黃昕

廣西壯族自治區(qū)自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)院 廣西 南寧 530023

引言

遙感監(jiān)測(cè)是了解自然資源發(fā)展情況的重要工具。通過對(duì)自然資源的使用和變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，了解自然資源的現(xiàn)狀和變化，是保護(hù)和管理自然資源的必要前提。遙感用于土地資源、水資源和森林的監(jiān)測(cè)，通過近幾年發(fā)展，該技術(shù)和方法取得了長足的進(jìn)步。自然資源管理體制改革是重要基礎(chǔ)，我國目前處于生態(tài)文明建設(shè)的時(shí)期，需要提高自然資源管理和治理水平。監(jiān)測(cè)及自然資源的開發(fā)和利用，進(jìn)而揭示自然資源規(guī)律，科學(xué)地進(jìn)行土地和空間規(guī)劃，將土地控制與土地利用與生態(tài)相結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)綜合治理和生態(tài)安全提供重要的基礎(chǔ)支撐。

1 自然資源遙感監(jiān)測(cè)體系框架設(shè)計(jì)

以高清遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)自然資源標(biāo)準(zhǔn)遙感監(jiān)測(cè)流程，制定標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)體系。遙感監(jiān)測(cè)與自然資源標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立，實(shí)現(xiàn)了自然資源變化監(jiān)測(cè)和目標(biāo)信息產(chǎn)品的自動(dòng)化。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)，分析數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)報(bào)告等，推廣業(yè)務(wù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，以及個(gè)性化服務(wù)信息，開展遙感線影像服務(wù)，建立衛(wèi)星遙感跟蹤系統(tǒng)。建立數(shù)據(jù)庫以監(jiān)測(cè)自然資源的變化，開發(fā)應(yīng)用服務(wù)和監(jiān)測(cè)自然資源變化的數(shù)據(jù)。

2 自然資源遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 自然資源要素變化提取技術(shù)

基于多時(shí)段的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)自然資源要素變化，以及變化前后之間存在空間重合關(guān)系，導(dǎo)致項(xiàng)目復(fù)雜。傳統(tǒng)的方法是基于面向?qū)ο蠡蛎嫦蛳袼氐姆椒ǎ饕菍?duì)光譜和紋理等特征進(jìn)行分析，在復(fù)雜的場(chǎng)景中難以取得好的效果。考慮到海量數(shù)據(jù)的變化跟蹤，需要采用深度學(xué)習(xí)和機(jī)器相結(jié)合的方法，打造復(fù)雜特征的自然資源要素變化的提取技術(shù)。自然資源要素變化的提取困難是由于目標(biāo)的復(fù)雜特征、尺度多樣化和目標(biāo)變化，以及目標(biāo)引起的變化。自然資源要素變化自動(dòng)提取在于建立一個(gè)泛化良好的深度模型和復(fù)雜特征要素變化的全過程提取生成技術(shù)。對(duì)于時(shí)間序列圖像，存在多對(duì)多的空間映射，使得自然資源要素的修改和組合復(fù)雜化，變化目標(biāo)的尺度是可變的。一些小的變化表現(xiàn)為數(shù)據(jù)稀疏問題，建立重點(diǎn)要素變化提取技術(shù)體系，建立自然資源要素變化自動(dòng)提取技術(shù)體系。因交換深度模型的泛化性是通過多種來源的衛(wèi)星圖像，具有廣泛范圍樣本數(shù)據(jù)集和樣本開發(fā)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)提取技術(shù)全過程主要通過建立數(shù)據(jù)掃描、任務(wù)調(diào)度、自動(dòng)精加工和自動(dòng)歸檔的一體化來進(jìn)行。

2.2 特定自然資源的自動(dòng)化提取技術(shù)

跟蹤特定的自然資源目標(biāo)是自動(dòng)提取范圍廣泛的目標(biāo)，但實(shí)際目標(biāo)樣本數(shù)量相對(duì)較少。為了實(shí)現(xiàn)大范圍目標(biāo)特異性的高精度和自動(dòng)化提取，多維樣本開發(fā)、高通量模型構(gòu)建和大規(guī)模樣本工程是關(guān)鍵自動(dòng)化提取高頻專業(yè)目標(biāo)。自然資源衛(wèi)星遙感跟蹤目標(biāo)提取技術(shù)包括傳統(tǒng)機(jī)器特征構(gòu)建、典型模型深度訓(xùn)練與處理、樣本采集與選擇和提取精度分析等。這包括目標(biāo)特征的自動(dòng)提取，根據(jù)自動(dòng)提取進(jìn)行跟蹤，從大型遙感數(shù)據(jù)庫中選取影像數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過自提取軟件提取特征。在正常模式下，針對(duì)各種項(xiàng)目跟蹤插入圖像，需要對(duì)日常插入的數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行空間匹配和數(shù)據(jù)校正等預(yù)處理，然后制定提取規(guī)則，并根據(jù)項(xiàng)目的屬性差異，數(shù)據(jù)進(jìn)行提取方法可選擇加工。根據(jù)自動(dòng)處理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)提取結(jié)果，進(jìn)行精密處理，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，并按期限對(duì)結(jié)果進(jìn)行分類，最終生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

2.3 智能遙感成像技術(shù)

智能遙感成像技術(shù)是支撐智能遙感的重要基礎(chǔ)，主要包括專題圖和點(diǎn)樣庫、野外采集信息庫和數(shù)據(jù)采集庫。樣本庫由圖像分割創(chuàng)建，進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)分類，包括光譜和紋理等特征?，F(xiàn)場(chǎng)采集信息庫是通過采集獲取的，包括支持評(píng)論的照片和視頻等。深度學(xué)習(xí)是近年來機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)研究點(diǎn)，在語音識(shí)別和視覺方面取得了成績。在遙感圖像處理，深度學(xué)習(xí)可以處理高空間分辨率的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行有效的識(shí)別和分類。遙感已成為大數(shù)據(jù)分析和挖掘有效工具。深度學(xué)習(xí)平臺(tái)的自動(dòng)提取是根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)的要求，利用遙感知識(shí)庫的結(jié)果提取深度學(xué)習(xí)平臺(tái)。自然資源新增建設(shè)用地檢測(cè)，用于新增用地、工礦儲(chǔ)藏地和住宅用地等地表地物等。平臺(tái)建設(shè)過程包括數(shù)據(jù)掃描與處理、圖像分析、提取算法集成和模型訓(xùn)練等步驟。深度學(xué)習(xí)建立在多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過學(xué)習(xí)函數(shù)，使用逐層學(xué)習(xí)訓(xùn)練集，初始化網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重以接近最佳。在部署過程中，采用深度學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)機(jī)器相結(jié)合的方式進(jìn)行抽取，兼顧技術(shù)的可行性。通過深度學(xué)習(xí)進(jìn)行變化圖點(diǎn)分割和提取，通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)優(yōu)化變化圖的處理，結(jié)合衛(wèi)星影像背景數(shù)據(jù)庫、自然資源基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫、遙感專項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫、生態(tài)數(shù)據(jù)庫和應(yīng)急管理遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。根據(jù)時(shí)間進(jìn)行變更分析并生成最終報(bào)告。

3 自然資源遙感監(jiān)測(cè)體系建設(shè)措施

3.1 建立衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)資源系統(tǒng)

根據(jù)自然資源的需要，優(yōu)化衛(wèi)星觀測(cè)保護(hù)自然的衛(wèi)星資源，整合系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，完成遙感數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)，進(jìn)行正射影像遙感影像的自動(dòng)生成，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和處理變化規(guī)律，對(duì)變化模式進(jìn)行分析和質(zhì)量控制，制作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，開展遙感影像信息在線交換服務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)化全要素季度監(jiān)測(cè)、重點(diǎn)區(qū)域高頻監(jiān)測(cè)和目標(biāo)具體監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)的監(jiān)測(cè)，以此來進(jìn)行圖像協(xié)同編排、圖像處理、變化提取和編輯地圖，建立結(jié)果和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫，以全比例和多比例計(jì)劃技術(shù)工程安排，包括遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)衛(wèi)星資源。建立全項(xiàng)目、多尺度的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和評(píng)價(jià)機(jī)制，直接服務(wù)于自然資源核心業(yè)務(wù)。在標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)方法上科學(xué)指導(dǎo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為衛(wèi)星遙感自然資源監(jiān)測(cè)研究的開展提供了保障[1]。

3.2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)自然資源基礎(chǔ)技術(shù)

自然資源季度實(shí)時(shí)遙感監(jiān)測(cè)是自動(dòng)影像選擇、跟蹤數(shù)據(jù)分階段更新、監(jiān)測(cè)自動(dòng)循環(huán)和要素變化提取，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域和重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。人機(jī)協(xié)同編輯和數(shù)據(jù)建模，通過統(tǒng)計(jì)分析、信息存儲(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)信息產(chǎn)品和自動(dòng)生成報(bào)告，用于關(guān)鍵技術(shù)的監(jiān)控和研發(fā)。研發(fā)基于自動(dòng)監(jiān)控生產(chǎn)線和基于模塊化的規(guī)劃控制技術(shù)，為用戶提供監(jiān)管的全自動(dòng)生產(chǎn)運(yùn)行保障。基于正射影像和關(guān)鍵地理信息數(shù)據(jù)，分解自然資源變化和自動(dòng)目標(biāo)特定提取，創(chuàng)建復(fù)雜場(chǎng)景泛化能力的自動(dòng)土地覆蓋提取方法?；谔烊坏男l(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研發(fā)數(shù)據(jù)加密的便攜式數(shù)據(jù)包監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)。打破自然資源變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開展自然資源遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測(cè)、檢驗(yàn)和分析應(yīng)用。推進(jìn)二維和三維綜合地理信息技術(shù)，支持標(biāo)準(zhǔn)化自然資源監(jiān)測(cè)全過程監(jiān)測(cè)和管理，并且可定制化輸出調(diào)查結(jié)果監(jiān)測(cè)[2]。

3.3 自然資源衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

針對(duì)自然資源監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求，需要建立自然資源衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)管理子系統(tǒng)、遙感跟蹤圖生產(chǎn)子系統(tǒng)和自然資源衛(wèi)星遙感子系統(tǒng)地表覆蓋跟蹤產(chǎn)品，并對(duì)相關(guān)的過程質(zhì)量控制子系統(tǒng)和跟蹤數(shù)據(jù)包。通過集成自動(dòng)影像選擇、跟蹤數(shù)據(jù)增量更新、跟蹤自動(dòng)流程、提取項(xiàng)目變化、協(xié)同人機(jī)編輯、數(shù)據(jù)模板統(tǒng)計(jì)、信息存儲(chǔ)、信息產(chǎn)品和月報(bào)表監(jiān)控報(bào)表自動(dòng)生成等功能。遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要支持以多節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算和多終端編程，支持自然資源常態(tài)化遙感監(jiān)測(cè)作業(yè)的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)過程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)[3]。

4 自然資源遙感監(jiān)測(cè)發(fā)展展望

在衛(wèi)星資源整合、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測(cè)信息提取和應(yīng)用服務(wù)等領(lǐng)域，開展相關(guān)優(yōu)化整合研究，有力支撐遙感自然資源監(jiān)測(cè)能力的提升。自然資源遙感監(jiān)測(cè)需要影像數(shù)據(jù)對(duì)有效成像數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集、處理、信息提取和質(zhì)量檢驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)了成像自然資源季度遠(yuǎn)程遙感監(jiān)測(cè)。遙感自然資源監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)監(jiān)控轉(zhuǎn)型和定期監(jiān)控。通過衛(wèi)星資源整合和協(xié)調(diào)，有效接收數(shù)據(jù)的能力大大提高。通過成像需求、任務(wù)規(guī)劃和計(jì)劃層次，協(xié)調(diào)整合衛(wèi)星資源，提升衛(wèi)星成像能力。按照目前衛(wèi)星的總體規(guī)劃，建立基于深度學(xué)習(xí)的資源要素智能業(yè)務(wù)應(yīng)用技術(shù)流程，突破自然資源要素變化技術(shù)和復(fù)雜場(chǎng)景下目標(biāo)智能發(fā)現(xiàn)技術(shù)，保證了自動(dòng)模式提取的精度。推廣人工智能信息提取技術(shù)和圖像標(biāo)簽特征深度學(xué)習(xí)，為廣泛的自然資源監(jiān)測(cè)和針對(duì)特定目標(biāo)信息的深度模型自動(dòng)提取。對(duì)于復(fù)雜環(huán)境中的資源要素，帶寬自適應(yīng)綜合智能處理的深度學(xué)習(xí)模型和多邊形重建，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)地表覆蓋要素結(jié)果的可視化綜合輸出。創(chuàng)新研發(fā)智能循環(huán)和模塊規(guī)劃控制技術(shù)自然資源遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于圖像自動(dòng)選取、底圖數(shù)據(jù)增量更新、任務(wù)自動(dòng)流程、自動(dòng)提取變化、協(xié)同人機(jī)編輯、數(shù)據(jù)模板分析、標(biāo)準(zhǔn)信息產(chǎn)品和監(jiān)測(cè)報(bào)告，支持多節(jié)點(diǎn)計(jì)算和多終端調(diào)度。跟蹤整個(gè)過程并自動(dòng)計(jì)算，提高后續(xù)工作的自動(dòng)化水平。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息產(chǎn)品的高效處理，提高遙感監(jiān)測(cè)效率，創(chuàng)新開發(fā)監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)用的協(xié)作模式。根據(jù)影像業(yè)務(wù)需求范圍對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行提取和加密。建立長期的典型自然資源要素?cái)?shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了自然資源要素的實(shí)時(shí)和全方位監(jiān)測(cè)在線應(yīng)用服務(wù)。通過遙感自然資源監(jiān)測(cè)，可以有效支撐資源管理的核心業(yè)務(wù)。自然資源遙感監(jiān)測(cè)，將不斷提高遙感對(duì)自然資源監(jiān)測(cè)。自然資源管理綜合監(jiān)測(cè)可以提供全面、多功能的過程保證和支持服務(wù)。

5 進(jìn)展與應(yīng)用成效

在衛(wèi)星資源整合、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測(cè)信息提取和應(yīng)用服務(wù)等方面開展相關(guān)優(yōu)化工作，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)能力全面提升。圖像數(shù)據(jù)請(qǐng)求使數(shù)據(jù)的有效接收、處理、信息提取和質(zhì)量檢查成為可能。建立全要素標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和全覆蓋遙感監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)由定期監(jiān)測(cè)向?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)變和更新，通過衛(wèi)星整合和需求的協(xié)調(diào)，獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)的能力提高，2m級(jí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)季度覆蓋基本實(shí)現(xiàn)。通過成像需求、規(guī)劃和發(fā)射計(jì)劃，對(duì)相似的衛(wèi)星能力進(jìn)行整合，提升了衛(wèi)星圖像獲取能力。通過2m級(jí)衛(wèi)星的總體規(guī)劃，季度有效覆蓋率已達(dá)到90%以上。打造基于自然資源要素智能解讀業(yè)務(wù)技術(shù)流程，突破自然資源要素監(jiān)測(cè)技術(shù)，針對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景發(fā)現(xiàn)特定目標(biāo)，保證了變化模式自動(dòng)提取的準(zhǔn)確性。推動(dòng)智能信息提取技術(shù)的應(yīng)用，開發(fā)圖像特征樣本庫，用于自然資源監(jiān)測(cè)服務(wù)，自動(dòng)提取學(xué)習(xí)模型，針對(duì)復(fù)雜的資源要素進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)化。對(duì)于自適應(yīng)集成智能圖像處理、區(qū)域約束下的學(xué)習(xí)模型和多邊形重建等算法，實(shí)現(xiàn)地表覆蓋要素結(jié)果的一體化可視化輸出。開發(fā)自然資源遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng),執(zhí)行影像選擇、底圖數(shù)據(jù)的更新、監(jiān)測(cè)任務(wù)的循環(huán)、要素變化的提取、人機(jī)編輯、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、信息存儲(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)化信息報(bào)告，支持多節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算和編程，監(jiān)控整個(gè)過程并循環(huán)結(jié)果，提高了監(jiān)控工作的自動(dòng)化水平。創(chuàng)新開發(fā)基于監(jiān)測(cè)結(jié)果的多人協(xié)同作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效處理，提高了遙感監(jiān)測(cè)運(yùn)行效率。建立典型自然資源數(shù)據(jù)庫長效序列，開展自然資源全覆蓋，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要素在線應(yīng)用服務(wù)。通過自然資源遙感監(jiān)測(cè)，有效支撐資源管理業(yè)務(wù)工作。

6 結(jié)束語

綜上所述，自然資源遙感監(jiān)測(cè)提取數(shù)據(jù)和信息，利用每個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)，實(shí)施基于個(gè)性化修復(fù)和生態(tài)修復(fù)的監(jiān)測(cè)。針對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)建立遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫，開展持續(xù)監(jiān)測(cè)。通過連續(xù)監(jiān)測(cè)，揭示自然資源狀況，并可以有效分析自然資源的演化機(jī)制。