遙感技術(shù)在耕地保護(hù)督察中的應(yīng)用初探

童 彤

(上海市測(cè)繪院,上海 200063)

0 引 言

遙感技術(shù)是從遠(yuǎn)距離感知目標(biāo)反射或自身輻射的電磁波、可見(jiàn)光、紅外線,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別的技術(shù)。自60年代在航空攝影和影像判讀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)后,隨著航空、航天技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,目前遙感技術(shù)已廣泛用于軍事偵察、導(dǎo)彈預(yù)警、海洋監(jiān)視、氣象觀測(cè)等。在民用方面,遙感技術(shù)也在地球資源普查、植被分類(lèi)、土地利用規(guī)劃、農(nóng)作物病蟲(chóng)害、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮著重要作用。但目前,將遙感技術(shù)應(yīng)用于耕地保護(hù)督察的研究還相對(duì)較少,耕地保護(hù)督察的工作方式也較少涉及新的遙感技術(shù)。本文重點(diǎn)探討將數(shù)字表面模型、高光譜遙感、無(wú)人機(jī)無(wú)人值守三項(xiàng)遙感技術(shù)應(yīng)用于耕地保護(hù)督察的可行性,設(shè)計(jì)合理有效、便于操作的技術(shù)路徑提高督察工作效率。

1 耕地保護(hù)督察概述

1.1 耕地保護(hù)督察的主要任務(wù)

習(xí)近平總書(shū)記多次強(qiáng)調(diào),耕地紅線要嚴(yán)防死守,要像保護(hù)大熊貓一樣保護(hù)耕地。新修訂的《土地管理法實(shí)施條例》中明確,國(guó)家自然資源督察機(jī)構(gòu)根據(jù)授權(quán)對(duì)省、自治區(qū)、直轄市人民政府以及國(guó)務(wù)院確定的城市人民政府的耕地保護(hù)情況進(jìn)行督察。自2019年起,督察機(jī)構(gòu)每年組織開(kāi)展耕地保護(hù)督察,對(duì)違法占用耕地“零容忍”,堅(jiān)決遏制耕地“非農(nóng)化”、嚴(yán)格管控“非糧化”,為國(guó)家糧食安全保駕護(hù)航。

1.2 遙感技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段,在耕地保護(hù)督察過(guò)程中運(yùn)用的遙感技術(shù)通常僅依靠數(shù)字正射影像(DOM),主要使用0.5 m到2 m分辨率的衛(wèi)星影像,通過(guò)不同年度的影像、數(shù)據(jù)疊加比對(duì)以及人眼過(guò)屏的方式,提取疑似問(wèn)題線索。督察工作效率極大受制于疑似問(wèn)題線索提取的速度、準(zhǔn)確度,以及需要開(kāi)展實(shí)地核查的問(wèn)題數(shù)量,而遙感技術(shù)便捷、智能、高效的優(yōu)勢(shì)尚未得到充分的發(fā)揮。

隨著遙感技術(shù)不斷的更新迭代,多光譜、高光譜、激光點(diǎn)云等遙感技術(shù)已逐步應(yīng)用于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)[1]、林業(yè)調(diào)查[2]等自然資源相關(guān)領(lǐng)域,因此遙感技術(shù)與耕地保護(hù)督察的深度融合,是迫切需要,更是必然趨勢(shì)。

2 遙感技術(shù)在耕地保護(hù)督察中的應(yīng)用分析

2.1 數(shù)字表面模型(DSM)

2.1.1 督察應(yīng)用需求

耕地保護(hù)督察,顧名思義凡是破壞耕地的行為都是督察的內(nèi)容,包括違法違規(guī)占用耕地建房、挖田造湖等。盡管利用衛(wèi)星遙感影像監(jiān)測(cè)違法用地在督察實(shí)踐中運(yùn)用廣泛[3],但是現(xiàn)有算法自動(dòng)解譯的準(zhǔn)確性與可靠性十分有限,最終仍然需要進(jìn)行大量的人工目視解譯輔以人工實(shí)地巡查,費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下。同時(shí),衛(wèi)星影像存在空間分辨率相對(duì)較低(0.5～2 m)、影像質(zhì)量參差不齊等問(wèn)題,對(duì)面積較小的違法用地監(jiān)測(cè)比較困難。航空影像相對(duì)于衛(wèi)星影像最大的優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)立體像對(duì)構(gòu)建數(shù)字表面模型(DSM)[4],獲得地表物體準(zhǔn)確的高度信息,為違法用地自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。此外,航空影像利用航空飛機(jī)搭載光學(xué)相機(jī)對(duì)地表進(jìn)行拍攝,其影像分辨率遠(yuǎn)高于衛(wèi)星影像,可達(dá)到分米級(jí)。

2.1.2 技術(shù)路徑

數(shù)字表面模型(DSM)是指地表按一定間距排列的規(guī)則格網(wǎng)上的高程數(shù)據(jù)集,包含了地表建筑物、橋梁和樹(shù)木等高度的地面高程數(shù)據(jù),表示的是最真實(shí)的地面起伏情況,通常利用航空立體影像密集匹配算法自動(dòng)生成。利用不同時(shí)相的DSM成果,通過(guò)差分的方法獲得兩時(shí)相地表地物的高度變化信息。在實(shí)際生產(chǎn)中,將兩個(gè)時(shí)相的DSM進(jìn)行差分運(yùn)算,獲取變化圖斑,然后將檢測(cè)結(jié)果疊加前后兩個(gè)時(shí)相的正射影像,刪除由干擾和噪聲引起的變化圖斑,將變化檢測(cè)成果與耕地圖斑疊加分析,如果變化檢測(cè)圖斑落入耕地圖斑,則將屬性標(biāo)記為疑似問(wèn)題圖斑。

使用DSM自動(dòng)變化檢測(cè)技術(shù)可快速定位高度變化區(qū)域,同時(shí)結(jié)合高分辨率航空影像,有助于提高內(nèi)業(yè)判讀的準(zhǔn)確性,為高效發(fā)現(xiàn)違法用地提供數(shù)據(jù)支撐。后期可針對(duì)變化區(qū)域進(jìn)行實(shí)地核實(shí),避免無(wú)目標(biāo)的實(shí)地巡查工作,減少外業(yè)工作量,節(jié)省人力物力和時(shí)間成本,提高耕地保護(hù)督察效率。2022年,上海市測(cè)繪院首次實(shí)現(xiàn)了全市范圍機(jī)載激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取(圖1),基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)全自動(dòng)生成DSM數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)獲取的及時(shí)性能夠保障督察工作需求。

2.1.3 應(yīng)用實(shí)踐

DSM差分技術(shù)已應(yīng)用于上海軌道交通安全保護(hù)區(qū)全域巡檢項(xiàng)目,該項(xiàng)目利用兩期不同時(shí)相的DSM數(shù)據(jù),通過(guò)設(shè)置變化檢測(cè)的高度變化(0.8 m)與面積大小(20 m2)的閾值,自動(dòng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)兩期地物的高度變化的圖斑(圖2)。配合人工篩選,剔除巡查無(wú)須關(guān)注的圖斑,最后針對(duì)篩選后的變化圖斑賦予屬性信息,包括區(qū)間段、位置坐標(biāo)及變化類(lèi)型,最終完成了上海軌交全線路約760 km范圍的變化檢測(cè),共檢測(cè)出1 741處地物發(fā)生變化的圖斑。與人工巡查相比,遙感技術(shù)不僅提高作業(yè)效率,還能夠規(guī)避人工不可進(jìn)入?yún)^(qū)域、視線阻擋、地形起伏不明顯、快速拆除的臨時(shí)性建(構(gòu))筑物等方面的劣勢(shì),有效輔助外業(yè)巡查工作,提升軌交安全巡檢的監(jiān)測(cè)成效。

圖2 基于前后兩期DSM自動(dòng)識(shí)別地物標(biāo)高變化示意圖

2.2 高光譜遙感

2.2.1 督察應(yīng)用需求

自2020年底國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于防止耕地“非糧化”穩(wěn)定糧食生產(chǎn)的意見(jiàn)》以來(lái),耕地保護(hù)督察就將地方政府耕地“非糧化”職責(zé)落實(shí)情況列入督察重點(diǎn)內(nèi)容。但是通過(guò)對(duì)土地年度變更調(diào)查、地理國(guó)情、衛(wèi)片執(zhí)法圖斑進(jìn)行對(duì)比分析和去重處理后,提取的疑似問(wèn)題圖斑數(shù)量巨大,2021年僅浙江省圖斑數(shù)就有近1.5萬(wàn)個(gè),且大部分“非糧化”通過(guò)影像難以用肉眼進(jìn)行準(zhǔn)確判斷,給外業(yè)核查造成很大壓力。耕地保護(hù)督察對(duì)通過(guò)高光譜遙感實(shí)現(xiàn)作物識(shí)別和精細(xì)分類(lèi)的技術(shù)需求相當(dāng)迫切。

2.2.2 技術(shù)路徑

通過(guò)高光譜衛(wèi)星或者搭載高光譜傳感器進(jìn)行航飛,在獲取地表空間圖像的同時(shí), 能夠得到每個(gè)地物的連續(xù)光譜信息, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)成分的定量分析,自動(dòng)完成地物的精細(xì)分類(lèi)與識(shí)別,再與耕地圖斑疊加,形成耕地“非糧化”疑似問(wèn)題線索(圖3)根據(jù)需要針對(duì)重點(diǎn)小面積區(qū)域,利用無(wú)人機(jī)搭載高光譜傳感器和地物光譜儀開(kāi)展必要的補(bǔ)充光譜測(cè)量,用于地表反射率產(chǎn)品的精度評(píng)定。

圖3 作業(yè)流程圖

2.2.3 應(yīng)用實(shí)踐

上海市測(cè)繪院的長(zhǎng)三角一體化示范區(qū)高光譜數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目,完成了從0級(jí)原始數(shù)據(jù)到5級(jí)勻色校正的高光譜數(shù)據(jù)處理,借助航空高光譜影像高空間分辨率和高光譜分辨率的特性,使用統(tǒng)一多尺度學(xué)習(xí)高光譜影像分類(lèi)框架實(shí)現(xiàn)了一體化示范區(qū)先行啟動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)的地物自動(dòng)分類(lèi),獲得了先行啟動(dòng)區(qū)典型地物類(lèi)別高精度分類(lèi)圖(圖4)。采用用戶(hù)精度對(duì)分類(lèi)精度進(jìn)行評(píng)價(jià),地物精細(xì)分類(lèi)建?？傮w精度達(dá)83.46%,Kappa系數(shù)達(dá)80.88%。

圖4 先行啟動(dòng)區(qū)生態(tài)用地分類(lèi)圖

2.3 無(wú)人機(jī)無(wú)人值守

2.3.1 督察應(yīng)用需求

耕地保護(hù)督察發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題以《督察意見(jiàn)書(shū)》的形式交省級(jí)人民政府,原則上要求在1年內(nèi)組織整改到位。督察機(jī)構(gòu)對(duì)重點(diǎn)督辦的典型問(wèn)題將全程跟進(jìn)整改,并在整改到期后進(jìn)行全面核查。由于一個(gè)督察機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)3到4個(gè)省級(jí)人民政府的耕地保護(hù)督察工作,而督察發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題遍布全省各個(gè)市縣,因此對(duì)問(wèn)題整改情況的跟進(jìn)在及時(shí)性上存在比較大的困難。

2.3.2 技術(shù)路徑

無(wú)人機(jī)無(wú)人值守定期巡航技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是能夠針對(duì)固定線路進(jìn)行高頻率巡查。根據(jù)無(wú)人機(jī)的巡航范圍,在需要定期關(guān)注整改情況的地塊附近布設(shè)無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù),預(yù)先規(guī)劃航線、設(shè)置飛行頻率任務(wù),無(wú)人機(jī)定時(shí)起飛自動(dòng)拍照回傳影像,真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外,通過(guò)機(jī)載激光點(diǎn)云能夠快速匹配進(jìn)行絕對(duì)定位,可以實(shí)現(xiàn)獲取飛行數(shù)據(jù)后12 h內(nèi)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理,在時(shí)效性方面完全可以滿(mǎn)足督察工作的需求。

2.3.3 應(yīng)用實(shí)踐

上海市測(cè)繪院以上海軌交15號(hào)線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目作為試點(diǎn),在15號(hào)線元江路站附近布設(shè)機(jī)庫(kù)。飛機(jī)的可監(jiān)測(cè)范圍覆蓋半徑可達(dá)5 km(圖5),自2023年1月16日至 2月22日共飛行16次,數(shù)據(jù)成果包括正射影像圖、DSM以及地物變化檢測(cè)成果等,形成了無(wú)人機(jī)高頻率監(jiān)測(cè)的作業(yè)模式,為相關(guān)監(jiān)測(cè)管理部門(mén)提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

圖5 試點(diǎn)基站和飛行范圍示意圖

3 遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于耕地保護(hù)督察存在的困難和前景展望

3.1 存在的困難

DSM數(shù)據(jù)一般可以通過(guò)衛(wèi)星影像立體像對(duì)進(jìn)行制作,但現(xiàn)有衛(wèi)星影像立體像對(duì)較少,且分辨率難以滿(mǎn)足督察需求,而航空攝影的成本較高。

高光譜遙感對(duì)“非糧化”問(wèn)題的自動(dòng)判斷在理論上是可行的,但在行業(yè)應(yīng)用中,尚未形成針對(duì)高光譜數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用流程,在數(shù)據(jù)處理模型研發(fā)等方面缺少積累,較少開(kāi)展自然資源定量化監(jiān)測(cè)應(yīng)用工作,同時(shí)還存在衛(wèi)星高光譜分辨率不夠,航空高光譜成本高,光譜庫(kù)尚未建立等問(wèn)題。

無(wú)人機(jī)無(wú)人值守技術(shù)目前在飛行范圍和續(xù)航能力方面均有待提高,同時(shí)機(jī)庫(kù)布設(shè)的安全性問(wèn)題難以保障。

3.2 前景展望

大范圍機(jī)載激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的發(fā)展,使高精度的DSM數(shù)據(jù)能夠基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)全自動(dòng)生成,數(shù)據(jù)獲取便捷度的提升,極大的提高了該數(shù)據(jù)在耕地保護(hù)督察中得以廣泛運(yùn)用的可能性。

隨著光譜庫(kù)的建立和完善以及新算法的引入,高光譜遙感判斷耕地“非糧化”問(wèn)題的準(zhǔn)確度將得到極大的提升,而生產(chǎn)成本將逐步降低[5],必然成為耕地保護(hù)督察的支撐和保障。

無(wú)人機(jī)逐步將在城市管理方面實(shí)現(xiàn)廣泛部署和統(tǒng)籌使用[6],當(dāng)機(jī)庫(kù)布設(shè)在城市實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化分布時(shí),數(shù)據(jù)可以共享,保障督察實(shí)時(shí)調(diào)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著“三區(qū)三線”的劃定和國(guó)土空間規(guī)劃的落地,國(guó)家對(duì)耕地的保護(hù)會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格,耕地保護(hù)督察工作的開(kāi)展也會(huì)隨之更加深入,而快速有效的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是提高督察效率的必然需求。因此本文提出將數(shù)字表面模型、高光譜遙感、無(wú)人機(jī)無(wú)人值守3項(xiàng)遙感技術(shù)與耕地保護(hù)督察充分結(jié)合,以提高疑似問(wèn)題精準(zhǔn)度,減少外業(yè)工作量。未來(lái)遙感技術(shù)必將更加廣泛的應(yīng)用于耕地保護(hù)督察,引領(lǐng)督察向自動(dòng)化、智能化方向不斷前進(jìn)。