無錫市錫山區(qū)自然資源“星地一體化”監(jiān)測體系的建設(shè)探究

李 胤,宋 珂,戎 欣

（1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；2.自然資源江蘇省衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)中心，江蘇 南京 210018）

0 引言

2018年,隨著新一輪黨和國家機(jī)構(gòu)改革方案落地和實(shí)施,國務(wù)院及各級地方政府自上而下成立了新的自然資源管理機(jī)構(gòu),秉承“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”的重要思想,將原來分散在國土、發(fā)改、住建、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、測繪等多個(gè)政府部門的相關(guān)職責(zé)進(jìn)行了整合,全面行使“兩統(tǒng)一、六方面”職責(zé)[1]。自然資源監(jiān)測是自然資源管理工作中重要的基礎(chǔ)性工作[2-4],衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀、直觀、客觀、快速、大范圍、綜合地進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測的能力,已成為一種周期性的快速了解區(qū)域自然資源演化的高新技術(shù)手段[5]。通過衛(wèi)星遙感技術(shù)對各類自然資源利用及變化狀況開展持續(xù)監(jiān)測,掌握自然資源現(xiàn)狀及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律是有效保護(hù)、管理自然資源的必要前提,作為事中、事后監(jiān)管的有效手段,是自然資源管理不可或缺的抓手。

依托衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠快速發(fā)現(xiàn)自然資源現(xiàn)狀變化,通過AI學(xué)習(xí)等方法構(gòu)建高效的自然資源分類與變化圖斑的自動(dòng)提取技術(shù),基于自然資源全要素月度遙感監(jiān)測成果,結(jié)合自然資源審批管理層數(shù)據(jù)對區(qū)域自然資源進(jìn)行全天候的管控,以此為基礎(chǔ)開展自然資源全要素月度遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)化工作,與“慧眼守土”、實(shí)地調(diào)查相結(jié)合形成可復(fù)制、可推廣的“星地一體化”監(jiān)測業(yè)務(wù)流程和技術(shù)方法,創(chuàng)新自然資源監(jiān)測和管理的模式。

1 總體思路

“山水林田湖草”自然資源統(tǒng)一監(jiān)測,是國家生態(tài)文明建設(shè)和自然資源部履行“兩統(tǒng)一”職責(zé)的重要落腳點(diǎn)[6]。隨著遙感衛(wèi)星影像獲取能力和周期的增強(qiáng),大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和地理信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,亟須通過技術(shù)手段構(gòu)建自然資源監(jiān)測監(jiān)管體系,提升自然資源監(jiān)測能力。

充分利用現(xiàn)代測量、信息網(wǎng)絡(luò)以及空間探測等技術(shù)手段,構(gòu)建起“星地一體化”的自然資源保護(hù)與利用監(jiān)測技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)對自然資源全要素、全流程、全覆蓋的現(xiàn)代化監(jiān)管。其中：“天”,是指利用衛(wèi)星遙感等航天飛行平臺,搭載可見光、紅外、高光譜、雷達(dá)等探測器,實(shí)現(xiàn)月度影像覆蓋和數(shù)據(jù)獲取,支持自然資源月度全要素遙感監(jiān)測?！暗亍?是利用遍布全區(qū)的125個(gè)攝像頭,對遙感影像發(fā)現(xiàn)的“兩違”行為以及供地建設(shè)情況實(shí)施全方位、多角度實(shí)時(shí)實(shí)景視頻監(jiān)管,并對重點(diǎn)區(qū)域基于移動(dòng)GIS技術(shù),借助平板、手機(jī)、測量工具等設(shè)備進(jìn)行實(shí)地核查。最后,通過建立集全要素監(jiān)測圖斑、自然資源管理數(shù)據(jù)、影像、“慧眼守土”攝像頭、綜合化業(yè)務(wù)監(jiān)管為一體的自然資源遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析、執(zhí)法督查、批后監(jiān)管、耕地保護(hù)、季度土地現(xiàn)狀調(diào)查等的信息化集成,開展自然資源全域、全業(yè)務(wù)、全流程的監(jiān)測監(jiān)管。

2 錫山區(qū)“星地一體化”監(jiān)測技術(shù)體系構(gòu)建

利用全覆蓋、多頻次、高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和快速、高效、智能化遙感解譯技術(shù)優(yōu)勢,結(jié)合錫山分局基于“慧眼守土”系統(tǒng)開發(fā)的智能視頻監(jiān)測探頭,將3S（RS,GIS,GPS）技術(shù)和3A（AI,AR,AIoT）技術(shù)深度融合,實(shí)現(xiàn)“全域+實(shí)時(shí)”監(jiān)測,構(gòu)建“星地一體”自然資源智慧監(jiān)測體系（見圖1）,探索從遙感提取、綜合分析、按月度推送,到實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能識別、所見即所得的自然資源“星地一體化”監(jiān)測新模式,構(gòu)建“科技驅(qū)動(dòng)、精準(zhǔn)治理”的自然資源監(jiān)管新機(jī)制。

圖1 “星地一體”自然資源智慧監(jiān)測體系構(gòu)建

本文以無錫市錫山區(qū)為例,采用“星地一體化”監(jiān)測方法,綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感監(jiān)測、“慧眼守土”攝像頭、地面實(shí)地調(diào)查的技術(shù)手段,對無錫市錫山區(qū)進(jìn)行月度全要素遙感監(jiān)測,監(jiān)測成果通過自然資源遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)自動(dòng)推送調(diào)查監(jiān)測、開發(fā)利用、執(zhí)法監(jiān)察、耕保管制各個(gè)科室,顯著提升事中事后自然資源監(jiān)管水平,為自然資源管理部門建立科學(xué)、合理、可操作的監(jiān)測監(jiān)管體系提供解決方案。

2.1 遙感監(jiān)測體系

在統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系下,將前、后兩個(gè)月的衛(wèi)星影像經(jīng)處理后進(jìn)行疊加對比,利用面向?qū)ο?、機(jī)器學(xué)習(xí)以及人機(jī)交互等遙感解譯技術(shù),盡可能全面地提取地表覆蓋變化情況,分析全要素變化圖斑的位置、面積、變化時(shí)間、變化類型等屬性。結(jié)合自然資源管理需求和業(yè)務(wù)矢量數(shù)據(jù),梳理、分析、選取、加工成不同業(yè)務(wù)處室所需的信息,提供給各業(yè)務(wù)科室,實(shí)現(xiàn)對自然資源的月度監(jiān)測監(jiān)管。

2.2.1 遙感數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)源。由于錫山區(qū)夏季云雨多,單一衛(wèi)星難以在保證遙感影像質(zhì)量的基礎(chǔ)上覆蓋全部監(jiān)測區(qū)域,在實(shí)際工作中需要依據(jù)影像的質(zhì)量要求、覆蓋范圍以及數(shù)據(jù)成本等方面綜合考慮多種影像數(shù)據(jù),確定最佳的影像組合：以高分二號、高分七號衛(wèi)星影像為主,以高分一號、高分六號、資源三號衛(wèi)星、Planet小衛(wèi)星星群等影像為輔。

（2）正射校正。采用GPS實(shí)測控制點(diǎn),或從高于待糾正影像分辨率與成圖比例尺的DOM、地形圖等基礎(chǔ)控制數(shù)據(jù)上采集明顯的地物特征點(diǎn)為控制點(diǎn),采用有理函數(shù)模型,對原始影像進(jìn)行正射校正。糾正后的影像相對控制底圖相對誤差應(yīng)控制在：當(dāng)影像圖與控制底圖采樣間隔均≤1 m時(shí),平地、丘陵控制在2倍采樣間隔內(nèi),山地、高山地控制在8倍采樣間隔內(nèi)；當(dāng)影像圖與基礎(chǔ)底圖采樣間隔至少有一種＞1 m時(shí),平地、丘陵控制在2倍采樣間隔內(nèi),山地、高山地控制在4倍采樣間隔內(nèi)（采樣間隔值取兩者較大者）。

（3）勻色裁切。通過正射、融合、勻色、鑲嵌、裁切,制作錫山區(qū)月度一版圖DOM,坐標(biāo)系統(tǒng)為國家2000坐標(biāo)系,GeoTIFF格式。DOM保持紋理清晰,色調(diào)均勻,反差適中,彩色影像模擬自然真彩色,光譜信息豐富,能準(zhǔn)確反映自然資源利用特征[7]。

2.1.2 全要素變化圖斑提取

通過了解錫山區(qū)的自然地理概況,以及遙感影像的成像方式,建立監(jiān)測區(qū)感興趣地類的影像解譯標(biāo)志。建立地類解譯標(biāo)志時(shí),首先采用歸類對比法,分析同一地類在不同影像分辨率、不同波段合成、不同季節(jié)及不同區(qū)域所呈現(xiàn)的色調(diào)、顏色及紋理特征,然后采用典型樣本提取法,提取典型地類影像的解譯樣本,并建立大規(guī)模訓(xùn)練樣本和測試樣本數(shù)據(jù),支撐基于深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的遙感影像智能分類[8]。然后,在統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系下,以前一月度遙感正射影像圖為前時(shí)相,通過前、后時(shí)相遙感影像圖對比,依據(jù)遙感影像紋理與光譜差異特征,采用人工智能、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù),對變化信息進(jìn)行智能化提取,通過人機(jī)交互識別相結(jié)合的方法,對比發(fā)現(xiàn)、綜合發(fā)現(xiàn),提取自然資源全要素變化圖斑,獲取變化圖斑的位置、形狀、面積、變化時(shí)間、變化類型等屬性。

因變化信息實(shí)際存在的各種不確定性,需要采用多種信息提取技術(shù)相結(jié)合的方法,以達(dá)到相互驗(yàn)證和補(bǔ)充,最大限度地避免或減少誤提和漏提的發(fā)生,采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)方法與人機(jī)交互提取方法相結(jié)合的方法來提高結(jié)果精度。對城鄉(xiāng)結(jié)合部、工礦和開發(fā)區(qū)周邊、交通線與河流兩側(cè)、村鎮(zhèn)、機(jī)場、度假區(qū)等建設(shè)用地?cái)U(kuò)展迅速的區(qū)域,交叉復(fù)檢,實(shí)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查。

2.1.3 業(yè)務(wù)綜合分析

運(yùn)用GIS空間分析技術(shù),將衛(wèi)星遙感監(jiān)測提取的自然資源全要素變化圖斑與自然資源管理部門數(shù)據(jù)庫中的“批供用補(bǔ)查”數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析和屬性分類,針對土地執(zhí)法監(jiān)察、土地批后監(jiān)管、耕地和基本農(nóng)田保護(hù)、土地利用現(xiàn)狀更新調(diào)查、林業(yè)監(jiān)管等自然資源管理業(yè)務(wù)類型,形成月度土地違法監(jiān)測圖斑、月度土地批供用監(jiān)測圖斑、月度耕地和基本農(nóng)田監(jiān)測圖斑等衛(wèi)星遙感監(jiān)測產(chǎn)品。通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測信息平臺分類推送給相應(yīng)的處（科）室使用,并與自然資源“一張圖”完全套合,按月度向基層工作人員提供及時(shí)、直觀、全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測監(jiān)管信息。

2.2 星地融合監(jiān)管體系

基于遍布錫山全區(qū)的125個(gè)“慧眼守土”視頻監(jiān)測探頭（部分地區(qū)已升級為智能探頭）,利用“AIoT”（人工智能物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù),將視頻監(jiān)測探頭與衛(wèi)星遙感監(jiān)測平臺進(jìn)行互聯(lián)互通,使視頻監(jiān)測探頭可以實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星影像信息、變化圖斑信息和遙感監(jiān)測分析信息等數(shù)據(jù),針對疑似違法圖斑等重點(diǎn)監(jiān)測目標(biāo),調(diào)用距離最近的視頻監(jiān)測探頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對焦至該位置,實(shí)時(shí)查看附近的實(shí)際情況,并能對重點(diǎn)監(jiān)測目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤監(jiān)測,時(shí)刻關(guān)注重點(diǎn)區(qū)域變化發(fā)展情況（見圖2）。智能視頻監(jiān)測探頭可采用深度學(xué)習(xí)等人工智能算法,對視頻中出現(xiàn)的疑似違法行為進(jìn)行自動(dòng)識別和預(yù)警,進(jìn)行7×24小時(shí)全天候自動(dòng)巡查,有效抑制特定違法行為的發(fā)生,做到“早發(fā)現(xiàn)、早制止、早查處”,并能與衛(wèi)星遙感監(jiān)測結(jié)果相互驗(yàn)證、互為補(bǔ)充,增加兩種監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性,減輕基層執(zhí)法監(jiān)督人員的工作壓力。

圖2 三維監(jiān)控視頻畫面準(zhǔn)確對應(yīng)二維衛(wèi)星影像位置

3 結(jié)語

無錫市錫山區(qū)自然資源“星地一體化”監(jiān)測綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù),融合3S、智能識別、視頻監(jiān)控等前沿技術(shù),構(gòu)筑“天上看、地上查、視頻探、網(wǎng)上管”的自然資源綜合監(jiān)測監(jiān)管體系,實(shí)現(xiàn)了面向自然資源的主動(dòng)與智能服務(wù),形成內(nèi)外業(yè)一體化、動(dòng)態(tài)靜態(tài)一體化、監(jiān)管巡查反饋一體化的技術(shù)體系,為自然資源常態(tài)化監(jiān)測監(jiān)管提供了技術(shù)保障。下一步,將在衛(wèi)星遙感與自然資源管理深度融合、自動(dòng)智能遙感信息提取、多源監(jiān)測方式復(fù)合協(xié)同作用等方面進(jìn)行深入研究,持續(xù)提升自然資源管理和輔助決策的現(xiàn)代化水平。