“空天地”一體化的自然資源違法行為動態監測研究

徐鳳喜 張華平

(1. 江西省自然資源測繪與監測院, 江西 南昌 330002;2. 江西省地質局地理信息工程大隊, 江西 南昌 330001)

0 引言

立足于自然資源管理的“兩統一”,構建統一的自然資源調查、監測和評價機制,動態監測土地、建設用地以及礦產等自然資源違法行為,做到違法行為“早發現”“早制止”“早處置”是自然資源執法監察的一項重要工作[1]。江西省具有良好的生態環境、豐富的自然資源,但隨著近年來經濟的快速發展,自然資源價值提升的同時,各類違法行為也層出不窮[2],因此,迫切需要構建一個全要素、全時段以及全覆蓋的常態化自然資源“空天地”一體化的動態監測體系。本文根據《自然資源部信息化建設總體方案》的要求,結合先進的信息化技術和測繪手段[3],采用“實時監測、動態分析、主動填報”的監測機制,利用衛星遙感監測技術、低空720全景影像監測技術以及巡查填報監測技術三種關鍵技術,對自然資源違法行為進行科學化、常態化以及智能化監測,彌補傳統監測發現難、周期長、效率低等短板[4],形成“空天地”一體化的自然資源違法行為動態監測工作流程,實現自然資源違法行為的長、中、短監測周期和全域覆蓋、部分覆蓋以及重點覆蓋監測范圍,同時搭建自然資源違法行為動態監測系統,實現自然資源違法圖斑的采集、處理、提取、驗證、展示、統計、分析以及編制監測成果報告等功能,極大地提高了自然資源執法監察工作能力。

1 總體設計

1.1 設計思路

自然資源違法行為動態監測研究的設計思路包括三方面內容：第一,根據自然資源違法行為的類型和重要程度,構建“空天地”一體化的監測體系,主要采用三種監測方式,一是針對大面積、大范圍的違法圖斑采用3月一次的衛星遙感影像監測數據;二是針對城市內小面積、小范圍、重點區域的違法圖斑采用無人機定期采集低空720全景影像監測數據;三是針對無法確認空間位置、群眾舉報的違法圖斑利用移動端手機應用(application,App)采用巡查填報監測數據[5]。第二,構建自然資源違法行為動態監測數據庫,主要包括基礎地理信息數據庫、自然資源專題數據庫、違法圖斑數據庫以及巡查執法業務數據庫,為監測系統研發提供數據基礎。最后,通過“空天地”一體化的自然資源違法行為監測工作流程設計和WebGIS軟件系統開發,搭建自然資源違法行為動態監測系統,實現違法圖斑從采集到處置的全過程管理,為自然資源執法監察部門評估和監督提供技術支撐和科學依據。

1.2 動態監測工作流程設計

根據“空天地”一體化自然資源違法行為動態監測工作的需求,對原有違法行為監測方式進行了升級和優化,重新設計其工作流程,主要包括前期準備階段、數據處理階段以及系統建設階段。“空天地”一體化自然資源違法行為動態監測工作流程設計如圖1所示。

圖1 “空天地”一體化的自然資源違法行為動態監測工作流程設計示意圖

前期準備階段是開展違法行為動態監測工作之前,對相關的數據進行收集和整理、動態監測方案的編制。數據收集和整理主要包括衛星遙感數據、航空攝影數據、基礎地理數據、公眾舉報數據、日常巡查數據以及業務數據和資料等;監測方案編制主要包括確定監測計劃、技術路線以及監測的標準等[6]。

數據處理階段主要包括三部分內容,一是數據的預處理,如,影像數據預處理、基礎數據預處理以及業務數據預處理等;二是根據解譯資料的采集、先驗知識的積累,以自然資源要素的空間、時間以及光譜特征為依據,采用計算機自動發現與人工交互目視解譯的方法,發現自然資源變化信息并對變化信息進行甄別和偽變化清除。三是違法圖斑提取。將變化信息圖斑與自然資源專題數據、審批數據進行套合比較,判斷其是否為違法圖斑,如是違法圖斑,則勾繪違法圖斑覆蓋區域和判定違法類型,并采用內業質量控制、外業檢核的方式,最終確定違法圖斑[7]。

系統建設階段是對違法圖斑、影像數據、自然資源相關數據、基礎地理數據等進行入庫,并通過系統進行展示、查詢、統計和分析,從而實現山水林田湖草自然資源全天候、全覆蓋以及全要素的“空天地”一體化自然資源違法行為動態監測,輔助自然資源執法監察。

1.3 系統框架設計

自然資源違法行為動態監測系統設計采用分層架構技術,具有可更新、可擴展、可復用以及可融合等特點,主要包括基礎設施層、數據資源層、服務能力層、業務應用層以及用戶層,兩側是保障平臺運行的標準規范體系和信息安全體系。系統框架設計示意圖如圖2所示。

圖2 系統框架設計示意圖

基礎設施層是利用自然資源部門的“自然資源云”相關的計算資源、存儲資源以及網絡資源。數據資源層是一方面是調用自然資源管理“一張圖”的基礎地理數據服務,另一方面是處理自然資源相關的專題數據、違法圖斑數據以及巡查執法業務數據等,構建自然資源違法行為監測數據庫[8]。服務能力層主要包括通用服務和專業服務,如統一認證服務、角色管理服務、圖斑提取服務以及圖斑查詢統計服務等。業務應用層是具體的自然資源違法行為監測業務應用窗口,主要包括違法圖斑采集、違法圖斑展示、違法圖斑查詢、統計和分析以及監測成果報告編制等。用戶層是系統使用人員,主要包括自然資源部門的管理人員、巡查執法人員以及運維人員等。

2 關鍵技術

2.1 衛星遙感影像監測技術

衛星遙感影像監測技術是自然資源違法行為定期動態監測機制的核心內容,是以多源、多時間序列的衛星遙感影像數據為基礎,如高分一號、資源三號等,通過比較前后時相的影像數據,對研究區域自然資源變化圖斑數據進行采集、分析和解譯,從而判斷和識別自然資源變化圖斑,具有監測周期長、范圍廣且成果直觀等優點[9]。衛星遙感影像監測技術流程如圖3所示。本文根據衛星遙感影像地物特征,結合地形、地貌、地域以及周邊環境等要素,采用智能自動識別與人機交互判讀的方式,提取用地、用礦等自然資源違法行為圖斑,并勾繪違法圖斑的范圍。

圖3 衛星遙感影像監測技術流程示意圖

2.2 低空720全景監測技術

全景影像監測技術是一種全新的實景信息記錄手段技術,是傳統影像數據庫的良好補充,具有超寬視角、監測周期適中、成果應用廣和辨識度高等特點,同時也是自然資源違法行為定期動態監測機制的實現手段[10]。本文利用全景影像中近幾年流行的低空720全景技術與測繪地理信息技術相結合,將全景影像數據空間化和服務化、解譯內容矢量化、圖層對象信息化以及存儲結構時空化,從而實現對小區域、重點區域的自然資源違法行為進行縱向上時空比對,橫向上量化比對,從而精確提取違法圖斑。低空720全景監測技術流程如圖4所示。

圖4 低空720全景監測技術流程示意圖

2.3 巡查填報監測技術

巡查填表監測技術是利用當前流行的移動互聯App技術,服務于自然資源巡查執法人員,用于自然資源違法行為日常巡查和公眾舉報核實等工作,具有快速響應、監測周期短以及成果豐富等特點[11]。本文搭建的巡查執法App功能模塊為蘋果和安卓系統的移動智能終端提供統一的應用入口,實現違法圖斑的空間位置采集以及相關文本、照片、視頻等多媒體數據采集和填報,并將圖斑上傳至服務器,自動進行入庫[12]。巡查填報監測技術流程如圖5所示。

圖5 巡查填報監測技術流程示意圖

3 系統實現

自然資源違法行為動態監測系統基于面向服務架構(service-oriented architecture,SOA),混合搭建瀏覽器/服務器模式(browser/server,B/S)、服務器-客戶機(client-server, C/S)以及移動端功能[13],主要包括四大核心功能模塊：違法圖斑采集、違法圖斑展示、違法圖斑查詢、統計和分析以及監測成果報告編制等。

3.1 違法圖斑采集

違法圖斑采集是利用衛星遙感影像監測、低空720全景影像監測以及巡查填報監測技術對違法圖斑數據進行采集,主要包括影像數據選擇、違法圖斑發現和判讀、違法圖斑提取與驗證以及違法圖斑標準化處理等功能。

3.2 違法圖斑展示

違法圖斑展示是以基礎地理數據和自然資源專題數據為底圖,疊加違法圖斑數據,實現違法圖斑的圖文一體化、二三維一體化以及時空一體化展示[14]。圖文一體化展示可以查看違法圖斑的位置信息和相關的業務信息,如圖斑類型、行政單元、采集人等;二三維一體化采用分屏對比的方式實現違法圖斑所在區域三維實景數據與自然資源專題數據的比對展示;時空一體化展示實現違法圖斑地塊不同時間序列信息展示,可以直觀展現違法圖斑的變化過程。

3.3 違法圖斑查詢、統計和分析

違法圖斑查詢、統計和分析是對自然資源違法行為的空間分布進行查詢、統計和分析,從而找出規律和結論,為自然資源精細化管理提供依據,主要包括違法圖斑區域、類型和專項查詢、統計和分析等。區域查詢、統計和分析以省、市、縣以及鄉鎮為基本單元,查詢和統計各其中單元違法圖斑數據,分析違法圖斑數量分布通知和密度分布特征,輔助重點自然資源監測區域劃定。類型查詢、統計和分析是根據違法類型、占地類型等方式,對違法圖斑數據和面積進行查詢、統計和分析,輔助自然資源專項監測。專項查詢、統計和分析是對違法圖斑數據進行深入挖掘和分析,包括占用耕地、占用基本農田的數量、面積和分布查詢、統計和分析[15]。

3.4 監測成果報告編制

監測成果報告編制是系統將各類成果進行分類、匯總和統計,以更加美觀和直觀地統計圖表形式編制成報告,自動進行導出,讓自然資源管理人員快速獲取聚焦方向。監測成果報告有違法圖斑成果發布情況、統計情況以及變化情況,占用耕地和基本農田情況以及監測任務專題情況等。

4 結束語

本文根據新形勢下的自然資源執法監察管理的應用需求,探討了“空天地”一體化的自然資源違法行為動態監測工作流程和研究了自然資源違法行為動態監測系統總體框架,綜合使用衛星遙感監測技術、低空720全景影像監測技術以及巡查填報監測技術,建立了“空天地”一體化的自然資源違法行為動態監測體系,結合系統提供的功能,為自然資源違法圖斑的采集、管理和處置提供支持,有效提高自然資源執法監察的處置能力和技術水平。