天地空一體化自然資源監管體系研究與應用★

邵 恒，黃 俊

(1.江蘇省測繪工程院,江蘇 南京 210013； 2.太倉市自然資源和規劃局，江蘇 太倉 215400)

1 概述

目前，全國各地自然資源部門主要利用航空航天遙感影像數據，結合人工實地巡查的方法進行自然資源監管，這些技術手段在日常監管工作中發揮了很大作用，但在高效性、便利性、準確性等方面還存在一些不足[1]。

陸昊部長在2019年全國自然資源工作會議上提出要“建立貫通部、省、市、鄉(縣)的衛星應用技術體系”。自然資源部《關于加快推進自然資源省級衛星應用技術體系建設的函》明確要求在江蘇省開展衛星應用技術體系建設試點的工作。并在此項工作中總結經驗形成可復制、可推廣的模式[2]。自2016年以來，太倉市利用“慧眼守土”視頻監管平臺，在全市范圍選取了215個基站鐵塔作為視頻監測站點，實現了對全市土地利用情況的全方位、全天候、多角度、實時、實景監管。目前，正在研究開發智能識別系統，實現慧眼守土圖像自動比對和預警功能，提升慧眼守土系統的使用效能，盡可能減小巡查壓力[3]。

同時，太倉局還將試點使用無人機應用于耕地保護、項目驗收、重大項目批后監管等，通過獲取地塊實時照片和影像數據，對違法盲點巡查、耕地保護核查、重點項目建設進度監管等需求提供機動化的補充數據服務。

最終將遙感動態監測、慧眼守土、圖像自動比對、無人機輔助服務集成于同一平臺，形成“天上看、視頻探、網上管、地上查”的用地管理模式，從而打造“天地空一體化”自然資源監管體系。

2 研究方法和技術路線

2.1 研究方法

太倉市“天地空一體化”自然資源監管是為滿足宏觀調控、資源監管、輔助決策等功能，同時實現各類自然資源數據共享、處理、應用、分析、挖掘等管理和服務的集成。平臺利用衛星遙感、航空攝影、視頻監控、無人機等數據，依托遙感變化檢測、圖像自動比對技術，提供太倉市自然資源變化監測成果，集成調用平臺支撐數據庫中的資源和業務規則，為自然資源監管各項業務工作提供數據及服務平臺[4-5]。

其中，圖像自動比對功能基于最新的計算機視覺領域知識對自然資源圖像中存在的違法行為進行甄別鑒定，檢測流程具體包括三個模塊：1)自然資源圖像預處理模塊；2)違法行為識別模塊；3)違法行為預警模塊。本功能在使用最新計算機技術的同時，緊貼實際需求，圍繞“守護自然資源“這一主題合理組合并開發多種先進算法，充分利用慧眼守土視頻監控圖像資源，識別過程大大節約人力物力，能夠達到項目預期[6]。

2.2 技術路線設計

整體技術路線分為5個部分：1)影像數據獲取：包括衛星遙感影像、無人機攝影和慧眼守土監控視頻影像信息的獲取，監測覆蓋面積從大到小、監測頻率由低至高，形成全局統籌、應急機動、重點實時的監測數據獲取模式。2)自然資源變化發現：加工處理獲取數據，利用深度學習算法及人工編輯的方法準確勾繪出太倉市的自然資源變化情況，并對自然資源變化情況進行統計，實現太倉市自然資源變化的無縫動態監測。3)圖像自動比對和預警：具體包括三個模塊。a.自然資源圖像預處理模塊：由于自然資源圖像受到霧氣、物理遮擋等影響，存在亮度低、分辨率低、內容模糊等情況。在該模塊中，系統首先對土地資源圖像進行自適應去霧處理，并將光照調至合理范圍，并在調整后的基礎上，進行后續違法行為識別流程。其中開發的去霧算法可以有效去除98%的真實情況霧氣。b.違法行為識別模塊：使用經過去霧及調整光照的圖像進行自然資源違法行為識別，使用faster-rcnn深度學習模型進行目標檢測，檢測對象分為兩類：工程車輛類(具體包括：壓路機、挖掘機、吊車、起重機等大型車輛)；違法建筑類(具體包括：彩鋼房、框架結構、土房等不合規建筑)。在檢測過程中，使用并行加速技術，一次性可識別多張圖像中違法行為，并分別畫出具體位置，畫出的位置框能夠做到緊貼識別對象，不誤框也不漏框。c.違法行為預警模塊：動態篩選違法行為識別模塊中存在違法行為的圖像，統一匯總違法行為類別，然后進行分類預警，進行違法行為報表。4)遙感監測服務平臺構建：以遙感動態監測數據庫為基礎，結合遙感影像服務，開展遙感動態監測服務平臺的研制工作，以此實現遙感地圖時序化服務、周期性監測等GIS應用。5)專題用地監管服務：充分利用各種監測數據服務，實現遙感監測信息與業務系統對接，為土地利用、耕地保護等自然資源管理工作提供支撐。

3 成果應用

3.1 遙感動態監測數據建設

自然資源遙感動態監測以1 m～2 m分辨率衛星影像為主要數據源，利用已有控制資料進行正射糾正形成DOM成果，通過計算機自動變化檢測技術，與前時相影像進行比較，提取出感興趣的變化區域，最后經人工目視檢查編輯，形成具有明確變化范圍和變化類型的監測圖斑，并完成相關的監測報告，經過數據檢查與入庫后，形成了太倉市自然資源遙感動態監測數據庫。自然資源遙感動態監測技術路線見圖1。

3.2 監測成果服務系統建設

3.2.1 數據疊加分析

通過疊加基本農田保護區、建設用地管制區等專題數據，實現業務數據與監測成果、歷史遙感影像等多源數據融合，為多渠道、多數據源疊加分析提供數據支撐(見圖2)。

3.2.2 時序遙感影像回溯

以遙感影像數據庫基礎，實現多時相影像數據管理與應用。通過歷史遙感影像動態回溯，可以直觀的看到歷年來監測成果的變化(見圖3)。

3.2.3 動態監測成果統計分析

根據監測類型、監測周期等分類，對監測圖斑類型、分布和面積等信息進行分類統計，生成多種形式的統計圖表，為領導決策分析提供直觀的數據支撐(見圖4)。

3.2.4 無人機、監控平臺融合

系統還與自然資源其他業務系統進行了對接，實現多系統快速訪問、統籌管理；提供與本系統相關網站鏈接，包括太倉市“慧眼守土”視頻監管平臺以及其他相關網站；并整合無人機數據資源，實現衛星遙感監測與無人機監測互補[7](見圖5)。

3.3 自然資源遙感監測調查系統建設

圖斑基礎信息查看功能見圖6。

基于遙感監測成果圖斑，用戶通過移動端小程序進入監測成果目錄，并通過列表或地圖模式進行監測圖斑分布展示；實現調查圖斑定位導航，在線填報調查內容，現場采集圖片等功能，為土地執法調查提供移動互聯網外業調查系統，實現了平臺“互聯網+移動GIS”的建設目標[8]。

4 結語

通過對“天地空一體化”自然資源監管體系的研究，實現了將衛星遙感、無人機航拍、地面視頻監控“天地空一體化”數據的整合，并成功建立了相關的數據資源管理平臺，實現遙感監測成果和各類監測數據自動化提取、一體化應用。下一步，將在監控圖像自動化比對方面進行深入研究，利用深度學習等技術加強對違法違規行為特征提取的算法與模型進行研究，進一步提高自動化圖像比對的正確率。