自然资源遥感监测体系在秦岭自然资源监测中的应用
《卫星应用》杂志 2024年1期
文 | 洪增林 付垒
1.自然资源陕西省卫星应用技术中心 2.中国-上合组织地学研究中心卫星遥感应用中心 3.自然资源部黄河上中游自然资源智能遥感监测工程技术创新中心
一、前言
自然资源是维系人类生存的基石。党的十九届四中全会强调，要“加快建立自然资源统一调查、评价、监测制度，健全自然资源监管体制”，这标志着生态文明建设已经从理性认识阶段走向量化实践，从分类管理向体系治理转变[1]。因此，及时准确地了解我国自然资源现状，是实现自然资源保护与调查监测的关键问题[2]。
遥感技术是了解区域自然资源变化的重要手段，它可以持续监测各类自然资源的利用和变化，进而有效地服务自然资源管理。遥感技术在地理国情监测[3]、土地利用变更调查监测与核查[4]、第三次国土调查等方面发挥出优势[5]，为满足生态文明建设[6]、国土空间规划[7]、自然资源管理体制改革和统一确权登记[8]等各项工作奠定了重要基础。
秦岭横亘于我国中部，主体位于陕西省中南部，是我国南北自然地理、气候、水系的分界线，具有重要的生态服务价值，对于维护国家和区域生态安全具有重要意义。同时，秦岭在中国陆地生态系统碳循环中也发挥着不可替代的作用[9-10]。党的十八大以来，习近平总书记高度重视秦岭生态环境保护，多次做出重要指示批示，把秦岭生态环境保护和修复工作摆上重要位置。
卫星遥感技术通过获取大量地表信息，能全面、准确地了解秦岭自然资源现状和变化趋势，对山水林田湖草整体保护、综合治理与系统修复都具有重要的支撑作用，为科学制定秦岭地区保护和管理措施提供数据支持。本文对陆地遥感监测体系在秦岭自然资源监测中的应用进行了分析，并展望了未来的发展方向。
二、监测体系框架
1.总体框架设计
自然资源遥感监测技术体系主要目标是充分利用现代测量、信息网络以及空间探测等技术手段，构建“天-空-地”一体的自然资源遥感监测框架[11]。主要采用深度学习等人工智能技术，研发影像自动处理、监测信息自动提取、成果质检等监测方法，构建监测流程，实现自然资源现状信息提取和变化监测的系统化运行。图1 为自然资源遥感监测体系建设框架。
图1 自然资源遥感监测体系建设框架
2.自然资源特定目标的变化信息提取
非农建设用地和矿产资源开发状况变化信息提取，是监测区国土资源监测关键工作。对于特定地物目标，其信息特征随季节和气象条件的变化而变化，所选择的两时相遥感影像一般是不同季节的。如果直接将两幅影像求差，则会得到错误的结论，影响数据处理精度。自然资源特定目标变化信息提取采用分类结果比较法开展具体工作,流程如图2所示。该方法是对两期自然资源现状信息提取结果，运用GIS 叠置分析方法，获取变化图斑，通过人机交互解译筛查，从发现变化信息的图像中目视解译核查变化区域，从而确定变化图斑的准确性。监测区自然资源变化监测是在前期自然资源现状信息提取结果基础上，叠加后期自然资源现状信息提取结果，利用分类结果比较法，通过人工目视判读，获取监测区不同时间段内自然资源变化信息。
图2 自然资源变化信息提取流程图
3.基于深度学习要素自动提取技术
随着计算机计算能力的长足进展，以神经元网络为特征的深度学习技术开始显现出极大的优越性，逐步成为人工智能和机器学习领域的一个研究热点。在自然资源遥感监测工作中，需要引入人工智能等先进技术，提升解译工作的科学性和时效性。利用卷积神经网络（CNN）等深度学习算法，对预处理后的遥感数据进行特征提取，基于特征提取结果，从提取出的特征中选择出最具有代表性的部分，并去除无用信息，以降低特征维度和计算成本，根据选择出的特征，利用AlexNet、VGGNet、GoogleNet、ResNet 等深度学习架构，实现自然资源要素分类提取。
三、典型应用
基于生态文明建设的国家需求，按照自然资源部履行“两统一”职责和新时期加强自然资源管理的要求，构建监测技术流程和方法体系[12]。依托自然资源陕西省卫星应用技术中心卫星影像数据资源，围绕国土资源监察执法工作，综合开展土地资源动态监测、典型要素监测（非农建设用地、矿产开发用地）的开发与监管，优选卫星遥感技术在国土资源监测实用关键技术研究，为国土执法监察部门提供实时动态监测数据，不断提升秦岭地区国土资源调查监管能力和治理能力。
1.常态化土地利用遥感监测
基于“天—空—地”一体化监测体系，利用2021 年第一季度2m 分辨率的卫星遥感影像，开展秦岭地区土地利用变化图斑提取等工作。正射影像制作是以三调正射影像为基础，变化图斑信息提取是以2020 年度国土变更调查成果为基础，通过内业解译，对耕地资源、人工建（构）筑物进行重点监测，同时对园、林、草、湿以及水资源等进行监测，并应用深度学习模型自动提取图斑，与人机判读结果交叉验证、查漏补缺。图斑信息提取成果包括疑似新增建（构）筑物图斑（图3）、原建（构）筑物变化图斑、耕地变化图斑等。监测结果显示，秦岭地区2021 年第一季度土地利用变化主要发生在西安市、渭南市和汉中市。
图3 秦岭地区2021 年第一季度新增建（构）筑物图斑变化影像图
2.秦岭矿产开发用地遥感监测
采用内业解译与外业核查结合的方式，利用遥感影像数据，开展秦岭北麓矿产开发用地（图4）遥感解译工作。已完成2019、2020、2021 年共计3 年12 个季度的解译工作，结果显示2019—2021 年，秦岭地区矿产开发占地的面积占比较小，各季度矿产开发用地在年内变化较小，说明矿产开发随时间变化并不明显。根据县级行政区划，对秦岭北麓矿产开发用地图斑进行统计。对各区县12 个季度平均面积分布情况分析后发现，华州区矿产开发用地占地面积最大，其次为华阴市，占地面积最少的为临渭区。
图4 矿产开发用地图斑解译标志
3.秦岭生态环境保护范围内建（构）筑物监测
建（构）筑物遥感解译基于北京二号、高分二号、高分七号卫星数据，时相为2020 年、2021 年第二季度，空间分辨率优于1m。遥感解译底图采用红、绿、蓝3 个波段合成真彩色图像，根据图像的形状、纹理、色调特征和周边环境等因素，直接判读识别出相应的地物，判别和勾绘地表建（构）筑物矢量边界，提取建（构）筑物的相关信息。基于卫星遥感数据，本研究对秦岭生态环境保护区之内，城市、建制镇以外的村庄及各类重点保护区范围内的建（构）筑物开展了全面调查工作（图5）。同时应用深度学习模型，自动提取变化图斑，为解译提供参考。通过本次调查工作，掌握了秦岭生态环境保护范围内建（构）筑物本底数据，建立了秦岭区域建（构）筑物数据库与综合信息管理平台，为开展秦岭区域建（构）筑物常态化监测、秦岭“五乱”问题整治、土地执法监察、生态红线保护、房屋确权登记等工作提供数据和技术支撑。
图5 交通运输用地影像与实地照片图
四、发展展望
在国产高分卫星数据的支持下，实现了对秦岭自然资源全方位的监测和管理。为了满足“十四五”发展需求，未来的自然资源遥感监测的发展方向主要包括两个方面。首先，需要进一步完善自然资源监测体系，扩大监测要素内容范围，丰富监测内容，提高监测频次，构建全方位的秦岭自然资源遥感监测体系。其次，需要发展多源多载荷数据协同应用，利用多种载荷卫星观测网络，包括光学、雷达、高光谱、激光、立体测绘等多种载荷卫星，以及新型载荷卫星如重力卫星，实现多尺度、多种空间分辨率、多载荷的卫星影像高效协同利用，为秦岭自然资源遥感监测提供全方位、全天时、全天候的数据支撑和信息服务。
为了实现这一目标，需要构建遥感卫星网、航空（无人机）多源多视感知网、地面实时观测网于一体的空天地网数据保障体系。通过虚拟星座组网和光学、高光谱、激光、重力、飞艇、无人机等载荷和平台的综合应用，构建空天地网数据协同获取技术体系，增强自然资源全天时、全天候、全要素观测能力。借助云、网、边、端架构和5G、物联网技术优势，形成空天地网数据采集的全面统筹和一体化调度能力，实现各种手段深度融合及数据高效快速采集、流转和应用。此外，开展多源长时序数据在线聚合，形成分析即用的时空谱数据集，实现多源数据集成化、一体化处理，发挥数据综合应用效能。这些技术和方法的应用，将有效地推进秦岭自然资源遥感监测的现代化和智能化，为秦岭山水林田湖草的生态保护与修复提供坚实的技术与数据支撑。