遥感大数据环境下对生态红线监管方式创新的思考

孙中平　史园莉　曹　飞　王昌佐　姜　俊

(1.北京师范大学地理学与遥感科学学院/遥感科学国家重点实验室，北京　100875；

2.环境保护部卫星环境应用中心，北京　100094)



遥感大数据环境下对生态红线监管方式创新的思考

孙中平1，2史园莉2曹飞2王昌佐2姜俊2

(1.北京师范大学地理学与遥感科学学院/遥感科学国家重点实验室，北京100875；

2.环境保护部卫星环境应用中心，北京100094)

【摘要】新常态下，环保工作面临如何加强环保法治的大背景，要求我们创新环境监管手段和方式。遥感大数据技术为生态红线监管带来新的机遇和挑战，本文深入分析了遥感大数据的基本特征，对遥感大数据技术在生态红线监管工作的应用前景进行了探讨，最后从思维、技能和数据等三个方面提出具有针对性和操作性的对策建议。

【关键词】遥感；大数据；生态红线；环境监管

引言

生态红线对于维护生态安全格局、保障生态系统功能、支撑经济社会可持续发展具有重要作用，是国家和区域生态安全的底线。2013年5月，中共中央总书记习近平在中共中央政治局第六次集体学习时强调，要严守生态红线，牢固树立生态红线的观念。新修订的《环境保护法》明确提出“划定生态保护红线，实行严格保护”。2015年5月，《生态保护红线划定技术指南》正式公布，标志着环保部门正式全面开展生态保护红线划定工作。划定生态红线是基础，严守生态红线是关键。要捍卫生态红线，必须实施严格的及时监管。然而，重点生态功能区、生态环境敏感区和脆弱区等生态红线区域地域广阔、条件复杂、类型多样，仅靠常规的技术手段费时费力，很难实现及时、有效监管。

近年来，遥感技术在环境监测、应急、监察、执法等方面得到了广泛应用，发挥出环境遥感的独特作用，显示出了新技术的威力，成为环境监管的重要手段和有力武器。2015年5月，中共中央、国务院《关于加快推进生态文明建设的意见》要求 “利用卫星遥感等技术手段，对自然资源和生态环境保护状况开展全天候监测”，“加强统计监测、执法监督，为推进生态文明建设提供有力保障。”2015年7月，国务院办公厅下发的《生态环境监测网络建设方案》中更是明确提出“建立天地一体化的生态遥感监测系统，”“加强无人机遥感监测和地面生态监测，实现对重要生态功能区、自然保护区等大范围、全天候监测。”

近10 年来，随着互联网和信息技术的迅猛发展，社交网络、物联网、云计算被广泛应用，全球数据呈爆发式增长，我们迎来了一个大数据(big data)的时代。大数据是继云计算、物联网之后IT产业又一次颠覆性的技术变革，也是一场生活、工作与思维的大变革[1]。在遥感领域，随着对地观测技术的发展，尤其随着高分辨率对地观测时代的到来，人类对地球的综合观测能力达到空前水平，遥感数据爆炸性增长并得到广泛应用，呈现出明显的“大数据”特征[2，3]。在此背景下，广大生态红线监管工作者如何树立大数据意识，探索遥感大数据时代生态红线监管工作的发展规律，创新生态红线监管方式是值得我们探讨和思考的问题。

1高分辨率对地观测时代的遥感大数据

现在，我国已先后发射了资源一号02C卫星、资源三号卫星以及高分一号、高分二号卫星等具备先进高分辨率观测能力的民用卫星，特别是高分二号卫星作为我国首颗空间分辨率优于1m的民用光学遥感卫星，观测宽幅达到45公里，在亚米级分辨率国际卫星中幅宽达到最高水平。正在实施的国家重大专项“高分辨率对地观测系统”提出，要建立天基、临近空间、空基对地观测系统，形成时空协调、全天时、全天候、全球覆盖的对地观测能力[4]，到2020年前后，与其他观测手段结合，我国将全面建成陆地、大气和海洋先进高分辨率对地观测系统。新一代高分辨率卫星系统相继投入应用，我国遥感领域已经正式步入了高分辨率影像的大数据时代。

大数据是一种新型的技术和架构，大数据研究先驱麦肯锡全球研究院将“大数据”定义为“无法在一定时间内使用传统数据库软件工具对其内容进行获取、管理和处理的数据集合”[5]，通常来说，大数据具备4V 特性：体量 (Volume)巨大、类型(Variety)多样、时效性(Velocity)强和价值(Value)密度低[6]。从所涉及和应用的数据来看，遥感大数据具有鲜明的大数据“4V”特征，同时其具有的独特性亦要重视[3，7]。

(1)体量大。遥感大数据具有海量数据特点，采集、存储和计算的量都非常大。新型卫星传感器不仅空间、时间和光谱分辨率高，而且成像方式多样、波段数量多，单位时间内获取的数据量特别大，资源三号卫星每天获取的数据量就在10TB(太字节，TeraByte)以上[3]，相当于美国国会图书馆印刷品总数据量。通过机载和卫星传感器等不同途径获取的遥感数据，数据量级已从TB级逐步增长到PB(拍字节，PetaByte)级甚至EB(艾字节，ExaByte)级。遥感大数据的体量不仅因为它涉及到海量的数据，还因为所涉及的数据集的高维性和数据集间的链接性[8]。遥感大数据的维度越来越高，呈现出多尺度的特征，主要分为空间维度、时间维度、光谱维度、角度维度等。

(2)类型多。遥感大数据具有多源异构性，数据种类和来源多样化。遥感大数据类型复杂多样，格式不一，包括文档、视频、图像和地理位置信息等结构化、半结构化和非结构化数据。数据来源不仅有卫星实时采集的大量遥感数据，也包括航空拍摄获得的遥感数据，还包括通过互联网和带有地理信息的手持终端设备提供的环境信息，另外来自基于有线或无线传感器的地基观测系统的数据量也呈指数递增。

(3)时效性强。遥感大数据获取的速度加快，更新周期缩短，时效性越来越强。随着大量的高分辨率遥感卫星的运行，建立高分辨率星座，开展组网应用，使得遥感观测的采样间隔在缩短，数据获取的频率大幅度增加，通过地面传感网等手段获取数据的频率则更高。另外，红外、微波卫星的发展，解决了夜晚、阴雨多雾情况下的全天时和全天候的遥感观测。

(4)价值密度低。随着遥感技术、互联网以及物联网的广泛应用，遥感信息感知无处不在，信息海量，潜值巨大，但价值密度较低，数据冗余的问题也日渐突出。如何结合业务逻辑并通过强大的机器算法来挖掘隐藏在遥感大数据背后的各种知识(地学知识、社会知识、人文知识等)，是遥感大数据时代最需要解决的关键问题。

此外，大数据的“数据在线(Online)”这一属性也被众多专家学者纳为大数据的第5个特征。大数据不仅仅是大，更重要的是数据变得在线了，这是互联网高速发展背景下的特点。

2遥感大数据技术应用于生态红线监管工作的前景

在大数据时代，决策驱动根源正发生重大转型，即从传统的“目标驱动决策”向“数据驱动决策”转变[9]。以此为契机，树立遥感大数据监管理念，推动大数据技术与我国生态红线监管领域深度融合，通过遥感大数据对生态红线区域进行系统性、规范性和前瞻性的监管，必将为我国生态保护工作带来前所未有的显著成效。

2.1协同观测，构建“三查”监管新模式

常规的环境监管方法具有较强的滞后性，经常出现背槁撵船的尴尬，损害法律的尊严和政府的公信力，甚至给生态系统造成无法弥补的损失。遥感大数据时空维度上呈现明显的多尺度性，高分辨率数据和低分辨率数据各有特色，同时卫星、无人机、地面数据采集系统等遥感采集手段各有优势，将各种手段配合使用，能够从不同空间尺度上全方位、适时地开展生态环境监测，实现优势互补，明显提高监管效率。中低分辨率卫星数据图像幅宽大，观测频次高，适合对生态红线地区进行动态巡查；一旦发现疑似生态破坏活动，采用无人机或高分辨率卫星数据开展精细化详查；通过分析提取到的疑似环境违法活动信息，采用野外移动数据采集系统进行地面定向核查，采集空间位置、照片、视频等信息，为执法督查工作提供靶向式支持。

谷歌全球森林监视在线系统(Global Forest Watch，GFW)即是不同分辨率卫星协同观测应用的很好的体现，该系统应用中低分辨率卫星数据可对同一个地区实现两次观测，检测出森林扰动，进而利用高分辨率卫星影像，分析判定扰动类型；当侦察森林遭到砍伐、烧毁或者推土机破坏的时候，将发出警报服务。

近三年来，在国家重点生态功能区县域生态环境质量考核评价工作，卫星中心采用“先卫星普查、后无人机详查”工作思路，先通过环境一号卫星遥感数据进行信息提取和比对分析，筛选出生态环境变化明显的典型县域，然后精心筛选出若干个典型县域开展无人机飞行抽查，大大提高了考核工作的效率[10]。在此基础上，进一步构建中低分辨率巡查-无人机或高分辨率详查-地面核查的“三查”遥感业务模式，充分利用遥感大数据的多尺度特性，综合运用卫星、无人机、地面系统等天空地一体化手段，对生态红线区保护状况开展全天候、立体化的动态更新比对监测，及时掌握各类开发建设及破坏活动，为生态红线执法督查工作提供靶向式支持，对红线区域生态系统功能造成异常变动的违法建设与破坏行为采取法律或行政措施，提高生态红线监管工作效能。

2.2动态监测，建立新型监测预警机制

大数据的核心就是预测[1]。大数据环境下，遥感大数据的空间、时间、光谱、角度等维度越来越高，对生态环境的多粒度、多时相、多方位和多层次的全面反映能力也越来越强，通过建立科学的分析模型，对遥感大数据进行综合信息挖掘，能揭示更多的生态环境知识和变化规律，实现生态安全监测预警。遥感大数据预测预警不必局限于研究生态风险发生背后的原因，更多地依靠对大数据进行相关关系分析，不会受到偏见和成见的影响。遥感大数据预测需要找出与风险发生相关性较强的可遥感指标，通过监测关联指标来预测生态风险发生的概率，关联指标相关性越强，生态风险发生率越高。

相关关系分析是遥感领域重要的研究方法，例如，早在上世纪80年代，遥感科学家利用NDVI(Normalized Difference Vegetation Index，归一化植被指数)与植被长势的相关关系来监测全球绿度及其变化。NDVI由遥感数据的红光波段和近红外波段组合运算得到，与植被生物量、叶绿素含量、能量吸收等高度相关，可快速监测和预测植被生产力及其变化。而植被是陆地生态系统的主体之一，是联结土壤、大气和水分的自然“纽带”，是生态系统健康状况的重要指征，NDVI被广泛用于生态环境监测。随着不同卫星传感器资料的积累，已经形成30多年的长序列的全球中低分辨率NDVI数据集，这为生态安全监测预警提供了强大的数据支持。通过开展NDVI动态更新比对监测，及时获取红线区域生态系统状况及异常动态变化，可很好地实现生态退化/生态恢复状况的监测与预警。在此基础上，开展生态系统格局、生态系统质量、生态系统服务功能和生态环境问题评估，分析生态胁迫的人为因素和自然因素时空变化，为生态红线区生态系统恢复、绩效考核提供重要依据。随着遥感技术的发展，NDVI数据的分辨率得到进一步提高，植被类型、植被生物参量、土壤理化特征等更易通过遥感数据获取，辅以更加科学的数据分析模型，遥感大数据预测预警将更实时、更具前瞻性。

2.3可视化，提供管理决策新支撑

大数据时代，我们拥有的数据越多，如何依据数据作出更好的决策就显得越发重要，数据可视化是指导我们行动的最强大机制之一[11]。“一图胜千言”，借助人机交互式分析方法和交互技术，将大数据以直观的可视化的图形形式进行展示，分析者往往能够更为直观和高效地洞悉大数据背后的信息、知识与智慧。利用遥感大数据进行生态红线监管，涉及重要生态功能区、生态敏感区和脆弱区等不同区域类型，涵盖人类干扰活动、生态系统状况、生态环境风险、生态保护成效等不同主题，数据成果体系庞大，同时数据尺度不一、应用多样化。通过可视化交互和数字地球技术，对海量生态红线遥感监管数据进行多角度、多层次、多维度在线立体分析，构建监测、预警、评估成果的综合展示和应用集成场景，实现主题、地图、图表的一体化展现与交互联动，直观、快捷的传递数据背后的决策价值信息，为生态红线管理决策提供强大技术支持。

在全国生态环境十年变化(2000—2010年)遥感调查与评估项目成果总体集成阶段，卫星中心研发全国生态环境调查与评估成果集成系统，采用可视化和数字地球技术，对调查与评估成果进行了一体化集成，取得了很好的决策支持效果[12]。全国生态环境十年变化遥感调查与评估成果数据目录达到2000多个，涵盖3 个空间尺度和3个时间尺度，具备明显的多主题、多时空尺度特性，卫星中心攻克了基于可视化与数字地球技术的生态环境变化空间表征技术，提出了面向评估成果的综合展示与应用的三维场景设计方案，实现了三维场景下空间与属性数据的尺度无缝转换和面向生态评估空间单元的多维数据实时关联分析，为调查评估综合集成分析提供了有力支持，初步形成了对生态环境监管与决策的技术支撑能力。今后，应紧密结合生态红线管理需求，加强实时在线和可视化交互能力，全面揭示遥感大数据中隐含的规律和发展趋势，利用数据推动决策，提升生态红线监管与决策效能。

3加快实现遥感大数据生态红线监管的举措

数据、技能、思维是大数据价值链的3大构成要素[1]，我们应从这三个方面着手，助推遥感大数据应用，提高利用效率，从而加强遥感在生态红线监管方面的应用效力。

3.1超越固有观念，树立遥感大数据监管理念

大数据时代催生思维变革，要求我们以更加开放的心态和锐意创新的勇气，超越自身固有的观念、认识和习以为常的方式、方法，进一步解放思想，将大数据思维融入到实际监管工作中。一方面，“用数据说话”，“用数据决策”，把大数据价值观融入环境监管理念。不应该遵循经验和直觉，应在传统监测与统计数据的收集与使用基础上，重视遥感大数据的采集与挖掘，用更全面的数据和分析进行决策，提升监管的科学性、有效性和前瞻性。另一方面，“用数据团结”，“用数据亲民”，加快生态环境监测数据集成共享机制建立步伐，主动积极推进信息共享与公开，本身也是“大数据”思维的体现。转变传统管理模式中不同部门之间的“小团体”意识，打破原有的内部数据信息割裂状态，增强数据共享与融合，使得各部门之间的信息在内部纵向、横向都得以流畅协同。及时准确披露各类环境信息，扩大公开范围，保障公众知情权，加强与公众互动，向社会提供更加公开透明的环境管理服务。

3.2加强技术研发，支撑生态监管方式创新

要促进遥感大数据在生态红线监管的快速应用，就必须具备众多的技术人才、丰富的科学知识和先进的系统平台。一是加强技术人才的培养，培养和造就一支懂指挥、懂技术、懂管理的大数据应用专业队伍。二是加大遥感大数据应用技术研究，攻克遥感大数据的智能处理和可视化技术，开展遥感大数据生态环境监测与预警关键技术攻关，构建面向生态红线监管的遥感大数据应用技术标准体系。三是建立生态红线监测与预警机制，尽快建设国家生态红线遥感大数据监管平台，加强环境遥感业务化运行能力建设，实现全国生态红线区人类干扰活动、生态系统状况、生态保护成效动态监测，及时发现全国生态保护红线保护的问题与风险，服务于生态保护红线区的实时监管、预报预警、监督执法等生态保护管理。

3.3打造数据沃土，夯实大数据监管应用发展基础

数据本身是遥感大数据的价值最主要来源，是遥感大数据监管可持续发展的基础。应加强遥感数据采集能力，尽快组织开展环境专用卫星、载荷的研发与建设，继续推进无人机航空遥感能力建设，加快建立生态环境遥感星地验证台站和重要生态参数地面观测网络，逐渐完善建立天空地一体化对地观测传感网，获取全天时、全天候、全方位的空间数据，形成稳定高效的遥感大数据资源保障。同时，基于云计算技术，将各种天空地传感器及其获取的数据资源、环境污染源在线监控数据、环境在线监测数据等进行整合、融合，建立从数据、存储到处理模型的一体化的生态遥感数据云，构建基于遥感云服务的新型业务应用与服务模式，提供遥感资源一体化的地球空间服务。

4总结与展望

新常态下，环保工作面临如何加强环保法治的大背景，要求我们创新环境监管手段和方式。遥感大数据技术为生态红线监管带来新的机遇和挑战，本文在深入分析了遥感大数据基本特征，以及遥感大数据技术在生态红线监管工作的应用前景基础上，从思维、技能和数据等三个方面提出相应的对策建议。总之，绿水青山就是金山银山，守住生态红线，才能庇护绿水青山永续发展，保障环境质量的改善。新常态下，环保工作面临如何加强环保法治的大背景，要求我们创新环境监管手段和方式，以新思路、新办法和硬措施来解决新问题[13]。遥感大数据技术为生态红线监管带来新的机遇和挑战，环保工作者需要顺应大数据的技术趋势，树立大数据理念，开展遥感大数据监管专项研究和实践，创新环境监管手段和方式，通过对生态红线区域遥感观测大数据的综合比对、分析、监测，科学筛查、及时发现涉嫌违法的开发建设活动，预警系统性、区域性的生态安全风险，实现精准打击的遥感大数据监管模式，全面提高监管效能。

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The Application Potential of Remote Sensing Big Data in Supervision

Innovation of Eco-Protection Bottom Line

SUN Zhongping1，2SHI Yuanli2CAO Fei2WANG Changzuo2JIANG Jun2

(1.State Key Laboratory of Remote Sensing Science，School of Geography，Beijing Normal University，Beijing 100875，China ；

2.Satellite Environment Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100094，China )

Abstract：This paper briefly discussed the features of remote sensing big data，and then its potential applications were analysed in the eco-protection bottom line supervision. Being actively adapt to the new normal economy，the countermeasures for the promotion of remote sensing big data were discussed in the supervision innovation of eco-protection bottom line.

Keywords：Remote sensing；big data；eco-protection bottom line；Environmental supervision

中图分类号：X21

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)01-0064-04

通讯作者：史园莉，从事环境遥感应用研究

作者简介：孙中平，高级工程师，从事环境遥感与GIS应用研究

引用文献格式：孙中平等.遥感大数据环境下对生态红线监管方式创新的思考[J].环境与可持续发展，2016，41(1)：65-68.