農村宜居環境遙感監測內容分析及初步方案設計

劉 佳，王利民，唐鵬欽，高建孟

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京100081）

0 引言

“以建設美麗宜居村莊為導向，以農村垃圾、污水治理和村容村貌提升為主攻方向，開展農村人居環境整治行動，全面提升農村人居環境質量”，是中國今后較長時期內農村建設的重點［1］。開展農村人居環境研究，將為解決農村問題提供可靠的依據。農村宜居環境問題的研究由來已久，涉及農村環境問題的各個方面，如污染來源、污染對策、綜合評價指標等方面；所采用的方法主要以地面調查、統計數據為主，由于調查與研究方法的限制，研究結果多具有宏觀指導意義，治理措施的針對性顯得不足。采用遙感技術開展農村人居環境的研究也有相關報道，主要集中在新農村規劃、居民點識別、農村聚落面積、農村用地信息提取、農村公路識別、農村環境污染及農村垃圾場監測等方面。

在新農村規劃方面，陳方強［2］認為遙感技術的合理應用對農村建設有著極大的促進作用。在居民點識別方面，董光龍等［3］通過得到的農村居民點類型，進一步分析農村居民點集約利用水平和用地變化等的差異性；陸塵等［4］提出一種基于監督分類的街區式農村居民地提取方法；蔣旭東等［5］利用遙感技術對1993年和2003年農村居民點用地面積及其變化情況進行了監測。何英彬等［6］對居民點遙感研究進展進行了概述，分析了農村居民點研究中主要存在的問題，并提出了該領域未來的發展方向。在農村聚落研究方面，楊存建［7］等根據農村聚落面積和農業人口數等進行相關性分析，并對農業人口進行了估算。在農村用地信息提取方面，陳冬梅等［8］基于面向對象的方法對農村的空心村信息進行了提取，精度在75%以上。王宏勝等［9］基于無人機影像利用一種基于改進的種子區域生長算法對農村房屋信息進行了提取。在農村公路提取方面，Li等［10］提出了公路地物提取的遙感監測方法。李程［11］利用遙感技術，結合外業終端采集數據對農村公路路網進行核查與統計分析。在農村環境污染方面，朱彬等［12］綜合利用地面空氣污染監測資料、衛星遙感火點監測資料、氣象觀測資料對蘇中、蘇北地區秸稈焚燒產生的大氣污染物情況進行了監測，并認為秸稈焚燒是造成南京及周邊區域空氣污染的重要原因之一。蔣明等［13］利用高分辨率衛星影像和高程數據對農村農膜使用面積進行了監測，認為監測結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］對遙感監測技術在水環境污染、大氣環境污染中的應用進行了總結，指出了我國環境污染遙感監測技術存在的問題和發展趨勢。農村垃圾場監測方面，劉亞嵐等［15］基于北京1號小衛星，在對非正規垃圾場的影像特征分析的基礎上，建立了非正規垃圾場在小衛星影像上的判讀標志，對非正規垃圾場進行了識別。

從上述關于農村宜居環境的簡要概述可以看出，從宏觀尺度開展人居環境評價的研究較為成熟，而采用比較微觀的調查數據開展針對性治理研究還較少。這主要是由于采用人工調查的方式開展該類研究，存在標準不統一、工作量大等實際困難。為高效開展農村宜居環境監測與評價工作，文章從農村宜居環境監測需求出發，結合當前遙感技術的實際滿足能力，提出了基于遙感技術開展農村宜居環境遙感監測業務的具體內容。

1 農村宜居環境遙感監測內容分析

農村宜居環境是綜合性的概念，要實現具體的遙感監測，需從遙感監測能力角度對具體的宜居指標進行分析。從目前對農村宜居環境的認識能力來看，宏觀上需要對村莊分布環境開展監測，微觀上需要對村莊的內部格局開展監測，經濟上需要對村莊的經濟發展狀況進行監測。村莊的經濟發展條件屬于社會屬性，盡管其中有些內容可以依靠具體的建設內容來表達，但多數遙感技術不能滿足，村莊的經濟屬性暫時不在遙感監測的范圍內。因此，農村宜居環境遙感監測的內容可以從村莊空間分布、村莊所處環境、村落景觀以及由此衍生的宜居環境評價等方面進行分析。

村莊空間分布是指村莊在某個行政單元、自然地理單元中的數量與位置。村莊所處環境是村莊周邊環境因子的監測，這其實是其他自然資源、社會資源監測領域的內容，作為宜居環境監測評價因子，需要從其他渠道獲取，不宜采用遙感技術作為獨立的監測內容進行獲取。村落景觀是指村落內房屋、街道、垃圾點、水體等內部地物的數量、形狀、空間位置信息。宜居環境評價則是在遙感監測獲取的空間信息支持下，結合其他方式獲取的社會、經濟、環境數據，通過設置合理的權重指標體系構建評價模型，開展宜居等級、程度、能力評價的工作。

綜合考慮宜居環境遙感技術監測可行性，按照農村宜居環境遙感監測內容的屬性以及監測業務的共性特征，農村宜居環境遙感監測內容可以概括為農村居民點本底調查遙感監測、農村居民點景觀監測、農村宜居環境評價等3個部分。農村居民點本底調查屬于資源清查性質的監測內容，當前主要包括農村居民點空間分布、農村道路分布2項內容的遙感監測。農村居民點景觀監測屬于動態監測性的內容，包括村落內的街道分布、房屋狀況、垃圾堆放點、廁所分布、露天水體和其他公共基礎設施等6項內容的遙感監測。農村宜居環境評價屬于綜合性評價的內容，可以理解為遙感技術深入應用的內容，當前主要有宜居環境評價1項內容。

2 農村宜居環境遙感監測方案設計

按照農村宜居環境遙感監測內容分析的結果，針對農村居民點本底調查遙感監測、農村居民點景觀監測、農村宜居環境評價3個內容進行遙感監測方案的設計。

2.1 農村居民點本底調查遙感監測方案

農村居民點本底調查具有屬性變化相對緩慢，但全覆蓋要求較高的特征，目前主要包括農村居民點空間分布、農村道路分布2項內容，可以采用相同的技術方案進行，主要差別在于提取的專題特征不同。

遙感數據以優于30 m空間分辨率的遙感數據為主，具體的遙感數據可以16 m空間分辨率的GF-1/WFV、GF-6/WFV數據為主，以10 m空間分辨率的Sentinel數據、30 m空間分辨率的Landsat 8/OLI數據為輔。監測方法主要采用多時相遙感數據決策樹的方法，并采用目視判讀修正的方法作為輔助以提高識別精度。監測對象是省級尺度、國家尺度的全覆蓋監測。監測結果是居民點數量、空間位置以及村落間的道路分布等內容。監測頻率至少是1次/年。監測精度預期在85%以上，誤差的來源主要是遙感數據分辨率帶來的測量誤差，也就是30 m左右空間分辨率數據的面積量算誤差。圖1給出了雄縣1 m空間分辨率GF-2/PMS影像圖以及根據該影像識別的村莊空間分布結果。

2.2 農村居民點景觀遙感監測方案

農村居民點景觀遙感監測具有屬性變化較快、實時性要求高的特征，目前主要包括村落內的街道分布、房屋狀況、垃圾堆放點、廁所分布、露天水體監測和其他公共基礎設施等6項內容，均可采用類似的技術方案開展，主要差別在于具體識別的專題特征不同。

遙感數據以優于1 m空間分辨率的亞米級數據為主，包括航天遙感數據和衛星遙感數據，如無人機影像、Worldview系列數據等。監測方法主要采用典型村落遙感監測、全局抽樣外推的監測方案；典型村落遙感監測識別方法主要采用目視解譯的方法進行識別；當無法對監測范圍內每個村莊景觀格局進行獲取時，需要按照統計抽樣的原則對典型村落進行遙感監測，并統計外推到監測全局范圍內。監測范圍是監測區域內的典型村落。監測結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量統計結果。監測頻率推薦是4次/年，即每個季度1次。監測精度預期在98%以上，誤差來源主要是無人機影像精度帶來的測量誤差。圖2給出了河北省棗強縣蘇家莊村0.1 m空間分辨率無人機影像以及根據該影像識別的房屋建筑及道路景觀的結果。

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

2.3 農村宜居環境遙感監測評價方案

農村宜居環境具有典型的多項因子綜合評價特征，目前對農村宜居環境的評價尚沒有比較規范化的標準，需要根據具體情況制定合理的評價標準，可以從環境要素獲取、權重因子設置、評價結果統計發布3個方面開展。

環境要素獲取是指采用遙感技術、統計調查、地面觀測等方式獲取對宜居環境有重要影響的因子，如上述的農村居民點景觀遙感監測要素以及目前遙感技術尚不能有效獲取的社會、經濟要素如人口、收入等等。在環境要素有效獲取的基礎上，需要采用專家知識、層次加權、復雜度分析等權重賦值的方法，對環境要素進行加權以獲取綜合性宜居環境評價結果。綜合評價結果要具有明確的導向性、綜合性和公平性，目標是鼓勵不同宜居水平的農村居民點穩步發展，綜合評價結果可以采取空間分布圖、數量統計等方式發布，同時也要提出發展建議及提升對策。

圖2 棗強縣蘇家莊村0.1 m空間分辨率無人機影像及農村景觀識別結果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 農村宜居環境遙感監測評價技術方案Fig.3 Technical solution of rural livable environment remote sensing monitoring evaluation

3 討論與展望

面向農村綠色發展的需要，立足遙感技術監測能力，該文提出了農村宜居環境遙感監測內容包括農村居民點本底調查遙感監測、農村居民點景觀監測、農村宜居環境評價3部分。第一項內容屬于資源清查性質的監測，是后續遙感監測與評價的基礎；第二項內容是村落內格局的監測，屬于動態監測范疇；第三項內容是以遙感數據為基礎，多項指標綜合型評價的過程。這些內容的提出，給農村宜居環境遙感監測業務的開展提供了依據。

為深入推動農村宜居環境遙感監測業務的開展，該文也提出了以國產中空間分辨率GF衛星數據為主、機器識別與目視判讀相結合的農村居民點本底調查遙感監測方案，以厘米級無人機影像為主、目視判讀結合統計外推技術的農村居民點景觀遙感監測方案，以遙感監測結果為主、結合綜合權重打分的宜居環境評價方案。這些技術方案，充分考慮了農村宜居環境監測的緊迫性以及遙感技術的潛力，是今后較長時期內農村宜居環境遙感監測方案的主要內容。

需要特別說明的是，農村居民點本底調查、農村居民點景觀監測兩項內容并沒有本質的差異，僅僅是受遙感技術發展水平限制而硬性區分的。如果采用無人機影像對居民點景觀進行全尺度、全要素監測，其監測結果本身就構成了本底調查的內容。限于當前的技術水平，特別是人力、物力的限制，采用無人機技術對監測區域，如省級、國家尺度上全覆蓋監測是不可能完成的。因此，針對本底調查、動態監測兩項內容提出了使用不同遙感數據源開展監測的方案。