湖南省“1+N”衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建

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摘 要：本文圍繞湖南省自然資源監(jiān)測(cè)監(jiān)管工作需求，針對(duì)目前監(jiān)測(cè)工作中存在的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、機(jī)制不完備、技術(shù)單一、運(yùn)轉(zhuǎn)低效等問題，提出了“變化全發(fā)現(xiàn)、問題全核實(shí)、任務(wù)全交辦、整改全落實(shí)”的全流程一體化衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系，有效支撐了湖南省自然資源“兩統(tǒng)一”職責(zé)的履行，為構(gòu)建自然資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測(cè)體系提供了方案思路。

關(guān)鍵詞：自然資源監(jiān)測(cè)監(jiān)管;遙感影像;智能提取

中圖分類號(hào)：P962 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-5603（2022）03-61-05

Construction of "1+N" Satellite Monitoring System in Hunan Province

Liu Zhuan Xiao HaiPeng Nengshun Hu Saihua Pan Dong

（1. The Second Surveying and Mapping Institute of Hunan， Changsha Hunan 410029; 2. Key Laboratory of Natural Resources Monitoring and Supervision in Southern Hilly Region， Changsha Hunan 410029）

Abstract： This paper focuses on the needs of natural resources monitoring and supervision work in Hunan Province， in view of the problems existing in the current monitoring work， such as inconsistent standards， incomplete mechanisms， single technology， and inefficient operation， Puts forward a full-process integrated satellite monitoring system of "full discovery of changes， full verification of problems， full assignment of tasks， and full implementation of rectification". It effectively supports the monitoring and protection work of natural resources in Hunan Province， and provides a plan idea for building a unified survey and monitoring system of natural resources.

Keywords： natural resource monitoring and supervision; remote sensing image; smart extraction

新一輪機(jī)構(gòu)改革后，自然資源部門職能發(fā)生了較大的變革，將原來分散于各部門的自然資源相關(guān)職能集中歸于一體，對(duì)調(diào)查監(jiān)測(cè)提出新的要求，迫切需要重構(gòu)調(diào)查監(jiān)測(cè)體系，推進(jìn)國土資源調(diào)查監(jiān)測(cè)向自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，以全面支撐自然資源管理[1～3]。 2020年7月，湖南省“1+N”衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系開始運(yùn)行，2021年2月，自然資源部批復(fù)湖南省納入國家第一批“自然資源遙感綜合監(jiān)測(cè)”構(gòu)建試點(diǎn)省份，解決監(jiān)測(cè)體系標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、機(jī)制不完備、技術(shù)單一、運(yùn)轉(zhuǎn)低效等自然資源管理工作迫切問題。

1現(xiàn)狀分析

近年來，湖南省相繼開展了基礎(chǔ)測(cè)繪、地理國情監(jiān)測(cè)、不動(dòng)產(chǎn)統(tǒng)一登記、國土調(diào)查、森林資源清查、草地資源清查等自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)工作[4]。各項(xiàng)工作對(duì)應(yīng)的底圖多套標(biāo)準(zhǔn)并行，相互無法直接套合，對(duì)數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用、分析造成極大不便[5]。2018年以前，我省遙感影像數(shù)據(jù)保證能力十分有限，每年度不能實(shí)現(xiàn)全域覆蓋，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了自然資源各項(xiàng)監(jiān)測(cè)、監(jiān)管、執(zhí)法等工作需求。造成目前這一現(xiàn)狀最主要的原因是各項(xiàng)工作所需數(shù)據(jù)由各單位分散獲取，數(shù)據(jù)重復(fù)采購和生產(chǎn)仍然存在，同時(shí)也出現(xiàn)全省數(shù)據(jù)覆蓋存在空洞、保障能力不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致人力和財(cái)力高投入、低產(chǎn)出。反映最突出的問題是各單位數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期長、更新不及時(shí)、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一[6]。2018年，湖南省印發(fā)了《湖南省遙感影像數(shù)據(jù)統(tǒng)籌共享管理辦法》，啟動(dòng)遙感影像統(tǒng)籌工作，對(duì)全省遙感影像數(shù)據(jù)實(shí)行統(tǒng)一采購、統(tǒng)一處理、統(tǒng)一質(zhì)檢和成果共享。

傳統(tǒng)的人工目視影像解譯工作強(qiáng)度大、效率低、技術(shù)單一、易出錯(cuò)，已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前自然資源常態(tài)化監(jiān)測(cè)監(jiān)管形勢(shì)需求[7～8]。近年來，大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、區(qū)塊鏈、知識(shí)圖譜、空間信息等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展和交叉融合，為構(gòu)建自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系提供了必要的技術(shù)支撐和保障條件[9]。目前，如何加快各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的融合與創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)遙感信息全自動(dòng)化智能提取，推廣遙感影像智能解譯工程化應(yīng)用，是構(gòu)建自然資源衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系急需解決的問題[10]。

立足已有工作基礎(chǔ)，構(gòu)建湖南省“1+N”衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系，對(duì)于支撐履行自然資源“兩統(tǒng)一”職責(zé)，提高自然資源監(jiān)測(cè)監(jiān)管現(xiàn)代化治理能力，統(tǒng)籌推進(jìn)山水林田湖草沙系統(tǒng)治理，推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)功能整體性提升，穩(wěn)步提升糧食產(chǎn)能，全面壓實(shí)耕地保護(hù)責(zé)任，滿足社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，乃至保障社會(huì)安定和國家安全具有非常深遠(yuǎn)的意義[11]。

2 總體設(shè)計(jì)

圍繞湖南省自然資源衛(wèi)星監(jiān)測(cè)需求，不斷拓展遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容，大力推進(jìn)現(xiàn)代測(cè)繪地理信息技術(shù)與人工智能等新一代信息技術(shù)集成創(chuàng)新應(yīng)用，建立標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、機(jī)制完備、技術(shù)多元、質(zhì)量可靠、高效運(yùn)轉(zhuǎn)、服務(wù)快速的全省衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建是履行自然資源“兩統(tǒng)一”職責(zé)的重要基礎(chǔ)支撐，充分利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，健全影像統(tǒng)籌機(jī)制，不斷整合監(jiān)測(cè)職能、拓寬監(jiān)測(cè)領(lǐng)域、提高監(jiān)測(cè)能力，及時(shí)掌握湖南省全域的自然資源變化情況，對(duì)發(fā)現(xiàn)的所有問題進(jìn)行高效處置，形成一套成熟完備的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系。

2.1 總體流程

綜合考慮“遙感科學(xué)﹢人工智能﹢業(yè)務(wù)規(guī)則”的監(jiān)測(cè)技術(shù)路線，構(gòu)建“變化全發(fā)現(xiàn)、問題全核實(shí)、任務(wù)全交辦、整改全落實(shí)”的湖南省自然資源“1+N”衛(wèi)星監(jiān)測(cè)保護(hù)體系?？傮w流程如圖1所示。

2.2 變化全發(fā)現(xiàn)

2.2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與指標(biāo)

（1）監(jiān)測(cè)指標(biāo)：最小上圖面積指標(biāo)與第三次國土調(diào)查的要求相同，建設(shè)用地和設(shè)施農(nóng)用地實(shí)地200 m²;農(nóng)用地（不含設(shè)施農(nóng)用地）實(shí)地400 m²;其他地類實(shí)地600 m²。年度監(jiān)測(cè)基于0.5 米分辨率衛(wèi)星影像，建設(shè)用地和設(shè)施農(nóng)用地最小上圖面積100 m²，農(nóng)用地400 m²，其他土地600 m²。

（2）監(jiān)測(cè)頻次：以上年度第四季度1米分辨率衛(wèi)星影像建立監(jiān)測(cè)本底，開展月度監(jiān)測(cè)、季度監(jiān)測(cè)和年度監(jiān)測(cè)。

（3）建立“月發(fā)現(xiàn)、季小結(jié)、年總結(jié)”監(jiān)測(cè)工作機(jī)制，進(jìn)行“1”監(jiān)測(cè)。“1”是指常規(guī)監(jiān)測(cè)，其主要工作內(nèi)容是提取全省變化圖斑，對(duì)全省土地利用現(xiàn)狀開展的全覆蓋監(jiān)測(cè)，全面、動(dòng)態(tài)、及時(shí)、準(zhǔn)確掌握土地利用現(xiàn)狀變化情況。“月發(fā)現(xiàn)”是指每月根據(jù)當(dāng)月采集的衛(wèi)星影像，對(duì)比上年第四季度1米分辨率衛(wèi)星影像，提取所有變化圖斑?！凹拘〗Y(jié)”是指每季度根據(jù)當(dāng)季采集的衛(wèi)星影像，對(duì)比上年第四季度1米分辨率衛(wèi)星影像，提取覆蓋全省的所有變化圖斑?！澳昕偨Y(jié)”是指年末根據(jù)年度衛(wèi)星影像，對(duì)比上年第四季度1米分辨率衛(wèi)星影像，提取年度內(nèi)所有變化圖斑，并補(bǔ)充提取100 m²以上的建設(shè)圖斑，確保年度內(nèi)所有變化圖斑提取到位。

（4）前后時(shí)相：前時(shí)相為上年第四季度1米分辨率衛(wèi)星影像。后時(shí)相為當(dāng)月采集的2米分辨率衛(wèi)星影像、當(dāng)季采集的1米分辨率衛(wèi)星影像和年度采集的0.5米分辨率衛(wèi)星影像。

（5）監(jiān)測(cè)內(nèi)容：提取湖南省全域范圍內(nèi)的影像變化圖斑，變化圖斑提取類型如表1所示。

2.2.2 關(guān)鍵原理

（1）多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同獲取。一是打通多條衛(wèi)星數(shù)據(jù)互連傳輸渠道，構(gòu)建了海量數(shù)據(jù)資源池。二是建設(shè)在線衛(wèi)星影像處理及服務(wù)發(fā)布鏈路，構(gòu)建實(shí)時(shí)拍攝數(shù)據(jù)資源池，打通數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)入庫、按序生產(chǎn)、動(dòng)態(tài)發(fā)布的全處理鏈條。三是解決多源異構(gòu)遙感目錄歸一化入庫問題，打通各大衛(wèi)星運(yùn)營商間的數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)一站式搜索引擎。四是接入氣象預(yù)測(cè)云圖信息，將全國范圍內(nèi)未來十天的氣象云圖圖層接入系統(tǒng)中，疊加衛(wèi)星預(yù)測(cè)軌道，充分掌控每一顆衛(wèi)星的預(yù)期拍攝窗口，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度調(diào)度拍攝。

（2）遙感數(shù)據(jù)快速處理。一是通過自動(dòng)匹配獲取大量密集的控制信息來進(jìn)行衛(wèi)星影像幾何處理，實(shí)現(xiàn)快速正射糾正，為后續(xù)監(jiān)測(cè)工作推進(jìn)爭取時(shí)間。二是采用地理成像加速器（GXL）技術(shù)，以及無切片服務(wù)發(fā)布引擎構(gòu)建在線實(shí)時(shí)處理鏈路，實(shí)現(xiàn)了影像在線實(shí)時(shí)處理、發(fā)布、展示，解決現(xiàn)有遙感數(shù)據(jù)密集、計(jì)算密集的大規(guī)模影像實(shí)時(shí)顯示問題形成符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的正射影像產(chǎn)品，滿足對(duì)精度要求較高的遙感監(jiān)測(cè)需求。

（3）遙感信息智能提取。大力推進(jìn)遙感、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新技術(shù)融合創(chuàng)新應(yīng)用，采用“引進(jìn)吸收+自主研發(fā)”模式構(gòu)建了一套基于多頻次衛(wèi)星影像的變化圖斑智能提取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變化圖斑位置的快速自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和部分典型地物類型自動(dòng)識(shí)別，構(gòu)建起“影像預(yù)處理—智能提取—圖斑篩查與分類—圖斑邊界半自動(dòng)提取—統(tǒng)計(jì)分析”變化圖斑智能提取自動(dòng)作業(yè)流水線，通過軟件自動(dòng)快速發(fā)現(xiàn)變化圖斑的位置，做到“定位”智能化;基于像元種子聚類算法實(shí)現(xiàn)圖斑邊界的半自動(dòng)快速精準(zhǔn)勾繪，做到“定界”智能化;準(zhǔn)確識(shí)別典型地特類型、土地利用性質(zhì)，做到“定性”智能化。

2. 3 問題全核實(shí)

（1）利用空間分析與統(tǒng)計(jì)，在“變化圖斑”中篩選出“問題圖斑”。在收集、整理用地審批紅線、生態(tài)保護(hù)紅線等管理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用空間分析與統(tǒng)計(jì)等技術(shù)方法，快速確定圖斑范圍與利用現(xiàn)狀，快速、精準(zhǔn)地從變化圖斑中篩選出“問題圖斑”。

（2）開展外業(yè)調(diào)查核實(shí)。對(duì)“問題圖斑”全部開展外業(yè)調(diào)查核實(shí)，按“走到、問到、看到、記錄到”等要求，查明各圖斑的變化范圍、變化類型等實(shí)地情況，去除內(nèi)業(yè)提取發(fā)現(xiàn)的偽變化圖斑。

（3）進(jìn)行“N”監(jiān)測(cè)，在“問題圖斑”中篩選出“專題圖斑”。外業(yè)調(diào)查核實(shí)后，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，從“問題圖斑”中篩選出各項(xiàng)“專題圖斑”?！癗”是指專題監(jiān)測(cè)，以常規(guī)監(jiān)測(cè)為支撐，開展違法用地、耕地?cái)?shù)量、耕地使用、農(nóng)民建房、非法露天采礦、生態(tài)保護(hù)紅線、重要河湖監(jiān)測(cè)、生態(tài)修復(fù)、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界等N項(xiàng)專題監(jiān)測(cè)，做到統(tǒng)籌監(jiān)測(cè)、一查多用。

2. 4 任務(wù)全交辦

（1）形成“任務(wù)清單”。將外業(yè)核實(shí)后形成的各類“專題圖斑”分別推送給相關(guān)業(yè)務(wù)管理部門，各部門根據(jù)當(dāng)前相關(guān)政策法規(guī)，形成各專題“任務(wù)清單”，并共享至省生態(tài)環(huán)境廳、省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳、省糧食與儲(chǔ)備局等相關(guān)行業(yè)廳局。

（2）建立月調(diào)度機(jī)制。建立省市縣三級(jí)土地管理月調(diào)度機(jī)制，匯總各類“任務(wù)清單”，統(tǒng)一向地方進(jìn)行任務(wù)移交，地方根據(jù)交辦的任務(wù)清單進(jìn)行分類處置后，再分類反饋至相關(guān)業(yè)務(wù)管理部門。

2. 5 整改全落實(shí)

（1）實(shí)行逐宗銷號(hào)管理。嚴(yán)格實(shí)行逐宗銷號(hào)管理，利用省市縣三級(jí)土地管理月調(diào)度機(jī)制，每月定期研究審議擬銷號(hào)清單，逐宗研究、逐宗解決、逐宗銷號(hào)，做到“月清月結(jié)”。充分利用信息化手段，對(duì)納入任務(wù)清單的整改項(xiàng)目全部納入相應(yīng)的信息管理平臺(tái)，逐項(xiàng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)督管理，有效減少人為干預(yù)，提高監(jiān)測(cè)、處置、銷號(hào)等工作效率。

（2）落實(shí)耕地保護(hù)責(zé)任。為確保全省耕地總量不減少，質(zhì)量不降低，堅(jiān)決守住耕地保護(hù)紅線、遏制農(nóng)村占用耕地建房的勢(shì)頭，省級(jí)對(duì)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)違法用地、臨時(shí)用地、設(shè)施農(nóng)用地、非農(nóng)化種植、農(nóng)民建房等占用耕地的，一律按照相關(guān)要求，嚴(yán)格落實(shí)耕地保護(hù)責(zé)任，確保國家糧食安全。

3 建設(shè)成效

3.1 全省遙感影像統(tǒng)籌能力顯著提升

一是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取。通過優(yōu)化遙感影像統(tǒng)籌獲取方案，實(shí)現(xiàn)與國內(nèi)外衛(wèi)星運(yùn)營商80余顆衛(wèi)星實(shí)時(shí)同步傳輸，衛(wèi)星影像有效覆蓋率穩(wěn)步提升，影像精度更高，保障能力更強(qiáng)。2021年實(shí)現(xiàn)1米分辨率遙感影像全省季度全覆蓋，0.5米分辨率遙感影像全省年度全覆蓋，2米衛(wèi)星影像月均有效覆蓋率接近60%，比2020年有效覆蓋率超出10%，2021年影像獲取困難區(qū)范圍明顯縮小。二是實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)快速在線處理服務(wù)。依托超算中心算力和存儲(chǔ)資源，建立了省級(jí)海量衛(wèi)星影像池，可在線追溯1960年至今的全省衛(wèi)星數(shù)據(jù)，能夠在10分鐘內(nèi)自動(dòng)化完成數(shù)據(jù)解壓、入庫、正射處理（快速動(dòng)態(tài)產(chǎn)品）、服務(wù)發(fā)布等一系列專業(yè)化的遙感處理流程。

3.2 監(jiān)測(cè)技術(shù)效能大幅提升

采用“1+N”衛(wèi)星監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了“一查多用”，提升了自然資源監(jiān)測(cè)效能。在各類專題監(jiān)測(cè)中，充分共享應(yīng)用常規(guī)監(jiān)測(cè)中形成提取的變化圖斑、外業(yè)核查照片等成果，真正實(shí)現(xiàn)“一查多用”，總體上大幅節(jié)約了監(jiān)測(cè)成本。不斷探索推進(jìn)人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，研發(fā)遙感信息智能提取系統(tǒng)，大幅提升了遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)效能，工作效率相比傳統(tǒng)人工模式提高了3倍以上，有效支撐了“月發(fā)現(xiàn)、季小結(jié)、年總結(jié)”監(jiān)測(cè)機(jī)制的運(yùn)行，真正實(shí)現(xiàn)“變化全發(fā)現(xiàn)”，違法行為“早發(fā)現(xiàn)、早制止、早查處”。

3.3 自然資源保護(hù)成效

通過衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系的構(gòu)建，對(duì)全省自然資源形成了全流程閉環(huán)式管理模式，織密織牢了自然資源監(jiān)測(cè)監(jiān)管體系，強(qiáng)化國土空間規(guī)劃和用途管制的約束作用，對(duì)破壞自然生態(tài)、違法占用損毀耕地等違法行為形成了強(qiáng)大震懾。新增違法用地方面，2021年新增違法用地面積相比與2020年下降約49.79%，違法用地下降趨勢(shì)明顯;耕地?cái)?shù)量方面，2021年耕地減少面積相比于2020年下降約50%，其中新增違法用地占用耕地行為同比減少約52.87%，新增農(nóng)民建房占用耕地行為同比下降約70.85%。

4 小結(jié)

（1）通過遙感影像統(tǒng)籌，實(shí)現(xiàn)了遙感影像的實(shí)時(shí)化獲取、集群化處理、網(wǎng)絡(luò)化分發(fā)和社會(huì)化服務(wù)，有效解決了遙感數(shù)據(jù)重復(fù)采購、重復(fù)生產(chǎn)、覆蓋不全等問題，夯實(shí)了遙感監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)了“一籌多用”的目標(biāo)。

（2）圍繞湖南省自然資源衛(wèi)星監(jiān)測(cè)需求，探索“遙感科學(xué)﹢人工智能﹢業(yè)務(wù)規(guī)則”的監(jiān)測(cè)技術(shù)路線，構(gòu)建了“變化全發(fā)現(xiàn)、問題全核實(shí)、任務(wù)全交辦、整改全落實(shí)”的湖南省 “1+N”衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)了“一查多用”業(yè)務(wù)化運(yùn)行，大幅提升了湖南省自然資源監(jiān)測(cè)監(jiān)管的支撐能力，為全國構(gòu)建自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)體系構(gòu)建提供了方案思路。

（3）推進(jìn)了現(xiàn)代測(cè)繪地理信息技術(shù)與人工智能等新一代信息技術(shù)集成創(chuàng)新應(yīng)用，不斷提升遙感監(jiān)測(cè)信息提取的智能化水平，大幅提高了自然資源衛(wèi)星監(jiān)測(cè)生產(chǎn)與分析評(píng)價(jià)效能。

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