湖南省“1+N”卫星监测体系构建

刘专　肖海　彭能舜　胡赛花　潘栋

摘 要：本文围绕湖南省自然资源监测监管工作需求，针对目前监測工作中存在的标准不统一、机制不完备、技术单一、运转低效等问题，提出了“变化全发现、问题全核实、任务全交办、整改全落实”的全流程一体化卫星监测体系，有效支撑了湖南省自然资源“两统一”职责的履行，为构建自然资源统一调查监测体系提供了方案思路。

关键词：自然资源监测监管;遥感影像;智能提取

中图分类号：P962 文献标志码：A 文章编号：1672-5603（2022）03-61-05

Construction of "1+N" Satellite Monitoring System in Hunan Province

Liu Zhuan Xiao HaiPeng Nengshun Hu Saihua Pan Dong

（1. The Second Surveying and Mapping Institute of Hunan， Changsha Hunan 410029; 2. Key Laboratory of Natural Resources Monitoring and Supervision in Southern Hilly Region， Changsha Hunan 410029）

Abstract： This paper focuses on the needs of natural resources monitoring and supervision work in Hunan Province， in view of the problems existing in the current monitoring work， such as inconsistent standards， incomplete mechanisms， single technology， and inefficient operation， Puts forward a full-process integrated satellite monitoring system of "full discovery of changes， full verification of problems， full assignment of tasks， and full implementation of rectification". It effectively supports the monitoring and protection work of natural resources in Hunan Province， and provides a plan idea for building a unified survey and monitoring system of natural resources.

Keywords： natural resource monitoring and supervision; remote sensing image; smart extraction

新一轮机构改革后，自然资源部门职能发生了较大的变革，将原来分散于各部门的自然资源相关职能集中归于一体，对调查监测提出新的要求，迫切需要重构调查监测体系，推进国土资源调查监测向自然资源调查监测转型升级，以全面支撑自然资源管理[1～3]。 2020年7月，湖南省“1+N”卫星监测体系开始运行，2021年2月，自然资源部批复湖南省纳入国家第一批“自然资源遥感综合监测”构建试点省份，解决监测体系标准不统一、机制不完备、技术单一、运转低效等自然资源管理工作迫切问题。

1现状分析

近年来，湖南省相继开展了基础测绘、地理国情监测、不动产统一登记、国土调查、森林资源清查、草地资源清查等自然资源调查监测工作[4]。各项工作对应的底图多套标准并行，相互无法直接套合，对数据管理、应用、分析造成极大不便[5]。2018年以前，我省遥感影像数据保证能力十分有限，每年度不能实现全域覆盖，远远满足不了自然资源各项监测、监管、执法等工作需求。造成目前这一现状最主要的原因是各项工作所需数据由各单位分散获取，数据重复采购和生产仍然存在，同时也出现全省数据覆盖存在空洞、保障能力不足的现象，导致人力和财力高投入、低产出。反映最突出的问题是各单位数据生产周期长、更新不及时、标准不统一[6]。2018年，湖南省印发了《湖南省遥感影像数据统筹共享管理办法》，启动遥感影像统筹工作，对全省遥感影像数据实行统一采购、统一处理、统一质检和成果共享。

传统的人工目视影像解译工作强度大、效率低、技术单一、易出错，已经难以适应当前自然资源常态化监测监管形势需求[7～8]。近年来，大数据、人工智能、5G、区块链、知识图谱、空间信息等高新技术的迅猛发展和交叉融合，为构建自然资源调查监测体系提供了必要的技术支撑和保障条件[9]。目前，如何加快各项先进技术的融合与创新，实现遥感信息全自动化智能提取，推广遥感影像智能解译工程化应用，是构建自然资源卫星监测体系急需解决的问题[10]。

立足已有工作基础，构建湖南省“1+N”卫星监测体系，对于支撑履行自然资源“两统一”职责，提高自然资源监测监管现代化治理能力，统筹推进山水林田湖草沙系统治理，推动生态系统功能整体性提升，稳步提升粮食产能，全面压实耕地保护责任，满足社会进步和经济发展的需要，乃至保障社会安定和国家安全具有非常深远的意义[11]。

2 总体设计

围绕湖南省自然资源卫星监测需求，不断拓展遥感监测内容，大力推进现代测绘地理信息技术与人工智能等新一代信息技术集成创新应用，建立标准统一、机制完备、技术多元、质量可靠、高效运转、服务快速的全省卫星监测体系。卫星监测体系构建是履行自然资源“两统一”职责的重要基础支撑，充分利用卫星遥感技术，健全影像统筹机制，不断整合监测职能、拓宽监测领域、提高监测能力，及时掌握湖南省全域的自然资源变化情况，对发现的所有问题进行高效处置，形成一套成熟完备的卫星监测体系。

2.1 总体流程

综合考虑“遥感科学﹢人工智能﹢业务规则”的监测技术路线，构建“变化全发现、问题全核实、任务全交办、整改全落实”的湖南省自然资源“1+N”卫星监测保护体系。总体流程如图1所示。

2.2 变化全发现

2.2.1 监测内容与指标

（1）监测指标：最小上图面积指标与第三次国土调查的要求相同，建设用地和设施农用地实地200 m²;农用地（不含设施农用地）实地400 m²;其他地类实地600 m²。年度监测基于0.5 米分辨率卫星影像，建设用地和设施农用地最小上图面积100 m²，农用地400 m²，其他土地600 m²。

（2）监测频次：以上年度第四季度1米分辨率卫星影像建立监测本底，开展月度监测、季度监测和年度监测。

（3）建立“月发現、季小结、年总结”监测工作机制，进行“1”监测。“1”是指常规监测，其主要工作内容是提取全省变化图斑，对全省土地利用现状开展的全覆盖监测，全面、动态、及时、准确掌握土地利用现状变化情况。“月发现”是指每月根据当月采集的卫星影像，对比上年第四季度1米分辨率卫星影像，提取所有变化图斑。“季小结”是指每季度根据当季采集的卫星影像，对比上年第四季度1米分辨率卫星影像，提取覆盖全省的所有变化图斑。“年总结”是指年末根据年度卫星影像，对比上年第四季度1米分辨率卫星影像，提取年度内所有变化图斑，并补充提取100 m²以上的建设图斑，确保年度内所有变化图斑提取到位。

（4）前后时相：前时相为上年第四季度1米分辨率卫星影像。后时相为当月采集的2米分辨率卫星影像、当季采集的1米分辨率卫星影像和年度采集的0.5米分辨率卫星影像。

（5）监测内容：提取湖南省全域范围内的影像变化图斑，变化图斑提取类型如表1所示。

2.2.2 关键原理

（1）多源遥感数据协同获取。一是打通多条卫星数据互连传输渠道，构建了海量数据资源池。二是建设在线卫星影像处理及服务发布链路，构建实时拍摄数据资源池，打通数据采集、自动入库、按序生产、动态发布的全处理链条。三是解决多源异构遥感目录归一化入库问题，打通各大卫星运营商间的数据孤岛，实现一站式搜索引擎。四是接入气象预测云图信息，将全国范围内未来十天的气象云图图层接入系统中，叠加卫星预测轨道，充分掌控每一颗卫星的预期拍摄窗口，从而实现细粒度调度拍摄。

（2）遥感数据快速处理。一是通过自动匹配获取大量密集的控制信息来进行卫星影像几何处理，实现快速正射纠正，为后续监测工作推进争取时间。二是采用地理成像加速器（GXL）技术，以及无切片服务发布引擎构建在线实时处理链路，实现了影像在线实时处理、发布、展示，解决现有遥感数据密集、计算密集的大规模影像实时显示问题形成符合标准规范要求的正射影像产品，满足对精度要求较高的遥感监测需求。

（3）遥感信息智能提取。大力推进遥感、大数据、人工智能等高新技术融合创新应用，采用“引进吸收+自主研发”模式构建了一套基于多频次卫星影像的变化图斑智能提取系统，实现变化图斑位置的快速自动发现和部分典型地物类型自动识别，构建起“影像预处理—智能提取—图斑筛查与分类—图斑边界半自动提取—统计分析”变化图斑智能提取自动作业流水线，通过软件自动快速发现变化图斑的位置，做到“定位”智能化;基于像元种子聚类算法实现图斑边界的半自动快速精准勾绘，做到“定界”智能化;准确识别典型地特类型、土地利用性质，做到“定性”智能化。

2. 3 问题全核实

（1）利用空间分析与统计，在“变化图斑”中筛选出“问题图斑”。在收集、整理用地审批红线、生态保护红线等管理数据的基础上，利用空间分析与统计等技术方法，快速确定图斑范围与利用现状，快速、精准地从变化图斑中筛选出“问题图斑”。

（2）开展外业调查核实。对“问题图斑”全部开展外业调查核实，按“走到、问到、看到、记录到”等要求，查明各图斑的变化范围、变化类型等实地情况，去除内业提取发现的伪变化图斑。

（3）进行“N”监测，在“问题图斑”中筛选出“专题图斑”。外业调查核实后，根据业务需求，从“问题图斑”中筛选出各项“专题图斑”。“N”是指专题监测，以常规监测为支撑，开展违法用地、耕地数量、耕地使用、农民建房、非法露天采矿、生态保护红线、重要河湖监测、生态修复、城镇开发边界等N项专题监测，做到统筹监测、一查多用。

2. 4 任务全交办

（1）形成“任务清单”。将外业核实后形成的各类“专题图斑”分别推送给相关业务管理部门，各部门根据当前相关政策法规，形成各专题“任务清单”，并共享至省生态环境厅、省农业农村厅、省粮食与储备局等相关行业厅局。

（2）建立月调度机制。建立省市县三级土地管理月调度机制，汇总各类“任务清单”，统一向地方进行任务移交，地方根据交办的任务清单进行分类处置后，再分类反馈至相关业务管理部门。

2. 5 整改全落实

（1）实行逐宗销号管理。严格实行逐宗销号管理，利用省市县三级土地管理月调度机制，每月定期研究审议拟销号清单，逐宗研究、逐宗解决、逐宗销号，做到“月清月结”。充分利用信息化手段，对纳入任务清单的整改项目全部纳入相应的信息管理平台，逐项进行跟踪监督管理，有效减少人为干预，提高监测、处置、销号等工作效率。

（2）落实耕地保护责任。为确保全省耕地总量不减少，质量不降低，坚决守住耕地保护红线、遏制农村占用耕地建房的势头，省级对卫星监测发现违法用地、临时用地、设施农用地、非农化种植、农民建房等占用耕地的，一律按照相关要求，严格落实耕地保护责任，确保国家粮食安全。

3 建设成效

3.1 全省遥感影像统筹能力显著提升

一是实现卫星数据实时获取。通过优化遥感影像统筹获取方案，实现与国内外卫星运营商80余颗卫星实时同步传输，卫星影像有效覆盖率稳步提升，影像精度更高，保障能力更强。2021年实现1米分辨率遥感影像全省季度全覆盖，0.5米分辨率遥感影像全省年度全覆盖，2米卫星影像月均有效覆盖率接近60%，比2020年有效覆盖率超出10%，2021年影像获取困难区范围明显缩小。二是实现影像数据快速在线处理服务。依托超算中心算力和存储资源，建立了省级海量卫星影像池，可在线追溯1960年至今的全省卫星数据，能够在10分钟内自动化完成数据解压、入库、正射处理（快速动态产品）、服务发布等一系列专业化的遥感处理流程。

3.2 监测技术效能大幅提升

采用“1+N”卫星监测实现了“一查多用”，提升了自然资源监测效能。在各类专题监测中，充分共享应用常规监测中形成提取的变化图斑、外业核查照片等成果，真正实现“一查多用”，总体上大幅节约了监测成本。不断探索推进人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术，研发遥感信息智能提取系统，大幅提升了遥感监测技术效能，工作效率相比传统人工模式提高了3倍以上，有效支撑了“月发现、季小结、年总结”监测机制的运行，真正实现“变化全发现”，违法行为“早发现、早制止、早查处”。

3.3 自然资源保护成效

通过卫星监测体系的构建，对全省自然资源形成了全流程闭环式管理模式，织密织牢了自然资源监测监管体系，强化国土空间规划和用途管制的约束作用，对破坏自然生态、违法占用损毁耕地等违法行为形成了强大震慑。新增违法用地方面，2021年新增违法用地面积相比与2020年下降约49.79%，违法用地下降趋势明显;耕地数量方面，2021年耕地减少面积相比于2020年下降约50%，其中新增违法用地占用耕地行为同比减少约52.87%，新增农民建房占用耕地行为同比下降约70.85%。

4 小结

（1）通过遥感影像统筹，实现了遥感影像的实时化获取、集群化处理、网络化分发和社会化服务，有效解决了遥感数据重复采购、重复生产、覆盖不全等问题，夯实了遥感监测的数据资源，实现了“一筹多用”的目标。

（2）围绕湖南省自然资源卫星监测需求，探索“遥感科学﹢人工智能﹢业务规则”的监测技术路线，构建了“变化全发现、问题全核实、任务全交办、整改全落实”的湖南省 “1+N”卫星监测体系，实现了“一查多用”业务化运行，大幅提升了湖南省自然资源监测监管的支撑能力，为全国构建自然资源调查监测技术体系构建提供了方案思路。

（3）推进了现代测绘地理信息技术与人工智能等新一代信息技术集成创新应用，不断提升遥感监测信息提取的智能化水平，大幅提高了自然资源卫星监测生产与分析评价效能。

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