湖南省“1+N”衛星監測體系構建

劉專　肖海　彭能舜　胡賽花　潘棟

摘 要：本文圍繞湖南省自然資源監測監管工作需求，針對目前監測工作中存在的標準不統一、機制不完備、技術單一、運轉低效等問題，提出了“變化全發現、問題全核實、任務全交辦、整改全落實”的全流程一體化衛星監測體系，有效支撐了湖南省自然資源“兩統一”職責的履行，為構建自然資源統一調查監測體系提供了方案思路。

關鍵詞：自然資源監測監管;遙感影像;智能提取

中圖分類號：P962 文獻標志碼：A 文章編號：1672-5603（2022）03-61-05

Construction of "1+N" Satellite Monitoring System in Hunan Province

Liu Zhuan Xiao HaiPeng Nengshun Hu Saihua Pan Dong

（1. The Second Surveying and Mapping Institute of Hunan， Changsha Hunan 410029; 2. Key Laboratory of Natural Resources Monitoring and Supervision in Southern Hilly Region， Changsha Hunan 410029）

Abstract： This paper focuses on the needs of natural resources monitoring and supervision work in Hunan Province， in view of the problems existing in the current monitoring work， such as inconsistent standards， incomplete mechanisms， single technology， and inefficient operation， Puts forward a full-process integrated satellite monitoring system of "full discovery of changes， full verification of problems， full assignment of tasks， and full implementation of rectification". It effectively supports the monitoring and protection work of natural resources in Hunan Province， and provides a plan idea for building a unified survey and monitoring system of natural resources.

Keywords： natural resource monitoring and supervision; remote sensing image; smart extraction

新一輪機構改革后，自然資源部門職能發生了較大的變革，將原來分散于各部門的自然資源相關職能集中歸于一體，對調查監測提出新的要求，迫切需要重構調查監測體系，推進國土資源調查監測向自然資源調查監測轉型升級，以全面支撐自然資源管理[1～3]。 2020年7月，湖南省“1+N”衛星監測體系開始運行，2021年2月，自然資源部批復湖南省納入國家第一批“自然資源遙感綜合監測”構建試點省份，解決監測體系標準不統一、機制不完備、技術單一、運轉低效等自然資源管理工作迫切問題。

1現狀分析

近年來，湖南省相繼開展了基礎測繪、地理國情監測、不動產統一登記、國土調查、森林資源清查、草地資源清查等自然資源調查監測工作[4]。各項工作對應的底圖多套標準并行，相互無法直接套合，對數據管理、應用、分析造成極大不便[5]。2018年以前，我省遙感影像數據保證能力十分有限，每年度不能實現全域覆蓋，遠遠滿足不了自然資源各項監測、監管、執法等工作需求。造成目前這一現狀最主要的原因是各項工作所需數據由各單位分散獲取，數據重復采購和生產仍然存在，同時也出現全省數據覆蓋存在空洞、保障能力不足的現象，導致人力和財力高投入、低產出。反映最突出的問題是各單位數據生產周期長、更新不及時、標準不統一[6]。2018年，湖南省印發了《湖南省遙感影像數據統籌共享管理辦法》，啟動遙感影像統籌工作，對全省遙感影像數據實行統一采購、統一處理、統一質檢和成果共享。

傳統的人工目視影像解譯工作強度大、效率低、技術單一、易出錯，已經難以適應當前自然資源常態化監測監管形勢需求[7～8]。近年來，大數據、人工智能、5G、區塊鏈、知識圖譜、空間信息等高新技術的迅猛發展和交叉融合，為構建自然資源調查監測體系提供了必要的技術支撐和保障條件[9]。目前，如何加快各項先進技術的融合與創新，實現遙感信息全自動化智能提取，推廣遙感影像智能解譯工程化應用，是構建自然資源衛星監測體系急需解決的問題[10]。

立足已有工作基礎，構建湖南省“1+N”衛星監測體系，對于支撐履行自然資源“兩統一”職責，提高自然資源監測監管現代化治理能力，統籌推進山水林田湖草沙系統治理，推動生態系統功能整體性提升，穩步提升糧食產能，全面壓實耕地保護責任，滿足社會進步和經濟發展的需要，乃至保障社會安定和國家安全具有非常深遠的意義[11]。

2 總體設計

圍繞湖南省自然資源衛星監測需求，不斷拓展遙感監測內容，大力推進現代測繪地理信息技術與人工智能等新一代信息技術集成創新應用，建立標準統一、機制完備、技術多元、質量可靠、高效運轉、服務快速的全省衛星監測體系。衛星監測體系構建是履行自然資源“兩統一”職責的重要基礎支撐，充分利用衛星遙感技術，健全影像統籌機制，不斷整合監測職能、拓寬監測領域、提高監測能力，及時掌握湖南省全域的自然資源變化情況，對發現的所有問題進行高效處置，形成一套成熟完備的衛星監測體系。

2.1 總體流程

綜合考慮“遙感科學﹢人工智能﹢業務規則”的監測技術路線，構建“變化全發現、問題全核實、任務全交辦、整改全落實”的湖南省自然資源“1+N”衛星監測保護體系。總體流程如圖1所示。

2.2 變化全發現

2.2.1 監測內容與指標

（1）監測指標：最小上圖面積指標與第三次國土調查的要求相同，建設用地和設施農用地實地200 m²;農用地（不含設施農用地）實地400 m²;其他地類實地600 m²。年度監測基于0.5 米分辨率衛星影像，建設用地和設施農用地最小上圖面積100 m²，農用地400 m²，其他土地600 m²。

（2）監測頻次：以上年度第四季度1米分辨率衛星影像建立監測本底，開展月度監測、季度監測和年度監測。

（3）建立“月發現、季小結、年總結”監測工作機制，進行“1”監測。“1”是指常規監測，其主要工作內容是提取全省變化圖斑，對全省土地利用現狀開展的全覆蓋監測，全面、動態、及時、準確掌握土地利用現狀變化情況。“月發現”是指每月根據當月采集的衛星影像，對比上年第四季度1米分辨率衛星影像，提取所有變化圖斑。“季小結”是指每季度根據當季采集的衛星影像，對比上年第四季度1米分辨率衛星影像，提取覆蓋全省的所有變化圖斑。“年總結”是指年末根據年度衛星影像，對比上年第四季度1米分辨率衛星影像，提取年度內所有變化圖斑，并補充提取100 m²以上的建設圖斑，確保年度內所有變化圖斑提取到位。

（4）前后時相：前時相為上年第四季度1米分辨率衛星影像。后時相為當月采集的2米分辨率衛星影像、當季采集的1米分辨率衛星影像和年度采集的0.5米分辨率衛星影像。

（5）監測內容：提取湖南省全域范圍內的影像變化圖斑，變化圖斑提取類型如表1所示。

2.2.2 關鍵原理

（1）多源遙感數據協同獲取。一是打通多條衛星數據互連傳輸渠道，構建了海量數據資源池。二是建設在線衛星影像處理及服務發布鏈路，構建實時拍攝數據資源池，打通數據采集、自動入庫、按序生產、動態發布的全處理鏈條。三是解決多源異構遙感目錄歸一化入庫問題，打通各大衛星運營商間的數據孤島，實現一站式搜索引擎。四是接入氣象預測云圖信息，將全國范圍內未來十天的氣象云圖圖層接入系統中，疊加衛星預測軌道，充分掌控每一顆衛星的預期拍攝窗口，從而實現細粒度調度拍攝。

（2）遙感數據快速處理。一是通過自動匹配獲取大量密集的控制信息來進行衛星影像幾何處理，實現快速正射糾正，為后續監測工作推進爭取時間。二是采用地理成像加速器（GXL）技術，以及無切片服務發布引擎構建在線實時處理鏈路，實現了影像在線實時處理、發布、展示，解決現有遙感數據密集、計算密集的大規模影像實時顯示問題形成符合標準規范要求的正射影像產品，滿足對精度要求較高的遙感監測需求。

（3）遙感信息智能提取。大力推進遙感、大數據、人工智能等高新技術融合創新應用，采用“引進吸收+自主研發”模式構建了一套基于多頻次衛星影像的變化圖斑智能提取系統，實現變化圖斑位置的快速自動發現和部分典型地物類型自動識別，構建起“影像預處理—智能提取—圖斑篩查與分類—圖斑邊界半自動提取—統計分析”變化圖斑智能提取自動作業流水線，通過軟件自動快速發現變化圖斑的位置，做到“定位”智能化;基于像元種子聚類算法實現圖斑邊界的半自動快速精準勾繪，做到“定界”智能化;準確識別典型地特類型、土地利用性質，做到“定性”智能化。

2. 3 問題全核實

（1）利用空間分析與統計，在“變化圖斑”中篩選出“問題圖斑”。在收集、整理用地審批紅線、生態保護紅線等管理數據的基礎上，利用空間分析與統計等技術方法，快速確定圖斑范圍與利用現狀，快速、精準地從變化圖斑中篩選出“問題圖斑”。

（2）開展外業調查核實。對“問題圖斑”全部開展外業調查核實，按“走到、問到、看到、記錄到”等要求，查明各圖斑的變化范圍、變化類型等實地情況，去除內業提取發現的偽變化圖斑。

（3）進行“N”監測，在“問題圖斑”中篩選出“專題圖斑”。外業調查核實后，根據業務需求，從“問題圖斑”中篩選出各項“專題圖斑”。“N”是指專題監測，以常規監測為支撐，開展違法用地、耕地數量、耕地使用、農民建房、非法露天采礦、生態保護紅線、重要河湖監測、生態修復、城鎮開發邊界等N項專題監測，做到統籌監測、一查多用。

2. 4 任務全交辦

（1）形成“任務清單”。將外業核實后形成的各類“專題圖斑”分別推送給相關業務管理部門，各部門根據當前相關政策法規，形成各專題“任務清單”，并共享至省生態環境廳、省農業農村廳、省糧食與儲備局等相關行業廳局。

（2）建立月調度機制。建立省市縣三級土地管理月調度機制，匯總各類“任務清單”，統一向地方進行任務移交，地方根據交辦的任務清單進行分類處置后，再分類反饋至相關業務管理部門。

2. 5 整改全落實

（1）實行逐宗銷號管理。嚴格實行逐宗銷號管理，利用省市縣三級土地管理月調度機制，每月定期研究審議擬銷號清單，逐宗研究、逐宗解決、逐宗銷號，做到“月清月結”。充分利用信息化手段，對納入任務清單的整改項目全部納入相應的信息管理平臺，逐項進行跟蹤監督管理，有效減少人為干預，提高監測、處置、銷號等工作效率。

（2）落實耕地保護責任。為確保全省耕地總量不減少，質量不降低，堅決守住耕地保護紅線、遏制農村占用耕地建房的勢頭，省級對衛星監測發現違法用地、臨時用地、設施農用地、非農化種植、農民建房等占用耕地的，一律按照相關要求，嚴格落實耕地保護責任，確保國家糧食安全。

3 建設成效

3.1 全省遙感影像統籌能力顯著提升

一是實現衛星數據實時獲取。通過優化遙感影像統籌獲取方案，實現與國內外衛星運營商80余顆衛星實時同步傳輸，衛星影像有效覆蓋率穩步提升，影像精度更高，保障能力更強。2021年實現1米分辨率遙感影像全省季度全覆蓋，0.5米分辨率遙感影像全省年度全覆蓋，2米衛星影像月均有效覆蓋率接近60%，比2020年有效覆蓋率超出10%，2021年影像獲取困難區范圍明顯縮小。二是實現影像數據快速在線處理服務。依托超算中心算力和存儲資源，建立了省級海量衛星影像池，可在線追溯1960年至今的全省衛星數據，能夠在10分鐘內自動化完成數據解壓、入庫、正射處理（快速動態產品）、服務發布等一系列專業化的遙感處理流程。

3.2 監測技術效能大幅提升

采用“1+N”衛星監測實現了“一查多用”，提升了自然資源監測效能。在各類專題監測中，充分共享應用常規監測中形成提取的變化圖斑、外業核查照片等成果，真正實現“一查多用”，總體上大幅節約了監測成本。不斷探索推進人工智能、云計算、大數據等新一代信息技術，研發遙感信息智能提取系統，大幅提升了遙感監測技術效能，工作效率相比傳統人工模式提高了3倍以上，有效支撐了“月發現、季小結、年總結”監測機制的運行，真正實現“變化全發現”，違法行為“早發現、早制止、早查處”。

3.3 自然資源保護成效

通過衛星監測體系的構建，對全省自然資源形成了全流程閉環式管理模式，織密織牢了自然資源監測監管體系，強化國土空間規劃和用途管制的約束作用，對破壞自然生態、違法占用損毀耕地等違法行為形成了強大震懾。新增違法用地方面，2021年新增違法用地面積相比與2020年下降約49.79%，違法用地下降趨勢明顯;耕地數量方面，2021年耕地減少面積相比于2020年下降約50%，其中新增違法用地占用耕地行為同比減少約52.87%，新增農民建房占用耕地行為同比下降約70.85%。

4 小結

（1）通過遙感影像統籌，實現了遙感影像的實時化獲取、集群化處理、網絡化分發和社會化服務，有效解決了遙感數據重復采購、重復生產、覆蓋不全等問題，夯實了遙感監測的數據資源，實現了“一籌多用”的目標。

（2）圍繞湖南省自然資源衛星監測需求，探索“遙感科學﹢人工智能﹢業務規則”的監測技術路線，構建了“變化全發現、問題全核實、任務全交辦、整改全落實”的湖南省 “1+N”衛星監測體系，實現了“一查多用”業務化運行，大幅提升了湖南省自然資源監測監管的支撐能力，為全國構建自然資源調查監測技術體系構建提供了方案思路。

（3）推進了現代測繪地理信息技術與人工智能等新一代信息技術集成創新應用，不斷提升遙感監測信息提取的智能化水平，大幅提高了自然資源衛星監測生產與分析評價效能。

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