國產高分衛星數據在自然資源遙感監測中的應用

文|尤淑撐 何蕓 劉愛霞 甘宇航 張濤 杜磊 劉克

自然資源部國土衛星遙感應用中心

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要求“加快建立自然資源統一調查、評價、監測制度，健全自然資源監管體制”，標志著生態文明建設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狀，以滿足生態文明建設、自然資源保護和自然資源調查監測，實現自然資源管理、統一確權登記的需要，是當前面臨的重大問題。

衛星遙感監測作為一項重要的技術手段，可以快速、高效、客觀、準確地獲取自然資源開發利用情況。近年來，國產衛星數據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高分遙感衛星有20余顆，2m級影像基本實現全國季度有效覆蓋，北方地區可實現月度或雙月有效覆蓋，亞米級光學衛星年數據可實現年度有效覆蓋，為自然資源遙感監測能力提升提供了基礎數據保障。隨著國產衛星快速發展和新技術的廣泛應用，自然資源衛星遙感監測呈現出以下特點：一是監測頻次不斷提升，隨著深度學習等人工智能技術的突破和流程優化，從過去每年一次全覆蓋監測，到“季度+年度”監測為主，再到“月清、季核、年度評估”，為地方自然資源監管提供及時有效的數據依據。二是自然資源調查由二維平面監測向三維立體監測層面轉變，水體、冰川等地物類型在面積、分布范圍調查基礎上，進一步開展儲量等方面研究。通過對湖泊、冰川進行三維監測，掌握水量相對變化，為水資源變化狀況及調控、生態安全屏障建設提供信息支持。三是多源多載荷數據協同應用，隨著衛星遙感技術的飛速發展，國產高分衛星數據類型逐步多樣化，協同利用多光譜、高光譜、合成孔徑雷達（SAR）、激光等不同傳感器類型數據源已經成為未來應用發展的主要趨勢之一。

自然資源部國土衛星遙感應用中心圍繞自然資源部“兩統一”職責履行，面向生態修復、資源調查、衛片執法等業務需求，提出了全國季度性監測、重點區域月度監測、特定目標即時監測的自然資源衛星遙感監測體系，全面提升了全天時、全天候、全要素、多源多尺度監測能力。本文對國產衛星在自然資源遙感監測中的應用進行了分析，并展望了未來發展方向。

二、監測技術與方法

自然資源遙感監測工作主要發揮國產衛星優勢，利用優于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測、重點區域月度遙感監測、重點目標即時遙感監測為主要目標，構建監測技術流程和方法體系。自然資源遙感監測技術主要采用深度學習等人工智能技術，研發影像自動處理、監測信息自動提取、成果質檢等監測方法，構建傳感器校正影像產品生產、正射影像生產、監測信息自動提取、人工處理、監測成果建庫等監測流程（圖1），實現自然資源現狀信息提取和變化監測的系統化運行。

圖1 自然資源遙感監測技術流程

1）影像統籌。針對自然資源監測監管業務需求，構建自然資源調查監測虛擬衛星星座。以任務為導向，整合衛星資源和監測需求，統籌制定多顆衛星拍攝計劃，合理安排在軌衛星對地觀測角度，實現多源影像的全國有效覆蓋。

2）正射影像生產。采用有理多項式（RFM）幾何成像模型構建及穩健計算技術、大范圍區域稀少或無地面控制衛星影像區域網平差技術、基于高速網絡的集群分布式遙感影像數據處理技術等，實現正射影像產品規?；?、自動化生產。按照有效影像數據當日接收當日處理要求，建立從自動云判、傳感器校正產品生產、正射影像糾正、融合、流程化質檢全鏈條過程作業，保障自然資源常態化及應急監測需求。

3）監測信息自動提取。充分利用高分辨率、多角度、多模式的光學、高光譜、雷達等多源遙感監測數據，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、空間關系等特征，構建了多類要素的自動提取規則和樣本庫，并建立自動提取任務，對各類要素現狀及變化信息實現自動提取。

4）監測信息處理。對各自動提取結果進行核實和查漏補缺，完善相關屬性信息。各監測要素具體處理內容有：土地利用變化監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作物類型和土地利用狀況信息；水資源監測包括冰川積雪、地表水面變化等信息；林草濕資源監測包括林草濕資源數量（面積、蓄積量）、種類（森林類型、植被類型、樹種等）、質量（郁閉度/覆蓋度等）以及功能（林種、生物量等）等信息。

5）監測成果建庫。采用面向對象方法和UML統一建模語言，通過對各類監測信息產品及統計分析成果數據等進行批量檢查、對象化處理、數據入庫以及關聯關系建立等系列處理后，構建時空基準統一、屬性指標協調一致的自然資源長時間序列遙感監測數據庫。對監測產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測產品、全國地表水資源監測產品、冰川監測產品、紅樹林監測產品、耕地“非農化”“非糧化”監測產品等成果入庫。

6）監測成果應用。采用海量衛星遙感數據高時效自動處理分發技術，實現影像數據資源在線即時共享和高效利用。通過自然資源遙感云服務平臺，實現數據當天上云、當天下發，提高數據共享時效性，實現云環境下衛星監測產品“7×24”小時不間斷持續穩定推送和深度應用。

三、典型應用

利用國產高分衛星遙感數據，先后開展了全國季度衛片執法遙感監測、全國紅樹林資源遙感監測、全國冰川遙感監測、全國高爾夫球場季度監測、全國“大棚房”問題專項清理整治遙感監測、耕地“非農化”“非糧化”遙感監測等業務。

1.全國季度性遙感監測

利用2m級國產衛星影像開展400m以上的常態化建設用地變化監測，通過深度學習技術自動提取變化信息，人機交互進行全面核實、補充和修正，獲取全國范圍內建設用地變化分布范圍及態勢，監測準確率優于95%（圖2）。通過監測，掌握了建設用地時空變化分布及規律，如2020年監測結果顯示全國七大地理分區（華北區、東北區、華東區、華中區、華南區、西南區和西北區）中，華東區新增建設面積最大，占比為29.20%，東北區面積最小，占比為6.30%。將2019年和2020年監測結果進行對比，發現2020年我國建設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）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 建設用地變化前后對比圖

2.紅樹林監測

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揮著不可替代的作用，具有重要的生態系統服務功能以及社會經濟價值。為掌握我國紅樹林變化情況，用2m國產衛星影像，對郁閉度大于20%的紅樹林開展了持續監測，獲取了2020年全國紅樹林現狀分布與2018—2020年變化情況，監測準確率優于90%（圖3）。監測顯示，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，冰川活動又是誘發冰川泥石流、冰崩/雪崩、冰湖潰決等災害的重要因素。開展冰川監測對水資源評估、氣候變化應對、災害預警等方面具有重要意義。以國產2m衛星遙感影像為主，綜合利用多尺度時序遙感數據以及10m數字地表模型（DSM）數據，對面積大于0.1公頃的冰川地塊進行全面監測，監測準確率優于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?。▍^）。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%。從不同規模等級的冰川條目和面積統計看出，數量上以小冰川為主，面積上以規模大于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“非農化”“非糧化”監測

耕地是我國糧食安全的重要基礎和保障。我國人口眾多，耕地資源十分緊缺，同時耕地“非農化” “非糧化”現象時有發生，為此國務院特地印發《關于堅決制止耕地“非農化”行為的通知》《關于防止耕地“非糧化”穩定糧食生產的意見》，明確了耕地保護具體舉措和要求。采用多時相國產高分衛星數據，根據全國主要植被時空分布特點和物候數據，提取耕地非農化、非糧化信息，準確率優于80%。將2021年上半年新增建設用地圖斑與耕地圖斑進行套合，分析全國疑似耕地“非農化”情況，其中新增線形地物占比20.40%，新增建（構）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 公路兩側新增綠化通道典型案例

5.西北四?。▍^）近50年湖泊水面變化監測

受全球氣候變暖等多重因素影響，我國西北地區正出現變暖變濕的新趨勢。為進一步了解掌握我國西北暖濕化情況，基于種子點快速區域生長自動提取技術，采用歷年豐水期衛星影像數據對青海、新疆、寧夏和甘肅四個典型?。▍^）1970—2021年期間1km以上湖泊變化情況進行監測分析，水面變化監測精度優于85%。監測結果顯示，1970—2021年，西北四?。▍^）湖泊數量及水面面積均呈明顯上升趨勢，湖泊數量增加了25個。從1995年開始，西北四?。▍^）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年西北四省（區）湖泊數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測圖

6.昆明長腰山遙感監測

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）筑物、推填土、道路、公園綠地等位置和范圍信息，對長腰山建設擴展情況進行了監測分析。根據已有遙感影像分析，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）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年總開發建設面積占長腰山總面積的90.58%。其中，耕地和林地轉化為推填土面積最大，占總開發建設面積的44.75%；其次是耕地、林地和草地轉化為建（構）筑物，占總開發建設面積的43.35%（圖8）。

圖8 2014年、2021年長腰山遙感影像對比圖

四、發展展望

國產高分衛星數據作為自然資源遙感監測不可或缺的重要手段，已在執法督察、自然資源管理、生態保護修復等方面發揮了顯著作用。立足“十四五”發展需求，未來發展方向主要包括：一是進一步完善自然資源監測體系，擴大監測要素內容范圍，豐富監測內容，打造“山水林田湖草濕”全方位遙感監測，推進衛星觀測體系建設，提高自然資源監測頻次；二是發展多源多載荷數據協同應用，目前陸地衛星觀測網包括光學、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星上天，高效協同利用多尺度、多種空間分辨率、多載荷的衛星影像，將為自然資源監測監管提供全方位、全天時、全天候的數據支撐和信息服務。