自然资源即时遥感监测技术体系研究

0  引  言

自然资源是指天然存在、有使用价值、可提高人类当前和未来福利的自然环境因素的总和，具有自然属性、经济社会属性和生态属性。调查监测各类自然资源的数量、布局及权属“本底”，是自然资源管理的基本要求和依据，也是保障自然资源合理利用的前提和基础。

在自然资源调查监测方面。我国已开展3次规模化的全国土地调查工作，采用的遥感数据源由国外为主转变为国产遥感数据为主，遥感数据分辨率由米级发展到亚米级，土地利用类型划分由二级地类全面细化到三级地类，内业信息提取从人工操作逐步发展到可自动化实现。在信息提取时，可综合利用高分卫星、无人机等数据源，提取方式由目视解译发展到3S一体化综合应用技术。在第三次全国土地利用类型调查中，土地调查底图的制作以国外软件为主、国内为辅，采用多节点工作方式，地类识别效率有所提高。

在自然资源管控方面。多年来，我国开展了自然资源调查、地理国情普查等工作，积累了海量的多源、多平台、多类型的自然资源业务数据、行业大数据以及泛在网络数据等。面对多源异构数据，不同管理部门的权责规划分属也不同。为避免自成体系、内容冲突、缺乏衔接协调等问题，中共中央、国务院印发的《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》指出，要建立统一的国土空间规划，实现“多规合一”，逐步形成全国国土空间规划“一张图”。针对不同部门建立的专题数据库在相互融合应用中存在的各类要素的分类体系、成果接口标准、技术指标不统一等问题，相关研究提出采用多源异构数据库集成技术，国外有如Garlic系统、OLEDB系统、SIMMIS系统等的多源异构数据库集成系统；国内主要集中于将多源异构数据转换为通用可操作数据应用方面的研究。针对海量多源异构数据管理应用中存在的决策分析响应不及时、多类型相关数据无法充分利用等问题，相关研究提出采用基于最小地理空间单元图斑的感知与管控技术，国外针对自然资源管理的信息化与数字化建立了多种自然资源信息管理系统，如美国航空航天局NASA的土地信息系统、英格兰和威尔士的土地信息系统（LandIS）、德国的不动产地籍信息系统（ALKIS）等；国内则研究建立不同地物的地块图斑编码方式，构建全国土地利用基础数据库，实现自然资源调查成果的数字化，同时建立自然资源综合监管平台与土地变更调查机制，实现常态化的变化监测。

在卫星遥感数据源方面。据统计，各国共发射了超1000枚人造卫星，中国位列第二，而在大型遥感卫星发射数量上，已经超过了美国与俄罗斯，成为了世界上发射遥感卫星最多的国家。随着卫星传感器的迅速发展，空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率越来越高。在空间分辨率上，已经商业化运行的光学遥感卫星（WorldView-4、高分2号、高景一号等）已经达到亚米级；在光谱分辨率上，国内发展几乎与美国同步，一直处于国际前列，如环境与减灾小卫星星座、风云气象卫星、高分5号卫星等；在时间分辨率上，得到大幅提升，高分组网数据获取从4天缩短至两天，“吉林一号”组网卫星计划2030年前实现138颗卫星组网，具备全球任意地点10min内重访能力，“灵鹊星座”“千乘一号”等商业卫星星座也在进一步的规划之中，将实现半天覆盖地球。

综上所述，随着技术创新发展和数据源的多源化，自然资源监测与管控的技术和手段取得了一定的成效和进步，但仍存在一些问题。海量数据缺乏流水线处理模式，地块图斑分类与变化监测自动化不足；调查任务下达周期固化，不利于违规违法问题的及时发现；多源异构数据难以统一应用管理；资源管理的智能化程度较低；卫星遥感数据资源分散，下载权限及时效性受限，数据利用率有限；卫星遥感数据覆盖不全，实时性、精细化程度不够等。

随着5G、人工智能、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术的兴起，在自然资源调查监测与管控方面具有巨大潜力，无论从自然资源部职能角度（政策驱动），还是自然资源智能感知整体技术流程角度（技术驱动），新技术与自然资源工作的融合势在必行。为此，本文面向全面、精细、可靠、即时的自然资源调查监测与管控体系构建，研究新型航天、航空对地组网观测数据资源调查保障技术，全国统一的土地资源图斑身份编码技术与指标体系构建，新一代信息技术支撑的自然资源调查监测技术，以及基于地块图斑的自然资源智能管控技术。

1  建设目标与思路

1.1  建设目标

在自然资源部“两统一”职责牵引下，面向全面、精细、可靠、即时的自然资源调查监测与管控要求，分析山水林田湖草的分布、结构、质量、权属等特征，研究建立全国统一的调查地理单元划分原则及其编码规则，研究建立以图斑地块信息变化驱动的主动式即时调查感知模式；基于5G技术等新型信息化技术，研究海量数据搜索引擎、PB级数据流水线处理、图斑变化智能提取、实时在线调查取证、众源信息大数据支撑决策等系列关键技术与系统；高度整合我国对地观测卫星资源、发展新一代航空遥感技术，构建航空航天遥感数据“端对端”直接对接的虚拟地面站服务平台；在国家、省、市（县）、乡建立多级联动的网络架构体系，实现我国自然资源调查监测与智能感知服务能力的跨越式发展。

1.2  建设思路

面向我国自然资源与国土空间统一监管，以及全球自然资源智能感知能力建设技术需求，研究制定自然资源行业大数据、时空相关人类社会活动大数据、现代航空航天遥感对地观测大数据等同质化组织管理方案，以及航空航天组网对地观测数据实时获取体系构建方案；结合5G现代移动通讯技术和现代卫星导航定位技术，融合云计算、大数据、人工智能等新技术，研究构建土地资源图斑身份编码规则、以及具备地块图斑智能搜索、感知与智能评价等搜索引擎的研究方案；高度整合我国对地观测卫星资源、发展新一代航空遥感技术，构建航空航天遥感数据“端对端”直接对接的虚拟地面站服务平台；建立国家、省、市（县）、乡多级联动的网络架构体系，优化我国国土资源调查监测机制，提升管理服务水平及效能（图1）。

图 1 建设思路

Fig.1 Construction ideas

2  关键任务

2.1  航天、航空对地组网观测数据保障技术

遥感卫星在拍摄地面时存在被云层遮住的情况，而有些地区常年被云遮挡，无法获取有效的卫星遥感影像，同时针对灾害应急、执法监测等需求，卫星遥感缺乏获取高时效、厘米级数据的能力，因此需要采用基于航空平台监测的遥感技术来获取这些地区的影像，以便对灾区应急、执法监测等及时响应。我国无人机种类齐全、功能多样，性能指标不断提高。但如何实现航空数据的实时获取，还需研究对地观测传感网结合5G通信技术与高速传输技术，实现时间上同步、持续性强、空间范围广、测点多的高效数据获取。

面向自然资源即时智能感知和突发灾害应急高精度遥感监测需求，研究虚拟遥感卫星地面站建设方案、LTE/EPT无人机中心组网观测体系建设方案，以及5G技术支持的地面移动公网多网融合高速传输技术方案等；研究构建满足国家、省、市、县（乡）4级贯通的自然资源智能感知高分辨率、多源航空航天对地观测数据实时获取、及时服务的解决方案。

1）虚拟遥感卫星地面站建设。天空地一体化的自然资源实时化监测，对遥感数据的按需服务能力提出更高要求，需要进一步探究多源监测数据整合体系建设方法，将卫星遥感数据、无人机监测数据等多源数据进行统一组织整合。

针对当前对地观测遥感卫星资源无法满足自然资源实时化调查监测需求的难题，研究全网络遥感数据接口标准、多级产品规范；研究多源遥感数据、长时间序列的分布式组织、管理与云存储技术，建立全网络遥感数据库；突破全网络遥感数据接入、自适应筛选等技术，开发空间数据搜索引擎，实现数据的实时接入与快速检索；研究多源、多级、多时相PB级卫星遥感数据流水线快速生产技术与系统；构建卫星遥感数据近实时化按需生产、打包、分发的站点服务能力，建立虚拟地面站，实现卫星数据资源的整合管理、生产与端对端分发服务。

2）自然资源监测航空遥感高端装备。面向自然资源全天候、精细化、快响应、定量化等监测需求，研究开发自主可控的高端、高精度自然资源监测航空遥感数字化、智能化装备，包括可见光、激光、高光谱、合成孔径雷达等。

对于常年受云、雨、灰尘、烟雾和雾的影响，难以获取光学影像的区域，研制高端SAR传感器，提升极化能力，保障这些区域的资源监测所需数据源；为满足土壤重金属含量、耕地质量等土地资源定量化遥感监测调查所需，研制国产自主高光谱仪设备。

研究高光谱数据自动化精度评价、辐射校正、几何校正等批量数据处理技术；研究合成孔径雷达数据配准、干涉、相位滤波、相位解缠、相高转换、地理编码等一系列数据自动化处理，建立基于TB/PB级数据仓库，解决海量数据快速计算问题。

3）无人机自主组网观测与在线监测技术与系统。研究智能化无人机系统平台、无人机高光谱仪、无人机激光雷达、轻小型极化SAR等高性能无人机新型传感器，满足厘米级高分数据动态获取、突发自然灾害实时监测、林下及复杂地区监测等应用需求；研究无人机飞行安全管控与实时调度技术，研制无人机集群智能航线规划与实时调度平台，建立多网融合的无人机遥感数据实时在线远程快速传输网络，实现自然资源开发利用与管理的无人机自组网在线监测；研制智慧监测机器人，通过机器人的定点和移动布网，提升立体监测数量 - 质量数据真实值采集效率。

研究智能无人机组网对地观测的理论方法与技术系统，建立我国厘米级高频迅捷无人机组网对地观测技术能力，实现厘米级无人机影像快速摄影测量处理，开展自然资源和人工地物高精度三维重建与智能监测服务，满足我国自然资源精细化、及时性调查监测需求。

2.2  地块图斑唯一编码技术与指标

自然资源各部门间权责分工不同，缺乏统一管理，易造成各部门系统间的数据管理相对独立，数据接口标准不统一，产品规范不一致，数据间的结合集成度不高等问题，出现所谓孤岛现象。同类资源信息的多部门重复采集，产生海量的专业大数据、行业大数据与社会大数据，造成数据冗余、业务重复、片面的系统建设，影响多源数据的统一组织、管理与存储。

遵循“两统一”职责指导，针对上述问题，需建立自然资源调查监测统一的规范和精细化指标体系，实现从地块、区域、全国乃至全球范围自然资源的时空数量、质量变化的即时智能感知。

1）全国统一的土地资源地块图斑编码规则。面向土地资源智能识别、智能搜索与智能管控等要求，分析我国土地资源地块编码整体发展趋势，研究满足智能化土地资源管控需求的土地资源地块图斑编码规则，并顾及空间、时间、业务属性和社会经济属性等多维关系，制定全国统一的土地资源地块图斑编码规则。

2）自然资源精细化调查监测指标体系构建。面向全面、精细的自然资源调查监测要求，整合相同和相近地类，拆分仍可细分地类，拓展自然资源质量、结构与管理属性等，融合已有自然资源调查监测分类体系，建立集自然资源数量、质量、管理于一体的精细化调查监测指标体系。

2.3  新一代信息技术支撑的自然资源调查监测

目前，自然资源调查监测周期以年或季度为单位，时间间隔较长，对地类图斑变化无法做到实时感知，技术水平滞后于自然资源常态化、实时化监管的要求，对周期内发生的地类变化以及违法违规问题无法做到及时发现与处理。5G、大数据、云计算、物联网、人工智能等新型信息技术为建设自主、安全、可控的计算、网络、存储、AI平台提供可能，可为自然资源调查、监测、评价、监管和执法等重点工作提供数字化、智能化的应用技术体系支撑。

因此，综合利用航天航空实时对地观测大数据、行业大数据和社会大数据，融合深度学习、云计算、人工智能等新型技术手段，以土地资源地块图斑为单元，针对土地资源的变化情况和变化趋势实现智能感知。通过常态化、动态化、精准化的数据捕获，利用云计算、人工智能等技术手段，研究基于地块图斑的数据搜索引擎、变化发现模型以及大规模计算三大关键技术问题，实现地块变化感知与评价能力在数据运算规模、数据类别维度、业务挖掘深度、智能化程度等方面实现跨越式提升。

1）基于图斑的空间数据搜索引擎技术。以土地资源调查地块图斑为单元，基于自然资源业务数据、其他行业共享数据以及人类社会活动泛在网络数据等，通常数据规模涉及单表百亿级或PB、ZB级，研究空间数据搜索引擎的关键技术，以实现与图斑关联的各大行业以及泛在社会数据的相关信息可用于辅助智能识别。

2）基于图斑的智能感知引擎的变化发现技术。基于海量时空大数据集，融合深度学习、人工智能等技术方法，研究面向土地资源变化信息发现的空间数据挖掘算法与模型构建的关键技术，建立变化信息模型库，解决模型参数选取、空间分析、计算效率等问题。

3）基于土地资源地块图斑的变化信息大规模感知计算技术。针对全国海量的土地资源调查地块图斑，以及海量的时空大数据资源，融合超级计算、云计算等技术手段，研究面向海量地块图斑单元的高效、精准的变化信息大规模感知计算方法，构建国家、省、市、县（乡）土地资源变化感知技术体系，提高土地资源变化及时动态感知能力。

2.4  基于地块图斑的自然资源智能管控技术

地块图斑数据量不断增加，但地块类型的解译过程多数仍采用目视解译的方法手工划分，缺少自动化工作流程，地类识别过程容易出现错误判读，造成耗时长效率低的问题。对于自然资源信息数据的智能化、自动化、实时化更新较慢，面向公众的服务信息化程度较低；业务数据的智能化决策应用方面尚属空白。

为全面提升自然资源调查监测、国土空间优化管控、生态保护修复、灾害调查与监测中的核心科学问题。基于土地资源地块图斑变化信息，综合利用航天航空实时对地观测大数据、行业大数据和社会大数据，融合深度学习、云计算、人工智能等新型技术手段，研究智能大数据分析挖掘与服务、资源环境协同推理与动态决策等关键技术问题，建立以国土资源为核心的自然资源的质量、数量变化规律及合理性评价方法。

1）结合人工智能的大数据分析挖掘技术。基于海量多源异构大数据的图斑变化信息智能搜索引擎，研究基于深度学习的国土空间规划与预测、面向PB级数据的计算分析模型构建、结合资源环境计算的大数据可视分析等待解决的关键技术，提升自然资源管控的智能化和自动化水平。

2）资源环境协同推理与动态决策技术。面向土地资源智能感知与管控的业务需求，提出资源环境数据及分析模型的同构式管理与智能化服务技术、多元空间信息资源建模与协同分享技术等关键技术问题，为自然资源质量、变化合理性、变化规律等的评价提供支撑。

3  结  论

自然资源即时遥感监测技术体系的构建与应用，对于推动全面、精细、可靠、即时的自然资源调查监测能力的跨越式发展具有重要意义。本文针对体系构建研究提出了一系列的关键任务与技术。

1）新型航天、航空对地组网观测数据资源调查保障技术，包括虚拟遥感卫星地面站建设、自然资源高精度智能化监测航空遥感高端装备、无人机自主组网观测与在线监测技术与系统。

2）全国统一的土地资源图斑身份编码技术，包括全国统一的土地资源地块图斑编码规则、自然资源精细化调查监测指标体系构建。

3）新一代信息技术支撑的自然资源调查监测技术，包括基于图斑的空间数据搜索引擎技术、基于图斑的智能感知引擎的变化发现技术、基于土地资源地块图斑的变化信息大规模感知计算技术。

4）基于地块图斑的自然资源智能管控技术，包括结合人工智能的大数据分析挖掘技术、资源环境协同推理与动态决策技术。

自然资源即时遥感监测技术体系的建成，将优化我国国土资源调查监测机制，提升自然资源管理与服务水平，保障我国全面、精细、可靠、即时的自然资源调查监测能力建设。