動態(tài)遙感監(jiān)測在補充耕地項目中的應(yīng)用研究

王平平

（河南省自然資源監(jiān)測和國土整治院，河南 鄭州 450016）

0 引言

2020年，自然資源部發(fā)布《自然資源調(diào)查監(jiān)測體系構(gòu)建總體方案》，提出對我國范圍內(nèi)的自然資源定期開展全覆蓋動態(tài)遙感監(jiān)測。自然資源監(jiān)測的主要目標(biāo)是全面掌握全國耕地、林草、濕地、水及其他自然資源和人工建（構(gòu)）筑物的類型、面積、范圍、分布和變化等情況［1］。其中，耕地資源是我國的寶貴資源，關(guān)乎國家糧食安全，更是關(guān)系到十幾億人吃飯的大事，必須要保護(hù)好，絕不能有任何閃失。國家明確禁止違規(guī)占用耕地的行為包括違規(guī)占用耕地進(jìn)行綠化造林、在耕地上超標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)綠色通道、在耕地上挖湖造景和從事非農(nóng)建設(shè)等［2］。利用遙感影像對耕地的利用狀況進(jìn)行動態(tài)遙感監(jiān)測，可及時掌握耕地的變化情況，以便能快速發(fā)現(xiàn)問題，并督促整改。補充耕地遙感監(jiān)測是實現(xiàn)耕地全時段、全方位監(jiān)測監(jiān)管，防止耕地“非農(nóng)化”“非糧化”，切實做到耕地數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)三位一體保護(hù)的重要手段［3-4］。因此，高效利用遙感監(jiān)測能快速發(fā)現(xiàn)耕地“非農(nóng)化”問題。

近年來，遙感技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越大，深入到生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域中，如農(nóng)業(yè)、智慧城市、地理、地質(zhì)、水文、海洋、氣象環(huán)境監(jiān)測和軍事偵察等方面［5］。在農(nóng)業(yè)監(jiān)測方面，遙感技術(shù)發(fā)揮著重要作用。例如，農(nóng)作物與植被的光譜特征較為相似，可根據(jù)農(nóng)作物的圖形結(jié)構(gòu)、色調(diào)及特定的位置特征，通過遙感技術(shù)來區(qū)分農(nóng)作物與植被。農(nóng)作物主要分布在地理位置較為平坦的平原、盆地和河谷。遙感影像也能精準(zhǔn)獲取地面的農(nóng)作物信息，將獲取到的信息用于農(nóng)作物生長、自然災(zāi)害防治等方面。我國是農(nóng)業(yè)大國，為了使農(nóng)作物保持健康的生長狀態(tài)，可在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用遙感技術(shù)。遙感技術(shù)可監(jiān)測農(nóng)作物的分布情況，從而為我國農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。因此，將遙感技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中顯得尤為重要。

補充耕地項目是新增耕地的重要來源，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基石。黨中央和國務(wù)院都十分重視對耕地的保護(hù)，連續(xù)出臺一系列保護(hù)耕地的政策，但部分地區(qū)仍存在違規(guī)占用耕地的現(xiàn)象，如常見的建設(shè)占用、綠化造林、坑塘和撂荒等。這對補充耕地項目造成極大的沖擊，自然資源部對此高度重視，國家自然資源督察濟(jì)南局多次開展耕地保護(hù)督察。遙感監(jiān)測是對地面目標(biāo)物變化進(jìn)行監(jiān)測的重要手段。本研究針對上述四類違規(guī)占用耕地問題，基于高分辨率衛(wèi)星遙感影像、補充耕地項目坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，來探索解決違規(guī)占用耕地問題遙感解譯標(biāo)志和遙感監(jiān)測的技術(shù)路線。

1 遙感數(shù)據(jù)源

本研究使用的遙感數(shù)據(jù)源較為豐富，種類較多，能有效解決遙感數(shù)據(jù)區(qū)域覆蓋不充分的問題，使用的數(shù)據(jù)為高分一號、高分二號、高分六號、資源三號和北京二號等高分辨率衛(wèi)星影像以及補充耕地項目坐標(biāo)。遙感影像的空間分辨率多為2 m，部分為亞米級，空間分辨率較高，可滿足補充耕地遙感監(jiān)測的需求。本研究通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合等方式對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，同時對數(shù)據(jù)的規(guī)范性和完整性進(jìn)行檢查。

2 遙感解譯標(biāo)志

各種目標(biāo)地物在遙感圖像中不同的色、形、位差異構(gòu)成可供識別的目標(biāo)地物特征，即遙感解譯標(biāo)志，其是遙感目視解譯的關(guān)鍵。建立遙感解譯標(biāo)志對補充耕地項目遙感監(jiān)測工作來說是至關(guān)重要的。建立相對準(zhǔn)確、具備指導(dǎo)意義的遙感解譯標(biāo)志是利用遙感影像批量提取違規(guī)占用耕地圖斑的基礎(chǔ)。

在遙感圖像中，目標(biāo)地物特征是地物電磁波輻射在遙感影像上的典型差異表現(xiàn)［6］。按照不同的表現(xiàn)形式，可分為“色”“形”“位”三大類?！吧笔侵改繕?biāo)地物在遙感影像中的顏色，包括目標(biāo)地物的色調(diào)、顏色和陰影等；“形”是指目標(biāo)地物在遙感影像上的形狀，包括目標(biāo)地物的形狀、紋理、大小和圖形等；“位”是指目標(biāo)地物在遙感影像中的空間位置，包括目標(biāo)地物空間位置的分布情況等。本研究主要對色調(diào)、顏色和紋理遙感目視解譯特點進(jìn)行研究。色調(diào)標(biāo)志是指全色遙感圖像中從白到黑的密度比例，也稱灰度；顏色標(biāo)志是彩色遙感圖像中識別目標(biāo)地物的基本依據(jù)；地物對可見光入射光進(jìn)行選擇性吸收，反射到人眼中形成顏色，其是不同地物反射或發(fā)射電磁波輻射能量差異的綜合體現(xiàn)。人眼具有較高的區(qū)分色彩的能力，遙感影像可充分體現(xiàn)地物之間的顏色差異，如人眼看上去農(nóng)作物和植被的顏色相似，同為綠色，但二者間依然存在微小色差，經(jīng)驗豐富的解譯人員可將二者區(qū)分開。地物內(nèi)部的色調(diào)規(guī)則變化呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征稱為紋理，紋理表現(xiàn)為地物表面的質(zhì)感，特征通常表現(xiàn)為平滑或粗糙，如農(nóng)田在遙感影像中的條帶狀紋理特征。紋理是判斷地物性質(zhì)的重要標(biāo)志。

根據(jù)上述遙感目視解譯標(biāo)志的特點，本研究結(jié)合違規(guī)占用耕地的遙感影像特征，同時輔以野外驗證，建立建設(shè)占用、綠化造林、坑塘、撂荒的遙感解譯標(biāo)志，其主要特征如下。

2.1 建設(shè)占用

建設(shè)占用在遙感影像中的特征明顯，顏色多為藍(lán)色、白色等，形狀為規(guī)則立體，紋理光滑細(xì)膩，與周圍耕地在顏色和紋理方面的差異較大。在遙感影像中，建設(shè)占用地與周圍耕地能很好地區(qū)分開來，見圖1。

圖1 建設(shè)占用在遙感影像與無人機航拍中的特征對比

2.2 綠化造林

林木在遙感影像中的顏色比耕地深，多呈深綠色，且紋理特征明顯，有較為致密的顆粒感和粗糙感，與周圍耕地的顏色和細(xì)膩紋理特征有明顯的區(qū)別，見圖2。

圖2 綠化造林在遙感影像與無人機航拍中的特征對比

2.3 坑塘

坑塘為水體的一種，其在遙感影像中的顏色通常為深黑色調(diào)，表面的紋理均勻細(xì)膩，形狀規(guī)則，邊界清晰，與周圍地物有較大的區(qū)別，見圖3。

圖3 坑塘在遙感影像與無人機航拍中的特征對比

2.4 撂荒

撂荒地是指連續(xù)兩個及以上種植季未種植的耕地。正常耕種的土地農(nóng)作物生長狀況具有明顯的季節(jié)性特征，植被覆蓋度時序特征顯著，而撂荒地的地表覆蓋的是裸地或有雜草生長，大多數(shù)的生長狀況明顯弱于有農(nóng)作物生長的耕地［7］。撂荒地常與坡耕地相伴，周圍被坡耕地包圍。撂荒地在遙感影像中的顏色多呈土黃色，顏色與周圍農(nóng)作物差異較大，形狀規(guī)則邊界明顯，且有較細(xì)膩的紋理特征，見圖4。

圖4 撂荒在遙感影像與無人機航拍中的特征對比

3 遙感監(jiān)測技術(shù)路線

本研究根據(jù)建立的建設(shè)占用、綠化造林、坑塘、撂荒的遙感解譯標(biāo)志，將補充耕地項目坐標(biāo)與遙感影像結(jié)合，并通過人機交互解譯的方式來提取以上四類違規(guī)占用耕地的疑似圖斑。將提取到的疑似圖斑進(jìn)行統(tǒng)計匯總，形成問題預(yù)警信息，并上報業(yè)務(wù)處室，下發(fā)至市縣自然資源管理部門［8］。地方自然資源部門對下發(fā)的疑似圖斑進(jìn)行核實舉證，發(fā)現(xiàn)有問題的，要及時進(jìn)行整改或核減。基于上述方式，形成常態(tài)化補充耕地項目動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管機制，建立違規(guī)占用耕地圖斑動態(tài)變化數(shù)據(jù)庫，編制動態(tài)遙感監(jiān)測報告。本研究使用的遙感影像數(shù)據(jù)具有更新速度快、空間分辨率高的特點，通常以7 d為時間間隔來更新獲取的遙感數(shù)據(jù)。綜上所述，本研究采取周監(jiān)測、周統(tǒng)計、月報告、季度報告、半年報告和年度報告的方式，建立的動態(tài)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫采取類似時間間隔方式，全方位實時監(jiān)測補充耕地項目的變化情況，為補充耕地項目和糧食安全提供強有力的保障［9］。補充耕地項目動態(tài)遙感監(jiān)測技術(shù)路線圖如圖5所示。

圖5 遙感監(jiān)測技術(shù)路線圖

4 結(jié)語

在耕地保護(hù)越來越嚴(yán)格的背景下，如何有效快速發(fā)現(xiàn)違規(guī)占用耕地問題，有針對性地監(jiān)督和保護(hù)耕地，是自然資源部門的重點任務(wù)。本研究針對違規(guī)占用耕地的問題，利用高分辨率衛(wèi)星影像，補充耕地項目坐標(biāo)，從色調(diào)、顏色和紋理3個方面出發(fā)，重點分析違規(guī)占用耕地情況的遙感影像特征，并初步進(jìn)行解譯，同時輔以野外驗證，建立建設(shè)占用、綠化造林、坑塘和撂荒等違規(guī)占用耕地問題的遙感解譯標(biāo)志。通過建立的遙感解譯標(biāo)志來提取補充耕地項目違規(guī)占用耕地的疑似圖斑，下發(fā)市縣自然資源部門，并開展核實舉證整改工作。最終形成補充耕地項目違規(guī)占用耕地圖斑遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和遙感監(jiān)測報告，實現(xiàn)遙感技術(shù)監(jiān)測補充耕地項目動態(tài)變化情況的目標(biāo)，并建立補充耕地項目遙感監(jiān)測技術(shù)路線，為補充耕地項目遙感監(jiān)測提供新思路新方法，從而保障國家糧食安全。