自然資源遙感監(jiān)測體系在秦嶺自然資源監(jiān)測中的應(yīng)用

文 | 洪增林 付壘

1.自然資源陜西省衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)中心 2.中國-上合組織地學(xué)研究中心衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心 3.自然資源部黃河上中游自然資源智能遙感監(jiān)測工程技術(shù)創(chuàng)新中心

一、前言

自然資源是維系人類生存的基石。黨的十九屆四中全會強(qiáng)調(diào)，要“加快建立自然資源統(tǒng)一調(diào)查、評價、監(jiān)測制度，健全自然資源監(jiān)管體制”，這標(biāo)志著生態(tài)文明建設(shè)已經(jīng)從理性認(rèn)識階段走向量化實(shí)踐，從分類管理向體系治理轉(zhuǎn)變[1]。因此，及時準(zhǔn)確地了解我國自然資源現(xiàn)狀，是實(shí)現(xiàn)自然資源保護(hù)與調(diào)查監(jiān)測的關(guān)鍵問題[2]。

遙感技術(shù)是了解區(qū)域自然資源變化的重要手段，它可以持續(xù)監(jiān)測各類自然資源的利用和變化，進(jìn)而有效地服務(wù)自然資源管理。遙感技術(shù)在地理國情監(jiān)測[3]、土地利用變更調(diào)查監(jiān)測與核查[4]、第三次國土調(diào)查等方面發(fā)揮出優(yōu)勢[5]，為滿足生態(tài)文明建設(shè)[6]、國土空間規(guī)劃[7]、自然資源管理體制改革和統(tǒng)一確權(quán)登記[8]等各項工作奠定了重要基礎(chǔ)。

秦嶺橫亙于我國中部，主體位于陜西省中南部，是我國南北自然地理、氣候、水系的分界線，具有重要的生態(tài)服務(wù)價值，對于維護(hù)國家和區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義。同時，秦嶺在中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中也發(fā)揮著不可替代的作用[9-10]。黨的十八大以來，習(xí)近平總書記高度重視秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)，多次做出重要指示批示，把秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)工作擺上重要位置。

衛(wèi)星遙感技術(shù)通過獲取大量地表信息，能全面、準(zhǔn)確地了解秦嶺自然資源現(xiàn)狀和變化趨勢，對山水林田湖草整體保護(hù)、綜合治理與系統(tǒng)修復(fù)都具有重要的支撐作用，為科學(xué)制定秦嶺地區(qū)保護(hù)和管理措施提供數(shù)據(jù)支持。本文對陸地遙感監(jiān)測體系在秦嶺自然資源監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并展望了未來的發(fā)展方向。

二、監(jiān)測體系框架

1.總體框架設(shè)計

自然資源遙感監(jiān)測技術(shù)體系主要目標(biāo)是充分利用現(xiàn)代測量、信息網(wǎng)絡(luò)以及空間探測等技術(shù)手段，構(gòu)建“天-空-地”一體的自然資源遙感監(jiān)測框架[11]。主要采用深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，研發(fā)影像自動處理、監(jiān)測信息自動提取、成果質(zhì)檢等監(jiān)測方法，構(gòu)建監(jiān)測流程，實(shí)現(xiàn)自然資源現(xiàn)狀信息提取和變化監(jiān)測的系統(tǒng)化運(yùn)行。圖1 為自然資源遙感監(jiān)測體系建設(shè)框架。

圖1 自然資源遙感監(jiān)測體系建設(shè)框架

2.自然資源特定目標(biāo)的變化信息提取

非農(nóng)建設(shè)用地和礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況變化信息提取，是監(jiān)測區(qū)國土資源監(jiān)測關(guān)鍵工作。對于特定地物目標(biāo)，其信息特征隨季節(jié)和氣象條件的變化而變化，所選擇的兩時相遙感影像一般是不同季節(jié)的。如果直接將兩幅影像求差，則會得到錯誤的結(jié)論，影響數(shù)據(jù)處理精度。自然資源特定目標(biāo)變化信息提取采用分類結(jié)果比較法開展具體工作,流程如圖2所示。該方法是對兩期自然資源現(xiàn)狀信息提取結(jié)果，運(yùn)用GIS 疊置分析方法，獲取變化圖斑，通過人機(jī)交互解譯篩查，從發(fā)現(xiàn)變化信息的圖像中目視解譯核查變化區(qū)域，從而確定變化圖斑的準(zhǔn)確性。監(jiān)測區(qū)自然資源變化監(jiān)測是在前期自然資源現(xiàn)狀信息提取結(jié)果基礎(chǔ)上，疊加后期自然資源現(xiàn)狀信息提取結(jié)果，利用分類結(jié)果比較法，通過人工目視判讀，獲取監(jiān)測區(qū)不同時間段內(nèi)自然資源變化信息。

圖2 自然資源變化信息提取流程圖

3.基于深度學(xué)習(xí)要素自動提取技術(shù)

隨著計算機(jī)計算能力的長足進(jìn)展，以神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)為特征的深度學(xué)習(xí)技術(shù)開始顯現(xiàn)出極大的優(yōu)越性，逐步成為人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。在自然資源遙感監(jiān)測工作中，需要引入人工智能等先進(jìn)技術(shù)，提升解譯工作的科學(xué)性和時效性。利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）等深度學(xué)習(xí)算法，對預(yù)處理后的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，基于特征提取結(jié)果，從提取出的特征中選擇出最具有代表性的部分，并去除無用信息，以降低特征維度和計算成本，根據(jù)選擇出的特征，利用AlexNet、VGGNet、GoogleNet、ResNet 等深度學(xué)習(xí)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自然資源要素分類提取。

三、典型應(yīng)用

基于生態(tài)文明建設(shè)的國家需求，按照自然資源部履行“兩統(tǒng)一”職責(zé)和新時期加強(qiáng)自然資源管理的要求，構(gòu)建監(jiān)測技術(shù)流程和方法體系[12]。依托自然資源陜西省衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)中心衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)資源，圍繞國土資源監(jiān)察執(zhí)法工作，綜合開展土地資源動態(tài)監(jiān)測、典型要素監(jiān)測（非農(nóng)建設(shè)用地、礦產(chǎn)開發(fā)用地）的開發(fā)與監(jiān)管，優(yōu)選衛(wèi)星遙感技術(shù)在國土資源監(jiān)測實(shí)用關(guān)鍵技術(shù)研究，為國土執(zhí)法監(jiān)察部門提供實(shí)時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，不斷提升秦嶺地區(qū)國土資源調(diào)查監(jiān)管能力和治理能力。

1.常態(tài)化土地利用遙感監(jiān)測

基于“天—空—地”一體化監(jiān)測體系，利用2021 年第一季度2m 分辨率的衛(wèi)星遙感影像，開展秦嶺地區(qū)土地利用變化圖斑提取等工作。正射影像制作是以三調(diào)正射影像為基礎(chǔ)，變化圖斑信息提取是以2020 年度國土變更調(diào)查成果為基礎(chǔ)，通過內(nèi)業(yè)解譯，對耕地資源、人工建（構(gòu)）筑物進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，同時對園、林、草、濕以及水資源等進(jìn)行監(jiān)測，并應(yīng)用深度學(xué)習(xí)模型自動提取圖斑，與人機(jī)判讀結(jié)果交叉驗證、查漏補(bǔ)缺。圖斑信息提取成果包括疑似新增建（構(gòu)）筑物圖斑（圖3）、原建（構(gòu)）筑物變化圖斑、耕地變化圖斑等。監(jiān)測結(jié)果顯示，秦嶺地區(qū)2021 年第一季度土地利用變化主要發(fā)生在西安市、渭南市和漢中市。

圖3 秦嶺地區(qū)2021 年第一季度新增建（構(gòu)）筑物圖斑變化影像圖

2.秦嶺礦產(chǎn)開發(fā)用地遙感監(jiān)測

采用內(nèi)業(yè)解譯與外業(yè)核查結(jié)合的方式，利用遙感影像數(shù)據(jù)，開展秦嶺北麓礦產(chǎn)開發(fā)用地（圖4）遙感解譯工作。已完成2019、2020、2021 年共計3 年12 個季度的解譯工作，結(jié)果顯示2019—2021 年，秦嶺地區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)占地的面積占比較小，各季度礦產(chǎn)開發(fā)用地在年內(nèi)變化較小，說明礦產(chǎn)開發(fā)隨時間變化并不明顯。根據(jù)縣級行政區(qū)劃，對秦嶺北麓礦產(chǎn)開發(fā)用地圖斑進(jìn)行統(tǒng)計。對各區(qū)縣12 個季度平均面積分布情況分析后發(fā)現(xiàn)，華州區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)用地占地面積最大，其次為華陰市，占地面積最少的為臨渭區(qū)。

圖4 礦產(chǎn)開發(fā)用地圖斑解譯標(biāo)志

3.秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)范圍內(nèi)建（構(gòu)）筑物監(jiān)測

建（構(gòu)）筑物遙感解譯基于北京二號、高分二號、高分七號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，時相為2020 年、2021 年第二季度，空間分辨率優(yōu)于1m。遙感解譯底圖采用紅、綠、藍(lán)3 個波段合成真彩色圖像，根據(jù)圖像的形狀、紋理、色調(diào)特征和周邊環(huán)境等因素，直接判讀識別出相應(yīng)的地物，判別和勾繪地表建（構(gòu)）筑物矢量邊界，提取建（構(gòu)）筑物的相關(guān)信息。基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，本研究對秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)之內(nèi)，城市、建制鎮(zhèn)以外的村莊及各類重點(diǎn)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物開展了全面調(diào)查工作（圖5）。同時應(yīng)用深度學(xué)習(xí)模型，自動提取變化圖斑，為解譯提供參考。通過本次調(diào)查工作，掌握了秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)范圍內(nèi)建（構(gòu)）筑物本底數(shù)據(jù)，建立了秦嶺區(qū)域建（構(gòu)）筑物數(shù)據(jù)庫與綜合信息管理平臺，為開展秦嶺區(qū)域建（構(gòu)）筑物常態(tài)化監(jiān)測、秦嶺“五亂”問題整治、土地執(zhí)法監(jiān)察、生態(tài)紅線保護(hù)、房屋確權(quán)登記等工作提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

圖5 交通運(yùn)輸用地影像與實(shí)地照片圖

四、發(fā)展展望

在國產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的支持下，實(shí)現(xiàn)了對秦嶺自然資源全方位的監(jiān)測和管理。為了滿足“十四五”發(fā)展需求，未來的自然資源遙感監(jiān)測的發(fā)展方向主要包括兩個方面。首先，需要進(jìn)一步完善自然資源監(jiān)測體系，擴(kuò)大監(jiān)測要素內(nèi)容范圍，豐富監(jiān)測內(nèi)容，提高監(jiān)測頻次，構(gòu)建全方位的秦嶺自然資源遙感監(jiān)測體系。其次，需要發(fā)展多源多載荷數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用，利用多種載荷衛(wèi)星觀測網(wǎng)絡(luò)，包括光學(xué)、雷達(dá)、高光譜、激光、立體測繪等多種載荷衛(wèi)星，以及新型載荷衛(wèi)星如重力衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)多尺度、多種空間分辨率、多載荷的衛(wèi)星影像高效協(xié)同利用，為秦嶺自然資源遙感監(jiān)測提供全方位、全天時、全天候的數(shù)據(jù)支撐和信息服務(wù)。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要構(gòu)建遙感衛(wèi)星網(wǎng)、航空（無人機(jī)）多源多視感知網(wǎng)、地面實(shí)時觀測網(wǎng)于一體的空天地網(wǎng)數(shù)據(jù)保障體系。通過虛擬星座組網(wǎng)和光學(xué)、高光譜、激光、重力、飛艇、無人機(jī)等載荷和平臺的綜合應(yīng)用，構(gòu)建空天地網(wǎng)數(shù)據(jù)協(xié)同獲取技術(shù)體系，增強(qiáng)自然資源全天時、全天候、全要素觀測能力。借助云、網(wǎng)、邊、端架構(gòu)和5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢，形成空天地網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的全面統(tǒng)籌和一體化調(diào)度能力，實(shí)現(xiàn)各種手段深度融合及數(shù)據(jù)高效快速采集、流轉(zhuǎn)和應(yīng)用。此外，開展多源長時序數(shù)據(jù)在線聚合，形成分析即用的時空譜數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)集成化、一體化處理，發(fā)揮數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用效能。這些技術(shù)和方法的應(yīng)用，將有效地推進(jìn)秦嶺自然資源遙感監(jiān)測的現(xiàn)代化和智能化，為秦嶺山水林田湖草的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供堅實(shí)的技術(shù)與數(shù)據(jù)支撐。