**章绪论
适宜生存在水相、陆相高度变化系统中的鱼类和其他水生生物种群或群落，由于对特定物理和生物地球化学过程的长期适应，往往占据了特殊的生态位，在生态系统中扮演着不可或缺的重要角色，而处于水相、陆相高度变化中的生态系统正是消落区。对于大空间范围，以遥感为主的空间观测技术是唯一可行的环境变化监测手段。借助该技术可克服水体消落造成的野外实地调查中面临的人员不可到达性问题，并满足对高时空异质性和动态性生境信息的定量获取要求。近年来，随着卫星遥感（satellite remote sensing，SRS）、航空遥感（airborne remote sensing，ARS）、无人机遥感（unmanned aerial vehicle remote sensing，UAVRS）、声波导遥感（acoustic waveguide remote sensing，AWRS）等现代空间观测技术的不断发展，开展以食物网为关联的、面向多物种的、囊括整个水生生态系统的生物资源和栖息地综合评估与管理分析成为可能（Makris et al.，2006；Platt and Sathyendranath，2008；Chassot et al.，2011；Sherman et al.，2011；Saitoh et al.，2011）。
11长江流域水生生态系统
1.1.1水生生态系统概况
水生生态系统是指水生生物群落与水环境构成的生态系统，是由一系列对水生生物生长、繁殖和分布具有重要影响的环境和结构特征构成的复合系统（Fulford et al.，2014）。环境特征主要指以时间变异特征为主导的物理和化学环
境因素，如水温、盐度、水质等；结构特征则更多的是以空间结构变异特征为主导的因素，如地形、底质及水生植被的形态等。这些因素在时间上的变异性、在空间分布上的不均匀性和复杂性，以及二者的耦合作用模式形成了水生生态系统内部的景观异质性。水生生态系统按覆盖类型可进一步分为海洋生态系统、淡水生态系统、湿地生态系统，按利用类型可进一步分为自然水生生态系统和人工水生生态系统。
长江流域跨越中国三级阶地和六种气候类型（Sayre et al.，2020），从河源区河流的平均5700m海拔至长江口的-15m海拔[米用shuttle radar topography mission （SRTM）30m digital elevation model（DEM）数据处理获取]巨大的落差形成了由穿越高原夷平面、峡谷、丘陵、平原的各种类型河段构成的，包含了由沱沱河、通天河、金沙江、长江一级干流，雅砻江、岷江、嘉陵江、汉江4条二级支流，大渡河、乌江、沅江、湘江、赣江5条三级支流，以及60条四级支流和524条五级支流等（按照传统河流分级系统）组成的河流（总长度约为28.8万km）（OpenStreetMap，https://download.geofabrik.de/），以及由鄱
阳湖、洞庭湖、太湖、巢湖、洪泽湖等众多湖泊构成的庞大水系（图1-1）。多样化的水域生境为超过4300种的水生生物物种提供了生存和繁衍条件。己记录的鱼类共14目32科443种，其中378种为淡水种类（杨海乐等，2023），约占中国淡水鱼类种数的40%，种类之丰富居全国各水系之*（Yeetal.，2011），是中国*重要的养殖品种主体来源和种质资源宝库。然而，随着20世纪70年代钱塘江和20世纪90年代长江赣江謝绝迹、2007年白暨豚功能性灭绝、2020年长江白鲟标志性灭绝，2000年以来长江流域的捕捞产量衰退至20世纪50年代的1/4，年产量不足10万t，经济渔业生物资源（特别是大型经济鱼类）全面走向枯竭，导致长江干流、支流几乎“无鱼”（Zhang et al.，2020），主要原因是水资源过度利用、水利工程建设造成的径流改变、水体污染和外来物种入侵等人类活动导致栖息地丧失或退化（Wang et al.，2014；王鲁海和黄真理，2020）。上述状况使得包含“河漫滩”“洪泛平原”等自然消落区在内的河流、湖泊、湿地等长江流域现存的水生生物栖息地弥足珍贵。特别是近年来，随着长江干流三峡、向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德、观音岩、鲁地拉等十余座特大型水库的建设，形成了庞大的新型库区人工消落带，其调蓄引起的河流水文情势逆转和径流量改变，造成了库区岸带生态环境及水生生物优势种群和组成结构的巨大改变，也使之成为现阶段河流生态环境治理和生物栖息地修复关注的热点问题（刘云峰，2005;潘晓洁等，2015）。
1.1.2水生生态系统监测
目前鱼类监测比较系统的工作有美国陆**程兵团（United States Army Corps of Engineers，USACE）、美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）、美国鱼类及野生动植物管理局United States Fish and Wildlife Service，USFWS）及相关单位开展的密西西比河干流及主要支流的监测工作（Barko et al.，2004；Killgore et al.，2007；Steuck et al.，2010；Miranda and Killgore，2013）。另外，加拿大、欧洲、澳大利亚等国家和地区，也开展了很多鱼类监测工作。在进行这些监测工作时，许多部门提出了非常具体的监测方法或手册，特别是《生物多样性工作手册：调查、评估与监测》（Handbook of Biodiversity Methods:Survey，Evaluation and Monitoring）（Giles et al.，2005）中对鱼类监测方法有详细和具体的描述。这些方法有传统的渔具，如刺网、拖网、各种诱捕网具（定置网、地笼、虾笼）等，也有现代的鱼探仪等声学设备，在不同的水环境（河流、溪流、湖泊）条件下，以及服务于不同目的（物种识别、种群估算）的时候，可以分别参考使用。我国颁布了《生物多样性观测技术导则内陆水域鱼类（HJ710.7—2014）》，可以参考使用。
2021年，内陆水体鱼类多样性监测网（SinoBON-inland water fish）加入中国生物多样性监测与研究网络（biodiversity observation network of China，SinoBON）（马克平等，2015），成为重要的组成部分之一。该监测计划拟在中国不同的河流类型、不同的水环境条件，且拥有丰富的鱼类多样性及渔业资源的八大水系（长江、黄河、黑龙江、珠江、澜沧江、怒江、塔里木河及青海湖）中选择25个重要地区，对鱼类多样性的总体变化情况进行监测，并选择24个具有类群优势和生态功能代表性的区域代表性物种（类群），监测它们的主要生物学特征状况。监测的内容包括群落、物种、遗传等不同层次的内容。采样主要运用渔获物调查、水环境监测等方法，结合水下机器人视频追踪、鱼探仪探测、声学信标监测等技术，获取各流域鱼类生物多样性总体概况的基本数据，包括总体的物种组成、总体的资源量状况、优势种的组成、不同分类单元和功能类群的组成、外来种的组成等，以及相关的环境因子参数。对于代表性物种（类群），分析其种群数量、年龄结构、个体大小、繁殖时间、繁殖群体组成、早期资源量（即繁殖的后代数量）等特征，并将采用线粒体DNA、微卫星标记等分析其遗传多样性现状。
长江是中华民族的母亲河之一，其生态功能无可替代。近年来，长江流域开发与渔业可持续发展、水生生物养护及多样性保护的矛盾日益突出，己成为亟待解决的重大科学、技术和政策问题。2016年，推动长江经济带发展座谈会强调“推动长江经济带发展必须从中华民族长远利益考虑，走生态优先、绿色发展之路”指出“长江拥有*特的生态系统，是我国重要的生态宝库。当前和今后相当长一个时期，要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发。要把实施重大生态修复工程作为推动长江经济带发展项目的优先选项”。为落实关于保护长江生态环境的重要讲话精神，2018年9月国务院办公厅印发了《关于加强长江水生生物保护工作的意见》（国办发〔2018）95号）（以下简称《国办意见》），提出将水生生物保护工作纳入长江流域地方人民政府绩效及河长制、湖长制考核体系，要求全面开展水生生物资源与环境本底调查，准确掌握水生生物资源和栖息地状况，加强水生生物资源监测网络建设，提高监测系统自动化、智能化水平，加强生态环境大数据集成分析和综合应用，促进信息共享和高效利用。农业农村部发布《关于长江流域重点水域禁捕范围和时间的通告》（农业农村部通告〔2019〕4号），宣布2020年1月1日起，长江干流和重要支流除水生生物自然保护区和水产种质资源保护区以外的天然水域实行暂定为期10年的常年禁捕。《中华人民共和国长江保护法》要求建立长江流域水生生物完整性指数评价体系和长江流域资源监测网络体系。
传统的渔业资源评估方法主要有卵和仔稚鱼调查法、渔获物体长结构分析法，利用网具捕捞渔获物进行统计，受网具选择性、捕捞效率、样点覆盖面等的影响较大，评估效率较低。因此，亟待建立起一整套能够及时掌握水域生态系统生物和非生物环境过程的动态特征的系统方法体系。
1.2水域生态环境变化空间观测
渔业资源的衰退是当前渔业资源管理面临的重要问题，如何合理地开发渔业资源并有效地管理是当前全世界共同面对的难题。要破解这一难题，需要对影响渔业资源各个方面的知识有全面的认识，包括生物方面和非生物方面。然而，传统的渔业研究方法无法为这一需求提供充足的信息，以遥感为代表的空间观测技术则成为有效管理渔业资源的一种强有力的工具。
与传统的渔业资源和生态环境监测技术相比，以遥感为主的空间观测技术极大拓展了人类对自然界的感知域，提高了灵敏度和分辨率，其所获取的数据具备大范围的时空同步性、精准的时空关联性以及高频的时空动态性等优势，正是这些优势使得空间观测技术非常适用于全球环境变化相关的领域，而渔业资源评估及管理正是其中之一。图1-2给出了在受到自然因素及人为因素等环境变化驱动力的影响后水生生态系统的变化，以及再反作用于环境变化驱动力的过程。在这一过程的各个环节中，空间观测技术都可能发挥作用。通过对相关领域的大量研究论文进行总结，归纳出了空间观测技术可能提供的与水域生态渔业资源管理相关的生态环境参数环境变化生态（表1-1），其中一部分参数目前己实现业务化应用，其他大部分参数还处于实验研究阶段，空间观测技术在水生生态系统观测和生物多样性保护方面的应用前景十分广阔，还有许多工作需要开展。
1.2.1空间观测技术概述
本书中的水生生态系统空间观测技术重点关注多尺度遥感技术，即通过搭载在地基和船基、低空无人机平台、航空飞机及航天卫星等平台上的探测传感器对地球进行观测，从而获取渔业生态环境数据并进行信息提取的过程。它是遥感技术、水体光（波）谱学、渔业声学、渔业学科等的综合应用技术，可搭载的传感器类型包括可见光及近红外、
多光谱、高光谱成像仪等光学传感器，以及热红外相机、微波传感器、激光雷达数码相机和声学传感器等。
聚集成群的鱼类可被搭载在地基船只平台上的声呐传感器直接观测到，在航空和航天卫星轨道的高度上虽不能直接对其进行观测，但借助卫星遥感（SRS）、航空遥感（ARS）、无人机遥感（UAVRS）等多尺度遥感技术观测到的水生生态系统生态环境指示参数，可对鱼群及关键栖息地分布区域进行定位和预测。1971年，Laurs（1971）*次介绍了如何利用基于卫星遥感数据获取的渔场水温图、海洋冷暖锋面等信息成功辅助美国热带太平洋上的金枪鱼船队开展海上作业。1977年，中国以青岛市为基地，利用飞机对黄海中北部海域进行10个航次的侦察鱼群试验，结果证明航空侦察手段可以直接观测到上浮的中上层鱼类鱼群，并能够获取大范围海域的海面水温、水色状况等信息。莫秦生（19
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