基于卫星遥感的国土空间监测理论与应用*

李 涛，李云鹏，王新军

1 国土空间监测理论缘起与背景

随着人类社会经济的不断发展，人类对地球的影响日益明显，而近年来人类面临的各类问题表明，这种影响向着变坏的方向发展。人口、资源、环境、灾害成为了人类面临的四大挑战，而解决这些问题需要研究地球本身这个极其复杂的系统。随着人类步入信息社会，计算机技术、地理信息系统技术、遥感技术快速发展，信息科学、环境科学、系统科学等科学理论被提出，这些技术与科学理论在实践过程中逐渐融合，形成了研究监测地球物质流、能量流、信息流的变化情况的地球空间信息科学，新科学在全面调查地球资源与环境，获取地球四大圈（岩石圈、水圈、大气圈和生物圈）的变化信息等方面应用潜力巨大，使人类解决四个主要挑战成为可能[1]。

在这样的背景下，本文将针对新时期国土空间监测的需要，重点整理国内外的理论研究，并整合总结形成卫星遥感国土空间监测理论，它以地球空间信息科学为核心，并结合我国国土空间监测的实际需求，主要内容包括国土空间监测理论体系，国土空间监测应用以及未来国土空间监测的展望。

2 国土空间监测理论体系

2.1 国土空间监测基本理论

国土空间监测基本理论是以遥感卫星技术、地理信息系统技术、全球定位系统等技术手段为基础的，辅以计算机技术和通讯技术为支持的，用于采集、分析、储存、管理、应用地球空间信息的新兴科学，它以技术和应用为主要导引，逐渐发展升华为理论科学[1，2]。

国土空间监测理论基础是信息科学，1948年，美国数学家香农提出：“信息是用来消除随机不确定性的东西”。我国著名通信科学专家钟义信将信息的定义分为两个部分：本体论的信息是指该物体所呈现的运动状态或其变化方式；认识论的信息是主体所表述的该物体的运动状态或其变化方式[3]。总结而言，信息科学的目的是从一个地方复制另一个地方的信息，并将其描述、展示出来，而地球空间信息的描述对象就是地球的地理信息。

承继成在1996年提出，地理信息的信息源为地表物质的实体本身，从性质上可以分为物质信息，包括地表物体的物质成分、形态、空间分布等特征，还有能量信息，包括地表实物的重力、磁力、电磁波谱等特征[4]。承继承进一步指出从信息载体方面看地理信息的载体可以大体分为三类，地理信息的第一载体是其本身，也是钟义信所描述的本体论上的信息定义；地理信息的第二载体是记录和描述地表物质的影像、语言、文字；地理信息的第三载体是描述地理信息的各类专题地图及其纸质、胶质、磁带、光盘等的载体[3-6]。

根据这些特征，李德仁在2000年提出地理信息通常都具有空间、多维结构特征、时序等三个基本属性[1]。他进一步指出地理信息属于空间信息，它的位置是与信息紧密联系在一起的，具有区域性，随着技术的发展。目前的地理信息系统，通过航空航天技术，形成了全球统一的地理坐标信息系统；地理信息同时具有多个维度的结构特征，像地理要素信息，如山、植被或人造物，不同的要素往往也包含多个维度的信息，如高度、坡度、污染、土壤湿度等。这些特征应用系统科学建立了统一的要素分类系统与标准，多维信息的收集与分析系统与标准，使地理信息可以被准确描述和理解，而地理信息会随着时间的变化而不断更新，即形成了地理信息的时间属性[1]。

综合来看，国土空间监测的基本理论从信息科学出发，在发展过程中有效结合了地球表面物体的时序、空间、多维属性特征，最终形成了可以描述地表物体信息的地理信息科学，为国土空间监测理论的发展打下了坚实的基础。

2.2 国土空间监测技术科学理论

在可以准确描述地球空间信息的基础上，国土空间监测的技术理论主要聚焦在地球空间信息的收集、传输、储存、管理，信息的有效收集是系统应用的重要前提。国土空间监测的技术基础是地理信息的有效收集。随着遥感技术的发明与发展，人类实现了通过先进的机器帮助人们观测肉眼无法看到或了解的事物，精确获取地理信息，所以遥感技术的发明与应用是地球空间信息技术科学得以发展的前提[3]。

从字面上解释，“遥感”（Remote Sensing）是“遥远的感知”。“遥”具有空间属性，可以解释为遥远的距离，并且引申为不与物体直接接触；“感”代表信息收集，现代的遥感技术可以解释为通过先进的信息收集系统，在远距离不接触的情况下，收集地表的地理信息。遥感技术最早从照相机的发明开始，而理论基础则是麦克斯韦提出的电磁辐射理论。李德仁指出物体会反射太阳光，或自身发射电磁辐射，电磁辐射作为一种能量形式，可以被遥感设备感知到，所以遥感技术的实现从本质上是不同地物具有不同的吸收、反射和发射电磁波的能力，而遥感技术可以感知，并收集这些辐射信息[1]。陈建平在1986年总结遥感的辐射源可以分为自然电磁辐射源和人工电磁辐射源，具体来看包括太阳辐射、地球辐射、人类遥感卫星发射的微波三大类，不同的辐射源，性质各不相同，应用领域也不同[7]。李德仁提出遥感探测的本质是对物体辐射能量的测定与分析[1]。

在明确信息主体的基础上，赵忠明等指出遥感科学技术通常由三个部分组成，即装载器具，遥感传感器，地面数据接收装置[8]。装载器具装载遥感设备，遥感传感器接收地面物体的辐射信息，而地面数据接收装置则负责接收遥感传感器收集到的信息。根据遥感科学的相关理论，李德仁指出遥感技术未来将主要向三个方向发展，即“三全”（全天候、全天时、全球观测）“三高”（高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分布率）、“三多”（多平台、多传感器、多角度）[1]。遥感科学技术负责地理信息的收集，而能使地理信息真正能与地球的空间相结合离不开全球定位系统，它主要由空间地理坐标系统和定位系统两部分组成。地理信息包含空间信息，而空间的定位往往是以地球作为参考框架，即需要一个统一的空间信息基准来确定地表物体的几何形态和空间分布特征，地球上所有的物体的特征都应该在地理参考坐标中描述，我国目前已经建立了2000国家大地坐标系，以满足我国国土空间监测需要。定位系统是通过数颗定位卫星确定地理信息在地球上的准确位置，我国北斗卫星导航系统已经组网成功，可提供精准的定位服务[9，10]。

地理信息成功收集后，并不能直接应用到国土空间的监测中，而是需要国土空间数据系统，对信息进行统一的管理与更新，这一部分的科学理论是信息系统和数据库基本理论。苗雪兰等提出信息系统是以处理信息流为目的的人机一体化系统，信息系统的核心是数据[11，12]。地理信息系统是信息系统的一个特殊分支，特指处理与地表空间与地理分布相关数据的信息系统。傅肃性根据地理信息系统的这些特性在2001年提出地理信息科学是研究地球表面系统的能量流、物质流和信息流的科学，而地理信息系统是通过计算机、遥感卫星、全球定位系统等技术手段，将地理信息具象化展示出来的过程[13-15]。

国土空间监测的技术科学理论涉及遥感理论、信息系统理论、数据库理论，其中遥感等相关理论主要负责国土空间监测所需的地理信息的采集与传输，而信息系统理论、数据库理论等主要负责国土空间信息的储存与管理。

2.3 国土空间监测应用的基本理论

国土空间监测应用的基本理论主要是与国土空间监测的实际需要相结合所提出的基本理论，每一个部分的实际应用，均需要根据应用的需求，配套专门的信息描述与分析系统。目前我国国土空监测的应用领域主要包括土地利用监测、环境监测、自然灾害防治与预警、资源调查、城市规划应用等方面。

国土空间监测的第一个方面是土地利用监测。王良健等人在2000年提出国土空间内的土地利用是指人类以社会经济发展为目的而进行的一系列活动，包括对土地进行的长期性或周期性的经营活动，土地利用的动态变化反映的是人类为适应社会经济发展需求，而不断调配各类土地利用的过程[16]。我国幅员辽阔，但适合人类经济社会发展的土地资源并不丰富，人多地少，土地后备储备资源不足的情况将长期存在，及时准确地掌握土地资源数量、质量、分布及其变化趋势，集约使用土地资源，减少土地的过度开发和不合理利用十分必要。土地利用数据通常关注的是土地的社会和经济属性，分析的单位通常是成片的大块土地，而不是更为细节的基础地理元素。张显峰、崔伟宏在1999年指出土地利用监测是希望通过系统主动地发现土地利用的变化信息，并且准确、快速的获取变化信息的数量与特征[17]。根据土地利用监测的目的，土地利用监测应用主要关注土地的分类以及各类土地的数量等信息。

生态环境监测是国土空间监测另一个重要的领域。曲格平在2002年就提出生态环境是人类生存、生产与生活的基本条件，人类发展所引起的环境污染，已经极大地影响了生态环境安全，并间接造成工商农业生产能力的下降，所以建立国土空间生态环境动态监测体系，对于我国未来可持续发展十分必要[18，19]。王桥等人在2020年指出目前我国生态环境监测重点关注城镇污染气体协同监测、水体水质协同监测、城镇生态环境协同监测三个方面[19]。 城市污染气体监测主要利用的是各类气体浓度反演技术，以及多轴差分吸收光谱等，水体水质的监测主要是卫星监测黑臭水体分布和水体叶绿素a浓度等，城市生态资源监测主要关注的是遥感卫星图上绿地、森林资源分布与数量，土壤污染和城镇废弃物的识别与监测[19]。

自然灾害防治与预警主要目的是降低地质灾害对社会经济的影响，维护社会的稳定，它是国土空间监测另一重要的应用领域。目前我国的地质灾害遥感监测主要包括岩土位移监测、土地退化和荒漠化监测、地面变形监测、地震遥感应急调查和监测等四个方面。现代地质灾害防治研究领域所应用的遥感技术主要由光学遥感技术和微波遥感技术两大部分构成，其中光学遥感卫星通过分析成像光谱仪收集到上百个非常窄的光谱波段信息，形成高光谱分辨率的卫星图像进行地质灾害分析工作[20]。高空间分辨率可以使技术人员更加清晰的分辨地面上物体的轮廓，提高目测解译精度；微波遥感技术可以通过微波监测地表微弱的地表形变，并且可以穿透云层，做到全天时监测[20]。通常情况下，地质灾害大多具有非常明显的形态特征，具体表现为地块附近的岩石和地表特征与周边地块存在明显的色调差异和纹理区别，根据这些特征，可以使用遥感图像对地质灾害潜在地区进行识别，并配合地面调查形成地质灾害防治与预警地图[20]。

国土空间监测应用的基本理论与应用领域息息相关，但是从本质上来讲，均是在相关领域建立了一整套以遥感数据为基础的空间监测评判体系，而应用领域未来的拓展则取决于遥感数据获取地表辐射的精度与广度，以及新领域的监测评判体系开发。

3 国土空间监测应用

国土空间监测对于我国更好的利用土地资源、自然资源具有重要意义，国土空间监测的基础理论作为框架，国土空间监测的技术理论作为支持，国土空间监测的应用理论为实践指导，我国开展了众多国土空间监测的理论实践。根据自然资源部卫星遥感应用报告（2019），目前国土空间监测主要应用包括：服务国家重点战略实施、保障自然资源调查监测管理、支持重大专项工程监测和省级卫星应用，这些应用与我国经济发展高度相关，为我国社会经济发展决策提供了有力的数据支持。

全国土地调查是土地利用监测最重要的实践应用，也是目前与我国经济社会发展联系最紧密的一个部分。王旁勇在2020年指出全国土地调查主要关注的是土地的社会属性，即人类对土地的直接利用方式和目的意图[21]。赵爱军提出开展全国土地调查的目的是为了调查国土空间的利用现状，掌握真实有效的土地利用情况与分类数据，在满足社会经济发展的同时，最大程度的保护土地资源，提高土地资源利用率[22]。

全国土地调查的数据源主要为数字正射影像图，数据的精度为农村地区要求高于1m 分辨率的遥感数据，城市地区要求高于0.2m分辨率的遥感数据，同时要求200m2以上的建筑用地、400m2以上的农用地、600m2以上的其他地类均需标注和上图[23]。胡云华等人总结出：全国土地调查所建立的土地利用数据库重点关注的是不同地块的地类差别，以及其统计学属性，如面积的大小与多少[23]。王旁勇总结全国土地调查主要关注土地的三个方面，第一是土地利用现状的调查，第二是土地权属调查、第三是特殊用地调查，县是土地利用数据的基本调查单位[21]。土地利用现状调查内容包括每个地块图斑的地类属性、位置、面积等实际用地信息，土地权属调查则是在土地利用调查的基础上，针对每个地块图斑进行权属调查，专项用地调查是对各类专项用地的实际使用情况的精细化调查，主要包括耕地细化调查、永久基础农田调查、耕地质量等级调查等多个方面[21]。全国土地调查每十年一次，它的作用更像是对我国土地资源的整体调查，了解我国各类土地的具体数量，进行更为精细化的管理，而对于土地利用变化的监测则需要国情普查。

地理国情普查监测是另一个重要的土地利用监测，它的更新频率更高。马万钟,杜清运等人指出地表覆盖物调查关注的是地理国情要素的变化情况，更加注重的是地表各类地物自然经济属性的分析，所以关注更多的是土地的经济属性[24]。马万钟,杜清运等人进一步指出地理国情要素相较于土地调查数据要素更为丰富，监测的内容包括三个方面：第一是重点关注地表覆盖物经济属性的地物分类，第二是与社会经济明显相关的空间范围及边界、具有独立监测和统计分类意义的重要地物等为代表的重要要素信息，第三是反映地表地形与地势的地表形态数据。根据这三类主要内容，地理国情要素大体可分为三个大类，包括自然环境要素、产业经济要素和社会人文要素，其中最重要的是产业经济要素，它将自然要素和社会人文要素相连接，囊括了产业结构、生产力布局、产业发展状态和特色产业等内容[24]。马万钟等人同时指出，地表覆盖物监测相较于土地分类，更注重实效性，所以更新的频率也更高。

全国土地教程和国情普查均是利用正射影像图图斑地块，辅助全球定位系统，对数据每一个地块进行调查，所不同的是国情普查更新频率为一年，还可以针对每一个地块进行对比，发现土地利用的变化，差异变化主要体现在图像颜色变化、内部纹理、内部图像形状等，通过这些信息初步判断，配合外业调查进行核准确认，就能够判断出每一个地块的变化情况[17，24]。土地的变化情况在数据层面可以进行定性和定量的分析，其中定性的分析是土地利用性质的变化，如由农用地变为建设用地，定量的分析是指相同种类用地类型内部数量的变化，如城市建成区的土地建成率等[17]。

利用土地利用的变化可以被监测这一特性，我国国土空间监测的应用在这一领域进行了很多成果的尝试，如针对某一土地利用变化进行调查，或某一领域的土地利用变化调查等。在单一土地利用变化方面，我国进行了全国红树林遥感监测，全国自然湖泊遥感监测、全国大棚遥感监测、全国高尔夫球场遥感监测等项目，这些项目为某一单一土地利用的调查和研究提供了基础数据[25]。针对某一特定领域的项目同样重点，如针对国土空间生态修复的要求，我国开展了“全国矿山环境恢复治理状况遥感地质调查与监测”项目，重点监测我国各地废弃露天矿山的情况，部署生态修复工作，并监测生态修复对这些地区的地表覆盖物的影响。针对集约化用地开发利用监测需求，我国开展了低效用地、限制土地、住宅用地等监测工作，为提升土地利用治理提供基础性数据支持[25]（图1）。

图 1矿山开采活动遥感监测

各省也针对省内的实际需求进行了土地利用监测方面的尝试，如广东省将监测更新的频率上升到了每季，进行了季度土地矿产遥感监测。宁夏省针对矿山越界开采问题，利用高分二号影像数据，开展了露天矿山越界开采监管。青海省利用最新的国产卫星数据，组织开展了黄河流域林地草地动态变化的监测项目，发现了黄河流域内部存在的生态脆弱区及一系列其他生态问题，为生态治理提供了有力的数据支持[25]。

国土空间监测应用最为广泛和成熟的领域是土地利用方面的监测，它所利用的遥感数据数量多、质量相对较低，被广泛应用于国土空间监测的各个领域。除了这一领域外，我国在自然环境监测，地质灾害防治遥感应用、海洋遥感等方面也有一定的实践。其中自然环境监测关注的是自然资源中“质量-生态”管控要求，主要通过遥感卫星，收集地表物体高光谱的信息，开展更为精细的地物分类、植被监测工作。目前该项监测已经完成了全国六大重点生态功能区及生态敏感脆弱区生态质量状态要素的遥感监测与变化分析，为重点生态区、大江大河的系统性保护与治理提供了科学可靠的技术支持。而地质灾害防治遥感应用监测则主要应用于地质灾害潜在地区的识别与确定上，目前我国开展了全国地质灾害高易发区121万km2SAR数据标准化预处理，并已经完成了部分地区地质灾害隐患工作的识别工作。海洋遥感领域，我国已经完成了海洋基础数据的更新，并开展了海洋生态环境监测，进行了海洋防灾减灾监测，为我国开发海洋资源提供了有力的数据支持[25]。

结论与展望

国土空间监测以地球空间信息科学为基础，利用全球导航卫星系统（GNSS）技术，航空航天遥感（RS）技术，地理信息系统（GIS）技术等地理信息的技术科学，收集地表物体的辐射信息，形成地理信息数据，储存于地理信息数据库内，并结合国土空间的应用理论，完成对国土空间的动态监测。

新时期卫星遥感技术已经广泛的应用于全国土地调查、国情普查等与我国社会经济发展息息相关的领域，并逐步向环境监测、地质灾害防治遥感应用、海洋遥感等更加细分的领域发展，可以预见基于卫星遥感技术的国土空间监测的应用将进一步扩大并为我国更好的利用土地资源、自然资源提供有力的数据支持。

自然资源部于2019年5月23日发布《中共中央国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》，明确指出建设国土空间规划体系并监督实施，将主体功能区规划、土地利用规划、城乡规划等空间规划融合为统一的国土空间规划，实现“多规合一”。未来基于卫星遥感的国土空间监测将为国土空间规划体系的建设与实施提供更为准确的国土空间信息，并通过卫星遥感数据的及时更新，帮助规划部门更快的掌握国土空间的变化信息，这些信息不仅可以作为国土空间规划制定的有效数据支撑，也可以更好的监督规划的实施情况，可以说基于卫星遥感的国土空间监测将在我国国土空间体系中，起到越来越重要的作用。

图片来源

图1：自然资源部2019年卫星遥感应用报告。