國產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)在自然資源遙感監(jiān)測中的應(yīng)用

文|尤淑撐 何蕓 劉愛霞 甘宇航 張濤 杜磊 劉克

自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心

一、前言

自然資源是人類賴以生存的生命之源，黨的十九屆四中全會強調(diào)要求“加快建立自然資源統(tǒng)一調(diào)查、評價、監(jiān)測制度，健全自然資源監(jiān)管體制”，標志著生態(tài)文明建設(shè)已由理性認識走向量化實踐、由分類管理走向體系治理。如何及時掌握我國自然資源現(xiàn)狀，以滿足生態(tài)文明建設(shè)、自然資源保護和自然資源調(diào)查監(jiān)測，實現(xiàn)自然資源管理、統(tǒng)一確權(quán)登記的需要，是當前面臨的重大問題。

衛(wèi)星遙感監(jiān)測作為一項重要的技術(shù)手段，可以快速、高效、客觀、準確地獲取自然資源開發(fā)利用情況。近年來，國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)有效獲取能力和分辨能力大幅提升，目前在軌可供利用的國產(chǎn)高分遙感衛(wèi)星有20余顆，2m級影像基本實現(xiàn)全國季度有效覆蓋，北方地區(qū)可實現(xiàn)月度或雙月有效覆蓋，亞米級光學衛(wèi)星年數(shù)據(jù)可實現(xiàn)年度有效覆蓋，為自然資源遙感監(jiān)測能力提升提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。隨著國產(chǎn)衛(wèi)星快速發(fā)展和新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，自然資源衛(wèi)星遙感監(jiān)測呈現(xiàn)出以下特點：一是監(jiān)測頻次不斷提升，隨著深度學習等人工智能技術(shù)的突破和流程優(yōu)化，從過去每年一次全覆蓋監(jiān)測，到“季度+年度”監(jiān)測為主，再到“月清、季核、年度評估”，為地方自然資源監(jiān)管提供及時有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。二是自然資源調(diào)查由二維平面監(jiān)測向三維立體監(jiān)測層面轉(zhuǎn)變，水體、冰川等地物類型在面積、分布范圍調(diào)查基礎(chǔ)上，進一步開展儲量等方面研究。通過對湖泊、冰川進行三維監(jiān)測，掌握水量相對變化，為水資源變化狀況及調(diào)控、生態(tài)安全屏障建設(shè)提供信息支持。三是多源多載荷數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，國產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)類型逐步多樣化，協(xié)同利用多光譜、高光譜、合成孔徑雷達（SAR）、激光等不同傳感器類型數(shù)據(jù)源已經(jīng)成為未來應(yīng)用發(fā)展的主要趨勢之一。

自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心圍繞自然資源部“兩統(tǒng)一”職責履行，面向生態(tài)修復、資源調(diào)查、衛(wèi)片執(zhí)法等業(yè)務(wù)需求，提出了全國季度性監(jiān)測、重點區(qū)域月度監(jiān)測、特定目標即時監(jiān)測的自然資源衛(wèi)星遙感監(jiān)測體系，全面提升了全天時、全天候、全要素、多源多尺度監(jiān)測能力。本文對國產(chǎn)衛(wèi)星在自然資源遙感監(jiān)測中的應(yīng)用進行了分析，并展望了未來發(fā)展方向。

二、監(jiān)測技術(shù)與方法

自然資源遙感監(jiān)測工作主要發(fā)揮國產(chǎn)衛(wèi)星優(yōu)勢，利用優(yōu)于2m影像，針對全國范圍自然資源全要素，以全覆蓋季度遙感監(jiān)測、重點區(qū)域月度遙感監(jiān)測、重點目標即時遙感監(jiān)測為主要目標，構(gòu)建監(jiān)測技術(shù)流程和方法體系。自然資源遙感監(jiān)測技術(shù)主要采用深度學習等人工智能技術(shù)，研發(fā)影像自動處理、監(jiān)測信息自動提取、成果質(zhì)檢等監(jiān)測方法，構(gòu)建傳感器校正影像產(chǎn)品生產(chǎn)、正射影像生產(chǎn)、監(jiān)測信息自動提取、人工處理、監(jiān)測成果建庫等監(jiān)測流程（圖1），實現(xiàn)自然資源現(xiàn)狀信息提取和變化監(jiān)測的系統(tǒng)化運行。

圖1 自然資源遙感監(jiān)測技術(shù)流程

1）影像統(tǒng)籌。針對自然資源監(jiān)測監(jiān)管業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建自然資源調(diào)查監(jiān)測虛擬衛(wèi)星星座。以任務(wù)為導向，整合衛(wèi)星資源和監(jiān)測需求，統(tǒng)籌制定多顆衛(wèi)星拍攝計劃，合理安排在軌衛(wèi)星對地觀測角度，實現(xiàn)多源影像的全國有效覆蓋。

2）正射影像生產(chǎn)。采用有理多項式（RFM）幾何成像模型構(gòu)建及穩(wěn)健計算技術(shù)、大范圍區(qū)域稀少或無地面控制衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)、基于高速網(wǎng)絡(luò)的集群分布式遙感影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，實現(xiàn)正射影像產(chǎn)品規(guī)?；⒆詣踊a(chǎn)。按照有效影像數(shù)據(jù)當日接收當日處理要求，建立從自動云判、傳感器校正產(chǎn)品生產(chǎn)、正射影像糾正、融合、流程化質(zhì)檢全鏈條過程作業(yè)，保障自然資源常態(tài)化及應(yīng)急監(jiān)測需求。

3）監(jiān)測信息自動提取。充分利用高分辨率、多角度、多模式的光學、高光譜、雷達等多源遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于典型自然資源類型在不同時相、尺度、空間分辨率影像上的光譜、紋理、形狀及幾何拓撲、空間關(guān)系等特征，構(gòu)建了多類要素的自動提取規(guī)則和樣本庫，并建立自動提取任務(wù)，對各類要素現(xiàn)狀及變化信息實現(xiàn)自動提取。

4）監(jiān)測信息處理。對各自動提取結(jié)果進行核實和查漏補缺，完善相關(guān)屬性信息。各監(jiān)測要素具體處理內(nèi)容有：土地利用變化監(jiān)測要素主要包括地類信息和地表覆蓋信息等；耕地變化信息包括農(nóng)作物類型和土地利用狀況信息；水資源監(jiān)測包括冰川積雪、地表水面變化等信息；林草濕資源監(jiān)測包括林草濕資源數(shù)量（面積、蓄積量）、種類（森林類型、植被類型、樹種等）、質(zhì)量（郁閉度/覆蓋度等）以及功能（林種、生物量等）等信息。

5）監(jiān)測成果建庫。采用面向?qū)ο蠓椒ê蚒ML統(tǒng)一建模語言，通過對各類監(jiān)測信息產(chǎn)品及統(tǒng)計分析成果數(shù)據(jù)等進行批量檢查、對象化處理、數(shù)據(jù)入庫以及關(guān)聯(lián)關(guān)系建立等系列處理后，構(gòu)建時空基準統(tǒng)一、屬性指標協(xié)調(diào)一致的自然資源長時間序列遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。對監(jiān)測產(chǎn)品按空間范圍或時間維度進行合并整理，完成全國季度性遙感監(jiān)測產(chǎn)品、全國地表水資源監(jiān)測產(chǎn)品、冰川監(jiān)測產(chǎn)品、紅樹林監(jiān)測產(chǎn)品、耕地“非農(nóng)化”“非糧化”監(jiān)測產(chǎn)品等成果入庫。

6）監(jiān)測成果應(yīng)用。采用海量衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)高時效自動處理分發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)資源在線即時共享和高效利用。通過自然資源遙感云服務(wù)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)當天上云、當天下發(fā)，提高數(shù)據(jù)共享時效性，實現(xiàn)云環(huán)境下衛(wèi)星監(jiān)測產(chǎn)品“7×24”小時不間斷持續(xù)穩(wěn)定推送和深度應(yīng)用。

三、典型應(yīng)用

利用國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，先后開展了全國季度衛(wèi)片執(zhí)法遙感監(jiān)測、全國紅樹林資源遙感監(jiān)測、全國冰川遙感監(jiān)測、全國高爾夫球場季度監(jiān)測、全國“大棚房”問題專項清理整治遙感監(jiān)測、耕地“非農(nóng)化”“非糧化”遙感監(jiān)測等業(yè)務(wù)。

1.全國季度性遙感監(jiān)測

利用2m級國產(chǎn)衛(wèi)星影像開展400m以上的常態(tài)化建設(shè)用地變化監(jiān)測，通過深度學習技術(shù)自動提取變化信息，人機交互進行全面核實、補充和修正，獲取全國范圍內(nèi)建設(shè)用地變化分布范圍及態(tài)勢，監(jiān)測準確率優(yōu)于95%（圖2）。通過監(jiān)測，掌握了建設(shè)用地時空變化分布及規(guī)律，如2020年監(jiān)測結(jié)果顯示全國七大地理分區(qū)（華北區(qū)、東北區(qū)、華東區(qū)、華中區(qū)、華南區(qū)、西南區(qū)和西北區(qū)）中，華東區(qū)新增建設(shè)面積最大，占比為29.20%，東北區(qū)面積最小，占比為6.30%。將2019年和2020年監(jiān)測結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)2020年我國建設(shè)用地變化面積相較于2019年同比下降25.84%。其中，新增線形地物面積同比下降58.80%，新增建（構(gòu)）筑物面積同比下降1.48%，新增推填土面積同比下降18.74%，新增光伏用地面積同比增長30.63%。

圖2 建設(shè)用地變化前后對比圖

2.紅樹林監(jiān)測

紅樹林在防浪護堤、海灣改善、污染凈化和濕地多樣性等方面發(fā)揮著不可替代的作用，具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以及社會經(jīng)濟價值。為掌握我國紅樹林變化情況，用2m國產(chǎn)衛(wèi)星影像，對郁閉度大于20%的紅樹林開展了持續(xù)監(jiān)測，獲取了2020年全國紅樹林現(xiàn)狀分布與2018—2020年變化情況，監(jiān)測準確率優(yōu)于90%（圖3）。監(jiān)測顯示，2020年全國郁閉度大于20%的紅樹林主要分布在廣東、廣西、海南、福建、香港、澳門和浙江等區(qū)域。廣東紅樹林面積最大，占紅樹林總面積的40.7%；澳門最少，僅占0.08%。2018—2020年期間，全國紅樹林分布總體擴張，局部縮減，紅樹林總面積凈增加比例為1.3%。其中廣東紅樹林凈增加面積最大，凈增加249.55公頃。

圖3 紅樹林新增典型案例

3.冰川監(jiān)測

中低緯度山地冰川是氣候變化最敏感、最直接的信息載體，冰川活動又是誘發(fā)冰川泥石流、冰崩/雪崩、冰湖潰決等災(zāi)害的重要因素。開展冰川監(jiān)測對水資源評估、氣候變化應(yīng)對、災(zāi)害預警等方面具有重要意義。以國產(chǎn)2m衛(wèi)星遙感影像為主，綜合利用多尺度時序遙感數(shù)據(jù)以及10m數(shù)字地表模型（DSM）數(shù)據(jù)，對面積大于0.1公頃的冰川地塊進行全面監(jiān)測，監(jiān)測準確率優(yōu)于90%（圖4）。2020年，中國冰川主要分布在新疆、西藏、青海、甘肅、四川、云南六個?。▍^(qū)）。新疆冰川面積最大，占冰川總面積47.68%；西藏冰川面積次之，占冰川總面積41.21%；云南冰川最少，僅占冰川總面積0.14%。從不同規(guī)模等級的冰川條目和面積統(tǒng)計看出，數(shù)量上以小冰川為主，面積上以規(guī)模大于1km大冰川為主。近50年以來，冰川總面積減少了12730.44 km，冰川面積相對20世紀70年代減少了24%。按照50年來計算，冰川面積減少年變化復合速率為0.48%。

圖4 冰川面積縮減案例（念青唐古拉山東段）

4.耕地“非農(nóng)化”“非糧化”監(jiān)測

耕地是我國糧食安全的重要基礎(chǔ)和保障。我國人口眾多，耕地資源十分緊缺，同時耕地“非農(nóng)化” “非糧化”現(xiàn)象時有發(fā)生，為此國務(wù)院特地印發(fā)《關(guān)于堅決制止耕地“非農(nóng)化”行為的通知》《關(guān)于防止耕地“非糧化”穩(wěn)定糧食生產(chǎn)的意見》，明確了耕地保護具體舉措和要求。采用多時相國產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)，根據(jù)全國主要植被時空分布特點和物候數(shù)據(jù)，提取耕地非農(nóng)化、非糧化信息，準確率優(yōu)于80%。將2021年上半年新增建設(shè)用地圖斑與耕地圖斑進行套合，分析全國疑似耕地“非農(nóng)化”情況，其中新增線形地物占比20.40%，新增建（構(gòu)）筑物占比30.07%，新增推填土占比44.44%。2021年上半年疑似新增耕地“非糧化”圖斑中挖建庫塘面積占比14.85%，未耕種面積占比82.61%（圖5）。

圖5 公路兩側(cè)新增綠化通道典型案例

5.西北四?。▍^(qū)）近50年湖泊水面變化監(jiān)測

受全球氣候變暖等多重因素影響，我國西北地區(qū)正出現(xiàn)變暖變濕的新趨勢。為進一步了解掌握我國西北暖濕化情況，基于種子點快速區(qū)域生長自動提取技術(shù)，采用歷年豐水期衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對青海、新疆、寧夏和甘肅四個典型?。▍^(qū)）1970—2021年期間1km以上湖泊變化情況進行監(jiān)測分析，水面變化監(jiān)測精度優(yōu)于85%。監(jiān)測結(jié)果顯示，1970—2021年，西北四?。▍^(qū)）湖泊數(shù)量及水面面積均呈明顯上升趨勢，湖泊數(shù)量增加了25個。從1995年開始，西北四?。▍^(qū)）湖泊水面面積呈增大趨勢，2019年達到50年最大值（圖6、圖7）。

圖6 1970—2021年西北四?。▍^(qū)）湖泊數(shù)量及水面總面積變化柱狀圖

圖7 1970—2021年新疆阿克蘇庫勒湖水面面積變化監(jiān)測圖

6.昆明長腰山遙感監(jiān)測

利用2014—2021年共8期2m分辨率遙感影像，提取耕地、林地、水域、建（構(gòu)）筑物、推填土、道路、公園綠地等位置和范圍信息，對長腰山建設(shè)擴展情況進行了監(jiān)測分析。根據(jù)已有遙感影像分析，2014年時長腰山林地面積最大，占總面積的67.29%；其次為耕地，占總面積的20.05%。2021年建（構(gòu)）筑物占地面積最大，占到了總面積的41.57%；其次為推填土，占總面積的40.53%。2014年至2021年總開發(fā)建設(shè)面積占長腰山總面積的90.58%。其中，耕地和林地轉(zhuǎn)化為推填土面積最大，占總開發(fā)建設(shè)面積的44.75%；其次是耕地、林地和草地轉(zhuǎn)化為建（構(gòu)）筑物，占總開發(fā)建設(shè)面積的43.35%（圖8）。

圖8 2014年、2021年長腰山遙感影像對比圖

四、發(fā)展展望

國產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為自然資源遙感監(jiān)測不可或缺的重要手段，已在執(zhí)法督察、自然資源管理、生態(tài)保護修復等方面發(fā)揮了顯著作用。立足“十四五”發(fā)展需求，未來發(fā)展方向主要包括：一是進一步完善自然資源監(jiān)測體系，擴大監(jiān)測要素內(nèi)容范圍，豐富監(jiān)測內(nèi)容，打造“山水林田湖草濕”全方位遙感監(jiān)測，推進衛(wèi)星觀測體系建設(shè)，提高自然資源監(jiān)測頻次；二是發(fā)展多源多載荷數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用，目前陸地衛(wèi)星觀測網(wǎng)包括光學、雷達、高光譜、激光、立體測繪等多種載荷，未來還會有重力等新型載荷衛(wèi)星上天，高效協(xié)同利用多尺度、多種空間分辨率、多載荷的衛(wèi)星影像，將為自然資源監(jiān)測監(jiān)管提供全方位、全天時、全天候的數(shù)據(jù)支撐和信息服務(wù)。