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各国“慧眼守土”面面观
来源:中国国土资源报    时间:2018-03-19    浏览次数:
 

对地观测技术 被广泛应用

土地利用及覆被变化是在不同时空尺度上由自然和社会系统相互作用引起的一种复杂变化,不仅反映了自然环境与地表间的相互作用,也体现了人类活动对其的影响。当前,遥感技术以其获取数据范围大、速度快、周期短、信息量大等优势,成为监测土地利用及覆盖变化最重要的技术手段之一。

近年来,土地利用覆被遥感监测得到了极大的推动,世界各国都大力发展对地观测技术和应用。比如,美国在中低分辨率遥感影像的土地覆盖产品生产的基础上,形成了一套系统的遥感影像处理方法,明确了信息提取技术思路。欧洲、加拿大、日本等国家均根据本土实际需求,发展了相应的土地利用及覆盖分类与监测技术,并在一定程度上寻求国际合作,以更有效地进行全球变化研究。

综合利用遥感动态信息监测与分析技术,建立多源时空数据平台,实现海量数据的存储与集成,已成为土地利用及覆被变化研究方法体系的重点能力建设之一。同时,随着计算机技术和遥感图像处理技术的快速发展,计算机自动化解译方法不断创新,地类识别精度不断提高。在此基础上,遥感应用领域与范围也在不断拓展。近年来,国内外已开展一系列以土地利用及覆被变化为主题的研究计划和项目,主要包括:国际应用系统分析研究所确立的以欧洲和亚洲北部为主要研究区域的土地利用及覆被变化项目、联合国环境规划署的土地覆被评价与模拟项目、联合国粮农组织开展的土地利用分类项目、国际卫星对地观测委员会提出的全球森林和地表覆被动态监测项目、国际地理学联合会开展的土地利用与土地覆被变化研究项目,以及美国国家航空航天局的土地覆被与土地利用变化项目等。

从具体的监测对象来看,目前国际上土地利用及覆被遥感监测内容主要有城市不透水面监测、森林资源调查、湿地资源调查、耕地保护监测和城市绿地监测等,更加注重研究特定的土地利用及覆被类型与人类活动的相关性及其环境效应。

通过对以上内容的监测,能及时、准确地掌握相关土地利用及覆被格局的变化情况,为政府决策和管理提供科学的参考依据,有利于深入了解自然环境与土地之间的相互作用,有利于约束人类活动对土地、自然的过度开发。

目前,以欧洲太空局、加拿大遥感中心、澳大利亚空间信息合作研究中心、日本对地观测中心等为代表的卫星发展与应用促进机构,主导并带动着国际和区域遥感卫星的应用与发展。

 

欧盟:遥感系统市场化程度最高

作为欧盟国家空间技术的国际合作组织,欧洲太空局统筹规划和建设欧洲的遥感卫星及其地面接收处理设施。上世纪末,欧空局进一步加强了空间技术方面的合作,通过资源共享,充分利用各类卫星数据和遥感地面接收处理设施。进入本世纪后,欧空局进一步加强遥感基础设施的整合,提出了建设欧洲空间信息基础设施和欧盟全球环境与安全监测计划。

欧空局通过国际合作和区域协调,统筹部署跨国的区域卫星遥感接收、处理系统,坚持“数据只需采集一次,并在能够最有效维护的层次上进行维护”和“在一个层次上收集的信息必须在不同层次上共享”“各个管理层次所需的地理信息应该丰富和广泛可得”等原则。

根据这些原则,欧空局统一建设遥感卫星的地面基础设施,不但实现各类遥感卫星数据在欧盟国家的共享,还实现了遥感地面设施的资源共享,大大降低了卫星遥感应用的成本,极大地提高了各类卫星数据的接收处理效率和效益,增强了欧空局在这一领域的国际竞争力。

随着地面接收设施的发展,目前欧空局放开了造价较低的气象卫星接收系统建设,但对于投资巨大的高、中分辨率陆地卫星接收处理系统仍坚持统筹规划建设的原则。建设一个接收站,统一接收多个遥感卫星数据,分别处理分发,提供多种标准化的遥感信息产品。欧空局统一开放体系,通过跨国的区域合作,充分发挥了遥感卫星及其地面接收处理基础设施的能力,取得了显著的经济社会效益。

和欧空局一样,德国、瑞典的遥感地面数据接收处理中心也承担着更新覆盖全国基础地理数据和航天遥感数据,开展对本国资源环境动态监测,以及支持国家宏观决策等多项任务。同时,各国都高度重视为社会提供多样化的遥感信息服务,并制定了优惠政策,依托国家数据中心,鼓励企业参与国家信息资源的开发利用。

欧空局的数据中心根据各层次用户对数据的需求,提供的遥感加工产品有11个系列之多,每年的服务额高达1亿美元以上,来自市场的项目经费约占数据中心营业额的70%。这在盘活自身资源的同时,有效带动了遥感技术的应用和相关产业的发展。

目前,欧空局的卫星遥感系统和地面接收处理系统是世界上市场化程度最高的系统,无论卫星遥感系统的研发和运行,还是地面基础设施的建设和使用,已经实现完全民用化。欧洲在联合开发自主遥感信息源的同时,广泛使用美国、加拿大、日本的卫星数据,欧空局地面接收处理的卫星多达16颗,利用统一的地面接收、处理系统统筹安排本地区与其他国家的卫星数据。

加拿大:开展国际合作遥感实验

加拿大遥感中心是加拿大联邦政府资源部地球科学分部下属的一个研究和政府服务部门。其主要职责是负责全加拿大遥感数据的接收、处理、存档和分发等,以及面向公众和私人的遥感数据开发和利用。作为研究部门,它还发展各种遥感技术在资源环境监测等方面的应用,同时也促进地理信息系统的应用。

该中心主要从事的遥感研究内容有:全波段卫星与机载成像传感器的数据处理与成像系统、包括人工智能在内的影像分析方法学、机载或卫星传感器开发,以及全波段遥感的应用开发。

加拿大遥感中心在8个省区设有分组织,自设14个工作组。其中,应用组有农业、大气科学和摄影测量学、林学、野生生物和荒地、地理学、广义地学、水文学、冰川侦察和冰川学、湖沼学、海洋学10个组;技术组则包括数据处理和卫星技术、资料转发、照片复制和市场出售、传感器4个组。

不仅如此,加拿大遥感中心还开展国际合作航空遥感实验。比如,为了开发石油、估计储量,其在加拿大北部广阔海域进行的遥感实验,就是由欧空局遥感实验室和丹麦有关机构一起参与的。该实验数据由加拿大海洋卫星的2个地面站提供,特别是其微波数据,经数字处理后供使用。

该中心为加拿大资源部的地球科学分部、加拿大空间局、其他政府部门,以及私营部门和其他用户提供对地观测数据。通过位于艾伯特王子城和加地诺的两个加拿大遥感中心的卫星地面站,利用尖端的对地观测存档、处理及分发系统,实现数据的接收、分发、存档。

而位于渥太华的加拿大遥感中心卫星数据接收部则为加拿大政府和国外用户提供了客户服务平台。其地面站从几个卫星传感器接收的对地观测数据,可以被实时应用,比如用于森林火灾监测和制图、自然灾害和冰雪监测等;也可以非实时应用,比如用于土地利用管理和气候变化监测等。

澳大利亚:空间信息推动产业发展

澳大利亚空间信息合作研究中心成立于1990年,旨在加强产业界、研究机构、教育机构和政府部门之间的合作研究,针对空间研究和教育开展强有力的协作活动,加速空间技术的发展与利用。

空间信息产业是信息产业的一个特殊组成部分,与其他科学技术领域具有广泛的联系,如环境科学、工程学、计算机科学、医疗卫生服务、物流、规划、资源管理等。这些应用都基于空间信息技术平台。空间信息技术包括收集、管理和分析那些具有地理坐标、时间和空间范围的信息,也包括开发和管理相关的信息技术工具,如航空和卫星遥感影像、全球定位系统、地理信息系统等。

如今,空间信息已经渗透到每个澳大利亚人的生活当中。通过卫星图像,可以获得每日的天气报告,并向农民提供精确的农业相关信息;机载红外线传感器可以随时监测火灾的发生。

长期来看,澳大利亚空间信息合作研究中心长期致力于促进农业、自然资源和气候变化、防御和安全、能源和公共事业、医疗、城市发展规划等重要行业领域的创新和生产力进步。该中心的合作伙伴及利益支持方不仅包括澳大利亚和新西兰土地信息委员会等70家公司,还包括大学和其他研究机构、空间行业商业联盟、调查及空间科学研究所,以及澳大利亚空间联盟等。

日本:数据用于减灾和环境监测

日本对地观测中心成立于1995年4月,是日本地球观测卫星数据分析和研究的核心机构,主要任务是分析地球观测卫星所获得的观测数据,开发算法并推导出地球物理参数,校准和验证卫星数据,并尽量保持数据的准确性。

同时,该中心也进行新的地球观测仪器研究,开发和经营用于地球观测卫星数据的地面系统。作为这项任务的一部分,该中心经营的地球观测中心负责进行接收、处理和提供卫星数据。

此外,该中心还负责促进卫星数据在气象、林业和渔业资源、防灾和国家土地使用控制,以及全球环境变化等领域的研究和应用。中心还与国内外相关机构和国际组织广泛合作,开展数据研究和应用。

长期以来,对地观测中心除负责校验地球观测卫星和先进地球观测卫星上的观测仪器和观测数据,开发计算机的高级算法,还负责研制科学实验用的仪器设备。特别是其研制、开发和安装运转的观测和信息发布系统,更将观测数据的利用扩大至减灾和风险管理、资源管理,以及全球环境监测,提高了观测数据的利用率,以利于建立一个安全和有保障的社会。

为了应对全球气候变化和环境变化,今年以来日本对地观测中心还开展了一个国际地球观测的合作项目,即系统的全球地球观测系统项目。

■启示

推动监测技术 方法纵深发展

随着遥感数据的日益完善,遥感分类、监测算法也不断更新发展。遥感分类方法在传统的监督与非监督分类算法的基础上不断发展,出现了一批基于多时相、多源数据的土地利用及覆被分类方法。变化监测技术也从基于两时相或多时相影像的分类后检测法,逐步发展为连续时间序列的变化监测方法,以及结合多源、多尺度影像的应用方式。分析和总结国际对地观测技术的研究进展,对我国进一步开展土地利用及覆被监测工作具有启示意义。

从国际经验来看,国家尺度的土地利用及覆被遥感监测项目开展之前,需要根据所采用的遥感影像分辨率,对分类系统、分类的技术方法与流程进行仔细研究,明确各个类别的实际内涵,努力确保分类体系与遥感影像本身相适应。各地区可以采用不同的遥感影像分类与监测方法,但统一的分类系统对于地区间协同工作、提高分类作业效率至关重要。

在这方面,匈牙利测绘与遥感研究院遥感中心的经验具有借鉴意义。该中心自1980年开展相关研究工作以来,积累了丰富的遥感数据处理和遥感国土应用经验,目前已成为具有国际影响力的从事遥感技术研究与遥感行业应用的核心部门。该中心基于多源遥感影像处理、图斑识别、典型地类监测等核心技术,研发了众多具备欧盟推广能力的产品。比如,基于多源多分辨率遥感影像,利用高分辨率遥感序列影像识别地类,结合甚高分辨率遥感影像优化地类边界,准确计算地类图斑面积的方法,开发了计算机辅助影像解译和图斑识别系统。该技术成功应用于匈牙利农业部门根据农区面积核算结果发放农业补贴,且已推广到整个欧盟,遥感数据获取面积的客观性和准确性保证了补贴发放的公平、公正。

不仅如此,该中心还综合利用现有地籍图、地形图、数字高程图、坡度坡向图、土壤数据,及其他与典型地类相关的空间数据,开展了匈牙利葡萄园种植区监测、豚草监测、8种主要农作物全国和县级两个层次的监测。该项监测成果已用于匈牙利农业部门评估作物产量,优化配置作物种植区域。

尽管遥感数据日益完善,但利用计算机分类算法得到的自动化分类结果精度往往不高,难以达到分类精度要求,需要通过人工手段,利用地表覆被的知识应用规则减少错提和漏提,才能取得可靠的地表覆被分类结果。由于各地区情况复杂、需要检核的数据量大、参与检核的人员众多,因而制定统一、有效的检核规则,研制便利的检核平台至关重要。

为保障检核工作的有效开展,充分利用多源参考信息,从自然规律、时间规律、经济社会规律三方面总结地表覆被的各类先验知识,分析提炼各个类型的空间一致性、关系协调性、时间连续性等判断规则,并建立知识化检核规则和处理流程,有效解决地表覆被数据生产无法有效开展过程质检的难题。在此基础上,研制网络化的协同检核系统,将检核所需的数据和功能发布成Web服务,提出了多用户协同交互的服务模型,大大提高检核效率。

具体来看,我国土地覆盖类型多种多样,要想与国际土地覆盖研究框架接轨,建议结合我国实际,形成完整的理论体系,选择一些有代表性的土地利用及覆盖变化问题进行相应的遥感监测研究。比如,城镇扩张、洪水灾害、干旱、荒漠化等,并重视其过程机理的定量模拟。同时也要努力发展国产遥感数据的应用,加强更深层次的土地覆盖产品的提取,如植被覆盖度、地表反照率、地表蒸散量、缺水指数、植被动态变化等地表覆盖特征参数,使我国的土地利用及覆盖研究向更深、更广的方向发展。

为此,建议完善土地利用覆被遥感监测技术体系,主要包括基于时序多尺度光学遥感影像的土地利用及覆被连续变化监测与分类、高分遥感影像的智能解译技术、基于多时相SAR和光学遥感数据的多云雾地区土地利用及覆被变化监测,以及国产遥感卫星数据质量改进及土地利用及覆被监测应用。同时,与国际学术机构或组织开展土地覆被遥感监测领域的广泛合作,并联合国际学术机构或组织开展人才培养。

(作者单位:中国土地勘测规划院)

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