天空地網(wǎng)一體化技術(shù)服務(wù)自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)

謝鳴，任建福，李新東，楊鄭貝

（1.廣西壯族自治區(qū)自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)院，廣西 南寧 530023）

一直以來(lái)我國(guó)的自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)工作存在調(diào)查內(nèi)容彼此交叉、調(diào)查指標(biāo)相互掣肘、調(diào)查部門相對(duì)分散、地物認(rèn)定不一致和名詞概念互不統(tǒng)一等問(wèn)題，制定的相關(guān)技術(shù)體系、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范銜接轉(zhuǎn)換難，成果不能共享，難以構(gòu)建“一張底版”，直接影響了各類自然資源管理職責(zé)的履行[1]。自然資源部高度重視自然資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)性和重要性，將其視為履行“兩統(tǒng)一”職責(zé)的重要支撐。為加快建立自然資源統(tǒng)一調(diào)查、監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)制度，自然資源部加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，圍繞支撐生態(tài)文明建設(shè)，研究構(gòu)建了統(tǒng)一的自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系，制定出臺(tái)了《自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建總體方案》，從法規(guī)制度、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和質(zhì)量管理4個(gè)方面開(kāi)展自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)體系建設(shè)，明確應(yīng)綜合利用遙感、無(wú)人機(jī)、地面儀器設(shè)備和“互聯(lián)網(wǎng)+”等先進(jìn)觀測(cè)與量測(cè)技術(shù)，構(gòu)建天空地網(wǎng)一體化的自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，大幅提升自然資源調(diào)查的工作效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然資源全要素、全流程、全覆蓋的現(xiàn)代化監(jiān)管。

1 在自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 基于遙感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

遙感技術(shù)以其信息量大、自動(dòng)化程度高（分類主要靠計(jì)算機(jī)）、獲取速度快、范圍廣、周期性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取最直接的手段。利用遙感影像進(jìn)行自然資源地表覆蓋調(diào)查由來(lái)已久，尤其是高分辨率遙感影像產(chǎn)生后，可利用遙感影像人工目視解譯或與舊時(shí)相自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)疊加對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域，其在自然資源調(diào)查中的作用越來(lái)越重要[2]。由于人工目視解譯遙感影像的效率較低，因此利用遙感影像自動(dòng)提取地物進(jìn)行分類的研究越來(lái)越多，目前主要的分類方法包括隨機(jī)森林法、支持向量機(jī)和深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)[3-4]，都是通過(guò)分割遙感圖像，選取訓(xùn)練樣本，優(yōu)化模型參數(shù)，進(jìn)而得到最佳分類結(jié)果。隨著高分辨率和高光譜遙感影像數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用研究成為常態(tài)，影像融合技術(shù)越來(lái)越成熟[5-7]，通過(guò)遙感影像自動(dòng)提取地物進(jìn)行分類的精度越來(lái)越高，以遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源可提取的信息逐漸增多[8]，準(zhǔn)確度逐漸提高；但在遙感高精度分類研究中，特別是面對(duì)大區(qū)域地表分類時(shí)，由于地表情況復(fù)雜、地物光譜多樣性突出，具體處理時(shí)往往難以實(shí)現(xiàn)高精度的地物識(shí)別。

1.2 基于無(wú)人機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

相較于其他測(cè)量手段，無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)獲取影像具有時(shí)效性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、響應(yīng)迅速、分辨率高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。第三次國(guó)土調(diào)查利用無(wú)人機(jī)外業(yè)舉證，大大提高了工作效率和核查準(zhǔn)確性。與傳統(tǒng)航空攝影相比，傾斜攝影彌補(bǔ)了垂直攝影的不足，具有高重疊率、獲取數(shù)據(jù)速度快、周期短等特點(diǎn)，可從多個(gè)視角傾斜成像，觀測(cè)地物每個(gè)立面的紋理特征和結(jié)構(gòu)特征，盡量減少視覺(jué)盲點(diǎn)，從而獲得更加全面的地物信息。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可高效獲取局部區(qū)域最佳的自然資源三維模型和正射影像，并以三維的形式對(duì)自然資源數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，更好地管理與應(yīng)用自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[9]。在林業(yè)調(diào)查中，利用無(wú)人機(jī)影像結(jié)合九棵樹(shù)的樣地調(diào)查方式與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比的精度明顯優(yōu)于利用遙感影像的方式對(duì)森林信息提取數(shù)據(jù)的精度[10]。

1.3 基于地面儀器設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀

中海達(dá)同時(shí)融合了多種傳感器，開(kāi)發(fā)了多種半自動(dòng)化數(shù)據(jù)提取工具，研發(fā)了HiScan-SLAM室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，可用于無(wú)GNSS信號(hào)的城市地下空間信息獲取與成圖[11]。征圖三維將POS系統(tǒng)、激光掃描儀、GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、全景相機(jī)等傳感器集成于一體，推出了SZT-R1400車船載一體化移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，可應(yīng)用于土地資源、水資源的調(diào)查監(jiān)測(cè)。四維遠(yuǎn)見(jiàn)公司的SSW車載激光建模測(cè)量系統(tǒng)集成了IMU、國(guó)產(chǎn)360°激光掃描儀、GPS、轉(zhuǎn)臺(tái)、CCD相機(jī)、里程計(jì)（DMI）等多種傳感器，其后處理軟件SWDY點(diǎn)云工作站可利用語(yǔ)義識(shí)別技術(shù)進(jìn)行地物要素的自動(dòng)提取與分割，可用于道路測(cè)量、水上測(cè)量、地籍測(cè)量等自然資源要素調(diào)查與監(jiān)測(cè)。吳宗勝[12]利用室外移動(dòng)機(jī)器人，基于深度學(xué)習(xí)進(jìn)行城市道路的場(chǎng)景理解，可用于自然資源中城市道路要素的檢測(cè)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)主要應(yīng)用于環(huán)境復(fù)雜的農(nóng)田場(chǎng)景中，可有針對(duì)性地對(duì)農(nóng)用地、林業(yè)用地進(jìn)行調(diào)查與監(jiān)測(cè)[13]。

1.4 基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多應(yīng)用單位基于互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建了基于云的內(nèi)外業(yè)協(xié)同作業(yè)框架。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理客戶端依托于電腦桌面，可根據(jù)需要隨時(shí)將更新的成果提交到服務(wù)，也可隨時(shí)更新最新的自然資源信息，以保證資源的現(xiàn)勢(shì)性。外業(yè)在線調(diào)查App前端主要負(fù)責(zé)圖斑和屬性數(shù)據(jù)的采集與實(shí)時(shí)回傳，并接收來(lái)自外業(yè)管理與調(diào)度Web端的任務(wù)分發(fā)與調(diào)度。莊曉東[14]等開(kāi)發(fā)了基于iPad的地理國(guó)情普查外業(yè)調(diào)繪核查系統(tǒng)，其軌跡實(shí)時(shí)回傳和在線監(jiān)控等功能促進(jìn)了地理國(guó)情普查外業(yè)調(diào)查與核查工作的項(xiàng)目化統(tǒng)一管理。曾鈺[15]等利用“互聯(lián)網(wǎng)+”土地外業(yè)調(diào)查技術(shù)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了外業(yè)調(diào)查與核查系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于第三次國(guó)土調(diào)查、農(nóng)村亂占耕地建房專項(xiàng)整治以及違法用地檢查等工作中。李發(fā)紅[16]等利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)研發(fā)了一款集外業(yè)核查網(wǎng)上舉證、督察業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)匯總、報(bào)表輸出、比對(duì)分析于一體的自然資源數(shù)字督察系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)在整個(gè)西北地區(qū)自然資源督察中的高效應(yīng)用。

2 服務(wù)自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)方向分析

廣西作為自然資源部選取的自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)體系構(gòu)建首批試點(diǎn)之一，目前以陽(yáng)朔縣為試點(diǎn)，編制了廣西地方標(biāo)準(zhǔn)《廣西自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)分類標(biāo)準(zhǔn)》和《廣西壯族自治區(qū)自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)》，采用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)分析技術(shù)開(kāi)展了自然資源數(shù)據(jù)融合研究，并以自然資源廣西衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)中心、國(guó)家應(yīng)急測(cè)繪保障南寧基地彩虹四無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、廣西壯族自治區(qū)自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)院等技術(shù)隊(duì)伍以及“互聯(lián)網(wǎng)+地理信息”內(nèi)外業(yè)協(xié)同系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行了天空地網(wǎng)一體化數(shù)據(jù)獲取技術(shù)初探，提出了“天空地網(wǎng)人”的概念，構(gòu)建了廣西自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系。將自然資源部門相關(guān)技術(shù)人員、村干部以及其他相關(guān)社會(huì)人員接入調(diào)查監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，定期上報(bào)設(shè)施農(nóng)用地、農(nóng)民建房、違法采礦以及違法用地等情況。為解決遙感觀測(cè)網(wǎng)天空地互不關(guān)聯(lián)、廣域范圍立體觀測(cè)精度低、人工目視解譯效率低和復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測(cè)難度大的問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，可從以下4個(gè)方面提升天空地網(wǎng)一體化技術(shù)的服務(wù)能力。

2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)虛擬服務(wù)中心構(gòu)建技術(shù)

此前天基、空基、地基的遙感觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)各自獨(dú)立發(fā)展，甚至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部也互不關(guān)聯(lián)，還有物聯(lián)網(wǎng)和泛在智能傳感網(wǎng)的加入，使得數(shù)據(jù)類型和格式千差萬(wàn)別，導(dǎo)致數(shù)據(jù)耦合和綜合利用難度加大，因此需完善天空地一體化遙感觀測(cè)網(wǎng)[17]。天空地一體化的自然資源實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)對(duì)遙感數(shù)據(jù)的按需服務(wù)能力提出了更高的要求，需要進(jìn)一步探究多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整合體系建設(shè)方法，對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一組織整合。針對(duì)目前對(duì)地觀測(cè)遙感衛(wèi)星資源無(wú)法滿足自然資源實(shí)時(shí)化調(diào)查監(jiān)測(cè)需求的難題，研究全網(wǎng)絡(luò)遙感數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)、多級(jí)產(chǎn)品規(guī)范；研究多源遙感數(shù)據(jù)、長(zhǎng)時(shí)間序列的分布式組織、管理與云存儲(chǔ)技術(shù)，建立全網(wǎng)絡(luò)遙感數(shù)據(jù)庫(kù)；突破全網(wǎng)絡(luò)遙感數(shù)據(jù)接入、自適應(yīng)篩選等技術(shù)，開(kāi)發(fā)空間數(shù)據(jù)搜索引擎，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入與快速檢索；研究多源、多級(jí)、多時(shí)相PB級(jí)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)流水線快速生產(chǎn)技術(shù)與系統(tǒng)；打造衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)近實(shí)時(shí)化按需生產(chǎn)、打包、分發(fā)的站點(diǎn)服務(wù)能力，建立虛擬地面站，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源的整合管理、生產(chǎn)與端對(duì)端分發(fā)服務(wù)。

2.2 多源衛(wèi)星精細(xì)化立體觀測(cè)技術(shù)

2019年高分七號(hào)衛(wèi)星的發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入民用亞米級(jí)高分辨率立體測(cè)繪新時(shí)代，其空間分辨率可達(dá)0.65 m。根據(jù)國(guó)家空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃，2015—2025年我國(guó)將陸續(xù)發(fā)射多顆測(cè)繪衛(wèi)星，逐步構(gòu)建系列比例尺光學(xué)測(cè)繪衛(wèi)星星座，未來(lái)我國(guó)的高分辨率衛(wèi)星立體測(cè)繪成像模式將越來(lái)越豐富[18]。針對(duì)自然資源監(jiān)測(cè)監(jiān)管業(yè)務(wù)需求，研究多源衛(wèi)星遙感協(xié)同觀測(cè)技術(shù)，構(gòu)建自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)虛擬衛(wèi)星星座，統(tǒng)籌多類型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的按需即時(shí)獲取；研究高分辨率光學(xué)立體成像技術(shù)、高光譜衛(wèi)星輻射與光譜標(biāo)定技術(shù)、國(guó)產(chǎn)化SAR高精度干涉測(cè)量技術(shù)、小光斑激光測(cè)高技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，研制了輻射一致、全國(guó)無(wú)縫覆蓋的高分辨率衛(wèi)星遙感多維“一張圖”產(chǎn)品，構(gòu)建多源多載荷高度集成化的影像與基礎(chǔ)信息產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)，為構(gòu)建統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)下的自然資源三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)以及自然資源全天時(shí)、全天候、全要素、全覆蓋的高頻次、大范圍、精細(xì)化立體監(jiān)測(cè)提供充分的數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息產(chǎn)品保障。

2.3 高分辨率多光譜遙感自動(dòng)化調(diào)查技術(shù)

云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，解決了海量遙感數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。將多時(shí)相多源遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于地物變化檢測(cè)由研究設(shè)想轉(zhuǎn)入應(yīng)用，如何自動(dòng)繪制變化圖斑的準(zhǔn)確邊界，是下一步研究的方向[19]。目前通過(guò)三調(diào)等項(xiàng)目已獲得準(zhǔn)確的自然資源分布圖斑，在較短時(shí)間內(nèi)只有較少的要素類別發(fā)生變化；且三調(diào)圖斑可為影像分類提供較準(zhǔn)確的分割邊界和大量的分類樣本，有利于提高變化要素的分類精度。因此，充分利用三調(diào)土地利用矢量數(shù)據(jù)和多時(shí)相遙感影像，將變化檢測(cè)方法與影像分類方法相結(jié)合，建立自然資源自動(dòng)化調(diào)查技術(shù)方法。首先通過(guò)多源數(shù)據(jù)對(duì)土地利用變化進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)；再根據(jù)前時(shí)相土地利用數(shù)據(jù)得到后時(shí)相像素級(jí)訓(xùn)練樣本，自動(dòng)進(jìn)行像素級(jí)影像分類；最后對(duì)比前時(shí)相土地利用數(shù)據(jù)和后時(shí)相分類結(jié)果，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域。對(duì)前后兩時(shí)相影像作MAD變換，再通過(guò)MAD變換影像自動(dòng)設(shè)置閾值去除偽變化，最后對(duì)變化區(qū)域進(jìn)行面向?qū)ο蟮姆诸悾_定變化區(qū)域的類別，該過(guò)程中將土地利用數(shù)據(jù)的矢量邊界作為面向?qū)ο蠓诸愡^(guò)程中的邊界先驗(yàn)約束，可提高影像分割的效果；同時(shí)利用穩(wěn)定區(qū)域矢量圖斑類別自動(dòng)獲得大量分類樣本，基于最近鄰方法確定變化區(qū)域圖斑的新類別。

2.4 無(wú)人機(jī)自主在線信息處理技術(shù)

針對(duì)無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航與載荷滯后于自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)需求的問(wèn)題，研究自主導(dǎo)航系統(tǒng)、高光譜儀、激光雷達(dá)、輕小型極化SAR等高性能無(wú)人機(jī)的新型傳感器，提升復(fù)雜環(huán)境下無(wú)人機(jī)調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的保障能力；研究無(wú)人機(jī)飛行安全管控與實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)、無(wú)人機(jī)集群智能航線規(guī)劃與實(shí)時(shí)調(diào)度平臺(tái)，建立多網(wǎng)融合的無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程快速傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)自然資源開(kāi)發(fā)利用與管理的無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)；突破飛行監(jiān)測(cè)機(jī)器人自主導(dǎo)航、自主感知、自主監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。將衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、SLAM（視覺(jué)、激光）導(dǎo)航、基站導(dǎo)航等技術(shù)進(jìn)行柔性融合，實(shí)現(xiàn)不完全依賴外源導(dǎo)航信號(hào)的三維路徑規(guī)劃。利用激光雷達(dá)、多視相機(jī)等多源場(chǎng)景數(shù)據(jù)，自主進(jìn)行場(chǎng)景重建；研究高性能在線變化檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主在線監(jiān)測(cè)。

3 服務(wù)自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)面臨的挑戰(zhàn)

天空地網(wǎng)一體化技術(shù)作為自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取的主要手段，隨著技術(shù)的發(fā)展，在應(yīng)用上也存在著挑戰(zhàn)。

1）統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)。GNSS技術(shù)統(tǒng)一了全球平面位置基準(zhǔn)，但無(wú)法解決陸海高程基準(zhǔn)統(tǒng)一以及區(qū)域高程基準(zhǔn)和全球高程基準(zhǔn)間的統(tǒng)一問(wèn)題。以精密數(shù)字高程基準(zhǔn)（大地水準(zhǔn)面）為基礎(chǔ)，構(gòu)建中國(guó)陸海高程基準(zhǔn)并實(shí)現(xiàn)與全球高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一，這是時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一的核心。

2）遙感影像實(shí)時(shí)化獲取。高分國(guó)產(chǎn)遙感系列衛(wèi)星在時(shí)間分辨率、空間分辨率、觀測(cè)波段和成像模式等方面的優(yōu)勢(shì)和適應(yīng)性各有不同，面對(duì)自然資源各要素監(jiān)測(cè)不同時(shí)空尺度的應(yīng)用需求，需要相互協(xié)同觀測(cè)，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。廣西自然天氣變化多樣，遙感影像獲取窗口期較短，在一定程度上給廣西天空地網(wǎng)一體化建設(shè)造成了極大困難。

3）新型航空遙感監(jiān)測(cè)高端裝備研究。面向自然資源全天候、動(dòng)態(tài)化、定量化、服務(wù)空間范圍區(qū)域化的監(jiān)測(cè)需求，研究自然資源全要素與近、短、中、長(zhǎng)波紅外的波譜響應(yīng)特性以及機(jī)載多波段紅外成像系統(tǒng)，分析自然資源全要素的多波段極化響應(yīng)特性，突破極化SAR圖像分類技術(shù)，研制機(jī)載高分辨率多極化SAR成像系統(tǒng)，解決自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)中的“看不準(zhǔn)”問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了遙感、無(wú)人機(jī)、地面儀器設(shè)備以及“互聯(lián)網(wǎng)+”在自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。為提升自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)的效率和水平，自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“數(shù)量—質(zhì)量—生態(tài)”三位一體的自然資源監(jiān)測(cè)。結(jié)合歷年自然資源相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本文提出了天空地網(wǎng)一體化技術(shù)的應(yīng)用方向。同時(shí)，應(yīng)顧及時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一、遙感影像實(shí)時(shí)化獲取、新型航空遙感監(jiān)測(cè)高端裝備研究等問(wèn)題，從而更好地為自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)保障。