天空地网一体化技术服务自然资源调查监测

谢鸣，任建福，李新东，杨郑贝

（1.广西壮族自治区自然资源调查监测院，广西 南宁 530023）

一直以来我国的自然资源调查监测工作存在调查内容彼此交叉、调查指标相互掣肘、调查部门相对分散、地物认定不一致和名词概念互不统一等问题，制定的相关技术体系、标准、规范衔接转换难，成果不能共享，难以构建“一张底版”，直接影响了各类自然资源管理职责的履行[1]。自然资源部高度重视自然资源统一调查监测的基础性和重要性，将其视为履行“两统一”职责的重要支撑。为加快建立自然资源统一调查、监测、评价制度，自然资源部加强顶层设计，围绕支撑生态文明建设，研究构建了统一的自然资源调查监测体系，制定出台了《自然资源调查监测体系构建总体方案》，从法规制度、标准、技术和质量管理4个方面开展自然资源调查监测业务体系建设，明确应综合利用遥感、无人机、地面仪器设备和“互联网+”等先进观测与量测技术，构建天空地网一体化的自然资源调查监测技术体系，大幅提升自然资源调查的工作效率，实现对自然资源全要素、全流程、全覆盖的现代化监管。

1 在自然资源调查监测领域的应用现状

1.1 基于遥感技术的应用现状

遥感技术以其信息量大、自动化程度高（分类主要靠计算机）、获取速度快、范围广、周期性强等优势，现已成为自然资源调查监测数据获取最直接的手段。利用遥感影像进行自然资源地表覆盖调查由来已久，尤其是高分辨率遥感影像产生后，可利用遥感影像人工目视解译或与旧时相自然资源调查数据叠加对比分析发现变化区域，其在自然资源调查中的作用越来越重要[2]。由于人工目视解译遥感影像的效率较低，因此利用遥感影像自动提取地物进行分类的研究越来越多，目前主要的分类方法包括随机森林法、支持向量机和深度学习网络[3-4]，都是通过分割遥感图像，选取训练样本，优化模型参数，进而得到最佳分类结果。随着高分辨率和高光谱遥感影像数据的融合应用研究成为常态，影像融合技术越来越成熟[5-7]，通过遥感影像自动提取地物进行分类的精度越来越高，以遥感数据为数据源可提取的信息逐渐增多[8]，准确度逐渐提高；但在遥感高精度分类研究中，特别是面对大区域地表分类时，由于地表情况复杂、地物光谱多样性突出，具体处理时往往难以实现高精度的地物识别。

1.2 基于无人机的应用现状

相较于其他测量手段，无人机航摄系统获取影像具有时效性强、机动灵活、响应迅速、分辨率高、成本低廉等优点。第三次国土调查利用无人机外业举证，大大提高了工作效率和核查准确性。与传统航空摄影相比，倾斜摄影弥补了垂直摄影的不足，具有高重叠率、获取数据速度快、周期短等特点，可从多个视角倾斜成像，观测地物每个立面的纹理特征和结构特征，尽量减少视觉盲点，从而获得更加全面的地物信息。无人机倾斜摄影测量技术可高效获取局部区域最佳的自然资源三维模型和正射影像，并以三维的形式对自然资源数据进行展示，更好地管理与应用自然资源调查监测数据[9]。在林业调查中，利用无人机影像结合九棵树的样地调查方式与实测数据对比的精度明显优于利用遥感影像的方式对森林信息提取数据的精度[10]。

1.3 基于地面仪器设备的应用现状

中海达同时融合了多种传感器，开发了多种半自动化数据提取工具，研发了HiScan-SLAM室内移动测量系统，可用于无GNSS信号的城市地下空间信息获取与成图[11]。征图三维将POS系统、激光扫描仪、GNSS卫星导航系统、全景相机等传感器集成于一体，推出了SZT-R1400车船载一体化移动测量系统，可应用于土地资源、水资源的调查监测。四维远见公司的SSW车载激光建模测量系统集成了IMU、国产360°激光扫描仪、GPS、转台、CCD相机、里程计（DMI）等多种传感器，其后处理软件SWDY点云工作站可利用语义识别技术进行地物要素的自动提取与分割，可用于道路测量、水上测量、地籍测量等自然资源要素调查与监测。吴宗胜[12]利用室外移动机器人，基于深度学习进行城市道路的场景理解，可用于自然资源中城市道路要素的检测。农业机器人移动平台主要应用于环境复杂的农田场景中，可有针对性地对农用地、林业用地进行调查与监测[13]。

1.4 基于互联网的应用现状

近年来，国内许多应用单位基于互联网，构建了基于云的内外业协同作业框架。内业数据处理客户端依托于电脑桌面，可根据需要随时将更新的成果提交到服务，也可随时更新最新的自然资源信息，以保证资源的现势性。外业在线调查App前端主要负责图斑和属性数据的采集与实时回传，并接收来自外业管理与调度Web端的任务分发与调度。庄晓东[14]等开发了基于iPad的地理国情普查外业调绘核查系统，其轨迹实时回传和在线监控等功能促进了地理国情普查外业调查与核查工作的项目化统一管理。曾钰[15]等利用“互联网+”土地外业调查技术设计并开发了外业调查与核查系统，已广泛应用于第三次国土调查、农村乱占耕地建房专项整治以及违法用地检查等工作中。李发红[16]等利用“互联网+”技术研发了一款集外业核查网上举证、督察业务数据存储、统计汇总、报表输出、比对分析于一体的自然资源数字督察系统，已实现在整个西北地区自然资源督察中的高效应用。

2 服务自然资源调查监测方向分析

广西作为自然资源部选取的自然资源调查监测技术体系构建首批试点之一，目前以阳朔县为试点，编制了广西地方标准《广西自然资源调查监测分类标准》和《广西壮族自治区自然资源调查监测试点数据库标准》，采用多源异构数据分析技术开展了自然资源数据融合研究，并以自然资源广西卫星应用技术中心、国家应急测绘保障南宁基地彩虹四无人机系统、广西壮族自治区自然资源调查监测院等技术队伍以及“互联网+地理信息”内外业协同系统为基础进行了天空地网一体化数据获取技术初探，提出了“天空地网人”的概念，构建了广西自然资源调查监测体系。将自然资源部门相关技术人员、村干部以及其他相关社会人员接入调查监测系统平台，定期上报设施农用地、农民建房、违法采矿以及违法用地等情况。为解决遥感观测网天空地互不关联、广域范围立体观测精度低、人工目视解译效率低和复杂环境监测难度大的问题，结合实际工作经验，可从以下4个方面提升天空地网一体化技术的服务能力。

2.1 观测数据虚拟服务中心构建技术

此前天基、空基、地基的遥感观测网络各自独立发展，甚至网络内部也互不关联，还有物联网和泛在智能传感网的加入，使得数据类型和格式千差万别，导致数据耦合和综合利用难度加大，因此需完善天空地一体化遥感观测网[17]。天空地一体化的自然资源实时化监测对遥感数据的按需服务能力提出了更高的要求，需要进一步探究多源监测数据整合体系建设方法，对卫星遥感数据、无人机监测数据等多源数据进行统一组织整合。针对目前对地观测遥感卫星资源无法满足自然资源实时化调查监测需求的难题，研究全网络遥感数据接口标准、多级产品规范；研究多源遥感数据、长时间序列的分布式组织、管理与云存储技术，建立全网络遥感数据库；突破全网络遥感数据接入、自适应筛选等技术，开发空间数据搜索引擎，实现数据的实时接入与快速检索；研究多源、多级、多时相PB级卫星遥感数据流水线快速生产技术与系统；打造卫星遥感数据近实时化按需生产、打包、分发的站点服务能力，建立虚拟地面站，实现卫星数据资源的整合管理、生产与端对端分发服务。

2.2 多源卫星精细化立体观测技术

2019年高分七号卫星的发射，标志着我国进入民用亚米级高分辨率立体测绘新时代，其空间分辨率可达0.65 m。根据国家空间基础设施规划，2015—2025年我国将陆续发射多颗测绘卫星，逐步构建系列比例尺光学测绘卫星星座，未来我国的高分辨率卫星立体测绘成像模式将越来越丰富[18]。针对自然资源监测监管业务需求，研究多源卫星遥感协同观测技术，构建自然资源调查监测虚拟卫星星座，统筹多类型卫星遥感数据资源，实现卫星遥感数据的按需即时获取；研究高分辨率光学立体成像技术、高光谱卫星辐射与光谱标定技术、国产化SAR高精度干涉测量技术、小光斑激光测高技术等关键技术，研制了辐射一致、全国无缝覆盖的高分辨率卫星遥感多维“一张图”产品，构建多源多载荷高度集成化的影像与基础信息产品生产系统，为构建统一时空基准下的自然资源三维时空数据库以及自然资源全天时、全天候、全要素、全覆盖的高频次、大范围、精细化立体监测提供充分的数据和基础信息产品保障。

2.3 高分辨率多光谱遥感自动化调查技术

云计算和大数据的发展，解决了海量遥感数据处理问题。将多时相多源遥感数据应用于地物变化检测由研究设想转入应用，如何自动绘制变化图斑的准确边界，是下一步研究的方向[19]。目前通过三调等项目已获得准确的自然资源分布图斑，在较短时间内只有较少的要素类别发生变化；且三调图斑可为影像分类提供较准确的分割边界和大量的分类样本，有利于提高变化要素的分类精度。因此，充分利用三调土地利用矢量数据和多时相遥感影像，将变化检测方法与影像分类方法相结合，建立自然资源自动化调查技术方法。首先通过多源数据对土地利用变化进行自动检测；再根据前时相土地利用数据得到后时相像素级训练样本，自动进行像素级影像分类；最后对比前时相土地利用数据和后时相分类结果，自动发现变化区域。对前后两时相影像作MAD变换，再通过MAD变换影像自动设置阈值去除伪变化，最后对变化区域进行面向对象的分类，确定变化区域的类别，该过程中将土地利用数据的矢量边界作为面向对象分类过程中的边界先验约束，可提高影像分割的效果；同时利用稳定区域矢量图斑类别自动获得大量分类样本，基于最近邻方法确定变化区域图斑的新类别。

2.4 无人机自主在线信息处理技术

针对无人机自主导航与载荷滞后于自然资源调查监测需求的问题，研究自主导航系统、高光谱仪、激光雷达、轻小型极化SAR等高性能无人机的新型传感器，提升复杂环境下无人机调查监测数据的保障能力；研究无人机飞行安全管控与实时调度技术、无人机集群智能航线规划与实时调度平台，建立多网融合的无人机遥感数据实时在线远程快速传输网络，实现自然资源开发利用与管理的无人机自组网在线监测；突破飞行监测机器人自主导航、自主感知、自主监测等关键技术。将卫星导航、惯性导航、SLAM（视觉、激光）导航、基站导航等技术进行柔性融合，实现不完全依赖外源导航信号的三维路径规划。利用激光雷达、多视相机等多源场景数据，自主进行场景重建；研究高性能在线变化检测算法，实现无人机自主在线监测。

3 服务自然资源调查监测面临的挑战

天空地网一体化技术作为自然资源调查监测数据获取的主要手段，随着技术的发展，在应用上也存在着挑战。

1）统一时空基准。GNSS技术统一了全球平面位置基准，但无法解决陆海高程基准统一以及区域高程基准和全球高程基准间的统一问题。以精密数字高程基准（大地水准面）为基础，构建中国陆海高程基准并实现与全球高程基准的统一，这是时空基准统一的核心。

2）遥感影像实时化获取。高分国产遥感系列卫星在时间分辨率、空间分辨率、观测波段和成像模式等方面的优势和适应性各有不同，面对自然资源各要素监测不同时空尺度的应用需求，需要相互协同观测，以充分发挥各自的优势，实现优势互补。广西自然天气变化多样，遥感影像获取窗口期较短，在一定程度上给广西天空地网一体化建设造成了极大困难。

3）新型航空遥感监测高端装备研究。面向自然资源全天候、动态化、定量化、服务空间范围区域化的监测需求，研究自然资源全要素与近、短、中、长波红外的波谱响应特性以及机载多波段红外成像系统，分析自然资源全要素的多波段极化响应特性，突破极化SAR图像分类技术，研制机载高分辨率多极化SAR成像系统，解决自然资源调查监测中的“看不准”问题。

4 结语

本文阐述了遥感、无人机、地面仪器设备以及“互联网+”在自然资源调查监测数据获取方面的应用现状。为提升自然资源调查监测的效率和水平，自然资源调查监测数据获取向自动化、智能化方向发展，实现“数量—质量—生态”三位一体的自然资源监测。结合历年自然资源相关项目经验，本文提出了天空地网一体化技术的应用方向。同时，应顾及时空基准统一、遥感影像实时化获取、新型航空遥感监测高端装备研究等问题，从而更好地为自然资源调查监测提供技术支撑和数据保障。