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★申报案例展示★
生态环境一体化智慧监管平台
何胜文 董兴鹏 刘羿漩
中科星图股份有限公司
中科星图智慧科技有限公司
一、建设背景
“十三五”时期，我国生态文明建设取得重大成效，遥感监管技术在支撑生态环 境监管、中央环保督察和生态环境执法等生态文明建设重要战略实施中发挥了重要作用。2020年3月，中办、国办联合印发《关于构建现代环境治理体系的指导意见》，进一步明确加大环境质量、污染源和生态状况等生态环境的天空地一体化监管，而遥感监管是这一监管网络中重要的一环。但目前遥感监管还不能达到高精度、全方位和短周期的监管需求，尤其是在生物多样性、受损水体、人类干扰活动快速监管等领域仍存在明显短板。为此，“十四五”期间，面向我国生态环境保护“高精度、全方位、短周期”的智慧监管需求，针对遥感监管时效滞后、精度不足等业务化应用瓶颈问题和技术难点，急需解决受损水体快速高精度遥感监管、无伤害草原物种自动鉴定、采砂采石等典型人类干扰活动智能识别等关键技术，构建水和生态等环境要素遥感监管诊断和生态风险评估技术体系，研发全流程、自动化生态环境一体化智慧监管平台，以实现生态环境遥感智慧化监管目的。
围绕以上技术攻关目标，拟从单场景单要素单指标生态环境监管遥感监测、流域/区域多场景多要素多指标生态环境问题综合诊断技术和多源监测信息技术集成与应用示范三个层面，以典型生态环境要素时空信息动态连续采集获取和生态环境监管决策支持信息精准高效提取为重点，研究解决目前制约生态环境监管的关键技术问题，包括国产高分数据识别受损水体自动化定量反演技术，基于“天空地” 多源信息融合技术的无损害生物多样性监测技术，人类干扰活动变化高精度自动识别技术，生态环境要素遥感诊断和风险评估模型方法技术，时空数据管理与大数据挖掘技术和基于决策模型知识库的生态环境智慧监管决策信息支持技术等。
项目以环境科学、生态学、光学、信息学和计算机科学等理论和技术为基础，以解决大范围时空连续立体监管和生态环境智慧监管决策支持关键技术问题为导向，以天空地协同感知监管为手段，采用特征光谱库构建、光学辐射传输模拟、云计算和大数据融合、决策知识库等先进技术方法，建立受损水体、草地生物多样性、人类干扰活动等遥感与地面协同监管方法，开发基于天空地协同感知的典型生态环境监管指标空间信息服务产品，形成生态环境一体化智慧监管体系。通过精度评价与产品验证，特别是行业部门应用示范，在“数据采集、精准识别、快速定位、科学研判、自动预警、定制推送”的研究链条中不断迭代和优化，为项目顺利实施提供技术保障。
围绕项目研究目标和指南要求，项目主要关注受损水体、草地生物多样性、人类干扰活动和生态风险分析，具体研究内容及逻辑关系如下：
受损水体遥感定量监测，发展国产多源米级光学高分卫星图像融合等前处理关键技术，攻克快速高精度水体反射率反演技术，研发受损水体特征水质参数反演、 农村黑臭水体识别等典型关键遥感参数自动化高精度反演模型，构建全国受损湖库、河流水体清单，并在典型区域开展应用示范，实现重点湖库河流受损水体多时序大范围遥感监测。
天空地一体化草地生物多样性立体监测，构建面向遥感技术的草地关键物种多维度特征库，攻克物种快速识别技术、基于无人机数据的高精度草地生态参数反演技术以及协同卫星和无人机数据的尺度扩展技术，研发草地生物多样性调查一体化物种鉴定、生境参数获取软件模块。
重要生态空间人类干扰活动智能识别，开展自然保护区、生态红线等生态空间典型人类干扰活动高精度变化检测与类型精准识别模型算法研究，研究建立面向生态保护监管需求的人类干扰活动智慧监控体系，实现基于国产卫星人类活动类型及变化信息的高精度、智能化快速识别，提高监管业务自动化程度和智能化水平，主动、快速、有效提取生态空间人类活动信息和疑似生态破坏问题线索。
生态系统多场景多要素多指标的遥感诊断与风险评估，从人类活动干扰、植被变化、水体变化等方面分析生态风险来源及形成机制，识别生态风险阈值。立足于区域特征、生态系统类型等因素，综合人类活动干扰程度、植被生态退化、水体生态流量不足等风险特征，构建全覆盖、全要素的生态风险评估综合指标体系，开展区域环境要素遥感快速诊断和风险评估。
生态环境一体化智慧监管系统研发与集成，研发面向生态环境一体化大 数据的多层次网格划分技术，实现数据便捷查询、生态环境问题迅速定位、预警信息自动推送、监控报告实时反馈、辅助决策切实有效的业务升级；研发生态环境智能监测、精细监管、实时预警、科学决策的全链条集成技术，构建自感知、自学习、自进化的全 链式生态环境一体化智慧监管集成平台。
2022年12月我公司成功承接该项目中生态环境一体化智慧监管平台建设的工作，并启动了生态环境一体化智慧监管平台建设，构建基于生态环境多层次网格的天空地一体化综合监管数据库，完成生态环境一体化智慧监管平台集成、测试与试运行，实现“数据采集、精准识别、快速定位、科学研判、自动预警”的全链条运行。
二、建设内容
1、生态环境一体化数据多层次网格化构建与协同管理技术研究
针对天空地一体化数据类型多样、高度非结构化、大单体、多维度等特征，面向生态环境多种监测数据不同尺度转换、点线面数据融合、矢量与栅格数据融合、评估自然单元与行政单元不一致等技术难题，基于全球网格剖分理论，研究面向生态环境一体化数据的多尺度、多层次地球表面剖分网格划分方法，实现多源异构监测数据的统一空间组织；设计网格化数据空间区位编码识别体系，为天空地一体化数据的区位组织、快速检索查询和区域关联调度提供地理空间标识和一致性索引参考基础；利用“时+空+属性”三元信息组织方法，实现从离散化的人类干扰活动、草原物种识和受损水体监测数据到空间特定网格的信息映射和汇聚；通过多方法对比，优选生态环境监测要素空数据网格化处理方法，研究基于网格的天空地多源数据融合技术方法，实现生态环境一体化数据协同管理。
2、生态环境空天地一体化智慧监管平台研制与系统集成
针对生态环境多源数据统一管理、算法模型协同集成、业务平台关联性分析的现实需求，设计平台集成技术规范、数据流转与交换技术标准，提供基础数据、基础构件与共用模块。基于云计算技术，实现水体样本库、草原物种库、生态变化库的数据汇聚与协同监管，集成各课题形成的参数反演、算法模型、要素诊断、风险等级评估与预警功能及模块。面向矿山盗采、无序采沙采石、开挖坑塘等生态破坏风险智能预警，设计可动态设定风险预警面积的自动检测服务，实现基于面积阈值的自动预警。面向草地生物多样性遥感监测智能预警，设计基于水体富营养变化量阈值的自动风险检测服务，实现湖泊及黑臭水体自动预警。面向草地生物多样性遥感监测智能预警，设计基于历史统计与现实物种量对比的自动检测服务，实现基于物种变化阈值的自动预警。针对智慧监管要求，设计面向监管业务环保风险推送服务，人类干扰活动变化检测、受损水体水质检测、草地生物多样性监测、生态系统要素遥感诊断信息分类主动推送，业务监管工作席位实时接收与可视化展示。
3、生态环境一体化智慧监管技术体系研究与综合业务化运行示范
以大尺度受损水体遥感参数反演、草地生物多样性遥感参数反演、重要生态空间人类活动自动识别、生态系统要素遥感诊断与风险评估等业务化处理关键技术为基础，综合考虑地方生态环境监管需求，集成示范区生态环境数据，构建包括框架、内容、指标、方法、产品等方面的项目技术体系，形成生态环境一体化智慧监管业务化运行方案。依托生态环境空天地一体化智慧监管平台运行能力，在河北雄安新区、内蒙古草原地区等典型区域，建立2-3个示范场，开展生态环境一体化智慧监管平台业务化运行示范建设，形成可服务于当地生态环境监管的生态环境智慧化监管平台。
针对生态环境一体化智慧监管需求、监管能力需求及监管工作需求，以遥感数据驱动模式为主（常规监管模式）辅助以任务驱动方式（快速响应监管与问题发现监管模式）运行，采用“数据采集、精准识别、快速定位、科学研判、自动预警”技术模式，开展环境监管业务，主动发现环境监管对象的生态风险、受损水体、人类活动干扰、草地生物多样性等，例如发现环境监管对象的光谱异常、影像异常、几何异常，并通过综合监管向社会公众提供服务，实现重点监管区域的全覆盖、准实时监管，以及重点发现问题的事前、事中、事后的全过程监控，全方位提升生态监管能力和水平。
生态环境一体化智慧监管在业务运行方案和一系列数据的支撑保障下运行。运行方案建设内容包括指标监管体系、监管线索检测技术、环境问题人机交互判读技术、环境遥感监管业务流程以及标准体系框架等。需要的数据包括影像数据、相关算法模型、环境重点区数据、基础地理信息数据、相关的监管产品等等。生态环境一体化智慧监管平台的自动任务推送的业务流程主要包括遥感数据收集、遥感数据自动化处理、智能分区分类、异常线索检测、环境问题判读、环境问题取证和监查信息服务等环节，具体业务流程如下图 1所示：
图 1 总体业务流图
3.1 数据收集
根据监查任务的范围和监察业务类型，收集并准备环境监查所需的中/高分辨率遥感影像数据。
3.2 数据处理
针对接收到的原始影像数据，进行快速自动处理，处理环节主要包括辐射、几何、正射、融合、镶嵌等处理过程，最后形成满足遥感监查业务需要的影像产品。
3.3 遥感监测
根据光谱异常、几何异常、纹理异常、指数异常、温度梯度异常、大气高发污染指数异常分析，进行生态异常自动检测、水环境异常自动检测、大气污染综合动态分区，得到相关异常线索产品。
3.4 问题发现
针对自动异常监测的产品，在此基础上利用更高分辨率影像数据，利用人机交互判读的方式进行人工解译和纠正，完成生态破坏判读、受损水体判读、草地生物多样性特征监管、人类干扰活动情况排查等工作。
3.5 现场取证
对于初步判定的环境问题利用环境问题取证分系统移动终端进行实地调查、取证以及信息采集，核实监管区域内的各种环境问题，并将核实结果反馈到生态环境一体化智慧监管系统，最终生成环境遥感监管报告及相关图件。
3.6 信息服务
综合监管流程主要是通过环保业务网和互联网，在线发布各类环境监管及专题、应用产品，实现生态风险区域、人类干扰活动、城市黑臭水体、草地生物多样性的综合信息的发布，提供多层次多类型交互式信息服务。
三、创新应用
1、生态环境一体化智慧监管平台业务运行模式
生态环境一体化智慧监管平台以遥感数据驱动运行模式为主（常规监管模式），辅以任务驱动方式（快速响应监管与问题发现监管模式）运行，采用“数据采集、精准识别、快速定位、科学研判、自动预警”技术模式，开展环境监管业务，主动发现环境监管对象的生态风险、受损水体、人类干扰活动和草地生物多样性等，例如发现环境监管对象的光谱问题、影像问题、几何问题，并通过综合监管与服务分系统向社会公众提供服务，实现重点监管区域的全覆盖、准实时监管，以及重点监管问题的事前、事中、事后的全过程监控，全方位提升环境监管能力和水平。
遥感数据驱动方式基于国内外多源卫星数据，以自动遥感筛查去发现问题线索，由主动遥感探测去引导监管。任务驱动方式主要根据公众监管、主管部门批示、专项监管等发现或者反馈的环境问题，开展专题环境监管，及时进行舆情反馈主要业务为通过“遥感监测+问题发现+现场取证+信息服务”的技术体系和手段为环境遥感监管业务提供技术支撑和应用服务。生态环境一体化智慧监管平台总体业务流程如下图所示。
生态环境一体化智慧监管平台运行模式如下图 2所示:
图 2 生态环境一体化智慧监管平台运行模式
生态环境一体化智慧监管平台建设项目主要业务为通过“数据采集、精准识别、快速定位、科学研判、自动预警”的技术体系和手段为环境遥感监管业务提供技术支撑和应用服务。
2、生态环境一体化智慧监管平台软件成果
实际应用中，生态环境一体化智慧监管平台分为PC端与移动端两种，PC端界面如图 3所示：
图 3 PC端综合监管界面
平台可基于网格编码精准定位至目标位置，并查看网格属性，如图 4至图 7所示：
图 4 PC端多层次网格界面
图 5 PC端多层次网格细分界面
图 6 PC端多层次网格细分界面
图 7 PC端多层次网格属性界面
平台监测到人类干扰后会及时反馈相应信息，如图 8所示：
图 8 人类干扰界面
此外，领导与取证人员还可通过移动端实时查看任务情况，如图 9至图 10所示：
图 9 手机端-领导端界面
图 10 手机端-取证人员界面
平台可以用过摄像头监测出草地生物多样性物种特征，并生成监测报告，如图 11至图 14所示：
图 11 草地生物多样性物种特征
图 12 草地生物物种识别功能
图 13 草地生物物种识别功能
图 14 草地生物物种识别报告下载功能
平台可以基于遥感数据分析人类活动图斑，并利用时间轴、卷积量测等功能进行人类活动分析，如图 15至图 19所示：
图 15 人类干扰活动图斑展示功能
图 16 时间轴功能
图 17 卷帘功能
图 18 量测面积功能
图 19 量测长度功能
平台支持受损水体点位信息查询、报告生成以及导出编辑等功能，如图 20至图 24所示：
图 20 受损水体疑似点位信息查询功能
图 21 受损水体报告导出功能
图 22 受损水体报告下载支持编辑
图 23 受损水体点位数据导出功能
图 24 受损水体点位数据下载清单
四、推广价值
为更好的服务和保障环境监管工作，环境保护部卫星环境应用中心（以下简称“卫星中心”）利用卫星遥感和无人机手段对人类干扰活动、受损水体、草地生物多样性境问题开展了遥感监管，有力支持了日常监管执法和重点行动。为利用卫星遥感等现代化信息技术加强生态环境监管做出了积极的探索，充分体现了天地一体化、全方位、立体监管的综合技术优势，为开展全国环境监管奠定了技术基础。
环境监管工作是一项涉及面广、针对性强的重要任务，从监管范围上涉及我国国土全境，从监管时间上涵盖监管区的历史状况和现状变化，从监管尺度上囊括国家、省域、县域以及各级保护地，在监管频率上包括定期监管、应急监管与加密监管，从而保证在时空尺度连续的情况下，实现对生态与环境问题的及时发现、可靠核实与精确取证。
从现有的技术来看，生态环境一体化智慧监管平台通过整合多元数据、应用先进技术和优化监管流程，能够显著提升生态环境监管的精准性、实时性和系统性。这有助于及时发现和解决环境问题，提高生态管理效率；为企业和政府提供了更加科学、透明的环境管理手段。这有助于引导企业和政府在进行经济建设和社会发展时更加注重生态环境保护，推动绿色、低碳、循环经济的发展；平台所收集和分析的大数据可以为政府决策提供有力支持。通过对环境数据的深入挖掘和分析，政府可以更加科学地制定环境保护政策、规划和措施，提高决策的有效性和针对性；过生态监管平台，公众可以更加便捷地获取环境信息、表达环保诉求和参与环境管理。这将有助于提升公众对环境保护工作的满意度和信任度，增强社会的环保共识和凝聚力；可以协助优化资源配置，确保环境监管资源投向最需要的地方。这不仅可以提高资源利用效率，还可以在一定程度上降低监管成本；而且，平台的建设和运营涉及多项先进技术的集成和应用，如遥感监测、大数据分析、人工智能等。这有助于推动相关技术的创新和发展，为环境保护领域注入新的科技动力。
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