数据驱动下的自然资源综合调查新思路_张隆隆.pdf
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1、第 卷第期 年月测绘科学 作者简介:张隆隆(),男,陕西扶风人,工程师,硕士,主要研究方向为生态修复与生态大数据。:收稿日期:基金项目:国家重点研发计划课题项目();中国地质科学院基本科研业务费项目();中国地质调查局地质调查项目()通信作者:朱晓华 高级工程师 :引文格式:张隆隆,黄园英,黑慧欣,等 数据驱动下的自然资源综合调查新思路 测绘科学,():(,():):数据驱动下的自然资源综合调查新思路张隆隆,黄园英,黑慧欣,王敬,朱晓华(国家地质实验测试中心,北京 ;自然资源部 生态地球化学重点实验室,北京 ;中国科学院 地理科学与资源研究所,北京 ;自然资源部 国土整治中心,北京 )摘要:针
2、对未来自然资源综合调查“做什么”“怎么做”“在哪做”的问题,该文通过调查、观测、监测、评价、预测、区划等措施,解析生气水土沙岩等要素资源空间格局、结构功能、演变状态以及相互作用过程,实现区域要素体系构建、指标的分级分类、多源数据重构以及数据模型融合验证预测,为着力解决制约社会经济高质量发展的重大资源、环境、生态、灾害与疾病等问题提供强有力的数据支撑与服务。关键词:自然资源;综合调查;数据;模型【中图分类号】【文献标志码】【文章编号】(),(,;,;,;,):“”,“”“”,:;引言随着全球化、城镇化、工业化进程的不断加速,地球显然已经进入“人 类纪”(),人类活动对地球近地表圈层的作用日益显现
3、,对自然生态系统产生影响日渐突出。气候变化、环境污染、资源枯竭、物种多样性锐减、生态系统退化等一系列制约经济社会发展瓶颈问题凸显出来。地球近地表的水圈、土壤圈、岩石圈、生物圈以 及大 气 圈 层 是 人类社会作 用 最 直 接 的 部分,其形成了一个包含经济、社会、文化、环境的复合系统,是人类社会发展所需土地、矿产、水利、生物、气候和海洋等自然资源的载体,又是人类社会发展生存的国土空间之基,对维持全第期张隆隆,等 数据驱动下的自然资源综合调查新思路球环境宜居、提供生态系统服务等具有重要的作用。以前,我国为了摸清各类资源的种类、位置、数量、质量以及范围等,开展了土地、森林、湿地、草地、河流等自然
4、资源的专项调查评价工作,基本摸清了我国自然资源的家底,获得了海量有关水、土、气、生等资源要素相关的属性数据 ,为国家重大决策与工程部署提供了数据支撑。然而,各部门针对各自管理的资源类型所开展的专项调查所获得的调查数据“标准不一、分类杂乱、数出多门、底数多样”等问题,也很少按照自然资源要素,进行生态系统的综合评价。以前调查评价,更多集中在资源类型和当前状态,鲜有对数据进行综合性深入挖掘,包括对自然资源质量分区,发掘资源要素空间特征、赋存状态,要素间界面元素、化合物迁移、转化、归趋和富集过程。年自然资源部 自然资源调查监测体系构建总体方案,年中国地质调查局 地质调查支撑自然资源综合调查总体设计()
5、等文件提出要对自然资源开展统计汇总、综合分析与系统性评价。这标志着自然资源综合调查将基于覆盖全国、动态更新、权威统一的国土空间规划“一张图”,形成调查、监测、评价和区划全链条、立体化和系统化的新业务体系,也是为适应两大变革而产生全新的调查思路。一是新型交叉学科的出现。未来更多思考如何有效、绿色利用自然资源,保护与恢复生态环境,甚至上升至行星系统健康等,因此,由传统单一学科衍生出的健康地学、生态修复、国土空间规划等交叉学科或领域,实质均为自然资源合理开发利用、生态环境保护与人群健康的拓展研究;二是科学技术革新。自然资源综合调查方法不断在微观、宏观领域延伸,借助物联网、人工智能、云计算等新型信息技
6、术,融合天地空一体化观测体系,可以获取长周期、高分辨率、多尺度空间、多资源要素 的空间属性数据。这些数据能够满足对自然资源分布区域、突出生态问题以及资源要素相互作用过程规律的深度解析,特别是剖析“自然做功过程”的基本机理。本文聚焦未来自然资源综合调查“做什么”“怎么做”“在哪做”等核心问题,明确资源要素、区域、界面、过程的调查模式,强调以资源要素属性调查为基础,在自然资源分布区域空间尺度上不断延伸与细化,评价其微观变化、演化与宏观发展趋势,剖析同一自然资源类型中相同资源要素个体、不同资源要素个体界面间元素、化合物迁移富集与信息交换作用过程。调查内容自然资源综合调查是调查自然资源要素的分布形式、
7、赋存状态、物质结构、化学组分间相互关系,用以评价人类社会所需生产生活要素的资源属性及其对人居环境的影响,揭示资源与生态问题及其起源、分布、预测、恢复与保护。其核心是对自然资源类型界定、调查、评价和区划分析,最终实现为和谐人居及保护恢复服务。自然资源调查核心为资源要素本质的属性,并根据这些空间属性数据做出对整体自然资源的分布、质量以及演化状态的划分进行综合评价。自然资 源 具 有“要 素区 域”的 二 重 属 性,调查对象主要针对资源要素,而资源要素必然承载于区域空间之中,在空间上必然存在资源要素间相互作用过程,这将影响着整体区域上的自然资源赋存状态与服务功能。调查思路要打破各学科间的藩篱,应用
8、数字化技术,将海量数据与专业知识结合起来,依据区域尺度大小合理界定自然资源,通过选择针对性资源要素作为调查对象,聚焦要素间突变、过渡等界面间的相互作用,形成资源要素区域 界面过程的调查模式作为主要调查目标(图)。图要素区域界面过程的一体化调查内容 ,测绘科学第 卷 要素自然资源综合调查是整体刻画一个区域资源禀赋特征与演化趋势,通过调查土壤、水、空气、动植物、地形地貌等影响自然资源属性与服务功能的要素,而元素为要素最基本单元,其均来自地壳岩石。岩石受到一系列的物理、化学与生化反应产生离散的矿物颗粒,最终形成土壤,各元素与化合物之间的相互作用将影响各类自然资源的赋存状态 。由于人类对自然资源的需求
9、具有多样性,所以自然资源的资源属性与服务功能亦是多样的。但只要抓住关键资源要素的唯一性,就可以针对资源要素进行多情景、多功能联动调查,如经过城区或者人口聚集区的河流资源,抓住核心资源要素水,就可以围绕水展开河流资源的水安全、水资源、水景观、水环 境、水生态、水空间、水文化、水系统与水智慧等不同功能调查(表)。河流资源的功能内涵亦是水与其关联要素间的相互作用产生的,如水安全中关注水流量,主要与气候、地形、泥沙以及河道空间设计相关;水资源中关注水流量,主要与水源补给、企业需水量以及航运量相关;水环境中则关注水质,主要与点源、面源污染等相关。针对资源要素还要分析其组成或独特关联性的关键元素,分析元素
10、的最大值、最小值、异常值以及平均值,观察其呈现规律的总体特征,这将在极大程度上为调查评价指明方向,但进行结论以及预测预判时,还需要结合地形地貌、构造、岩石矿物、土壤、植物生态型、生物有效性 等要素进行综合考虑。以土壤中硒元素含量与地方性疾病的关系为例,土壤地球化学调查表明中国有 以上地区土壤处于缺硒和低硒,状态,人体缺硒元素会导致人类心血管病、癌症、白内障、大骨节病、克山病等疾病,。土壤中缺硒与低硒并非一定影响人体缺硒元素而导致地方性疾病,其仅仅是引起部分地方性疾病发生的条件之一。如克山病病区分布还受地形地貌、气候特征、岩体酸碱性、土壤腐殖质含量以及区域降水淋滤作用等条件影响。表河流的功能 大
11、类主要功能小类水安全防洪(流水、排水)洪水的排泄;平时水的排泄;地下水的补给、排泄;泥砂、淤泥的排泄;雨水、融雪等排泄水资源雨洪管理,引水补水,饮水、水利水源;产业;航运水景观亲水功能公园、廊道公园;水滨休闲区;桥梁和建筑等水环境水质、水体干净无异味清淤疏浚;点面源控制;污水排放控制水生态自净湿地,稳定塘等生物生息;小气候调节;地下水补给;大气净化;水质净化水空间广场、防灾、城市通风道等广场、运动场等;防灾;桥梁;通风;采光;降噪音水文化赋予河流的人文含义母亲河;地方典型性用水水系统综合功能,综合单元沿河城市带;海绵城市;沿河周边土地利用类型变更水智慧动态监测、大数据分析、管理决策水系统管理;
12、大数据平台监测;城市河道监测管理;水情动态决策注:表根据文献 略修改。区域区域是自然资源的载体。根据人类活动对空间的影响,可以将区域环境分为类:原始的自然环境。主要依赖于地质、水文、气候、土壤等自然要素形成的峡谷、山岳、湖泊、湿 地、沼泽和森林等自然资源;改造的自然环境。人类为了自身的生存与可持续发展,在遵循自然规律的基础上,对土地、植被等资源要素进行改造,形成的耕地、园林景观等资源,局部体现了人与自然的和谐共生;损毁的自然环境。人类为了快速发展,掠夺式开采自然资源造成的大量退化、裸露与污染土地,常伴随水土污染、自然灾害频发、植被破坏与生物减少,甚至是灭失等生态问题。自然资源综合调查是建立在区
13、域层面之上,其尺度大小决定了资源要素指标的精细程度与变异程度。不同区域所关注的资源要素种类与空间界面关系是有区别的,侧重点各不相同。如乡村,应开展特色土地资源、林草资源、特色农产品、村域宜居性等方面调查。由矿业活动造成重金属污染的废弃耕地,应加强土壤重金属元素及其生物有效性调查,有针对性地研发土壤改良材料或选择低累积性农作物,从而加快污染废弃耕地第期张隆隆,等 数据驱动下的自然资源综合调查新思路资源的复垦。界面界面本质是一种区域空间,为过渡区域,而非二维平 面。狭 义 界 面 包 括 横 向 界 面 和 垂 向 界面。横向界面主要受地质构造、气候带、水蚀、风蚀作用等控制,主要分为盆地山地界面、
14、山地平原界面、地表水地下水界面、海洋陆地界面、温带寒带界面等;垂向界面主要从近地表到地下基岩,主要有人动植物大气河流界面、人动植物土壤界面、土壤(透水层)混合层界面、包气带饱水带 混合层风化层界面、风化层(含水层)基岩界面等(图)。如全球气候变化改变了区域降水,且温度升高,导致了土壤层界面病虫害复发与微生物改变,土壤自身结构产生变化,对外来的养分、水分等依赖性增加,进 而 可 能 加 剧 污 染 物 输 入 土 壤 和 地下水。广义界面存在于任何非均质的区域。空间本身为不均质与不平衡的,但生命体与物质间存在平衡,所以界面广泛存在,代表着空间内不均质区域间的平衡。生命体物质空间平衡的本质是一种互
15、存状态,存在不同尺度和范畴的平衡。如地域之间的迁移平衡,水、土、气、生等相互间的传输平衡,以及生命体和环境之间的供需平衡等。这些平衡包含元素与化合物在界面处的迁移、转化与代谢。通过对界面处元素的高密度监测,分析元素、化合物在各资源要素间的交互过程以及产生累积异常的机理,有助于解析各个要素间复杂的平衡关系。如露天矿坑边坡损毁创面需要调查其坡度、质地与污染情况,从而选择有效的植被恢复技术,以便岩石创面上新增的土壤层(客土)、植被层与岩石层再次稳定平衡,人工重建可持续的植被群落。过程要素、区域、界面承载着各式交互过程,主要包括水文、生态与生物地球化学过程。过程方式决定要素、区域、界面如何影响生态系统
16、。在区域相同的自然资源类型中不同要素、不同自然资源类型中相同要素的分布形式、状态与作用过程决定了区域生态系统类型、本底资源禀赋以及主要生态服务功能。区域生态系统各过程的复杂性和类型多样性决定陆域,甚至全球生态系统生物地球化学循环过程的地理分异以及其对全球变化的响应和适应。综合不同区域,不同类型生态系统以及多样要素相互作用过程中,需要对多年、多点基本参数数据进行生态系统演化过程研究,是揭示生态系统存在问题、演化规律和发展趋势的有效手段。在资源要素相对单一的小尺度生态系统区域,当系统内物质循环过程累积偏离本底状态,就会形成区域背景异常,从而激发区域性生态效应。过程信息可通过在界面处对相关要素的系统
17、性、长期性的监测来获取,也可利用元素在迁移转化过程中的示踪效应,来刻画区域界面物质结构、作用过程对某一驱动事件的响应。如 根 据 铁、锶 同 位 素 可 推 定 食 物 的 原产地。自然资源综合调查方法 区域要素体系构建调查工作涉及资源要素叠加,界面不明确、范围广及层次过程复杂,应充分借鉴已有自然资源专项调查技术规范指南,在 自然资源调查监测标准体系(年)要求范围内,构建全新的自然资源综合调查技术规范,使用相对统一的要素指标体系,来加强对复杂性、区域性、复合型的资源和生态问题的调查评价。其重点是聚焦问题,确定资源分布区域,识别资源要素横向、纵向过渡或突变界面,进而梳理调查或监测的资源要素、时空
18、物质属性结构以及成分,构建起 调 查 区 域要 素属 性 结 构 指 标 体 系,(表)。区域要素属性结构指标体系的特点之一是加入了时间序列,体现了调查对自然资源动态的特性,充分调查评估区域资源要素在人类史期间或者突发事件(地质灾害、传染病扩散)中不同时间尺度上产生、状态以及演变情况;指标体系的空间属性,用来明确区域要素在横向上和纵向上的界面过渡带或突变带,空间的状态、位置以及表现特征;在物质属性上,需要分析要素的物质成分类型、含量、质量以及赋存的状态,富集程度等;在监测上,要密切关注区域要素的变化、突发事件的发生条件,归纳水、土、气、生、岩等资源要素监测数据异常点、累积突变点,分析影响自然资
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