监测是综合运用卫星遥感监测、航空遥感监测和地面站点监测等环境监测手段，基于数据挖掘、数据融合、数据协同和数据同化等关键技术，获得更加准确数据支持的立体生态监测感知体系。“天空地”一体化生态监测体系能更为全面地反映生态系统现状及发展趋势，为生态环境保护、自然资源管理、土地利用规划等提供科学依据。天空地一体化遥感监测体系主要包括三大模块：卫星遥感监测、无人机遥感监测以及地面监测。天空地一体化监测系统架构如图 下图所示。

1、卫星观测（天）
“天”指利用卫星遥感对区域生态系统进行宏观全局的监测。主要卫星遥感生态监测是以Landsat、Sentinel、PALSAR、MODIS以及高分二号（Gaofen-2）等人造卫星为平台，利用可见光、红外、微波等探测仪器，通过摄影或扫描、信息感应、传输和处理，对大范围宏观环境质量和生态状况实施的遥感监测。通过卫星遥感监测主要获取生态系统类型与结构、生态功能指标等数据与指标。具体而言，Landsat数据具有近40年的连续观测记录，且具有30米的空间分辨率，能完整反映改革开放以来生态系统的年际变化过程。Sentinel-2数据具有更高空间分辨率（能达到10米），能更准确的刻画生态系统结构，更充分表达生态系统的空间细节；同时，Sentinel-2数据具有很高的重访周期（约5天），能捕捉植被的年内变化过程。MODIS数据具有较高的时间分辨率，能用以分析2000年以来生态系统的宏观动态过程。Landsat、Sentinel-2和MODIS数据都是光学影像，易受云雨天气的影响，而Sentinel-1和PALSAR雷达数据具有全天时、全天候的特征，能克服云雨天气的影响。Sentinel-1和PALSAR雷达观测在森林生态系统监测方面具有较大潜力，能监测出森林资源的动态变化。

2、无人机观测（空）
“空”主要指利用无人机遥感技术对重点区域进行中小尺度的生态监测与评估。无人机遥感监测以无人机为平台，以图像传感器为载荷，能够实时、快速和准确地获取高分辨率的遥感影像。相对于卫星遥感，无人机遥感具有较高的时空分辨率，数据采集灵活，材料和运行成本较低。无人机遥感被广泛应用于生态系统监测，能够及时有效地监测和管理自然资源，提供精细的空间分辨率数据。无人机遥感在生态修复、植物分布调查、野生动物监测、生物多样性保护、森林资源调查、精准农业和环境污染监测等方面运用广泛。生态系统监测未来有望开展无人机遥感监测，对重要生态系统以及重点生态功能进行精细管理，为智慧畜牧业、精准农业等提供技术支撑。

3、地面调查（地）
“地”是指利用地面观测技术和样方调查，对既定区域内气象、水文、植被等方面进行精准监测，也包括地面调查与采样。利用气象站监测区域气候条件、极端天气以及气象与农业灾害；利用通量站监测森林与草原生态系统的固碳产氧功能；利用水文站监测流域的水资源状况，评估生态系统水源涵养、水土保持功能；利用物候相机监测植被与农作物的生长发育的物候特征，用于产草量、粮食产量估算。组织野外调研和考察，以收集大量的地面生态系统类型样本、植被与土壤样本作为生产数据集的验证点，同时收集详实的社会经济数据（包括统计年鉴、统计公报、各部门数据）。

4、遥感云计算（云+大数据）
海量遥感数据的涌现对数据计算和存储能力提出了更高的要求。随着网络和计算机技术的变革，云存储和云计算技术已经在过去几年得到了迅速发展。谷歌和亚马逊公司为全球尺度大型数据处理提供免费云计算服务，特别是Google Earth Engine（GEE）平台，已经集成了MODIS、Landsat、Sentinel等常用遥感数据集，极大促进了生态系统遥感监测研究领域的发展。采用云平台进行大尺度遥感数据的处理和分析，极大的缩短了图像处理时间，提高了工作效率，增强了遥感监测的时效性。态系统监测的中低分辨率遥感数据处理与分析均在Google Earth Engine遥感云平台上计算，可以达到很高的进度的效率。