無錫市錫山區自然資源“星地一體化”監測體系的建設探究

李 胤,宋 珂,戎 欣

（1.江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210018；2.自然資源江蘇省衛星應用技術中心，江蘇 南京 210018）

0 引言

2018年,隨著新一輪黨和國家機構改革方案落地和實施,國務院及各級地方政府自上而下成立了新的自然資源管理機構,秉承“山水林田湖草是一個生命共同體”的重要思想,將原來分散在國土、發改、住建、水利、農業、林業、海洋、測繪等多個政府部門的相關職責進行了整合,全面行使“兩統一、六方面”職責[1]。自然資源監測是自然資源管理工作中重要的基礎性工作[2-4],衛星遙感技術具有宏觀、直觀、客觀、快速、大范圍、綜合地進行動態觀測的能力,已成為一種周期性的快速了解區域自然資源演化的高新技術手段[5]。通過衛星遙感技術對各類自然資源利用及變化狀況開展持續監測,掌握自然資源現狀及其動態變化規律是有效保護、管理自然資源的必要前提,作為事中、事后監管的有效手段,是自然資源管理不可或缺的抓手。

依托衛星遙感技術能夠快速發現自然資源現狀變化,通過AI學習等方法構建高效的自然資源分類與變化圖斑的自動提取技術,基于自然資源全要素月度遙感監測成果,結合自然資源審批管理層數據對區域自然資源進行全天候的管控,以此為基礎開展自然資源全要素月度遙感監測業務化工作,與“慧眼守土”、實地調查相結合形成可復制、可推廣的“星地一體化”監測業務流程和技術方法,創新自然資源監測和管理的模式。

1 總體思路

“山水林田湖草”自然資源統一監測,是國家生態文明建設和自然資源部履行“兩統一”職責的重要落腳點[6]。隨著遙感衛星影像獲取能力和周期的增強,大數據、互聯網和地理信息技術的迅猛發展,亟須通過技術手段構建自然資源監測監管體系,提升自然資源監測能力。

充分利用現代測量、信息網絡以及空間探測等技術手段,構建起“星地一體化”的自然資源保護與利用監測技術體系,實現對自然資源全要素、全流程、全覆蓋的現代化監管。其中：“天”,是指利用衛星遙感等航天飛行平臺,搭載可見光、紅外、高光譜、雷達等探測器,實現月度影像覆蓋和數據獲取,支持自然資源月度全要素遙感監測。“地”,是利用遍布全區的125個攝像頭,對遙感影像發現的“兩違”行為以及供地建設情況實施全方位、多角度實時實景視頻監管,并對重點區域基于移動GIS技術,借助平板、手機、測量工具等設備進行實地核查。最后,通過建立集全要素監測圖斑、自然資源管理數據、影像、“慧眼守土”攝像頭、綜合化業務監管為一體的自然資源遙感動態監測監管系統,實現數據管理、數據展示、數據分析、執法督查、批后監管、耕地保護、季度土地現狀調查等的信息化集成,開展自然資源全域、全業務、全流程的監測監管。

2 錫山區“星地一體化”監測技術體系構建

利用全覆蓋、多頻次、高分辨率衛星影像數據基礎和快速、高效、智能化遙感解譯技術優勢,結合錫山分局基于“慧眼守土”系統開發的智能視頻監測探頭,將3S（RS,GIS,GPS）技術和3A（AI,AR,AIoT）技術深度融合,實現“全域+實時”監測,構建“星地一體”自然資源智慧監測體系（見圖1）,探索從遙感提取、綜合分析、按月度推送,到實時監控、智能識別、所見即所得的自然資源“星地一體化”監測新模式,構建“科技驅動、精準治理”的自然資源監管新機制。

圖1 “星地一體”自然資源智慧監測體系構建

本文以無錫市錫山區為例,采用“星地一體化”監測方法,綜合運用衛星遙感監測、“慧眼守土”攝像頭、地面實地調查的技術手段,對無錫市錫山區進行月度全要素遙感監測,監測成果通過自然資源遙感動態監測監管系統自動推送調查監測、開發利用、執法監察、耕保管制各個科室,顯著提升事中事后自然資源監管水平,為自然資源管理部門建立科學、合理、可操作的監測監管體系提供解決方案。

2.1 遙感監測體系

在統一的地理坐標系下,將前、后兩個月的衛星影像經處理后進行疊加對比,利用面向對象、機器學習以及人機交互等遙感解譯技術,盡可能全面地提取地表覆蓋變化情況,分析全要素變化圖斑的位置、面積、變化時間、變化類型等屬性。結合自然資源管理需求和業務矢量數據,梳理、分析、選取、加工成不同業務處室所需的信息,提供給各業務科室,實現對自然資源的月度監測監管。

2.2.1 遙感數據處理

（1）數據源。由于錫山區夏季云雨多,單一衛星難以在保證遙感影像質量的基礎上覆蓋全部監測區域,在實際工作中需要依據影像的質量要求、覆蓋范圍以及數據成本等方面綜合考慮多種影像數據,確定最佳的影像組合：以高分二號、高分七號衛星影像為主,以高分一號、高分六號、資源三號衛星、Planet小衛星星群等影像為輔。

（2）正射校正。采用GPS實測控制點,或從高于待糾正影像分辨率與成圖比例尺的DOM、地形圖等基礎控制數據上采集明顯的地物特征點為控制點,采用有理函數模型,對原始影像進行正射校正。糾正后的影像相對控制底圖相對誤差應控制在：當影像圖與控制底圖采樣間隔均≤1 m時,平地、丘陵控制在2倍采樣間隔內,山地、高山地控制在8倍采樣間隔內；當影像圖與基礎底圖采樣間隔至少有一種＞1 m時,平地、丘陵控制在2倍采樣間隔內,山地、高山地控制在4倍采樣間隔內（采樣間隔值取兩者較大者）。

（3）勻色裁切。通過正射、融合、勻色、鑲嵌、裁切,制作錫山區月度一版圖DOM,坐標系統為國家2000坐標系,GeoTIFF格式。DOM保持紋理清晰,色調均勻,反差適中,彩色影像模擬自然真彩色,光譜信息豐富,能準確反映自然資源利用特征[7]。

2.1.2 全要素變化圖斑提取

通過了解錫山區的自然地理概況,以及遙感影像的成像方式,建立監測區感興趣地類的影像解譯標志。建立地類解譯標志時,首先采用歸類對比法,分析同一地類在不同影像分辨率、不同波段合成、不同季節及不同區域所呈現的色調、顏色及紋理特征,然后采用典型樣本提取法,提取典型地類影像的解譯樣本,并建立大規模訓練樣本和測試樣本數據,支撐基于深度學習等技術的遙感影像智能分類[8]。然后,在統一的地理坐標系下,以前一月度遙感正射影像圖為前時相,通過前、后時相遙感影像圖對比,依據遙感影像紋理與光譜差異特征,采用人工智能、云計算等先進技術,對變化信息進行智能化提取,通過人機交互識別相結合的方法,對比發現、綜合發現,提取自然資源全要素變化圖斑,獲取變化圖斑的位置、形狀、面積、變化時間、變化類型等屬性。

因變化信息實際存在的各種不確定性,需要采用多種信息提取技術相結合的方法,以達到相互驗證和補充,最大限度地避免或減少誤提和漏提的發生,采用計算機自動方法與人機交互提取方法相結合的方法來提高結果精度。對城鄉結合部、工礦和開發區周邊、交通線與河流兩側、村鎮、機場、度假區等建設用地擴展迅速的區域,交叉復檢,實行嚴格的質量檢查。

2.1.3 業務綜合分析

運用GIS空間分析技術,將衛星遙感監測提取的自然資源全要素變化圖斑與自然資源管理部門數據庫中的“批供用補查”數據進行疊加分析和屬性分類,針對土地執法監察、土地批后監管、耕地和基本農田保護、土地利用現狀更新調查、林業監管等自然資源管理業務類型,形成月度土地違法監測圖斑、月度土地批供用監測圖斑、月度耕地和基本農田監測圖斑等衛星遙感監測產品。通過衛星遙感監測信息平臺分類推送給相應的處（科）室使用,并與自然資源“一張圖”完全套合,按月度向基層工作人員提供及時、直觀、全面、準確的監測監管信息。

2.2 星地融合監管體系

基于遍布錫山全區的125個“慧眼守土”視頻監測探頭（部分地區已升級為智能探頭）,利用“AIoT”（人工智能物聯網）技術,將視頻監測探頭與衛星遙感監測平臺進行互聯互通,使視頻監測探頭可以實時接收衛星影像信息、變化圖斑信息和遙感監測分析信息等數據,針對疑似違法圖斑等重點監測目標,調用距離最近的視頻監測探頭自動旋轉對焦至該位置,實時查看附近的實際情況,并能對重點監測目標進行持續跟蹤監測,時刻關注重點區域變化發展情況（見圖2）。智能視頻監測探頭可采用深度學習等人工智能算法,對視頻中出現的疑似違法行為進行自動識別和預警,進行7×24小時全天候自動巡查,有效抑制特定違法行為的發生,做到“早發現、早制止、早查處”,并能與衛星遙感監測結果相互驗證、互為補充,增加兩種監測結果的準確性,減輕基層執法監督人員的工作壓力。

圖2 三維監控視頻畫面準確對應二維衛星影像位置

3 結語

無錫市錫山區自然資源“星地一體化”監測綜合運用大數據、人工智能等新技術,融合3S、智能識別、視頻監控等前沿技術,構筑“天上看、地上查、視頻探、網上管”的自然資源綜合監測監管體系,實現了面向自然資源的主動與智能服務,形成內外業一體化、動態靜態一體化、監管巡查反饋一體化的技術體系,為自然資源常態化監測監管提供了技術保障。下一步,將在衛星遙感與自然資源管理深度融合、自動智能遙感信息提取、多源監測方式復合協同作用等方面進行深入研究,持續提升自然資源管理和輔助決策的現代化水平。