ON .1  

應(yīng)用背景及意義

尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然，是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家的內(nèi)在要求。必須牢固樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，站在人與自然和諧共生的高度謀劃發(fā)展。

在生態(tài)文明建設(shè)上，黨中央以前所未有的力度抓生態(tài)文明建設(shè)，美麗中國建設(shè)邁出重大步伐，我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)發(fā)生歷史性、轉(zhuǎn)折性、全局性變化。為加強(qiáng)林地保護(hù)管理基礎(chǔ)支撐能力建設(shè)，建立年度林地變更調(diào)查工作制度，規(guī)范林地變更調(diào)查工作，國家林業(yè)局研究制定了《林地變更調(diào)查工作規(guī)則》。開展林地變更調(diào)查工作的目的，是掌握林地利用現(xiàn)狀及其消長(zhǎng)變化情況，保持林地調(diào)查數(shù)據(jù)和林地?cái)?shù)據(jù)庫的真實(shí)性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性，以支撐林地保護(hù)管理和生態(tài)建設(shè)的需要。

森林資源的變化對(duì)于全球碳循環(huán)、氣候變化、 生物多樣性和生態(tài)環(huán)境都有重要影響。開展森林資源調(diào)查和監(jiān)測(cè)，為制定林業(yè)方針、政 策、中長(zhǎng)期規(guī)劃和林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃，以及檢驗(yàn)經(jīng)營成果等提供科學(xué)依據(jù)。我國是能耗強(qiáng)度降低最快的國家之一，是全球森林資源增長(zhǎng)最多的國家，生物多樣性保護(hù)目的執(zhí)行情況好于全球平均水平，近年來，我國深入開展綠色“一帶一路”建設(shè)，已成為全球生態(tài)文明建設(shè)的重要參與者、貢獻(xiàn)者、引領(lǐng)者。為加強(qiáng)林地和林木采伐管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)林地和林木采伐管理中存在的問題，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)非法占用林地和林木采伐情況。
 

自2019年至今，貴州省一直積極開展森林資源現(xiàn)狀和發(fā)展?jié)摿ζ詹椤３浞掷檬〖?jí)遙感影像統(tǒng)籌項(xiàng)目，拓寬監(jiān)測(cè)影像獲取渠道，組織技術(shù)力量，充分運(yùn)用遙感影像自動(dòng)解譯技術(shù)，全面提升省級(jí)監(jiān)測(cè)效率和監(jiān)測(cè)頻次。開展重點(diǎn)區(qū)域和重要地類變化情況動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，強(qiáng)化監(jiān)測(cè)成果應(yīng)用，為耕地保護(hù)、督察執(zhí)法、空間規(guī)劃、生態(tài)修復(fù)等業(yè)務(wù)管理提供及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)預(yù)警信息，促進(jìn)自然資源治理體系和治理能力現(xiàn)代化，對(duì)全省生態(tài)文明建設(shè)、保護(hù)森林資源建設(shè)成果、提升森林資源管理質(zhì)效具有重要意義。

ON .2 

發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

森林區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)、地勢(shì)布局的復(fù)雜性，限制了人類在此區(qū)域內(nèi)的活動(dòng)能力，難以建立大規(guī)模的監(jiān)測(cè)與評(píng)估方式。為加深對(duì)這種復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的理解，衛(wèi)星遙感影像逐漸走進(jìn)了監(jiān)管部門的視野。遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：森林資源遙感調(diào)查、森林火災(zāi)遙感監(jiān)測(cè)、森林病蟲災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)及林業(yè)資源遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等。遙感技術(shù)在空間分辨率和光譜分辨率方面的提高，以及雷達(dá)遙感、航空遙感和無人遙感飛機(jī)的發(fā)展，為林業(yè)遙感提供了豐富的信息源，拓寬了林業(yè)遙感應(yīng)用的深度和廣度，給森林資源清查和監(jiān)測(cè)工作帶來了新的契機(jī)，為數(shù)字林業(yè)的順利推廣提供了強(qiáng)大的信息保證。

現(xiàn)階段，通過人工對(duì)各類森林遙感影像資料進(jìn)行目視解譯，是森林資源監(jiān)測(cè)、更新的主要方法。具體方式包含資料收集和圖斑核查兩個(gè)部分，而資料收集中的“遙感判讀”工作模式還主要基于對(duì)兩期遙感影像圖對(duì)比判讀，所以存在高資源占用、高時(shí)延、漏檢和誤檢、現(xiàn)勢(shì)性差、流程繁瑣等問題。

遙感是與人工智能緊密關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域，應(yīng)用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)遙感影像的自動(dòng)解譯意義重大。天樞平臺(tái)是引領(lǐng)測(cè)繪遙感數(shù)字化轉(zhuǎn)型的智能引擎，在平臺(tái)標(biāo)注工具的催化下，以自主創(chuàng)新的算法和能力，實(shí)現(xiàn)從影像到矢量成果轉(zhuǎn)化的智能處理。通過對(duì)若干兩期影像進(jìn)行智能解譯，能夠在較短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)大片林地進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估。

圖2-1 天樞遙感智能視覺平臺(tái)

ON .3  

解決方案

“AI+遙感”協(xié)同監(jiān)測(cè)

通過獲取的高空間分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、低空無人機(jī)影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用天樞平臺(tái)的變化檢測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩期影像區(qū)域林業(yè)小班變化情況進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)提取。

監(jiān)測(cè)的目標(biāo)有2個(gè)：①通過兩期或多時(shí)相影像數(shù)據(jù)的比較，確定林業(yè)小班變化的地理位置；②確定變化的數(shù)量與規(guī)模。

圖3-1 整體工作流程圖

變化檢測(cè)使用像素級(jí)分割方式，分割出變化區(qū)域。變化檢測(cè)本質(zhì)也是語義分割的一種，變化檢測(cè)需要對(duì)兩張影像的不同區(qū)域進(jìn)行像素級(jí)分類，故一般是使用孿生網(wǎng)絡(luò)的思路，或者是將兩張影像合并成多通道影像輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)。一般使用孿生網(wǎng)絡(luò)的效果會(huì)更好一些，但是計(jì)算量是合并通道方法的2倍。

變化檢測(cè)使用了孿生網(wǎng)絡(luò)的思路，變化檢測(cè)采用UNet、DeepLabV3+、HRNet等算法模型為基準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)。等計(jì)算量下，一般使用DeepLabV3+能獲得更好的效果，但如果模型需要平衡性能和運(yùn)算時(shí)間，UNet為性價(jià)比高的選擇。將兩期影像分別輸入孿生網(wǎng)絡(luò)中提取深度語義特征，最后通過多個(gè)卷積操作進(jìn)行特征融合，最終輸出像素級(jí)變化區(qū)域。

天樞平臺(tái)作業(yè)流程

// 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

平臺(tái)部署完成后，在同一局域網(wǎng)中的任一臺(tái)電腦，在瀏覽器中輸入平臺(tái)所在服務(wù)器的IP地址，（輸入格式：IP地址:8001），即可打開天樞平臺(tái)操作界面，選擇左側(cè)的數(shù)據(jù)中心，新建文件夾并上傳影像數(shù)據(jù)，如下圖：

圖3-2 上傳影像至平臺(tái)

// 提交變化檢測(cè)解譯任務(wù)

數(shù)據(jù)導(dǎo)入完成后，選擇左側(cè)的遙感解譯，點(diǎn)擊變化檢測(cè)，并新建變化檢測(cè)任務(wù)，選擇要解譯的數(shù)據(jù)，分別選擇前后時(shí)相的影像，并選擇相應(yīng)的變化檢測(cè)模型，即可提交任務(wù)，如下圖：

圖3-3 提交變化解譯任務(wù)

圖3-4 變化解譯任務(wù)參數(shù)

圖3.4中的過濾閾值即低于或等于設(shè)定的像素大小的圖斑會(huì)被過濾掉，置信度有5種模式可以選擇，分別是高召回、較高召回、均衡、較高準(zhǔn)確和高準(zhǔn)確，一般選擇均衡即可。

// 輸出結(jié)果

在解譯進(jìn)度完成后，點(diǎn)擊該解譯任務(wù)的詳細(xì)信息，即可彈出變化檢測(cè)結(jié)果預(yù)覽界面，在該界面中可調(diào)整解譯圖斑的透明度，并可以通過卷簾的方式對(duì)比前后時(shí)相影像以查看解譯成果是否準(zhǔn)確。點(diǎn)擊頂部的【下載Shapefile】按鈕，即可下載解譯后的矢量圖斑，并可在ArcMap中加載查看，如下圖：

圖3-5 變化解譯結(jié)果查看

變化成果展示

// 基于衛(wèi)星影像提取的變化成果展示

圖3-6左圖為變化前，右圖為變化后

圖3-7 左圖為變化前，右圖為變化后

圖3-8 左圖為變化前，右圖為變化后

基于無人機(jī)影像提取的變化成果展示

圖3-9 左圖為變化前，右圖為變化后

圖3-10 左圖為變化前，右圖為變化后

圖3-11 左圖為變化前，右圖為變化后

ON .4  

總結(jié)

基于國內(nèi)自主開源框架研發(fā)的天樞平臺(tái)，目前已經(jīng)迭代出了多個(gè)通用變化檢測(cè)模型，隨著模型的不斷地優(yōu)化，解譯成果的準(zhǔn)確性也會(huì)隨之提升，為實(shí)際生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在滿足平臺(tái)部署的基本條件下，平臺(tái)的解譯效率較高，其次，天樞平臺(tái)內(nèi)置坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)導(dǎo)入、轉(zhuǎn)換、解譯和輸出，都伴隨著坐標(biāo)系統(tǒng)的識(shí)別和定義。對(duì)于前后時(shí)相坐標(biāo)系統(tǒng)因是否含帶號(hào)，或投影帶不一致的情況可做到很好的兼容，且解譯過程只需要兩步：影像導(dǎo)入和執(zhí)行解譯，即可完成變化檢測(cè)解譯，降低用戶的使用門檻，同時(shí)也能保證一定的解譯效率。

采取“AI+遙感影像”這種新模式，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取林業(yè)小班的地理分布、變化面積、數(shù)量等信息。對(duì)于實(shí)施林業(yè)資源遙感監(jiān)管，全面提升森林資源監(jiān)測(cè)水平，實(shí)現(xiàn)森林資源智能監(jiān)測(cè)常態(tài)化起到極大的幫助，同時(shí)，基于歷史監(jiān)測(cè)成果開展森林資源變化圖斑的趨勢(shì)分析，為管理人員出臺(tái)管理措施提供支撐。