“1+X”变化监测的探索和实践

张永贵

（福建省测绘院， 福建 福州 350003）

［摘 要］ 针对多项目监测中效率低下和资源利用不足的问题，本研究提出了“1+X”变化监测方法。该方法通过一次监测提取变化图斑，实现多个项目的共享应用，有效整合了遥感数据资源。选取福建省福清市作为实验区进行探索和实践，对应用效果进行统计和分析，进一步优化和改进该方法。实验结果表明，“1+X”变化监测方法有效提高了变化图斑提取的效率和完整性，能够有效应用于国土变更调查、自然资源违法监测和基础地理信息数据年度更新等项目，节约了生产成本，同时减少了资源浪费，为提升自然资源管理能力提供了有力保障。

［关键词］ 影像比对；变化图斑提取；国土变更调查；自然资源违法监测；年度更新

0 引言

自然资源是人类社会发展的重要基础和保障，在当前快速发展的社会经济背景下，保护和可持续运用自然资源对于人类的生存和发展至关重要。目前，自然资源部门承担着国土变更调查、自然资源违法监测、基础地理信息数据更新等任务，这些工作在确保自然资源的合理运用和有效管理方面发挥着重要的作用。

国土变更调查旨在掌握国土利用变化情况，包括耕地、林地、草地和建设用地等自然资源的使用和变化情况［1-2］。自然资源违法监测则侧重于利用卫星影像技术，对辖区内的用地、用矿、用海行为进行常态化监测，以尽早识别并处理疑似违法行为，减少不必要的经济损失 ［3-4］。基础地理信息数据年度更新（以下简称年度更新）作为基础测绘的核心，其任务是为经济建设、国防建设和社会发展提供全方位测绘服务保障 ［5-6］。

尽管这些项目在目标和内容上存在差异，但存在一个共同的特点，即通过对比前后时相卫星遥感影像的变化进行数据更新 ［7］。目前，这些项目各自开展，相互之间未建立有效的关联，且缺乏共享机制，导致在同一区域内重复进行影像比对工作，造成生产冗余、资源浪费的情况。

因此，为提升自然资源的管理水平，避免在不同项目中重复比对影像的变化，需要探索一种1 次更新、供多个项目使用的方法，既满足单一项目的更新需求，又兼顾多个项目更新指标的差异，即“1+X”变化监测方法。

1 “1+X”变化监测方法设计

1.1 设计思路

“1+X”变化监测模型主要从高效整合国土变更调查、自然资源违法监测、年度更新等多个项目的监测需求考虑，通过对比各项目的更新内容和更新周期（如表1所示），结合项目的更新要求、采集指标及相关细则，分析项目之间的共同点和差异性，确定“1+X”变化监测的内容，制定变化监测的数据标准、采集指标和更新频率。

表1 项目更新内容和更新周期的对比

1）更新内容：将各项目共同更新的对象作为“1+X”变化监测的更新内容，确定耕地、园地、林草、建（构）筑物、交通、水域、堆掘地共7 个一级类，再根据需求制定每个一级类的二级类。

2）数据标准：根据各项目需求，制定统一的数据格式和标准。

3）采集指标：选择各项目要素采集指标的最小值作为变化监测的采集指标，保证最高的适用性。

4）更新频率：以各项目更新周期的最短频率作为变化监测的更新频率，确保数据的时效性和准确性。由于自然资源违法监测的对象不包括耕地、园地、林草，国土变更调查和年度更新对耕地、园地、林草每年更新一次，因此，“1+X”变化监测的耕地、园地、林草只需每年更新一次；而建（构）筑物、交通、水域、堆掘地的更新则按自然资源违法监测的频率每月更新一次。

1.2 工艺流程

“1+X”变化监测通过变化信息提取，实现监测结果的统一入库和多项目共享使用，流程主要分为以下几个阶段。

1.2.1 资料收集

收集国土变更调查、自然资源违法监测、年度更新的现有数据和资料，分析各项目之间的共同点和差异性。

1.2.2 影像获取和预处理

收集覆盖所有相关项目的监测区域的遥感影像，进行影像预处理，如去云、几何校正等，确保影像质量符合生产要求，根据各项目的分析情况最终确定前后时像的影像。

1.2.3 变化提取

按照采集指标，比对前后时期影像的变化，提取变化图斑，并录入相应的属性。

1.2.4 质量控制和入库

对提取的成果进行质量检查，核实遗漏和错误提取的图斑，将修改后的成果整理入库。

1.2.5 数据的共享使用

建立数据共享机制，使各项目能够访问和利用更新后的监测成果。制定数据抽取转换规则，以便将变化图斑的属性和指标对应到各自项目。数据共享主要通过以下两种方式实现。

1）直接抽取使用：监测成果经过指标和属性的对照后，满足应用项目需求的情况，可直接转换并叠加专题资料，作为该项目的过程成果。

2）变化信息指引：当监测成果的变化类别涵盖应用项目的更新需求，但指标和属性差别较大时，则作为变化区域和变化类型的指引，供应用项目变化地物的矢量勾绘及属性更新参考使用。

1.3 改进后的设计

通过对“1+X”变化监测方法设计思路和工艺流程的探索和实践，验证了该方法的可行性，并发现影响其应用效果的关键因素。为进一步提高“1+X”变化监测的图斑提取效率和应用效果，对其工艺流程进行了改进。

1.3.1 改进方法

1）优化监测要素。实验区的生产实例表明，对耕地、种植园用地、林草的应用效果不佳。因此，不再对这三类要素开展监测，通过减少监测类型，提高应用效率。

2）合理设置前后时相影像。在设置“1+X”变化监测前后时相影像时，应充分分析各个应用项目的数据情况，特别是更新前数据成果的现势性和更新使用影像的时效性［8-9］。通过充分分析三个项目数据的现势性，设置现势性最早的时间作为前时相影像的时间；根据年度更新和国土变更调查的项目要求设置后时相影像的时间；根据自然资源违法监测的周期，设置前后时相影像之间的监测次数和监测影像。最终，确定“1+X”变化监测的周期和各个周期的前后时相影像，应与自然资源违法监测相同步，并将在所有监测周期提取的变化图斑汇总，标注时间，以便年度更新和国土变更调查两个项目的使用。

3）利用商汤科技推出的远程感应（SenseRemote）智能遥感影像解译算法对建筑物、交通、水域和堆掘地进行重点监测，本文将此算法称为商汤人工智能（artificial intelligence，AI）。商汤AI通过深度学习等，能够自动识别遥感影像中的目标特征。在图斑识别和提取过程中，商汤AI首先对遥感影像进行分析，提取出可能的变化区域或目标；然后，结合提供的样本数据，利用其训练好的模型进行图像分类和目标检测，进一步准确定位和识别需要提取的目标。提取过程中，商汤AI能够较大程度克服影像地物偏移和光线阴影等因素对准确率的影响，确保图斑识别的准确性。

在提取时，不同的参数会造成不同的提取效果。商汤AI 可设置的概率阈值包含0.1～0.9 这九个参数，随着概率阈值增加，查全率不断降低，但准确率逐渐升高。具体来说，当概率阈值较低（如0.1）时，检测图斑的查全率高，但准确率较低，容易产生大量的误检；而当概率阈值较高（如0.9）时，检测图斑的准确率高，但查全率较低，可能会漏掉较多变化区域。经过对实验区的探索，阈值为0.5时，与人工提取结果最为接近，可利用的图斑较多，但查全率仅为70%左右，仍然需要人工进行补充提取。

因此，改进后的方法利用商汤AI 按0.1 和0.5的阈值分别进行自动变化识别，0.1的参数用于辅助发现变化，0.5 的参数经过人工筛选核实后可直接作为提取图斑的范围。

1.3.2 改进后的流程

1）流程改进后，监测要素确定为建（构）筑物、交通、水域、堆掘地共4 个一级类，不再对耕地、园地、林草进行监测。

2）改进后的流程重视对前后时相影像的设置，同步“1+X”变化监测与自然资源违法监测的监测周期，并利用AI辅助提取变化。

最终，“1+X”变化监测的流程如图1所示。

图1 “1+X”变化监测最终流程图

2 “1+X”变化监测应用实例

2.1 实验区概况

为验证“1+X”变化监测的可行性，选取福建省福清市作为实验区，并分别收集国土变更调查、自然资源违法监测、年度更新三个项目的数据成果和相关资料。

1）国土变更调查项目数据成果的时效性为2021 年12 月，其更新影像的时效性为2022 年10—12月；

2）自然资源违法监测项目涵盖了2021 年11 月—2022 年10 月期间提取的违法图斑（2022 年11 月—12 月期间未对福清市进行违法图斑的提取），并进行了汇总合并，同时收集了相关合法范围的数据。

3）年度更新项目数据成果的时效性为2021 年12 月，其更新影像的时效性为2022 年10—12月。

根据“1+X”变化监测的生产流程，设置前时相影像的时效性为2021 年11 月，后时相影像的时效性为2022 年12 月，进行变化提取，共提取得到图斑2637 个。将提取的图斑成果转换到国土变更调查、自然资源违法监测、年度更新项目进行核实比对，展示其应用情况，并对改进前后提取成果的应用效果进行分析。

2.2 应用情况

2.2.1 国土变更调查

经过实验区的生产验证发现，“1+X”变化监测提取的图斑类型为林地、道路、建筑工地时，能较好地应用于国土变更调查的数据库更新。如图2 所示，蓝线表示“1+X”变化监测提取的图斑，红线表示国土变更调查DLTBNMK（地类图斑年末库）图层，绿线表示国土变更调查TTQNMK（推土区年末库）图层。

图2 国土变更调查应用实例

值得注意的是，国土变更调查部分地类的变化需要实地举证，例如新增耕地。此类情况下“1+X”变化监测提取的图斑可作为国土变更调查数据库更新的变化指引，供更新参考［10-11］。

实验区的生产实践还发现，“1+X”变化监测提取的建筑物图斑，通常都落入国土变更调查商业服务、工矿、住宅、公共管理与公共服务、水工建筑等建设用地的范围内。由于国土变更调查的建设用地是宏观的带管理性质的图斑，即使局部的房屋建筑发生了变化，建设用地的性质也不会发生变化，因此不需要进行更新。

2.2.2 自然资源违法监测

自然资源违法监测项目理想状态是按月更新，实际上则由于受影像收集和生产工期的限制，有时一个季度才能对目标范围更新一次。自然资源疑似违法图斑分为用地、用矿和用海三个大类，项目有划定的合法范围，位于合法范围内的图斑发生变化时，不进行疑似违法图斑的提取 ［12-13］。

经过实验区的生产验证发现，“1+X”变化监测提取的图斑成果较多应用于自然资源疑似违法用地图斑，用矿和用海图斑的应用比例相对较低。自然资源违法监测应用实例如图3 所示，分别展示“1+X”变化监测提取的图斑应用于疑似违法用地图斑（监测类别01）的新增建筑物（用地大类12）和新增推填土（用地大类13）的变化情况。图3 中，蓝线表示“1+X”变化监测提取的图斑，红线表示自然资源违法监测提取的图斑。

图3 自然资源违法监测应用实例

2.2.3 年度更新

经过实验区的生产验证发现，“1+X”变化监测提取的图斑成果应用于年度更新时，建筑物、堆掘地、水域的应用效果较好，如图4蓝线范围所示，分别展示房屋、贮水池（“1+X”变化监测为水域的二级类固化池）和空地（“1+X”变化监测为堆掘地的二级类硬化地表）的应用效果。

图4 年度更新应用实例

由于指标存在一定差距，应用于耕地、园地、林草、交通的更新时主要起到指引的作用，用于此4 类要素的变化发现 ［14］。例如，“1+X”变化监测提取植被图斑的指标为400 m2，年度更新植被采集的指标为2 500 m2，常遇到“1+X”变化监测提取此类图斑的变化面积达到400 m2，却未达到年度更新的上图面积指标，导致年度更新与此对应的变化图斑被其他地物综合表示而无法应用于更新的情况。另外，“1+X”变化监测提取的道路图斑应用于年度更新时，常常表现为单线道路的更新变化 ［15］。

除上述应用外，“1+X”变化监测提取的图斑还可作为年度更新工作量评估的衡量指标，用于客观评定年度更新项目各图幅的生产难度系数，避免仅采用更新面积、作业人员更新时间等指标的不合理性 ［16］。“1+X”变化监测提取的图斑还能够更有针对性地检查图斑变化所在的区域，提高项目质量检查的效率 ［17-18］。

2.3 应用效果及分析

2.3.1 改进前应用效果统计分析

2.3.1.1 应用效果统计

1）根据福清市实验区生产实例，将“1+X”变化监测提取的图斑与国土变更调查、自然资源违法监测、年度更新的变化图斑进行对比，统计出图斑的查全率分别为92.85%、93.58%、96.31%。实验结果表明，变化图斑的查全率较高，能够满足3个项目的应用需求。

2）对福清市实验区“1+X”变化监测成果的应用率进行分类统计，如表2 所示。其对国土变更调查、自然资源违法监测、年度更新的图斑应用率分别为60.98%，67.84%，81.15%。这一结果表明，该方法能较大程度减少重复比对影像的工作量，提高生产效率。

表2 “1+X”变化监测成果应用统计情况

2.3.1.2 应用效果分析

1）根据表2 的统计情况，本次实验区“1+X”变化监测提取建（构）筑物和堆掘地的图斑数占总提取图斑数的比例较高，为80.62%。这个比例会根据监测区域的不同而发生变化，但基本能反映图斑类型提取的比例情况。因此，建（构）筑物和堆掘地是“1+X”变化监测的重点应用图斑。

2）本次实验区“1+X”变化监测提取的耕地、园地、林草图斑数较少。其应用于国土变更调查时较经常涉及举证图斑，应用方式主要为变化指引；自然资源违法监测不涉及此三类图斑；而应用于年度更新时，由于项目之间指标的差异，应用效率较低。

3）年度更新的图斑应用效果要优于国土变更调查和自然资源违法监测，主要原因是“1+X”变化监测提取的建筑物图斑占比较高，当应用于国土变更调查时，大部分建设用地图斑无需更新，导致应用率低；而应用于自然资源违法监测时，需要扣除合法范围内的变化图斑，同样导致应用率低。

4）项目所使用的更新前后时相影像的时效性对提取图斑影响较大 ［19-20］。本次实验区“1+X”变化监测使用的前时相影像为2021 年11 月，后时相影像为2022 年12 月，提取出的是2021 年11 月—2022 年12 月这个时期的变化图斑。然而，自然资源违法监测所使用的后时相影像为2022 年10 月，国土变更调查和年度更新使用的后时相影像为2022 年10—12 月，存在1～3 个月的时效性差异，加上3 个项目更新前数据现势性的差异，导致在差异区域范围内出现图斑提取效果不佳的情况，这也是影响查全率的主要因素。

2.3.2 改进后的成效

通过实验区的探索和生产实践以及对应用效果的统计分析，对工艺流程进行了改进。根据改进后的流程，再次对实验区进行了变化图斑提取，并记录改进后图斑提取情况，同时与改进前进行对比，如表3所示。改进后的成效总结如下。

表3 改进前后“1+X”变化监测图斑提取统计情况

1）不再关注耕地、园地和林草的变化，提取的目标更加明确，大大减少了工作量。

2）将通过商汤AI 自动获取的变化图斑作为参考，并通过人工判读核实，提高了变化图斑的提取效率。

3）由于AI 的指引，改进后提取的变化图斑（仅统计建筑物、堆掘地、交通和水域）更加齐全，比改进前多出55个图斑。

4）经统计，在相同人力的情况下，改进后提取图斑所用的时间明显减少，相较改进前节省了35%的时间。

综上所述，改进后的方法不仅表现出更为突出的重点和更高效率，还在一定程度上提高了图斑提取的查全率，从而进一步提升了“1+X”变化监测方法的应用效果。

3 结束语

本文提出的“1+X”变化监测方法在解决多项目监测中效率低下和资源利用不足问题上具有显著的创新性和实用性。通过一次监测提取变化图斑，实现多个项目的共享应用，有效整合了遥感数据资源，提高了监测效率，节约了生产成本。在福建省福清市实验区的探索和实践中，本研究验证了该方法在国土变更调查、自然资源违法监测和年度更新等项目中的可行性和有效性。在改进后的成效方面，实验结果表明，“1+X”变化监测方法在提取变化图斑的效率和完整性上取得了显著的提升。

尽管“1+X”变化监测方法取得了显著成效，但仍存在一些局限性。首先，目前的AI提取需要分两次进行，高度依赖充足的算力资源作为保障；其次，由于福建地形多样化，包括丘陵、盆地、平原和沿海等，而AI 在复杂地形下提取准确率有限，且福建省建（构）筑物具有显著的地方特色，例如，泉州的庙宇、漳州的水产养殖基地、永定的土楼，其颜色纹理多变复杂，增加了AI 识别的困难，对操作人员的经验要求较高，无法完全脱离人工的检验和核实。因此，未来研究仍需要进一步关注如何提高AI 提取技术在复杂地形和多变纹理下的适用性和准确性，以进一步提升该方法在实际应用中的效果。同时，还需要深入探讨该方法在其他地区和不同领域的适用性，并结合更多实际案例和数据来验证其普适性和稳健性。

综上所述，“1+X”变化监测方法为自然资源管理提供了一种全新的思路和方法，为实现土地利用规划、智慧城市建设等提供了有力支撑。随着技术的不断进步和应用场景的拓展，相信该方法将在未来发挥越来越重要的作用，为构建美丽中国和实现可持续发展作出积极贡献。

引文格式：张永贵.“1+X”变化监测的探索和实践［J］. 北京测绘，2024，38（10）：1418-1424.

［作者简介］张永贵（1980—），男，福建永泰人，大学本科，高级工程师，从事摄影测量与遥感、地理信息技术及管理等工作。

E-mail： 31771530@qq.com

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