空天地一體自然資源調查監測技術在第三次國土調查中的研究與應用

管仁利，盧威志，戚業菲，唐仕霖，孫曉開

(莒縣自然資源和規劃局，山東 日照 276500)

0 引言

目前，自然資源調查監測依然存在技術短板，智能高效的調查監測技術手段亟待集成與轉化，依賴人海戰術、工作強度大、效率低等問題亟待破解，新一代調查監測技術體系亟待形成。空天地一體化技術具有準確快速、及時、大范圍的優勢以及強大的空間信息采集、編輯、處理、分析和管理能力，通過空天地一體化集成技術能迅速獲取高精度數據，實現第三次國土調查的精準化測量[1-5]。

1 監測技術方案

本項目采用優于1m分辨率的DOM影像，研究適用于第三次國土調查的土地利用遙感分類體系和內業信息采集標準[6]。通過對調查區進行綜合分析，建立各地類解譯標志，采用人機智能協同作業模式，提取每塊土地利用圖斑，并賦予預判類型及各類綜合屬性。經過全面質檢后，及時提供縣級用于第三次國土調查工作。

1.1 多元信息數據收集檢查及空間匹配

為提高內業信息采集工作效率和準確性，盡可能充分收集項目區以最高分辨率遙感影像為主的各類信息數據。由于數據來源和精度差異，導致多元時空數據存在基準不統一的問題，綜合分析各類型數據的空間位置匹配利用率，采用關鍵節點加密、加權控制法對矢量數據進行空間仿射轉換[7]，實現數據高精度匹配，提高數據的利用率。

1.2 采用人機智能協同作業模式

海量圖斑信息提取是本項目面臨的最大工作量，項目中將高分辨率遙感影像進行切割，選擇典型特征地類用于輸入神經網絡訓練，通過大數據樣本數據集，實現了對道路、水面、耕地、森林等部分典型特征地類的高精度自動采集。采用人機智能協同作業模式進行信息提取和圖形修正[8]，大大提高了信息采集效率和精度。

1.3 采用無人機進行航空測量

城鎮土地利用現狀調查采用無人機進行航空測量，要求精度優于0.2m。無人機航拍具有機動靈活、響應快、時效性強等特點，所獲取的影像數據空間分辨率高，能精確獲取城鎮土地利用變化情況，并根據城鎮內部土地利用調查底圖為基礎，按照工作分類，參展城鎮規劃功能分區，結合影像特征，綜合判斷土地利用類型，例如從影像上判斷為臨街門面，將會歸并為城鎮道路外的相鄰街道。無人機航拍及數據處理要先規劃飛行路徑，根據飛行航行獲取原始影像數據，使用3Dmax軟件進行影像處理，最終生產正射影像圖，將無人機應用于補充衛星遙感影像監測空白區域，形成多元數據合成鑲嵌影像。

2 監測技術在第三次國土調查中的應用

2.1 內業信息提取

第三次國土調查因為運用了空天地一體化，使得內業信息提取過程變得較為簡單，給調查單位提供了一定技術支持。內業信息提取以各縣級行政單元為最小單位，涵蓋該縣所轄范圍內的國土資源情況，該種方式能最大程度保障收集到的信息完整、準確。高空間分辨率的遙感影像伴隨著豐富的光譜和紋理信息，同類地物內的光譜差異減少，同物異譜及同譜異物現象變得更加嚴重[9]，本項目以多尺度分割算法得到多尺度的影像分割對象作為基元，建立影像分割對象的高層次語義表達，選擇最優樣本進行訓練，用于分割遙感影像，在進行內業信息提取時，采用了較為關鍵的空天地一體化，以保證提取工作高效、精準。

內業信息中較為重要的一項信息體現是圖斑，內業信息中的圖斑是按照遙感技術下的影像，對地物特征進行綜合描繪，進而制作而成[10]。空天地一體化在內業信息圖斑的應用中提供遙感技術，用以支持對復雜地形、不易勘測地形進行遙感勘測。圖斑的使用可以和第二次國土調查后的數據進行反復對比，通過流量變化趨勢來做出第三次國土調查結果后的國土資源預測，為我國最新國土資源管理起到重要調整作用。

2.2 外業調查舉證

在第三次國土調查中，外業調查主要負責的工作是將各類圖斑進行舉證，并將調查底圖中的相關數據進行核實、分析，最終將外業調查的地類、地物等重要信息進行更正。內業和外業相結合方式下，使得國土資源調查的數據精度。

2.3 建立數據庫

在第三次國土調查工作過程中，通過內業信息的提取、外業調查舉證等工作模式，將我國國土資源以各縣級為單位進行相關數據收集，由此建立起了國土調查數據庫(圖1)，數據庫的建立讓成果質量和工作效率都得到極大提升。

圖1 莒縣第三次國土調查數據庫管理系統

數據庫在建設中離不開空天地一體化對其內容深度、寬度的影響[11]，由于空天地一體化能夠在較為極端環境下展開具體勘探工作，因此對于數據的完整性起到極大地幫助，另外，空天地一體化監測可以通過將高精度遙感、準確實時定位等功能融入到具體勘測中[12]，為判斷國土資源其內部具體構造提供了較大幫助。尤其某縣山區較多，部分區域無法到達，在外業調查舉證中，可通過空天地一體化實現遠程、實時勘測，將調查工程保持在安全系數強、精準率高的工作特性上，較為高效的完成勘測任務，并及時將數據上報，極大提高了舉證效率，節約了時間和人力成本，保障了國土調查數據庫的建設順利完成。

2.4 綜合管理平臺

第三次國土調查為加強調查成果共享使用、協同分發等過程的效率，特建設了綜合管理平臺，能夠將各類數據進行良好管控。在綜合管理平臺的建設中，通過采用空天地一體化檢測技術能夠對不清晰的數據進行快速核查，保證管理平臺中的數據實現實時更新，確保各類數據資源類型完整，提高管理效率。綜合管理平臺主要包括原始數據、成果數據、應用數據等，對各個數據庫的綜合庫進行統一管理，為國土資源業務管理、協同辦公提供數據支持。

3 監測技術的優勢

3.1 測繪更精準

傳統測繪主要依靠各種測繪工具來開展土地測繪工作，如測繪光學儀器和測量尺等，這些測繪工具測量精度較差，使用不方便，嚴重影響了測繪工作的開展效率和質量。

空天地一體化監測根據第三次國土調查內業信息采集分類體系，建立包括所有地類的土地利用遙感影像成果集，基于全新分類體系及全高清影像[13]，在國際上尚無相關產品出版，基于此提供大量樣本數據開展智能信息采集訓練，提出了“智能+人工”協同作業模式[14]，并在第三次國土調查項目中全面業務化應用。在國際上人工智能信息采集有一定的研究[15-20]，但是利用空天地一體化技術結合無人機攝影測量等多種方式相結合未見實際應用。

3.2 測量更智能

對城鎮土地利用現狀調查采用無人機進行航空測量，能精確獲取城鎮土地利用變化情況，如精準獲取了莒縣第三次國土調查未利用地分布圖(圖2)，并根據城鎮內部土地利用調查底圖為基礎，按照工作分類，開展城鎮規劃功能分區，結合影像特征，綜合判斷土地利用類型，形成莒縣第三次國土調查建設用地分布圖(圖3)。

圖2 莒縣第三次國土調查未利用地分布圖

圖3 莒縣第三次國土調查建設用地分布圖

4 結論

空天地一體自然資源調查監測技術在第三次國土調查內業信息提取環節中，將遙感影像的對接、生產任務下發與成果接收、監理任務的下發與監理結果接收等多項工作準確、高效的在系統中執行，比傳統人工效率提升20倍，環節執行周期縮短1/2，極大節約了成本。該方法在任務下發、成果接收、進度查詢、成果展示等多方面成熟的設計思路，可以推廣到其他各工程項目的執行中。

本項目在縣級內業信息提取環節中有重要應用，為縣級自查規則的制定提供了重要篩選條件，提高了核查的準確性和效率；縣級內業核查采用逐圖斑核查和抽樣核查相結合的方式，從而大幅度提高了核查的工作效率。

未來可拓展服務于基礎測繪服務、土地利用服務、自然資源開發利用、自然資源調查監測、國土年度變更調查等工作，為城鄉政府提供決策參考，為企業和居民提供相關服務，可大幅減少政企相關領域的重復投入，極大增強決策和民生服務的現實性和時效性。