空天地一體自然資源調(diào)查監(jiān)測技術(shù)在第三次國土調(diào)查中的研究與應(yīng)用

管仁利，盧威志，戚業(yè)菲，唐仕霖，孫曉開

(莒縣自然資源和規(guī)劃局，山東 日照 276500)

0 引言

目前，自然資源調(diào)查監(jiān)測依然存在技術(shù)短板，智能高效的調(diào)查監(jiān)測技術(shù)手段亟待集成與轉(zhuǎn)化，依賴人海戰(zhàn)術(shù)、工作強(qiáng)度大、效率低等問題亟待破解，新一代調(diào)查監(jiān)測技術(shù)體系亟待形成?？仗斓匾惑w化技術(shù)具有準(zhǔn)確快速、及時、大范圍的優(yōu)勢以及強(qiáng)大的空間信息采集、編輯、處理、分析和管理能力，通過空天地一體化集成技術(shù)能迅速獲取高精度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)第三次國土調(diào)查的精準(zhǔn)化測量[1-5]。

1 監(jiān)測技術(shù)方案

本項目采用優(yōu)于1m分辨率的DOM影像，研究適用于第三次國土調(diào)查的土地利用遙感分類體系和內(nèi)業(yè)信息采集標(biāo)準(zhǔn)[6]。通過對調(diào)查區(qū)進(jìn)行綜合分析，建立各地類解譯標(biāo)志，采用人機(jī)智能協(xié)同作業(yè)模式，提取每塊土地利用圖斑，并賦予預(yù)判類型及各類綜合屬性。經(jīng)過全面質(zhì)檢后，及時提供縣級用于第三次國土調(diào)查工作。

1.1 多元信息數(shù)據(jù)收集檢查及空間匹配

為提高內(nèi)業(yè)信息采集工作效率和準(zhǔn)確性，盡可能充分收集項目區(qū)以最高分辨率遙感影像為主的各類信息數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)來源和精度差異，導(dǎo)致多元時空數(shù)據(jù)存在基準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題，綜合分析各類型數(shù)據(jù)的空間位置匹配利用率，采用關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加密、加權(quán)控制法對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間仿射轉(zhuǎn)換[7]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高精度匹配，提高數(shù)據(jù)的利用率。

1.2 采用人機(jī)智能協(xié)同作業(yè)模式

海量圖斑信息提取是本項目面臨的最大工作量，項目中將高分辨率遙感影像進(jìn)行切割，選擇典型特征地類用于輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，通過大數(shù)據(jù)樣本數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)了對道路、水面、耕地、森林等部分典型特征地類的高精度自動采集。采用人機(jī)智能協(xié)同作業(yè)模式進(jìn)行信息提取和圖形修正[8]，大大提高了信息采集效率和精度。

1.3 采用無人機(jī)進(jìn)行航空測量

城鎮(zhèn)土地利用現(xiàn)狀調(diào)查采用無人機(jī)進(jìn)行航空測量，要求精度優(yōu)于0.2m。無人機(jī)航拍具有機(jī)動靈活、響應(yīng)快、時效性強(qiáng)等特點(diǎn)，所獲取的影像數(shù)據(jù)空間分辨率高，能精確獲取城鎮(zhèn)土地利用變化情況，并根據(jù)城鎮(zhèn)內(nèi)部土地利用調(diào)查底圖為基礎(chǔ)，按照工作分類，參展城鎮(zhèn)規(guī)劃功能分區(qū)，結(jié)合影像特征，綜合判斷土地利用類型，例如從影像上判斷為臨街門面，將會歸并為城鎮(zhèn)道路外的相鄰街道。無人機(jī)航拍及數(shù)據(jù)處理要先規(guī)劃飛行路徑，根據(jù)飛行航行獲取原始影像數(shù)據(jù)，使用3Dmax軟件進(jìn)行影像處理，最終生產(chǎn)正射影像圖，將無人機(jī)應(yīng)用于補(bǔ)充衛(wèi)星遙感影像監(jiān)測空白區(qū)域，形成多元數(shù)據(jù)合成鑲嵌影像。

2 監(jiān)測技術(shù)在第三次國土調(diào)查中的應(yīng)用

2.1 內(nèi)業(yè)信息提取

第三次國土調(diào)查因為運(yùn)用了空天地一體化，使得內(nèi)業(yè)信息提取過程變得較為簡單，給調(diào)查單位提供了一定技術(shù)支持。內(nèi)業(yè)信息提取以各縣級行政單元為最小單位，涵蓋該縣所轄范圍內(nèi)的國土資源情況，該種方式能最大程度保障收集到的信息完整、準(zhǔn)確。高空間分辨率的遙感影像伴隨著豐富的光譜和紋理信息，同類地物內(nèi)的光譜差異減少，同物異譜及同譜異物現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重[9]，本項目以多尺度分割算法得到多尺度的影像分割對象作為基元，建立影像分割對象的高層次語義表達(dá)，選擇最優(yōu)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，用于分割遙感影像，在進(jìn)行內(nèi)業(yè)信息提取時，采用了較為關(guān)鍵的空天地一體化，以保證提取工作高效、精準(zhǔn)。

內(nèi)業(yè)信息中較為重要的一項信息體現(xiàn)是圖斑，內(nèi)業(yè)信息中的圖斑是按照遙感技術(shù)下的影像，對地物特征進(jìn)行綜合描繪，進(jìn)而制作而成[10]?？仗斓匾惑w化在內(nèi)業(yè)信息圖斑的應(yīng)用中提供遙感技術(shù)，用以支持對復(fù)雜地形、不易勘測地形進(jìn)行遙感勘測。圖斑的使用可以和第二次國土調(diào)查后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)對比，通過流量變化趨勢來做出第三次國土調(diào)查結(jié)果后的國土資源預(yù)測，為我國最新國土資源管理起到重要調(diào)整作用。

2.2 外業(yè)調(diào)查舉證

在第三次國土調(diào)查中，外業(yè)調(diào)查主要負(fù)責(zé)的工作是將各類圖斑進(jìn)行舉證，并將調(diào)查底圖中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行核實、分析，最終將外業(yè)調(diào)查的地類、地物等重要信息進(jìn)行更正。內(nèi)業(yè)和外業(yè)相結(jié)合方式下，使得國土資源調(diào)查的數(shù)據(jù)精度。

2.3 建立數(shù)據(jù)庫

在第三次國土調(diào)查工作過程中，通過內(nèi)業(yè)信息的提取、外業(yè)調(diào)查舉證等工作模式，將我國國土資源以各縣級為單位進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)收集，由此建立起了國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫(圖1)，數(shù)據(jù)庫的建立讓成果質(zhì)量和工作效率都得到極大提升。

圖1 莒縣第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫在建設(shè)中離不開空天地一體化對其內(nèi)容深度、寬度的影響[11]，由于空天地一體化能夠在較為極端環(huán)境下展開具體勘探工作，因此對于數(shù)據(jù)的完整性起到極大地幫助，另外，空天地一體化監(jiān)測可以通過將高精度遙感、準(zhǔn)確實時定位等功能融入到具體勘測中[12]，為判斷國土資源其內(nèi)部具體構(gòu)造提供了較大幫助。尤其某縣山區(qū)較多，部分區(qū)域無法到達(dá)，在外業(yè)調(diào)查舉證中，可通過空天地一體化實現(xiàn)遠(yuǎn)程、實時勘測，將調(diào)查工程保持在安全系數(shù)強(qiáng)、精準(zhǔn)率高的工作特性上，較為高效的完成勘測任務(wù)，并及時將數(shù)據(jù)上報，極大提高了舉證效率，節(jié)約了時間和人力成本，保障了國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫的建設(shè)順利完成。

2.4 綜合管理平臺

第三次國土調(diào)查為加強(qiáng)調(diào)查成果共享使用、協(xié)同分發(fā)等過程的效率，特建設(shè)了綜合管理平臺，能夠?qū)⒏黝悢?shù)據(jù)進(jìn)行良好管控。在綜合管理平臺的建設(shè)中，通過采用空天地一體化檢測技術(shù)能夠?qū)Σ磺逦臄?shù)據(jù)進(jìn)行快速核查，保證管理平臺中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時更新，確保各類數(shù)據(jù)資源類型完整，提高管理效率。綜合管理平臺主要包括原始數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)等，對各個數(shù)據(jù)庫的綜合庫進(jìn)行統(tǒng)一管理，為國土資源業(yè)務(wù)管理、協(xié)同辦公提供數(shù)據(jù)支持。

3 監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢

3.1 測繪更精準(zhǔn)

傳統(tǒng)測繪主要依靠各種測繪工具來開展土地測繪工作，如測繪光學(xué)儀器和測量尺等，這些測繪工具測量精度較差，使用不方便，嚴(yán)重影響了測繪工作的開展效率和質(zhì)量。

空天地一體化監(jiān)測根據(jù)第三次國土調(diào)查內(nèi)業(yè)信息采集分類體系，建立包括所有地類的土地利用遙感影像成果集，基于全新分類體系及全高清影像[13]，在國際上尚無相關(guān)產(chǎn)品出版，基于此提供大量樣本數(shù)據(jù)開展智能信息采集訓(xùn)練，提出了“智能+人工”協(xié)同作業(yè)模式[14]，并在第三次國土調(diào)查項目中全面業(yè)務(wù)化應(yīng)用。在國際上人工智能信息采集有一定的研究[15-20]，但是利用空天地一體化技術(shù)結(jié)合無人機(jī)攝影測量等多種方式相結(jié)合未見實際應(yīng)用。

3.2 測量更智能

對城鎮(zhèn)土地利用現(xiàn)狀調(diào)查采用無人機(jī)進(jìn)行航空測量，能精確獲取城鎮(zhèn)土地利用變化情況，如精準(zhǔn)獲取了莒縣第三次國土調(diào)查未利用地分布圖(圖2)，并根據(jù)城鎮(zhèn)內(nèi)部土地利用調(diào)查底圖為基礎(chǔ)，按照工作分類，開展城鎮(zhèn)規(guī)劃功能分區(qū)，結(jié)合影像特征，綜合判斷土地利用類型，形成莒縣第三次國土調(diào)查建設(shè)用地分布圖(圖3)。

圖2 莒縣第三次國土調(diào)查未利用地分布圖

圖3 莒縣第三次國土調(diào)查建設(shè)用地分布圖

4 結(jié)論

空天地一體自然資源調(diào)查監(jiān)測技術(shù)在第三次國土調(diào)查內(nèi)業(yè)信息提取環(huán)節(jié)中，將遙感影像的對接、生產(chǎn)任務(wù)下發(fā)與成果接收、監(jiān)理任務(wù)的下發(fā)與監(jiān)理結(jié)果接收等多項工作準(zhǔn)確、高效的在系統(tǒng)中執(zhí)行，比傳統(tǒng)人工效率提升20倍，環(huán)節(jié)執(zhí)行周期縮短1/2，極大節(jié)約了成本。該方法在任務(wù)下發(fā)、成果接收、進(jìn)度查詢、成果展示等多方面成熟的設(shè)計思路，可以推廣到其他各工程項目的執(zhí)行中。

本項目在縣級內(nèi)業(yè)信息提取環(huán)節(jié)中有重要應(yīng)用，為縣級自查規(guī)則的制定提供了重要篩選條件，提高了核查的準(zhǔn)確性和效率；縣級內(nèi)業(yè)核查采用逐圖斑核查和抽樣核查相結(jié)合的方式，從而大幅度提高了核查的工作效率。

未來可拓展服務(wù)于基礎(chǔ)測繪服務(wù)、土地利用服務(wù)、自然資源開發(fā)利用、自然資源調(diào)查監(jiān)測、國土年度變更調(diào)查等工作，為城鄉(xiāng)政府提供決策參考，為企業(yè)和居民提供相關(guān)服務(wù)，可大幅減少政企相關(guān)領(lǐng)域的重復(fù)投入，極大增強(qiáng)決策和民生服務(wù)的現(xiàn)實性和時效性。