謝鳴，任建福，李新東，楊鄭貝

（1.廣西壯族自治區(qū)自然資源調查監(jiān)測院，廣西 南寧 530023）

一直以來我國的自然資源調查監(jiān)測工作存在調查內容彼此交叉、調查指標相互掣肘、調查部門相對分散、地物認定不一致和名詞概念互不統(tǒng)一等問題，制定的相關技術體系、標準、規(guī)范銜接轉換難，成果不能共享，難以構建“一張底版”，直接影響了各類自然資源管理職責的履行[1]。自然資源部高度重視自然資源統(tǒng)一調查監(jiān)測的基礎性和重要性，將其視為履行“兩統(tǒng)一”職責的重要支撐。為加快建立自然資源統(tǒng)一調查、監(jiān)測、評價制度，自然資源部加強頂層設計，圍繞支撐生態(tài)文明建設，研究構建了統(tǒng)一的自然資源調查監(jiān)測體系，制定出臺了《自然資源調查監(jiān)測體系構建總體方案》，從法規(guī)制度、標準、技術和質量管理4個方面開展自然資源調查監(jiān)測業(yè)務體系建設，明確應綜合利用遙感、無人機、地面儀器設備和“互聯(lián)網(wǎng)+”等先進觀測與量測技術，構建天空地網(wǎng)一體化的自然資源調查監(jiān)測技術體系，大幅提升自然資源調查的工作效率，實現(xiàn)對自然資源全要素、全流程、全覆蓋的現(xiàn)代化監(jiān)管。

1 在自然資源調查監(jiān)測領域的應用現(xiàn)狀

1.1 基于遙感技術的應用現(xiàn)狀

遙感技術以其信息量大、自動化程度高（分類主要靠計算機）、獲取速度快、范圍廣、周期性強等優(yōu)勢，現(xiàn)已成為自然資源調查監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取最直接的手段。利用遙感影像進行自然資源地表覆蓋調查由來已久，尤其是高分辨率遙感影像產生后，可利用遙感影像人工目視解譯或與舊時相自然資源調查數(shù)據(jù)疊加對比分析發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域，其在自然資源調查中的作用越來越重要[2]。由于人工目視解譯遙感影像的效率較低，因此利用遙感影像自動提取地物進行分類的研究越來越多，目前主要的分類方法包括隨機森林法、支持向量機和深度學習網(wǎng)絡[3-4]，都是通過分割遙感圖像，選取訓練樣本，優(yōu)化模型參數(shù)，進而得到最佳分類結果。隨著高分辨率和高光譜遙感影像數(shù)據(jù)的融合應用研究成為常態(tài)，影像融合技術越來越成熟[5-7]，通過遙感影像自動提取地物進行分類的精度越來越高，以遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源可提取的信息逐漸增多[8]，準確度逐漸提高；但在遙感高精度分類研究中，特別是面對大區(qū)域地表分類時，由于地表情況復雜、地物光譜多樣性突出，具體處理時往往難以實現(xiàn)高精度的地物識別。

1.2 基于無人機的應用現(xiàn)狀

相較于其他測量手段，無人機航攝系統(tǒng)獲取影像具有時效性強、機動靈活、響應迅速、分辨率高、成本低廉等優(yōu)點。第三次國土調查利用無人機外業(yè)舉證，大大提高了工作效率和核查準確性。與傳統(tǒng)航空攝影相比，傾斜攝影彌補了垂直攝影的不足，具有高重疊率、獲取數(shù)據(jù)速度快、周期短等特點，可從多個視角傾斜成像，觀測地物每個立面的紋理特征和結構特征，盡量減少視覺盲點，從而獲得更加全面的地物信息。無人機傾斜攝影測量技術可高效獲取局部區(qū)域最佳的自然資源三維模型和正射影像，并以三維的形式對自然資源數(shù)據(jù)進行展示，更好地管理與應用自然資源調查監(jiān)測數(shù)據(jù)[9]。在林業(yè)調查中，利用無人機影像結合九棵樹的樣地調查方式與實測數(shù)據(jù)對比的精度明顯優(yōu)于利用遙感影像的方式對森林信息提取數(shù)據(jù)的精度[10]。

1.3 基于地面儀器設備的應用現(xiàn)狀

中海達同時融合了多種傳感器，開發(fā)了多種半自動化數(shù)據(jù)提取工具，研發(fā)了HiScan-SLAM室內移動測量系統(tǒng)，可用于無GNSS信號的城市地下空間信息獲取與成圖[11]。征圖三維將POS系統(tǒng)、激光掃描儀、GNSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)、全景相機等傳感器集成于一體，推出了SZT-R1400車船載一體化移動測量系統(tǒng)，可應用于土地資源、水資源的調查監(jiān)測。四維遠見公司的SSW車載激光建模測量系統(tǒng)集成了IMU、國產360°激光掃描儀、GPS、轉臺、CCD相機、里程計（DMI）等多種傳感器，其后處理軟件SWDY點云工作站可利用語義識別技術進行地物要素的自動提取與分割，可用于道路測量、水上測量、地籍測量等自然資源要素調查與監(jiān)測。吳宗勝[12]利用室外移動機器人，基于深度學習進行城市道路的場景理解，可用于自然資源中城市道路要素的檢測。農業(yè)機器人移動平臺主要應用于環(huán)境復雜的農田場景中，可有針對性地對農用地、林業(yè)用地進行調查與監(jiān)測[13]。

1.4 基于互聯(lián)網(wǎng)的應用現(xiàn)狀

近年來，國內許多應用單位基于互聯(lián)網(wǎng)，構建了基于云的內外業(yè)協(xié)同作業(yè)框架。內業(yè)數(shù)據(jù)處理客戶端依托于電腦桌面，可根據(jù)需要隨時將更新的成果提交到服務，也可隨時更新最新的自然資源信息，以保證資源的現(xiàn)勢性。外業(yè)在線調查App前端主要負責圖斑和屬性數(shù)據(jù)的采集與實時回傳，并接收來自外業(yè)管理與調度Web端的任務分發(fā)與調度。莊曉東[14]等開發(fā)了基于iPad的地理國情普查外業(yè)調繪核查系統(tǒng)，其軌跡實時回傳和在線監(jiān)控等功能促進了地理國情普查外業(yè)調查與核查工作的項目化統(tǒng)一管理。曾鈺[15]等利用“互聯(lián)網(wǎng)+”土地外業(yè)調查技術設計并開發(fā)了外業(yè)調查與核查系統(tǒng)，已廣泛應用于第三次國土調查、農村亂占耕地建房專項整治以及違法用地檢查等工作中。李發(fā)紅[16]等利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術研發(fā)了一款集外業(yè)核查網(wǎng)上舉證、督察業(yè)務數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計匯總、報表輸出、比對分析于一體的自然資源數(shù)字督察系統(tǒng)，已實現(xiàn)在整個西北地區(qū)自然資源督察中的高效應用。

2 服務自然資源調查監(jiān)測方向分析

廣西作為自然資源部選取的自然資源調查監(jiān)測技術體系構建首批試點之一，目前以陽朔縣為試點，編制了廣西地方標準《廣西自然資源調查監(jiān)測分類標準》和《廣西壯族自治區(qū)自然資源調查監(jiān)測試點數(shù)據(jù)庫標準》，采用多源異構數(shù)據(jù)分析技術開展了自然資源數(shù)據(jù)融合研究，并以自然資源廣西衛(wèi)星應用技術中心、國家應急測繪保障南寧基地彩虹四無人機系統(tǒng)、廣西壯族自治區(qū)自然資源調查監(jiān)測院等技術隊伍以及“互聯(lián)網(wǎng)+地理信息”內外業(yè)協(xié)同系統(tǒng)為基礎進行了天空地網(wǎng)一體化數(shù)據(jù)獲取技術初探，提出了“天空地網(wǎng)人”的概念，構建了廣西自然資源調查監(jiān)測體系。將自然資源部門相關技術人員、村干部以及其他相關社會人員接入調查監(jiān)測系統(tǒng)平臺，定期上報設施農用地、農民建房、違法采礦以及違法用地等情況。為解決遙感觀測網(wǎng)天空地互不關聯(lián)、廣域范圍立體觀測精度低、人工目視解譯效率低和復雜環(huán)境監(jiān)測難度大的問題，結合實際工作經驗，可從以下4個方面提升天空地網(wǎng)一體化技術的服務能力。

2.1 觀測數(shù)據(jù)虛擬服務中心構建技術

此前天基、空基、地基的遙感觀測網(wǎng)絡各自獨立發(fā)展，甚至網(wǎng)絡內部也互不關聯(lián)，還有物聯(lián)網(wǎng)和泛在智能傳感網(wǎng)的加入，使得數(shù)據(jù)類型和格式千差萬別，導致數(shù)據(jù)耦合和綜合利用難度加大，因此需完善天空地一體化遙感觀測網(wǎng)[17]。天空地一體化的自然資源實時化監(jiān)測對遙感數(shù)據(jù)的按需服務能力提出了更高的要求，需要進一步探究多源監(jiān)測數(shù)據(jù)整合體系建設方法，對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、無人機監(jiān)測數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一組織整合。針對目前對地觀測遙感衛(wèi)星資源無法滿足自然資源實時化調查監(jiān)測需求的難題，研究全網(wǎng)絡遙感數(shù)據(jù)接口標準、多級產品規(guī)范；研究多源遙感數(shù)據(jù)、長時間序列的分布式組織、管理與云存儲技術，建立全網(wǎng)絡遙感數(shù)據(jù)庫；突破全網(wǎng)絡遙感數(shù)據(jù)接入、自適應篩選等技術，開發(fā)空間數(shù)據(jù)搜索引擎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時接入與快速檢索；研究多源、多級、多時相PB級衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)流水線快速生產技術與系統(tǒng)；打造衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)近實時化按需生產、打包、分發(fā)的站點服務能力，建立虛擬地面站，實現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源的整合管理、生產與端對端分發(fā)服務。

2.2 多源衛(wèi)星精細化立體觀測技術

2019年高分七號衛(wèi)星的發(fā)射，標志著我國進入民用亞米級高分辨率立體測繪新時代，其空間分辨率可達0.65 m。根據(jù)國家空間基礎設施規(guī)劃，2015—2025年我國將陸續(xù)發(fā)射多顆測繪衛(wèi)星，逐步構建系列比例尺光學測繪衛(wèi)星星座，未來我國的高分辨率衛(wèi)星立體測繪成像模式將越來越豐富[18]。針對自然資源監(jiān)測監(jiān)管業(yè)務需求，研究多源衛(wèi)星遙感協(xié)同觀測技術，構建自然資源調查監(jiān)測虛擬衛(wèi)星星座，統(tǒng)籌多類型衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的按需即時獲?。谎芯扛叻直媛使鈱W立體成像技術、高光譜衛(wèi)星輻射與光譜標定技術、國產化SAR高精度干涉測量技術、小光斑激光測高技術等關鍵技術，研制了輻射一致、全國無縫覆蓋的高分辨率衛(wèi)星遙感多維“一張圖”產品，構建多源多載荷高度集成化的影像與基礎信息產品生產系統(tǒng)，為構建統(tǒng)一時空基準下的自然資源三維時空數(shù)據(jù)庫以及自然資源全天時、全天候、全要素、全覆蓋的高頻次、大范圍、精細化立體監(jiān)測提供充分的數(shù)據(jù)和基礎信息產品保障。

2.3 高分辨率多光譜遙感自動化調查技術

云計算和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，解決了海量遙感數(shù)據(jù)處理問題。將多時相多源遙感數(shù)據(jù)應用于地物變化檢測由研究設想轉入應用，如何自動繪制變化圖斑的準確邊界，是下一步研究的方向[19]。目前通過三調等項目已獲得準確的自然資源分布圖斑，在較短時間內只有較少的要素類別發(fā)生變化；且三調圖斑可為影像分類提供較準確的分割邊界和大量的分類樣本，有利于提高變化要素的分類精度。因此，充分利用三調土地利用矢量數(shù)據(jù)和多時相遙感影像，將變化檢測方法與影像分類方法相結合，建立自然資源自動化調查技術方法。首先通過多源數(shù)據(jù)對土地利用變化進行自動檢測；再根據(jù)前時相土地利用數(shù)據(jù)得到后時相像素級訓練樣本，自動進行像素級影像分類；最后對比前時相土地利用數(shù)據(jù)和后時相分類結果，自動發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域。對前后兩時相影像作MAD變換，再通過MAD變換影像自動設置閾值去除偽變化，最后對變化區(qū)域進行面向對象的分類，確定變化區(qū)域的類別，該過程中將土地利用數(shù)據(jù)的矢量邊界作為面向對象分類過程中的邊界先驗約束，可提高影像分割的效果；同時利用穩(wěn)定區(qū)域矢量圖斑類別自動獲得大量分類樣本，基于最近鄰方法確定變化區(qū)域圖斑的新類別。

2.4 無人機自主在線信息處理技術

針對無人機自主導航與載荷滯后于自然資源調查監(jiān)測需求的問題，研究自主導航系統(tǒng)、高光譜儀、激光雷達、輕小型極化SAR等高性能無人機的新型傳感器，提升復雜環(huán)境下無人機調查監(jiān)測數(shù)據(jù)的保障能力；研究無人機飛行安全管控與實時調度技術、無人機集群智能航線規(guī)劃與實時調度平臺，建立多網(wǎng)融合的無人機遙感數(shù)據(jù)實時在線遠程快速傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)自然資源開發(fā)利用與管理的無人機自組網(wǎng)在線監(jiān)測；突破飛行監(jiān)測機器人自主導航、自主感知、自主監(jiān)測等關鍵技術。將衛(wèi)星導航、慣性導航、SLAM（視覺、激光）導航、基站導航等技術進行柔性融合，實現(xiàn)不完全依賴外源導航信號的三維路徑規(guī)劃。利用激光雷達、多視相機等多源場景數(shù)據(jù)，自主進行場景重建；研究高性能在線變化檢測算法，實現(xiàn)無人機自主在線監(jiān)測。

3 服務自然資源調查監(jiān)測面臨的挑戰(zhàn)

天空地網(wǎng)一體化技術作為自然資源調查監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取的主要手段，隨著技術的發(fā)展，在應用上也存在著挑戰(zhàn)。

1）統(tǒng)一時空基準。GNSS技術統(tǒng)一了全球平面位置基準，但無法解決陸海高程基準統(tǒng)一以及區(qū)域高程基準和全球高程基準間的統(tǒng)一問題。以精密數(shù)字高程基準（大地水準面）為基礎，構建中國陸海高程基準并實現(xiàn)與全球高程基準的統(tǒng)一，這是時空基準統(tǒng)一的核心。

2）遙感影像實時化獲取。高分國產遙感系列衛(wèi)星在時間分辨率、空間分辨率、觀測波段和成像模式等方面的優(yōu)勢和適應性各有不同，面對自然資源各要素監(jiān)測不同時空尺度的應用需求，需要相互協(xié)同觀測，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。廣西自然天氣變化多樣，遙感影像獲取窗口期較短，在一定程度上給廣西天空地網(wǎng)一體化建設造成了極大困難。

3）新型航空遙感監(jiān)測高端裝備研究。面向自然資源全天候、動態(tài)化、定量化、服務空間范圍區(qū)域化的監(jiān)測需求，研究自然資源全要素與近、短、中、長波紅外的波譜響應特性以及機載多波段紅外成像系統(tǒng)，分析自然資源全要素的多波段極化響應特性，突破極化SAR圖像分類技術，研制機載高分辨率多極化SAR成像系統(tǒng)，解決自然資源調查監(jiān)測中的“看不準”問題。

4 結語

本文闡述了遙感、無人機、地面儀器設備以及“互聯(lián)網(wǎng)+”在自然資源調查監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取方面的應用現(xiàn)狀。為提升自然資源調查監(jiān)測的效率和水平，自然資源調查監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取向自動化、智能化方向發(fā)展，實現(xiàn)“數(shù)量—質量—生態(tài)”三位一體的自然資源監(jiān)測。結合歷年自然資源相關項目經驗，本文提出了天空地網(wǎng)一體化技術的應用方向。同時，應顧及時空基準統(tǒng)一、遙感影像實時化獲取、新型航空遙感監(jiān)測高端裝備研究等問題，從而更好地為自然資源調查監(jiān)測提供技術支撐和數(shù)據(jù)保障。