无锡市锡山区自然资源“星地一体化”监测体系的建设探究

李 胤,宋 珂,戎 欣

（1.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018；2.自然资源江苏省卫星应用技术中心，江苏 南京 210018）

0 引言

2018年,随着新一轮党和国家机构改革方案落地和实施,国务院及各级地方政府自上而下成立了新的自然资源管理机构,秉承“山水林田湖草是一个生命共同体”的重要思想,将原来分散在国土、发改、住建、水利、农业、林业、海洋、测绘等多个政府部门的相关职责进行了整合,全面行使“两统一、六方面”职责[1]。自然资源监测是自然资源管理工作中重要的基础性工作[2-4],卫星遥感技术具有宏观、直观、客观、快速、大范围、综合地进行动态观测的能力,已成为一种周期性的快速了解区域自然资源演化的高新技术手段[5]。通过卫星遥感技术对各类自然资源利用及变化状况开展持续监测,掌握自然资源现状及其动态变化规律是有效保护、管理自然资源的必要前提,作为事中、事后监管的有效手段,是自然资源管理不可或缺的抓手。

依托卫星遥感技术能够快速发现自然资源现状变化,通过AI学习等方法构建高效的自然资源分类与变化图斑的自动提取技术,基于自然资源全要素月度遥感监测成果,结合自然资源审批管理层数据对区域自然资源进行全天候的管控,以此为基础开展自然资源全要素月度遥感监测业务化工作,与“慧眼守土”、实地调查相结合形成可复制、可推广的“星地一体化”监测业务流程和技术方法,创新自然资源监测和管理的模式。

1 总体思路

“山水林田湖草”自然资源统一监测,是国家生态文明建设和自然资源部履行“两统一”职责的重要落脚点[6]。随着遥感卫星影像获取能力和周期的增强,大数据、互联网和地理信息技术的迅猛发展,亟须通过技术手段构建自然资源监测监管体系,提升自然资源监测能力。

充分利用现代测量、信息网络以及空间探测等技术手段,构建起“星地一体化”的自然资源保护与利用监测技术体系,实现对自然资源全要素、全流程、全覆盖的现代化监管。其中：“天”,是指利用卫星遥感等航天飞行平台,搭载可见光、红外、高光谱、雷达等探测器,实现月度影像覆盖和数据获取,支持自然资源月度全要素遥感监测。“地”,是利用遍布全区的125个摄像头,对遥感影像发现的“两违”行为以及供地建设情况实施全方位、多角度实时实景视频监管,并对重点区域基于移动GIS技术,借助平板、手机、测量工具等设备进行实地核查。最后,通过建立集全要素监测图斑、自然资源管理数据、影像、“慧眼守土”摄像头、综合化业务监管为一体的自然资源遥感动态监测监管系统,实现数据管理、数据展示、数据分析、执法督查、批后监管、耕地保护、季度土地现状调查等的信息化集成,开展自然资源全域、全业务、全流程的监测监管。

2 锡山区“星地一体化”监测技术体系构建

利用全覆盖、多频次、高分辨率卫星影像数据基础和快速、高效、智能化遥感解译技术优势,结合锡山分局基于“慧眼守土”系统开发的智能视频监测探头,将3S（RS,GIS,GPS）技术和3A（AI,AR,AIoT）技术深度融合,实现“全域+实时”监测,构建“星地一体”自然资源智慧监测体系（见图1）,探索从遥感提取、综合分析、按月度推送,到实时监控、智能识别、所见即所得的自然资源“星地一体化”监测新模式,构建“科技驱动、精准治理”的自然资源监管新机制。

图1 “星地一体”自然资源智慧监测体系构建

本文以无锡市锡山区为例,采用“星地一体化”监测方法,综合运用卫星遥感监测、“慧眼守土”摄像头、地面实地调查的技术手段,对无锡市锡山区进行月度全要素遥感监测,监测成果通过自然资源遥感动态监测监管系统自动推送调查监测、开发利用、执法监察、耕保管制各个科室,显著提升事中事后自然资源监管水平,为自然资源管理部门建立科学、合理、可操作的监测监管体系提供解决方案。

2.1 遥感监测体系

在统一的地理坐标系下,将前、后两个月的卫星影像经处理后进行叠加对比,利用面向对象、机器学习以及人机交互等遥感解译技术,尽可能全面地提取地表覆盖变化情况,分析全要素变化图斑的位置、面积、变化时间、变化类型等属性。结合自然资源管理需求和业务矢量数据,梳理、分析、选取、加工成不同业务处室所需的信息,提供给各业务科室,实现对自然资源的月度监测监管。

2.2.1 遥感数据处理

（1）数据源。由于锡山区夏季云雨多,单一卫星难以在保证遥感影像质量的基础上覆盖全部监测区域,在实际工作中需要依据影像的质量要求、覆盖范围以及数据成本等方面综合考虑多种影像数据,确定最佳的影像组合：以高分二号、高分七号卫星影像为主,以高分一号、高分六号、资源三号卫星、Planet小卫星星群等影像为辅。

（2）正射校正。采用GPS实测控制点,或从高于待纠正影像分辨率与成图比例尺的DOM、地形图等基础控制数据上采集明显的地物特征点为控制点,采用有理函数模型,对原始影像进行正射校正。纠正后的影像相对控制底图相对误差应控制在：当影像图与控制底图采样间隔均≤1 m时,平地、丘陵控制在2倍采样间隔内,山地、高山地控制在8倍采样间隔内；当影像图与基础底图采样间隔至少有一种＞1 m时,平地、丘陵控制在2倍采样间隔内,山地、高山地控制在4倍采样间隔内（采样间隔值取两者较大者）。

（3）匀色裁切。通过正射、融合、匀色、镶嵌、裁切,制作锡山区月度一版图DOM,坐标系统为国家2000坐标系,GeoTIFF格式。DOM保持纹理清晰,色调均匀,反差适中,彩色影像模拟自然真彩色,光谱信息丰富,能准确反映自然资源利用特征[7]。

2.1.2 全要素变化图斑提取

通过了解锡山区的自然地理概况,以及遥感影像的成像方式,建立监测区感兴趣地类的影像解译标志。建立地类解译标志时,首先采用归类对比法,分析同一地类在不同影像分辨率、不同波段合成、不同季节及不同区域所呈现的色调、颜色及纹理特征,然后采用典型样本提取法,提取典型地类影像的解译样本,并建立大规模训练样本和测试样本数据,支撑基于深度学习等技术的遥感影像智能分类[8]。然后,在统一的地理坐标系下,以前一月度遥感正射影像图为前时相,通过前、后时相遥感影像图对比,依据遥感影像纹理与光谱差异特征,采用人工智能、云计算等先进技术,对变化信息进行智能化提取,通过人机交互识别相结合的方法,对比发现、综合发现,提取自然资源全要素变化图斑,获取变化图斑的位置、形状、面积、变化时间、变化类型等属性。

因变化信息实际存在的各种不确定性,需要采用多种信息提取技术相结合的方法,以达到相互验证和补充,最大限度地避免或减少误提和漏提的发生,采用计算机自动方法与人机交互提取方法相结合的方法来提高结果精度。对城乡结合部、工矿和开发区周边、交通线与河流两侧、村镇、机场、度假区等建设用地扩展迅速的区域,交叉复检,实行严格的质量检查。

2.1.3 业务综合分析

运用GIS空间分析技术,将卫星遥感监测提取的自然资源全要素变化图斑与自然资源管理部门数据库中的“批供用补查”数据进行叠加分析和属性分类,针对土地执法监察、土地批后监管、耕地和基本农田保护、土地利用现状更新调查、林业监管等自然资源管理业务类型,形成月度土地违法监测图斑、月度土地批供用监测图斑、月度耕地和基本农田监测图斑等卫星遥感监测产品。通过卫星遥感监测信息平台分类推送给相应的处（科）室使用,并与自然资源“一张图”完全套合,按月度向基层工作人员提供及时、直观、全面、准确的监测监管信息。

2.2 星地融合监管体系

基于遍布锡山全区的125个“慧眼守土”视频监测探头（部分地区已升级为智能探头）,利用“AIoT”（人工智能物联网）技术,将视频监测探头与卫星遥感监测平台进行互联互通,使视频监测探头可以实时接收卫星影像信息、变化图斑信息和遥感监测分析信息等数据,针对疑似违法图斑等重点监测目标,调用距离最近的视频监测探头自动旋转对焦至该位置,实时查看附近的实际情况,并能对重点监测目标进行持续跟踪监测,时刻关注重点区域变化发展情况（见图2）。智能视频监测探头可采用深度学习等人工智能算法,对视频中出现的疑似违法行为进行自动识别和预警,进行7×24小时全天候自动巡查,有效抑制特定违法行为的发生,做到“早发现、早制止、早查处”,并能与卫星遥感监测结果相互验证、互为补充,增加两种监测结果的准确性,减轻基层执法监督人员的工作压力。

图2 三维监控视频画面准确对应二维卫星影像位置

3 结语

无锡市锡山区自然资源“星地一体化”监测综合运用大数据、人工智能等新技术,融合3S、智能识别、视频监控等前沿技术,构筑“天上看、地上查、视频探、网上管”的自然资源综合监测监管体系,实现了面向自然资源的主动与智能服务,形成内外业一体化、动态静态一体化、监管巡查反馈一体化的技术体系,为自然资源常态化监测监管提供了技术保障。下一步,将在卫星遥感与自然资源管理深度融合、自动智能遥感信息提取、多源监测方式复合协同作用等方面进行深入研究,持续提升自然资源管理和辅助决策的现代化水平。