尤淑撐-自然資源衛星高頻次監測體系構建及業務化應用.pdf

1、P1尤淑撐自然資源部國土衛星遙感應用中心研究員2024年6月新形勢自然資源衛星遙感監測發展思路P2P2P2形勢背景形勢背景1P31.1 新形勢高新技術的發展，生態文明的建設，對自然資源遙感監測內涵、外延和技術體系革新提出了更新的要求。自然資源綜合監測：單一要素到全要素 我國進入遙感3.0時代：數量、質量和星座 衛星遙感與大數據、云計算、AI、5G和區塊鏈等高新技術深度融合P41.1 新形勢 2米級光學衛星和高分2號等亞米級衛星通過構建虛擬衛星星座，統籌編制衛星拍攝計劃，影像獲取能力得到顯著提升，成為自然資源遙感監測主力數據源。u秦嶺淮河一線以北地區，基本可實現月度覆蓋；u秦嶺淮河一線以南多數地

2、區，基本可實現雙月度覆蓋；u西南獲取困難區域，基本可實現季度覆蓋。2020年1月至2020年5月P51.1 新形勢 基于深度學習的地表覆蓋智能解譯技術體系實現了業務化應用。序號類型要素范圍上圖面積模型算法樣本數量/個或對最新迭代精度1變化檢測新增建筑物全國重點區400 m2Siamese EfficientNet等137260召回率約71%2新增線性地物全國重點區Siamese EfficientNet等31259召回率約69%3新增推填土全國重點區Siamese EfficientNet等29081召回率約68%4高爾夫用地全國Siamese EfficientNet等3814召回率約81%

3、5新增光伏全國Siamese EfficientNet等12814召回率約83%6現狀信息提取河湖庫全國河流一至三級，湖庫1km2NDWI+ROI等-面積精度約85%7光伏用地全國400 m2DeeplabV3+與ResNeSt-50結合15773召回率約86%8大棚全國重點區DeeplabV3+與ResNeSt-50結合8418召回率約78%9地類判別耕地、建筑物兩類判別全國-DeeplabV3+等約2000準確率90%以上10特定目標檢測飛機全國大中型YOLOv5等約2000準確率、召回率約95%11輪船廣東等大中型YOLOv5等約3500準確率、召回率約85%P61.2 新要求實現人與自

4、然和諧共生的現代化嚴控資源安全底線優化國土空間格局促進綠色低碳發展維護資源資產權益保障糧食能源安全耕地紅線管控耕地非農化、非糧化耕地占補、進出平衡耕地種植屬性監測.提高要素保障水平城市開發邊界管控低效閑置建設監測節約集約利用評估用地結構和服務功能.提升國土生態功能生態紅線監管生態修復評估生態工程監測自然災害監測.促進資源資產增值自然文化遺產監管國家公園管理風景名勝區保護資源資產價值核算.動態感知快速發現系統評價科學評估P71.2 新要求P81.3 新體系具 體任務高頻次遙感監測長時間序列遙感監測即時遙感監測開展全國全要素季度變化遙感監測，實現對違法用地的“早發現”，為“早制止、嚴執法”提供支撐

5、針對冰川、紅樹林、自然保護區等重要對象、重點區域開展長時間序列遙感監測，為自然資源生態保護提供支撐開展自然災害遙感監測、重大事件應急監測及自然資源整治監測等，服務于應急響應、專題整治等 P9P9P9解決方案2P102.1 一體化監測指標 構建兼顧自然資源地表要素數量、質量、結構、生態功能等“土地利用-土地覆蓋-地表參量”一體化遙感監測體系，實現“一監多用、多監合一”。耕地：水田 水澆地 旱地土地利用 種植屬性：耕種/未耕種 休耕 林糧間作 作物類型：糧食作物 經濟作物 蔬菜作物 土地覆蓋 作物參數：種植面積 植株密度 糧食產量 土壤參數：土壤水分 土壤溫度 有機質含量 地表參數耕地“土地利用-

6、土地覆蓋-地表參量”一體化遙感監測內容土地利用監測指標土地覆蓋監測指標地表參數監測指標自然資源主體業務P112.1 一體化監測指標建設災害耕作新增建設用地新增農村居民點新增別墅新增水工設施新增道路新增鐵路新增推填土新增光伏板新增圍填海建設拆除其他建設擾動耕地非農化耕地非糧化設施農用地變化坡耕地改梯田退耕還林還草耕地休耕耕地撂荒耕地覆膜秸稈覆蓋還田其他耕作擾動旱災洪澇災害地質災害雨雪冰凍災害農林病蟲害其他災害擾動植被植被覆蓋面積變化植被覆蓋度變化耕地變化園地變化林地變化草地變化其他植被變化退化土地沙化和荒漠化土地鹽堿化其他土地退化p影像分辨率：優于：優于2 2米；米；p監測要素：建設擾動、耕作擾

7、動、災害擾動、植被變化、：建設擾動、耕作擾動、災害擾動、植被變化、土地退化等土地退化等5 5大類大類3737小類；小類；p監測周期：全國季度監測（北方地區：全國季度監測（北方地區1-21-2個月個月/次，南方地次，南方地區區2-32-3個月個月/次）；次）；p成果時效：T+10T+10，即從數據接收到成果出圖約，即從數據接收到成果出圖約1010天。天。當前能力：2米級數據一級分類一級分類編碼特殊標注耕地10園地20茶園林地30河流綠化造林（綠化通道）湖泊綠化造林（綠化通道）水庫綠化造林（綠化通道）道路兩側造林（綠化通道）草地40河流綠化種草（綠化通道）湖泊綠化種草（綠化通道）水庫綠化種草（綠化

8、通道）道路兩側種草（綠化通道）其他人工草地濕地50水域60坑塘水面（挖湖造景）水庫水面基礎設施70新增線性地物新增建構筑物居民地及工礦用地80新增建構筑物新增推填土新增光伏用地新增高爾夫用地公園用地其它土地90P122.2 一體化監測技術 土地利用變化對應特征躍變、土地覆蓋變化對應季節周期性性變化、地表參數變化對應年際緩慢變化，多模態、多時相衛片可以提取并區分特征的變化幅度和變化規律 土地利用變化（特征躍變）耕地耕地建設用地建設用地數據：前后時相影像知識：遙感樣本庫模型：變化檢測、目標檢測 土地覆蓋變化（特征季節性變化）數據：多模態/時間序列影像知識：遙感物候庫模型：地物分類、時序分析作物類型

9、作物類型 地表參數變化（特征緩變）數據：多模態影像知識：地物光譜庫模型：定量反演土壤水分土壤水分2021年2022年2023年特征躍變特征季節性變化特征緩變 P132.2 一體化監測技術 以多模態時序衛片為主要數據源，基于深度學習模型學習地表要素時-空-譜多維特征。多模態時序衛片感知模態時序分辨率光學高光譜熱紅外微波其他0.512101630日旬月季年高分三號高分五號高分一號高分六號高分七號資源三號5米光學衛星高分二號LandsatSentinel-1Sentinel-21米C-SAR陸探L-SAR一體化要素信息提取多維特征智能提取CNN、GCN、LSTM、Transformer等模型提取要素

10、特征土地利用：耕地土地覆蓋：玉米、大豆、小麥地表參量：覆蓋度就緒數據模態/時序特征樣本模型訓練提取信息P142.2 一體化監測技術 構建由地物要素光譜庫、遙感物候庫、遙感解譯樣本庫的統一遙感監測支撐數據庫。地物光譜庫遙感物候庫耕林園草水濕建未利用遙感解譯樣本庫地表覆蓋目標識別變化檢測時序分析 動態匯聚應用 迭代遙感指數植被/作物物候立地條件 地物要素光譜庫 地表參量反演地表要素在不同模態、不同波段、不同角度下的地表要素在不同模態、不同波段、不同角度下的反射率、散射系數、輻射率反射率、散射系數、輻射率 遙感物候庫 土地覆蓋提取植被植被/水體要素反射率、散射系數、輻射率隨時水體要素反射率、散射系數

11、、輻射率隨時間的變化規律間的變化規律 遙感解譯樣本庫 土地利用提取地表要素及其變化的多模態、多分辨率影像特征地表要素及其變化的多模態、多分辨率影像特征P152.3 關鍵技術|關鍵技術一：就緒化遙感影像（1/3）總體思路：對衛片進行時空剖分編碼，構建時空立方體，按需聚合生成監測底圖。景#1景#2景#3剖分聚合整景/條帶影像時空譜立方體格網監測底圖產品空間格網的時序疊加時空立方體衛片組織管理（摒棄以（摒棄以“景景”為單元的管理，實現以為單元的管理，實現以“格網格網”為單元的管理）為單元的管理）多源DOM影像監測底圖P162.3 關鍵技術|關鍵技術一：就緒化遙感影像（2/3）時空剖分：對分辨率規整的

12、衛片進行空間剖分、質量標記、時空編碼，形成空間配準、時序疊加的時空立方體，逐格網逐季度建立輻射基準，支撐衛片按需精準檢索。分辨率規整的衛片DOM（5個尺度：0.5m1m2m10m16m30m）空間剖分（10km格網）時空編碼 質量標記u有效數據區（有效數據區（NoDataNoData）u厚云掩膜（厚云掩膜（AIAI云識別）云識別）u清晰度（清晰度（LaplaceLaplace算子）算子）P172.3 關鍵技術|關鍵技術一：就緒化遙感影像（3/3）按需聚合：根據監測底圖季度、區域、分辨率要求，檢索格網影像和輻射匹配，得到時空統一、光譜可比的監測底圖。2022年4季度2米監測底圖（勻色后）2022

13、年4季度2米DOM（勻色前）檢索立方體（季節、區域、分辨率、質量）（季節、區域、分辨率、質量）鑲嵌勻色（格網影像與參考底圖勻色；鑲嵌圖全圖勻色）（格網影像與參考底圖勻色；鑲嵌圖全圖勻色）P182.3 關鍵技術|關鍵技術二：生成式訓練樣本（1/3）總體思路：基于監測數據庫成果，通過圖斑精化生成高質量圖斑樣本，通過按需擴增形成類別結構均衡的高質量樣本集高質量樣本調查監測成果 圖斑精化生成樣本1成果抽取樣本分布外檢測(OOD)邊界提示一致性識別樣本集裁剪 結構均衡樣本擴增2成果抽取變化標簽生成基于mix-up的影像生成分層抽樣P192.3 關鍵技術|關鍵技術二：生成式訓練樣本（2/3）圖斑精化生成樣

14、本：利用某省2022年季度監測成果生成樣本，涵蓋新增建（構）筑物、線形地物、推堆土、光伏用地4類4.6萬個樣本，滿足“非農化”監測模型訓練要求掩膜提示變化檢測提取圖斑交并比一致性判別新增線形地物新增建（構）筑物新增推堆土分布內樣本分布外樣本低質量樣本 分布外樣本檢測：濾除低質量樣本前時相DOM后時相DOM監測圖斑原始監測成果數據庫前時相DOM后時相DOM監測圖斑分布內監測成果數據庫高一致性圖斑提示學習變化圖斑提取山西省2022年度4.6萬個監測圖斑P202.3 關鍵技術|關鍵技術二：生成式訓練樣本（3/3）結構均衡樣本擴增：通過mix-up技術生成占比較少的樣本，形成類別結構均衡的樣本集樣本實

15、例級混合增強方法Mix-up生成后時相（區域#1變化+區域#2后時相）區域#2前時相0500010000150002000025000新增線形地物新增建（構）筑物新增推堆土新增光伏用地其他新增山西省部分區域樣本類別結構0500010000150002000025000新增線形地物新增建（構）筑物新增推堆土新增光伏用地其他新增山西省部分區域均衡后樣本類別結構區域#1后時相區域#1變化圖斑區域#2變化圖斑區域#2前時相區域#2后時相區域#2前時相變化區域嵌入 提供背景圖像變化真值求并擴增后樣本結構更均衡P212.3 關鍵技術|關鍵技術三：時空化遙感模型（1/5）通用遙感化適配遙感模型時空化構建時空

16、模型產訓一體迭代 總體思路：將先進計算機視覺模型進行遙感化適配，分區域分季節構建具有時空屬性的模型，結合監測生產開展“產訓一體”的模型優化迭代。P222.3 關鍵技術|關鍵技術三：時空化遙感模型（2/5）通用模型遙感化適配：利用遙感樣本集重新訓練通用計算機視覺模型，使其適用于從多波段、多模態、大幅面遙感圖像學習提取要素特征的能力遙感樣本集基于模型精調的通用模型遙感化改造（輸入：（輸入：CVCV通用模型、遙感樣本集；通用模型、遙感樣本集；輸出：遙感監測模型）輸出：遙感監測模型）三波段自然圖像 多波段遙感圖像多模態遙感圖像 多時相遙感圖像P232.3 關鍵技術|關鍵技術三：時空化遙感模型（3/5）

17、遙感模型時空化預訓練：利用不同分區、季節樣本預訓練智能模型，模型成果與生態分區掛接形成模型池，支持模型匹配推薦u 復雜場景分區面向遙感智能解譯的分區數面向遙感智能解譯的分區數據兩級分區據兩級分區u 模型分區、分季應用同分區、同季節數據采用想同分區、同季節數據采用想通模型，提高時空匹配度通模型，提高時空匹配度u 同區模型組合應用同屬一個一級分區的二級分同屬一個一級分區的二級分區模型組合提高精度區模型組合提高精度9個一級場景分區35個二級場景分區P242.3 關鍵技術|關鍵技術三：時空化遙感模型（4/5）模型迭代優化：增量樣本優化基礎模型，難例區域、難例要素樣本優化模型，在提取過程中“邊勾繪、邊精

18、化”實現預測時優化增量監測樣本（月度、季度、年度）防止災難性遺忘持續學習難例區域（如薄云、結構破碎）難例要素（如園林草區分）耕林園草水預測過程中少量標注樣本預測過程中快速精調模型（邊勾繪樣本、邊精化模型）通用模型優化1難例要素/區域模型優化2模型預測時優化3樣本庫大范圍抽取相似樣本訓練專用模型主動學習推薦標注區域少量高價值樣本圖像生成相似樣本獲取長時序/多模態樣本P252.3 關鍵技術|關鍵技術三：時空化遙感模型（5/5）模型建設成效：利用百萬級樣本預訓練變化檢測、地物分類、目標檢測10類共20+模型變化檢測智能模型基本架構新增建（構）筑物、線形地物、新增建（構）筑物、線形地物、光伏方陣用地、

19、高爾夫球場、光伏方陣用地、高爾夫球場、點狀地物、庫塘、林地園地、點狀地物、庫塘、林地園地、草地、綠化通道草地、綠化通道P262.3 關鍵技術|關鍵技術四：智能化監測處理服務（1/4）總體思路：建立部-省-市-縣在線協同監測業務運行體系，業務場景引導流程構建，數據驅動模型算法匹配，知識約束信息處理。監測場景分解空間位置監測要素數據需求時間要求模型-樣本-數據時空關聯平面投影格網掛接時空檢索監測業務知識 衛星數據 地學知識 智能模型 監測業務智能化監測處理服務成果共享服務流程調度運控P272.3 關鍵技術|關鍵技術四：智能化監測處理服務（2/4）監測業務知識：梳理“業務-地學-模型-數據”4類監測

20、業務知識，支撐模型/數據匹配優選、處理流程鏈自動構建 監測業務知識（衛片執法業務規程）（衛片執法業務規程）衛星數據知識（1414顆國土衛星顆國土衛星-載荷載荷-譜段譜段-分辨率）分辨率）地學知識（基礎生態分區（基礎生態分區）模型知識（數據（數據/區域區域/季節適用性季節適用性）P282.3 關鍵技術|關鍵技術五：智能化監測處理服務（3/4）流程調度運控：研發流程動態構建、任務智能流轉技術，實現全環節流式處理、全過程智能調度和多任務一體化管理與動態擴展全環節流式處理運行調度智能解譯流式處理 高性能可視化超融合GPU云任務智能流轉生產線動態構建自動處理與信息流轉流程P292.3 關鍵技術|關鍵技術

21、五：智能化監測處理服務（4/4）推送國土衛星影像推送季度監測圖斑推送監測模型 成果共享服務：“部-省-市-縣”影像、圖斑、模型在線服務，促進樣本、模型、知識共建共享，形成縱向到底的一體化監測服務體系P30P30P30發展展望3P31發展展望|數據：多源數據協同感知 突破多模態幾何/輻射一致處理、時序插補技術，快速生產監測就緒數據等技術，實現空天地平臺多模態遙感與志愿者地理信息（VGI）關聯融合感知多模態圖像鐵塔視頻手機信令 長時序數據插補技術缺失時序 多模態圖像配準技術光學光學影像影像SARSAR影像影像 多源影像交叉輻射校正技術光譜響應函數光譜響應函數P32發展展望|知識：監測業務知識體系業

22、務知識庫（概念性知識）（概念性知識）自上而下歸納分析知識庫（規律性知識）（規律性知識）地學統計分析地學知識庫（數據性知識）（數據性知識）立方體格網掛接融合知識的監測模型構建技術 構建涵括地學、業務、分析知識的遙感監測業務知識圖譜，在知識引導、嵌入和約束下實現智能跨層級、在線化監測服務業務知識圖譜構建技術P33發展展望|模型：基礎（大）模型+專用模型 掛接高泛化基礎模型提升多類載荷/目標識別能力的泛化性多場景監測應用大規模多場景樣本數據高價值領域知識 建立和發展遙感基礎模型+專用模型級聯遙感監測應用模式，基礎模型提高泛化性降低應用門檻，專用模型提高監測精度定量反演要素分類目標檢測變化檢測時序分析影像處理基礎模型+專用模型協同應用技術P34Thank You All