作 者 信 息
尤淑撑,何 芸,张 锐
自然资源部 国土卫星遥感应用中心,北京 100048
【摘要】自然资源可持续利用、国土空间优化和治理能力现代化需要全要素、多尺度和长时间序列自然资源调查监测数据,关键是构建较为完善的自然资源要素综合观测网络,形成全方位、高精度、高时间分辨率、高空间分辨率的数据获取能力。本文在自然资源调查监测需求分析的基础上,结合当前空天地网感知能力和技术水平,构建自然资源调查监测协同化数据获取技术框架,提出空天地网多维度数据协同获取技术方法,梳理需要突破的关键技术,旨在为自然资源调查监测体系和协同式数据获取能力建设提供依据。
【关键词】自然资源;调查监测;协同化数据获取;立体观测
【中图分类号】P237;X37
【文献标识码】A
【文章编号】1672-1586(2022)05-0061-06
引文格式:尤淑撑,何 芸,张 锐.自然资源调查监测协同化数据获取技术体系框架研究[J].地理信息世界,2022,29(5):61-65,93.
正文
0 引 言
自然资源是指在一定时间条件下,能够产生经济价值,提高人类当前和未来福利的自然环境因素的总称。支撑自然资源部“两统一”职责履行,需要依托调查监测技术手段对山水湖林草沙冰等资源进行综合调查监测,在摸清家底的基础上开展动态监测,对各类变化进行持续跟踪监测和全生命周期管理,形成全面完备的自然资源管理基础数据,为生态资源保护修复监管、国土用途管制、执法督查等工作提供大数据支撑。
为提高自然资源调查监测数据的保障能力,满足全天候、全要素实时化应用需求,需要构建协同式数据获取技术体系,形成遥感卫星网、航空(无人机)多源多视感知网、地面实时观测网以及众源社会动态感知大数据采集网于一体的“空天地网”数据保障体系,实现自然资源从定期监测到时空多维即时监测的跨越式转变。在此背景下,本文探讨了自然资源调查监测协同化数据处理技术体系框架和关键技术。
1 需求分析
自然资源调查监测包括基础调查、常规监测,耕地、森林、草原、湿地、水资源、地表基质、地下空间、海洋资源等专项调查及应急监测等。其中,基础调查和常规监测、耕地调查监测等业务要求2m级数据全国月度覆盖和重点区域1m级数据月度或季度覆盖;森林、湿地、草原和水资源等专项调查要求对植被生长季森林类型、树种郁闭度(覆盖度)、森林健康等级、土壤厚度等林分参数,以及生物多样性、林种、固碳量、释氧量、涵养水土量、固土量、保肥量等森林功能指标,草原盖度、生物量和类型等指标进行定期观测;对降水量和蒸发量月度监测,土地利用和下垫面状况年度监测等。此外,需要对自然资源地表覆盖类型、属性、利用状况等进行现场采集与核实核查,包括理化参数、生物信息等地表参量高精度采集,以及水质、水量、温度和生物多样性等地面信息实时采集和持续观测等。
总而言之,自然资源调查监测呈现4个主要特点,一是从单要素向全要素转变,不仅要对地类及其变化情况进行监测,还要对耕地非粮化和种植属性等地表覆盖及其变化状况进行监测,同时对大棚、高尔夫球场、违建别墅等特定目标进行监测,在此基础上对各类要素实现耦合分析。二是监测频次需求持续提升,基于自然资源监管早发现、早制止要求,监测频次由年度转变为月清、季核、年度评估,并逐步转为当天数据、当天处理和当天信息提取的自然资源常态化监测,不断满足自然资源管理、生态保护和修复、督查执法等工作对现势性信息需求。三是由数量监测为主向数量、质量和生态一体化综合监测转变,包括对各类地区自然本底状况遥感调查,获取植被长势、水体富营养化、悬浮物浓度以及土壤有机质含量等各类自然资源要素质量信息。四是从二维平面监测向三维立体监测转变。对冰川、河流、湖泊等要素除观测其数量、面积、分布外,还需要进一步监测其储量变化。
2 技术框架
协同式数据获取是指针对自然资源基础调查、专项调查、常规监测、专题监测、应急监测等一体化调查监测需求,以自然资源多要素高精度、高频率、多层次综合调查为目标,综合利用卫星观测、航空摄影、地面采集、网络数据挖掘等空天地网数据获取手段,通过协同任务规划、多源卫星联合拍摄、航空组网观测、地面一体化采集以及众源数据智能发现等技术方法,将卫星观测平台、航空观测平台、地面观测平台、海洋观测平台和计算机网路平台有效协同起来,构建内外业一体、点面结合、综合集成的多层次动态协同式数据获取系统。包括多源卫星数据协同获取,航空数据协同观测,地面实时采集与智能测量及众源信息协同获取等技术系统,形成自然资源全天候、全天时、全要素、全尺度数据协同获取能力,构筑空天地网数据保障体系。
2.1 总体技术框架
针对自然资源基础调查和常规监测,耕地、森林、草原、湿地、水资源、地表基质、地下空间、海洋资源等专项调查、专题监测以及应急监测的多样化主体业务需求,按照全域覆盖、时相适宜、计划统筹、以需定取的要求,构建光学、高光谱、SAR、激光测高以及重力等5类卫星系列遥感卫星观测网;利用多载荷航空协同、高空系留气球(平流层飞机、飞艇)以及无人机组网构建航空传感网;利用车载测量、移动终端、观测台站、专项装备以及定点观测传感网构建地面观测网;利用海洋站、海上固定平台、岸基雷达以及海底观测系统构建海洋信息观测网;利用互联网+大数据、手机信令以及数据挖掘等构建多维度、多视角的众源信息和社会动态感知大数据采集网;通过整合遥感卫星网、航空(无人机)多源多视感知网、地面实时观测网、海洋信息综合监测网及众源社会动态感知大数据采集网,构建空天地网数据保障体系。满足全覆盖、高可靠信息提取、高精度参数反演、高时效数据获取以及多维度信息获取等观测需求,实现国土空间全时、全域、立体实时感知(图1)。
图 1 协同式数据获取技术路线
Fig.1 Flow chart of collaborative data acquisition technology
2.2 多源卫星数据协同获取
采用虚拟组网、星群协同、多源卫星协同智能规划等技术构建多源卫星数据获取技术体系。根据不同应用对卫星数据获取周期、时效及信息解译精度要求的差异,通过同类光学卫星组网、平面和立体协同观测、光学和SAR动态组合模式构建虚拟卫星星座;通过军民商卫星联合调度以及敏捷机动应急数据保障等方式,实现不同类型卫星的快速观测,形成高时效的影像保障能力;通过多尺度、多载荷和多时相卫星数据的协同综合,支撑大区域地表覆盖类型、质量信息、生态参数和地形要素等信息采集,满足年度、季度、月度和即时观测需求,保障不同用户群体、不同业务场景的按需服务能力(图2)。
图 2 多源卫星数据协同获取技术路线
Fig.2 Flow chart of multi-source satellite data collaborative acquisition technology
针对基础调查和常规监测、耕地调查监测等业务对2m级数据全国月度覆盖和重点区域1m级数据月度或季度覆盖需求,分别构建2m级和亚米级虚拟卫星星座。对于光学卫星获取困难区,通过同级别的雷达卫星星座和空天协同方式实现全国范围影像全覆盖。
针对森林、湿地、草原和水资源等专项调查对植被生长季观测要求,构建优于2m空间分辨率的虚拟卫星星座,实现对森林类型、树种郁闭度 / 覆盖度等有效观测;通过对光学、SAR和高光谱等多型谱卫星统一任务规划和调度,实现多载荷卫星数据综合观测,满足森林健康等级、土壤厚度等林分参数,以及生物多样性、林种、固碳量、释氧量、涵养水土量、固土量、保肥量等森林功能指标的观测需求;通过天地协同观测,对草原盖度、生物量和类型等指标进行反演,满足降水量、蒸发量、生态耗水量以及冰川储量等监测要求。
2.3 多维度、多层次航空数据协同观测
针对航天数据覆盖困难、精度不够、分辨率不足以及时效性相对较差等不足,采用航空多视立体观测、无人机倾斜摄影、平流层飞机(艇)驻留观测等多尺度同步观测及协同获取等模式,构建多维度、多层次航空数据协同观测技术体系。集成航空安全管控与实时调度、远程在线传输、快速摄影测量处理以及高精度三维重建等技术,形成多种光学分辨率、高光谱、红外、Lidar、SAR、倾斜摄影等多源遥感数据快速获取能力,弥补航天数据采集周期长等不足(图3)。
图 3 航空数据协同观测技术路线
Fig.3 Flow chart of collaborative observation technology for aerial data
针对基础调查和耕地调查等应用对更高精度数据的迫切需求,采用无人机、系留气球等航空平台,获取高分航空遥感影像和高精度地形坡度信息。针对森林、湿地、草原和水资源等专项调查对重点区域高时空分辨率调查及样方高精度观测需求,通过航空+无人机组网观测模式,形成重点流域、重点下垫面类型10~50cm遥感调查能力。利用激光雷达、数码相机、视频等航空多视立体数据获取技术,获取森林的垂直结构信息,通过空天协同、点面结合实现对林木树冠、树高、生物量、蓄积量、树种组成等森林参数估测。针对地表基质等特定调查需求,通过航空无人机协同观测,辅以野外补充验证调查的模式进行地球浅表数据采集,实现对地表基质类型、空间分布、面积大小、景观属性(地貌景观、生态景观、水文景观、地质景观)等调查监测。针对地下空间监测,利用航空机载InSAR、高光谱探测、高精度激光扫描三维重建、无人机实景三维自动化建模等技术,建立智能监测、实时预警、高效防控为一体的探测预警智防体系。
2.4 地面实时观测与智能调查
针对自然资源地表覆盖类型、属性、利用状况等现场采集与核实核查,理化参数、生物信息等地表参量高精度采集,水质、水量、温度和生物多样性等地面信息实时采集和持续观测等需求,通过车载测量、船载平台、手持移动调查,样地、样点、样方定点观测和观测台站实时采集等方式,采用通导遥一体化移动终端、互联网+ 外业采集设备、多参数一体化集成观测装备,利用AR增强现实、多参数一体化采集以及5G NR数据实时传输等技术,实现对自然资源类型、地物理化参数和生物多样性等信息的高精度持续实时采集和外业智能调查。使用移动街景技术实现对道路两侧、建(构)筑物密集区三维场景的实时采集,保障重点区域的全程、全方位测绘监测(图4)。
图 4 地面实时观测与智能调查技术路线
Fig.4 Flow chart of ground real-time observation and intelligent survey technology
针对基础调查和耕地调查等业务对地类及属性调查核实、图斑边界调绘、地物补测以及图斑实地举证等需求,通过车载 + 手持移动终端的一体化调查模式,利用互联网 + 核查、5G NR数据实时传输技术对内业预判地类和权属等属性信息进行实地调查,逐图斑核实确认图斑地类、权属及标注信息,调绘图斑边界。
针对森林、湿地、草原和水资源等专项调查对抽样调查与图斑调查技术需求,利用RTK、精准测高仪等专项装备,集成3S技术和地面一体化智能观测等技术,实现森林资源内外业一体、点面结合、互为补充的多层次立体森林资源动态调查监测。针对降水、积雪、蒸散发、径流、陆地水储量等水文状态和通量从点到面的高效精准估算,通过新建测流装置、监测井,并结合蒸渗仪、涡度相关仪、激光闪烁仪、通量塔等获取地面观测数据,获取格网蒸散发量,辅以开展农作物野外调查,获取水资源下垫面状况。
针对地表基质地下结构状态的观测,充分运用磁法、电法、电磁法等地球物理的技术和方法,通过高密度电阻力法、面波勘探探地雷达、浅钻,背包钻、浅槽等物探、钻探手段,形成对地表基质垂向结构调查能力。在物理状态、物质成分调查方面,采用分析测试、野外解译仪器获取等技术手段,形成对岩石、土质、砾质、泥质等基质的物理(化学)特征及微生物多样性、群落、酶活性等生物特征的调查监测能力。
针对地下空间全要素探测需求,采用布设分布式光纤声波传感器(DAS)、绿色气枪以及其他热敏电阻温度传感器等专项装备,通过钻探、物探等方式获取岩土体类型、地质结构特征、关键参数以及场属性。利用钻探、地球物理探测、分析测试实验以及地下空间资源空-地-井地球物理立体探测等装备与技术,监测波速、温度、水位等指标,实现矿山遗留地下空间数据,城市人防工程、地下空间、地下构筑物等地下信息协同获取。
2.5 海洋信息协同获取
针对海洋自然资源调查、监测、评价和开发利用管理,以及海洋生态资源管理、海洋权益维护等工作需要,综合利用卫星、航空、无人机等观测手段,构建海洋信息协同获取技术体系。采用多层次立体海洋动态监测技术和海洋水下探测、视频、原位在线观测技术,以及高精度重、磁、浅地层剖面和地震联合采集技术,地面一体化智能观测以及数据实时传输等技术,结合地面现场调查的方式,实现空-天-岸-海协同化观测(图5)。
图 5 海洋信息协同获取技术路线
Fig.5 Flow chart of marine information collaborative acquisition technology
针对海岸线、海岛、滨海湿地、沿海滩涂和海域等资源调查监测,发挥海洋监视监测卫星高分辨率、高频次SAR数据和海洋水色卫星高频次、大覆盖光学遥感优势,通过海洋水色卫星双星组网、光学和微波遥感观测互补模式,对卫星覆盖不到区域补充获取无人机数据。满足我国海岛海岸带重复覆盖周期小于1.5天的时效需求,健全海洋资源调查监测业务能力。
针对海洋生态典型环境要素监测,发挥海洋水色卫星高覆盖性、高精度光学数据、水色反演产品和海洋监视监测卫星高时效、高精度SAR数据优势,集成应用卫星遥感、水下探测、视频、原位在线等技术手段,健全生态系统结构、功能和退化问题调查监测能力。
针对海洋矿产资源调查监测,提升深海调查船装备能力,发展高精度重、磁、浅地层剖面与地震联合采集技术,采用共享导航数据,各采集系统相对独立,同步获得地层的浅部和深部地震数据、重力和磁力等不同地球物理数据。
3 需要重点突破的关键技术
1)天空地网一体化立体遥感监测技术。重点发展以天空地网协同作业为特征的自然资源全要素、全方位、全天候监测技术,开展自然资源立体监测体系研究,突破航天(高、中、低、极轨)、航空(临近空间飞艇、飞机)、低空(高分辨率迅捷对地观测无人机遥感)、地面、地下、海洋等多层次高精度遥感观测体系研究,研制高精度的倾斜、大幅面、SAR、LiDAR、多光谱、高光谱等系列载荷和无人机数据联合获取系统,建立高分辨率空天地遥感立体观测网络与数据实时保障体系。
2)自主可控高端技术装备整合技术。主要突破新型国产高端探测监测装备,加快遥感监测传感器及平台的研制升级与整装集成;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;突破厘米级高频迅捷无人机组网对地观测技术,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,满足自然资源精细化、及时性调查监测需求。
3)众源数据协同获取技术。主要以建立众源数据的质量模型和多源数据配准及变化检测为核心,研究众源地理数据的信息提取与更新的协作机制和方法,利用网络拓扑分析、空间数据统计建模、地理模拟、时空数据挖掘、统计物理学等方法对众源地理数据进行分析和挖掘,研发网络多源条件下的自然资源大数据发现、融合、处理、挖掘、安全维护的软件工具体系。
4 结 论
自然资源调查监测对监测频次、数据质量、定量化水平要求逐步提升,对数据获取能力提出了新的挑战。通过本文研究,提出了构建遥感卫星网、航空(无人机)多源多视感知网、地面实时观测网于一体的空天地网数据保障体系,分析了多观测网技术架构及关键技术,可为自然资源实时化数据保障体系构建提供借鉴。主要结论体会如下。
1)通过虚拟星座组网和综合利用光学、高光谱、SAR、激光、重力、飞艇、无人机等载荷和平台,构建空天地网数据协同获取技术体系,是显著增强自然资源全天时、全天候、全要素观测能力的重要途径。
2)依托云、网、边、端架构和充分发挥5G、物联网技术优势,形成空天地网数据采集的全面统筹和一体化调度能力,是实现各种手段深度融合及数据高效快速采集、流转和应用的重要手段。
3)开展多源长时序数据在线聚合,形成分析即用的时空谱数据集,是实现多源数据集成化、一体化处理和发挥数据综合应用效能的重要基础。
作者简介:尤淑撑(1975―),男,浙江台州人,研究员,博士,主要从事全国土地资源调查监测工作
E-mail:youusc@126.com
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《地理信息世界》2022年5期速览
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