農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容分析及初步方案設(shè)計(jì)

劉 佳，王利民，唐鵬欽，高建孟

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081）

0 引言

“以建設(shè)美麗宜居村莊為導(dǎo)向，以農(nóng)村垃圾、污水治理和村容村貌提升為主攻方向，開展農(nóng)村人居環(huán)境整治行動(dòng)，全面提升農(nóng)村人居環(huán)境質(zhì)量”，是中國(guó)今后較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)農(nóng)村建設(shè)的重點(diǎn)［1］。開展農(nóng)村人居環(huán)境研究，將為解決農(nóng)村問題提供可靠的依據(jù)。農(nóng)村宜居環(huán)境問題的研究由來已久，涉及農(nóng)村環(huán)境問題的各個(gè)方面，如污染來源、污染對(duì)策、綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)等方面；所采用的方法主要以地面調(diào)查、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為主，由于調(diào)查與研究方法的限制，研究結(jié)果多具有宏觀指導(dǎo)意義，治理措施的針對(duì)性顯得不足。采用遙感技術(shù)開展農(nóng)村人居環(huán)境的研究也有相關(guān)報(bào)道，主要集中在新農(nóng)村規(guī)劃、居民點(diǎn)識(shí)別、農(nóng)村聚落面積、農(nóng)村用地信息提取、農(nóng)村公路識(shí)別、農(nóng)村環(huán)境污染及農(nóng)村垃圾場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方面。

在新農(nóng)村規(guī)劃方面，陳方強(qiáng)［2］認(rèn)為遙感技術(shù)的合理應(yīng)用對(duì)農(nóng)村建設(shè)有著極大的促進(jìn)作用。在居民點(diǎn)識(shí)別方面，董光龍等［3］通過得到的農(nóng)村居民點(diǎn)類型，進(jìn)一步分析農(nóng)村居民點(diǎn)集約利用水平和用地變化等的差異性；陸塵等［4］提出一種基于監(jiān)督分類的街區(qū)式農(nóng)村居民地提取方法；蔣旭東等［5］利用遙感技術(shù)對(duì)1993年和2003年農(nóng)村居民點(diǎn)用地面積及其變化情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。何英彬等［6］對(duì)居民點(diǎn)遙感研究進(jìn)展進(jìn)行了概述，分析了農(nóng)村居民點(diǎn)研究中主要存在的問題，并提出了該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。在農(nóng)村聚落研究方面，楊存建［7］等根據(jù)農(nóng)村聚落面積和農(nóng)業(yè)人口數(shù)等進(jìn)行相關(guān)性分析，并對(duì)農(nóng)業(yè)人口進(jìn)行了估算。在農(nóng)村用地信息提取方面，陳冬梅等［8］基于面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)農(nóng)村的空心村信息進(jìn)行了提取，精度在75%以上。王宏勝等［9］基于無人機(jī)影像利用一種基于改進(jìn)的種子區(qū)域生長(zhǎng)算法對(duì)農(nóng)村房屋信息進(jìn)行了提取。在農(nóng)村公路提取方面，Li等［10］提出了公路地物提取的遙感監(jiān)測(cè)方法。李程［11］利用遙感技術(shù)，結(jié)合外業(yè)終端采集數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)村公路路網(wǎng)進(jìn)行核查與統(tǒng)計(jì)分析。在農(nóng)村環(huán)境污染方面，朱彬等［12］綜合利用地面空氣污染監(jiān)測(cè)資料、衛(wèi)星遙感火點(diǎn)監(jiān)測(cè)資料、氣象觀測(cè)資料對(duì)蘇中、蘇北地區(qū)秸稈焚燒產(chǎn)生的大氣污染物情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并認(rèn)為秸稈焚燒是造成南京及周邊區(qū)域空氣污染的重要原因之一。蔣明等［13］利用高分辨率衛(wèi)星影像和高程數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)村農(nóng)膜使用面積進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，認(rèn)為監(jiān)測(cè)結(jié)果可以為鄰苯二甲酸酯類污染狀況的分析提供參考。譚衢霖等［14］對(duì)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在水環(huán)境污染、大氣環(huán)境污染中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，指出了我國(guó)環(huán)境污染遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)。農(nóng)村垃圾場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面，劉亞嵐等［15］基于北京1號(hào)小衛(wèi)星，在對(duì)非正規(guī)垃圾場(chǎng)的影像特征分析的基礎(chǔ)上，建立了非正規(guī)垃圾場(chǎng)在小衛(wèi)星影像上的判讀標(biāo)志，對(duì)非正規(guī)垃圾場(chǎng)進(jìn)行了識(shí)別。

從上述關(guān)于農(nóng)村宜居環(huán)境的簡(jiǎn)要概述可以看出，從宏觀尺度開展人居環(huán)境評(píng)價(jià)的研究較為成熟，而采用比較微觀的調(diào)查數(shù)據(jù)開展針對(duì)性治理研究還較少。這主要是由于采用人工調(diào)查的方式開展該類研究，存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、工作量大等實(shí)際困難。為高效開展農(nóng)村宜居環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作，文章從農(nóng)村宜居環(huán)境監(jiān)測(cè)需求出發(fā)，結(jié)合當(dāng)前遙感技術(shù)的實(shí)際滿足能力，提出了基于遙感技術(shù)開展農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的具體內(nèi)容。

1 農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容分析

農(nóng)村宜居環(huán)境是綜合性的概念，要實(shí)現(xiàn)具體的遙感監(jiān)測(cè)，需從遙感監(jiān)測(cè)能力角度對(duì)具體的宜居指標(biāo)進(jìn)行分析。從目前對(duì)農(nóng)村宜居環(huán)境的認(rèn)識(shí)能力來看，宏觀上需要對(duì)村莊分布環(huán)境開展監(jiān)測(cè)，微觀上需要對(duì)村莊的內(nèi)部格局開展監(jiān)測(cè)，經(jīng)濟(jì)上需要對(duì)村莊的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行監(jiān)測(cè)。村莊的經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件屬于社會(huì)屬性，盡管其中有些內(nèi)容可以依靠具體的建設(shè)內(nèi)容來表達(dá)，但多數(shù)遙感技術(shù)不能滿足，村莊的經(jīng)濟(jì)屬性暫時(shí)不在遙感監(jiān)測(cè)的范圍內(nèi)。因此，農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的內(nèi)容可以從村莊空間分布、村莊所處環(huán)境、村落景觀以及由此衍生的宜居環(huán)境評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行分析。

村莊空間分布是指村莊在某個(gè)行政單元、自然地理單元中的數(shù)量與位置。村莊所處環(huán)境是村莊周邊環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)，這其實(shí)是其他自然資源、社會(huì)資源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的內(nèi)容，作為宜居環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)因子，需要從其他渠道獲取，不宜采用遙感技術(shù)作為獨(dú)立的監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行獲取。村落景觀是指村落內(nèi)房屋、街道、垃圾點(diǎn)、水體等內(nèi)部地物的數(shù)量、形狀、空間位置信息。宜居環(huán)境評(píng)價(jià)則是在遙感監(jiān)測(cè)獲取的空間信息支持下，結(jié)合其他方式獲取的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境數(shù)據(jù)，通過設(shè)置合理的權(quán)重指標(biāo)體系構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，開展宜居等級(jí)、程度、能力評(píng)價(jià)的工作。

綜合考慮宜居環(huán)境遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)可行性，按照農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容的屬性以及監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的共性特征，農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容可以概括為農(nóng)村居民點(diǎn)本底調(diào)查遙感監(jiān)測(cè)、農(nóng)村居民點(diǎn)景觀監(jiān)測(cè)、農(nóng)村宜居環(huán)境評(píng)價(jià)等3個(gè)部分。農(nóng)村居民點(diǎn)本底調(diào)查屬于資源清查性質(zhì)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，當(dāng)前主要包括農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布、農(nóng)村道路分布2項(xiàng)內(nèi)容的遙感監(jiān)測(cè)。農(nóng)村居民點(diǎn)景觀監(jiān)測(cè)屬于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)性的內(nèi)容，包括村落內(nèi)的街道分布、房屋狀況、垃圾堆放點(diǎn)、廁所分布、露天水體和其他公共基礎(chǔ)設(shè)施等6項(xiàng)內(nèi)容的遙感監(jiān)測(cè)。農(nóng)村宜居環(huán)境評(píng)價(jià)屬于綜合性評(píng)價(jià)的內(nèi)容，可以理解為遙感技術(shù)深入應(yīng)用的內(nèi)容，當(dāng)前主要有宜居環(huán)境評(píng)價(jià)1項(xiàng)內(nèi)容。

2 農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

按照農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容分析的結(jié)果，針對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)本底調(diào)查遙感監(jiān)測(cè)、農(nóng)村居民點(diǎn)景觀監(jiān)測(cè)、農(nóng)村宜居環(huán)境評(píng)價(jià)3個(gè)內(nèi)容進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)。

2.1 農(nóng)村居民點(diǎn)本底調(diào)查遙感監(jiān)測(cè)方案

農(nóng)村居民點(diǎn)本底調(diào)查具有屬性變化相對(duì)緩慢，但全覆蓋要求較高的特征，目前主要包括農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布、農(nóng)村道路分布2項(xiàng)內(nèi)容，可以采用相同的技術(shù)方案進(jìn)行，主要差別在于提取的專題特征不同。

遙感數(shù)據(jù)以優(yōu)于30 m空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)為主，具體的遙感數(shù)據(jù)可以16 m空間分辨率的GF-1/WFV、GF-6/WFV數(shù)據(jù)為主，以10 m空間分辨率的Sentinel數(shù)據(jù)、30 m空間分辨率的Landsat 8/OLI數(shù)據(jù)為輔。監(jiān)測(cè)方法主要采用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)決策樹的方法，并采用目視判讀修正的方法作為輔助以提高識(shí)別精度。監(jiān)測(cè)對(duì)象是省級(jí)尺度、國(guó)家尺度的全覆蓋監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果是居民點(diǎn)數(shù)量、空間位置以及村落間的道路分布等內(nèi)容。監(jiān)測(cè)頻率至少是1次/年。監(jiān)測(cè)精度預(yù)期在85%以上，誤差的來源主要是遙感數(shù)據(jù)分辨率帶來的測(cè)量誤差，也就是30 m左右空間分辨率數(shù)據(jù)的面積量算誤差。圖1給出了雄縣1 m空間分辨率GF-2/PMS影像圖以及根據(jù)該影像識(shí)別的村莊空間分布結(jié)果。

2.2 農(nóng)村居民點(diǎn)景觀遙感監(jiān)測(cè)方案

農(nóng)村居民點(diǎn)景觀遙感監(jiān)測(cè)具有屬性變化較快、實(shí)時(shí)性要求高的特征，目前主要包括村落內(nèi)的街道分布、房屋狀況、垃圾堆放點(diǎn)、廁所分布、露天水體監(jiān)測(cè)和其他公共基礎(chǔ)設(shè)施等6項(xiàng)內(nèi)容，均可采用類似的技術(shù)方案開展，主要差別在于具體識(shí)別的專題特征不同。

遙感數(shù)據(jù)以優(yōu)于1 m空間分辨率的亞米級(jí)數(shù)據(jù)為主，包括航天遙感數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，如無人機(jī)影像、Worldview系列數(shù)據(jù)等。監(jiān)測(cè)方法主要采用典型村落遙感監(jiān)測(cè)、全局抽樣外推的監(jiān)測(cè)方案；典型村落遙感監(jiān)測(cè)識(shí)別方法主要采用目視解譯的方法進(jìn)行識(shí)別；當(dāng)無法對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)每個(gè)村莊景觀格局進(jìn)行獲取時(shí)，需要按照統(tǒng)計(jì)抽樣的原則對(duì)典型村落進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，并統(tǒng)計(jì)外推到監(jiān)測(cè)全局范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)范圍是監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的典型村落。監(jiān)測(cè)結(jié)果是典型村落的景觀格局線畫圖以及行政單元尺度上的村莊景觀格局特征數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。監(jiān)測(cè)頻率推薦是4次/年，即每個(gè)季度1次。監(jiān)測(cè)精度預(yù)期在98%以上，誤差來源主要是無人機(jī)影像精度帶來的測(cè)量誤差。圖2給出了河北省棗強(qiáng)縣蘇家莊村0.1 m空間分辨率無人機(jī)影像以及根據(jù)該影像識(shí)別的房屋建筑及道路景觀的結(jié)果。

圖1 雄縣GF-2/PMS（432）遙感影像及村莊識(shí)別結(jié)果Fig.1 GF-2/PMS（432）remote sensing images and village identification results of Xiong County

2.3 農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方案

農(nóng)村宜居環(huán)境具有典型的多項(xiàng)因子綜合評(píng)價(jià)特征，目前對(duì)農(nóng)村宜居環(huán)境的評(píng)價(jià)尚沒有比較規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)具體情況制定合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以從環(huán)境要素獲取、權(quán)重因子設(shè)置、評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)發(fā)布3個(gè)方面開展。

環(huán)境要素獲取是指采用遙感技術(shù)、統(tǒng)計(jì)調(diào)查、地面觀測(cè)等方式獲取對(duì)宜居環(huán)境有重要影響的因子，如上述的農(nóng)村居民點(diǎn)景觀遙感監(jiān)測(cè)要素以及目前遙感技術(shù)尚不能有效獲取的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)要素如人口、收入等等。在環(huán)境要素有效獲取的基礎(chǔ)上，需要采用專家知識(shí)、層次加權(quán)、復(fù)雜度分析等權(quán)重賦值的方法，對(duì)環(huán)境要素進(jìn)行加權(quán)以獲取綜合性宜居環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果要具有明確的導(dǎo)向性、綜合性和公平性，目標(biāo)是鼓勵(lì)不同宜居水平的農(nóng)村居民點(diǎn)穩(wěn)步發(fā)展，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可以采取空間分布圖、數(shù)量統(tǒng)計(jì)等方式發(fā)布，同時(shí)也要提出發(fā)展建議及提升對(duì)策。

圖2 棗強(qiáng)縣蘇家莊村0.1 m空間分辨率無人機(jī)影像及農(nóng)村景觀識(shí)別結(jié)果Fig.2 UAV images of Sujiazhuang Village of Zaoqiang County，with spatial resolution of 0.1 m，as well as the results of rural landscape identification

圖3 農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)方案Fig.3 Technical solution of rural livable environment remote sensing monitoring evaluation

3 討論與展望

面向農(nóng)村綠色發(fā)展的需要，立足遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)能力，該文提出了農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括農(nóng)村居民點(diǎn)本底調(diào)查遙感監(jiān)測(cè)、農(nóng)村居民點(diǎn)景觀監(jiān)測(cè)、農(nóng)村宜居環(huán)境評(píng)價(jià)3部分。第一項(xiàng)內(nèi)容屬于資源清查性質(zhì)的監(jiān)測(cè)，是后續(xù)遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)；第二項(xiàng)內(nèi)容是村落內(nèi)格局的監(jiān)測(cè)，屬于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)范疇；第三項(xiàng)內(nèi)容是以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，多項(xiàng)指標(biāo)綜合型評(píng)價(jià)的過程。這些內(nèi)容的提出，給農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的開展提供了依據(jù)。

為深入推動(dòng)農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的開展，該文也提出了以國(guó)產(chǎn)中空間分辨率GF衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主、機(jī)器識(shí)別與目視判讀相結(jié)合的農(nóng)村居民點(diǎn)本底調(diào)查遙感監(jiān)測(cè)方案，以厘米級(jí)無人機(jī)影像為主、目視判讀結(jié)合統(tǒng)計(jì)外推技術(shù)的農(nóng)村居民點(diǎn)景觀遙感監(jiān)測(cè)方案，以遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果為主、結(jié)合綜合權(quán)重打分的宜居環(huán)境評(píng)價(jià)方案。這些技術(shù)方案，充分考慮了農(nóng)村宜居環(huán)境監(jiān)測(cè)的緊迫性以及遙感技術(shù)的潛力，是今后較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)農(nóng)村宜居環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)方案的主要內(nèi)容。

需要特別說明的是，農(nóng)村居民點(diǎn)本底調(diào)查、農(nóng)村居民點(diǎn)景觀監(jiān)測(cè)兩項(xiàng)內(nèi)容并沒有本質(zhì)的差異，僅僅是受遙感技術(shù)發(fā)展水平限制而硬性區(qū)分的。如果采用無人機(jī)影像對(duì)居民點(diǎn)景觀進(jìn)行全尺度、全要素監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果本身就構(gòu)成了本底調(diào)查的內(nèi)容。限于當(dāng)前的技術(shù)水平，特別是人力、物力的限制，采用無人機(jī)技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域，如省級(jí)、國(guó)家尺度上全覆蓋監(jiān)測(cè)是不可能完成的。因此，針對(duì)本底調(diào)查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)兩項(xiàng)內(nèi)容提出了使用不同遙感數(shù)據(jù)源開展監(jiān)測(cè)的方案。