遙感技術在數(shù)字鄉(xiāng)村建設中的作用

文 | 夏天 史云 吳文斌

1. 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室/華中師范大學城市與環(huán)境科學學院

2. 農業(yè)部農業(yè)信息技術重點實驗室/中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所

一、引言

鄉(xiāng)村是一種特殊的地理空間單元，它承載著國人千百年來的文化，是中華文明發(fā)展的基本載體。傳統(tǒng)鄉(xiāng)村在現(xiàn)代科技的推動下，數(shù)字化賦予了它新的生命，也肩負著鄉(xiāng)村發(fā)展與振興的重要任務。黨的十九大提出實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，是決勝全面建成小康社會、全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的重大歷史任務，是新時代做好“三農”工作的重要途徑[1]。針對這項工作任務，中央明確提出“實施數(shù)字鄉(xiāng)村戰(zhàn)略”，即利用網絡化、信息化和數(shù)字化技術在農業(yè)農村經濟社會發(fā)展中發(fā)揮作用。同時，建設數(shù)字鄉(xiāng)村能夠有效銜接城鄉(xiāng)之間的發(fā)展，推動鄉(xiāng)村各級產業(yè)全方位、全鏈條數(shù)字化改造，促使農業(yè)全面升級、農村全面進步和農民全面發(fā)展。

數(shù)字鄉(xiāng)村戰(zhàn)略是實現(xiàn)農業(yè)農村現(xiàn)代化進程的重要抓手，它賦予了傳統(tǒng)農業(yè)農村新的生命。特別是在城市化、信息化不斷推進的形勢下，如何解決數(shù)字鄉(xiāng)村、智慧農業(yè)的最后一公里問題，以及如何助力鄉(xiāng)村精準脫貧，開啟城鄉(xiāng)一體化經濟新局面，數(shù)字化為鄉(xiāng)村建設開啟了新階段與新方向[2]。然而，在政府大力支持發(fā)展“數(shù)字鄉(xiāng)村”的建設過程中，發(fā)現(xiàn)農村數(shù)字化基礎比較薄弱，基礎設施、數(shù)據、技術手段都很難迅速跟上數(shù)字鄉(xiāng)村建設需求和發(fā)展，數(shù)字鴻溝已經成為制約數(shù)字鄉(xiāng)村建設的瓶頸[3]。現(xiàn)有的研究大多數(shù)是針對數(shù)字鄉(xiāng)村的政策手段，隨著大數(shù)據、人工智能、云計算、物聯(lián)網等一系列新技術的產生和應用，推動了數(shù)字鄉(xiāng)村的建設，但基礎數(shù)據缺乏導致這些現(xiàn)代化信息技術無法得到廣泛應用[4]。近年來遙感探測平臺和傳感器的進步，以及數(shù)據傳輸與處理技術的不斷更新，遙感技術作為一種便捷、精確的信息獲取手段，在地表覆蓋、水資源、大氣、生態(tài)環(huán)境等各種地理信息監(jiān)測方面都發(fā)揮了重要的作用[5]。從信息獲取的角度來分析，遙感技術能夠為數(shù)字鄉(xiāng)村建設提供必須的數(shù)據支撐。因此，本文通過進行數(shù)字鄉(xiāng)村建設的發(fā)展現(xiàn)狀分析，從數(shù)據獲取支撐的角度入手，探討遙感技術在數(shù)字鄉(xiāng)村建設中的應用。

二、數(shù)字鄉(xiāng)村建設的發(fā)展現(xiàn)狀分析

快速工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的推進，導致城鄉(xiāng)的差距不斷加大、城鎮(zhèn)化率不斷提高。2019年我國的城鎮(zhèn)化率達到60.60%，預計到2030年我國的城鎮(zhèn)化率將達到70%。近20年來，為了解決這些差距和矛盾，我國先后實施了“五個統(tǒng)籌”、“社會主義新農村建設”、城鄉(xiāng)發(fā)展一體化和新型城鎮(zhèn)化等戰(zhàn)略措施[6]。然而，城鄉(xiāng)二元體制和城市優(yōu)先發(fā)展使得鄉(xiāng)村在發(fā)展的過程中出現(xiàn)政策支持力度不夠、制度掣肘等問題，導致鄉(xiāng)村勞動力人口持續(xù)外流、社會結構不合理、農村市場萎縮等現(xiàn)象，引發(fā)日益嚴重的“鄉(xiāng)村病”問題[7]。數(shù)字鄉(xiāng)村建設需求緊迫性日益增加，然而，數(shù)字鄉(xiāng)村建設過程中存在著以下幾個方面的問題。

1. 鄉(xiāng)村土地利用綜合效益不高

隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，鄉(xiāng)村對土地資源的需求日益增加。早期的鄉(xiāng)村土地利用類型單一，伴隨著鄉(xiāng)村工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的迅猛發(fā)展，鄉(xiāng)村土地利用結構和空間形態(tài)也隨之發(fā)生變化[8]。國內研究者研究發(fā)現(xiàn)鄉(xiāng)村的土地利用問題主要集中在農村空心化（宅基地閑置）、土地集約度降低、土地扭轉權屬不清楚、土地資源利用效率低（耕地閑置）等現(xiàn)象，這些問題間接導致鄉(xiāng)村農業(yè)收益低、農民生活水平不高和經濟發(fā)展遲緩[9-10]。加之農民對于土地利用效益缺乏足夠認識，直接導致城鄉(xiāng)差距不斷被拉大、土地利用綜合效益低下及鄉(xiāng)村土地配置不合理等問題。傳統(tǒng)的農耕思維模式已不能滿足信息化社會的發(fā)展需求，利用數(shù)字信息化手段來推動土地利用轉型與鄉(xiāng)村轉型發(fā)展的交互作用，是解決鄉(xiāng)村復雜人地關系的有效手段，也是破除城鄉(xiāng)二元壁壘的重要一環(huán)[11]。

2. 農業(yè)資源浪費較大

傳統(tǒng)農業(yè)近年來發(fā)展較為緩慢，已不能適應現(xiàn)代社會高速發(fā)展的節(jié)奏。在全球變化和極端天氣影響下，傳統(tǒng)農業(yè)表現(xiàn)出抵抗風險能力弱的特點，加之一些地方出現(xiàn)耕地撂荒、粗放經營現(xiàn)象，糧食產量減少并嚴重影響地區(qū)的糧食安全[12]。此外，土地承包經營權無法清晰確定（田塊界限模糊）情況下，導致鄉(xiāng)村耕地破碎化、耕作產量低，以至于棄耕現(xiàn)象時有發(fā)生[13]。研究發(fā)現(xiàn)農業(yè)生產過程中，由于農民對農業(yè)資源開發(fā)與管理技術落后，農業(yè)資源未能得到有效運用，出現(xiàn)部分耕地資源、水資源浪費現(xiàn)象。城鎮(zhèn)化發(fā)展造成的農村勞動力人口外流，進一步加劇農業(yè)資源浪費現(xiàn)象。另一方面，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的非理性布局和農民傳統(tǒng)的耕作方式對農業(yè)的生產、生活和生態(tài)造成負面影響，也造成了農業(yè)資源浪費[14]。現(xiàn)階段應利用信息化、智能化來優(yōu)化鄉(xiāng)村的產業(yè)結構，提高農民的文化素養(yǎng)和農田管理能力，依托現(xiàn)有資源建設農業(yè)農村大數(shù)據中心，拓展農業(yè)信息技術在農業(yè)領域的應用。

3. 鄉(xiāng)村生態(tài)景觀環(huán)境有待改善

山水林田湖草是一個生命共同體，人與整個生態(tài)系統(tǒng)息息相關，因此鄉(xiāng)村的生態(tài)系統(tǒng)顯得尤為重要。近年來，鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境不斷惡化。一方面遭受到一些新興的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)等外源污染威脅，由于缺乏有效監(jiān)管，部分的鄉(xiāng)村企業(yè)污染物隨意排放導致鄉(xiāng)村土壤和地下水受到不同程度的污染，破壞了農村人居環(huán)境；另一方面受到來自鄉(xiāng)村農業(yè)自身的內源污染的影響[15]，農民過量使用化肥和農藥，導致土壤功能退化、肥力下降等耕地質量問題，以至于農作物品質和產量下降。部分鄉(xiāng)村還采用如圍湖造田、毀林毀草等盲目開墾行為，造成耕地沙漠化、鹽堿化、耕作層破壞等問題，嚴重影響鄉(xiāng)村生態(tài)系統(tǒng)平衡。數(shù)字鄉(xiāng)村建設從鄉(xiāng)村基礎建設治理入手，改善鄉(xiāng)村人居環(huán)境，建設可持續(xù)的綠色數(shù)字鄉(xiāng)村。

三、遙感技術對數(shù)字鄉(xiāng)村建設的推動作用

遙感技術作為一項應用廣泛而成熟的信息化技術對數(shù)字鄉(xiāng)村的建設，特別是信息的獲取和支撐方面均具有非常重要的作用。早期數(shù)字鄉(xiāng)村建設的遙感數(shù)據源主要是利用中高分辨率如 “土”和“水”衛(wèi)星中分辨率成像光譜儀（Terra和Aqua/MODIS）、美國陸地衛(wèi)星（Landsat/TM）數(shù)據，但隨著衛(wèi)星數(shù)據的不斷革新，10米級、米級、亞米級如Landsat-8、“快鳥”（QuickBird）、法國“斯波特”（SPOT）等高分辨率衛(wèi)星能夠滿足不同尺度的鄉(xiāng)村數(shù)據需求[16]。這些高空間分辨率影像數(shù)據的使用，為鄉(xiāng)村研究提供了大量的高精度數(shù)據支撐。然而，在我國鄉(xiāng)村建設中，很難大量有償使用這些國外的高精度衛(wèi)星數(shù)據。隨著我國高分系列衛(wèi)星的成功發(fā)射，以及無人機的大量普及使用，高空間分辨率數(shù)據使用問題迎刃而解。因此，本研究從農民、農業(yè)和環(huán)境三個角度入手，綜合數(shù)字鄉(xiāng)村建設的現(xiàn)狀和需求，結合遙感技術的優(yōu)勢，從以下四個方面進行遙感技術應用探討（圖1）。

圖1 遙感技術在數(shù)字鄉(xiāng)村建設中應用

1. 遙感技術實時監(jiān)測鄉(xiāng)村土地利用

土地利用變化監(jiān)測多年來一直是土地利用研究的熱點，大多數(shù)研究者主要利用遙感技術來監(jiān)測城市土地利用的變化，而針對鄉(xiāng)村土地利用變化的監(jiān)測研究較少，其主要原因是鄉(xiāng)村土地類型結構較為復雜。特別是鄉(xiāng)村的地物類型多，傳統(tǒng)的遙感衛(wèi)星由于受限于時間和空間分辨率，對于同譜異物或同物異譜的地物很難區(qū)分。隨著“三高”（高空間分辨率、高光譜分辨率和高時間分辨率）衛(wèi)星的不斷普及，無人機監(jiān)測手段的大量使用，這些問題逐漸都被解決，進一步推動了鄉(xiāng)村土地監(jiān)測工作[17]。

鄉(xiāng)村土地利用變化監(jiān)測主要是農村建設用地和耕地（農田）兩個方面的利用類型監(jiān)測，具體應用為：①農村建設用地監(jiān)測。遙感技術用于提取建設用地的方法不斷更新，如通常將農村居民點視為一個圖斑進行處理，在監(jiān)測時可以較容易分辨出居民點的形狀和空間分布情況，但很難清晰地詮釋居民點的內部結構[18]。隨著數(shù)據源和提取方法的不斷革新，各種面向對象的方法（分析算法）、數(shù)據融合的方法不斷應用于農村居民點的信息提取，結合各種光譜信息、紋理信息、形狀信息等參數(shù)能夠較好提取更加詳細的居民點內部地類及使用情況[16]。這些信息將有助于鄉(xiāng)村建設用地權屬確定、空心村調查、居民點整治成本核算和潛力測算等[19]。②耕地（農田）利用監(jiān)測。耕地是農村農業(yè)發(fā)展的重心，監(jiān)測耕地利用一直是大家關注的重點。遙感技術讓耕地管理告別田間調查、逐級上報的傳統(tǒng)方式，使農業(yè)土地利用信息能夠快速獲取，具體如耕地耕作情況監(jiān)測、農田管理監(jiān)測和耕地利用變化監(jiān)測等方面。科學家們基于遙感數(shù)據開發(fā)出需要高精度全球地表覆蓋數(shù)據產品，如FROM_GLC、Globeland 30等，這些數(shù)據為數(shù)字鄉(xiāng)村土地利用管理提供了重要的基礎數(shù)據[20]。同時，大量的“三高”數(shù)據使用，能夠及時了解如農作物耕作面積（覆蓋度）、撂荒、休耕或輪作面積等動態(tài)變化信息。因此，遙感技術在實時監(jiān)測鄉(xiāng)村土地利用方面能夠改變農戶調查、數(shù)據上報匯總等傳統(tǒng)調查方式，極大地提高工作效率和準確性，為實時了解鄉(xiāng)村耕地利用狀況提供數(shù)據支撐。

2. 遙感技術助力鄉(xiāng)村產業(yè)數(shù)字化轉型

農業(yè)的發(fā)展是鄉(xiāng)村發(fā)展的重中之重，也是數(shù)字鄉(xiāng)村建設的落腳點。現(xiàn)階段農業(yè)數(shù)字化將推動精準農業(yè)和智慧農業(yè)的進步，加速整個農業(yè)產業(yè)發(fā)展，使農業(yè)朝著精準化、數(shù)字化、智能化的農業(yè)4.0時代不斷前進[21]。農業(yè)數(shù)字化的核心是建立數(shù)字化的農業(yè)大數(shù)據分析與應用平臺，實現(xiàn)農業(yè)生產全過程的監(jiān)測、預警和決策[22]。農業(yè)數(shù)字化體現(xiàn)在農業(yè)中的創(chuàng)新應用，它將衛(wèi)星遙感、大數(shù)據、物聯(lián)網、云計算和人工智能等一大批高新信息技術應用到農業(yè)的生產、加工和銷售整個產業(yè)鏈，全方位推動農業(yè)的發(fā)展[23]。遙感技術作為這套數(shù)字化平臺中最為基礎的角色，發(fā)揮著無可替代的作用。首先，遙感技術能夠為農業(yè)資源調查提供必要數(shù)據。天空地一體化數(shù)據采集平臺能夠為農業(yè)資源管理平臺提供必要的基礎地圖數(shù)據，對鄉(xiāng)村耕地、草場、水域等權屬的確定和格局變化監(jiān)測提供空間數(shù)據。其次，遙感技術能夠觀測農作物生產過程。我國的農業(yè)制度相對比較復雜，地形地貌南北差異較大，遙感技術能夠為鄉(xiāng)村農業(yè)提供耕作面積、品質、產量、長勢、墑情、災情、病情監(jiān)測，實現(xiàn)農作物生長過程全方位監(jiān)控。最后，遙感技術為智慧農業(yè)提供分析數(shù)據。在數(shù)字化管理農田和全方位監(jiān)測農作物的基礎上，智能農業(yè)分析和決策是發(fā)展數(shù)字農業(yè)的關鍵，全方面數(shù)據是智能化的基礎。開展農業(yè)災害遙感監(jiān)測與預警是現(xiàn)代農業(yè)相對傳統(tǒng)農業(yè)的一大優(yōu)勢，抵御風險、減低損失是提高農業(yè)產量的關鍵。對于極端天氣、病蟲害、水火災害等各種災害預測與監(jiān)測，遙感技術手段能夠獲取到及時、準確和長效信息數(shù)據。同時，在農產品的銷售環(huán)節(jié)，智慧農業(yè)平臺基于遙感提供的播種、長勢、病蟲害、產品品質與估產方面的大數(shù)據信息，能夠及時為農民提供未來農產品市場預測等信息。

隨著數(shù)字農業(yè)的發(fā)展，農業(yè)衛(wèi)星、無人機等“三高”分辨率的觀測體系的構建，使得農業(yè)在數(shù)字鄉(xiāng)村建設中不僅僅是傳統(tǒng)耕作方式的改良，而是一個融入了無人化、信息化和智能化的天空地遙感監(jiān)測網絡平臺，能夠對農作物從播種到收獲整個生育期進行長期觀測，為農民提供分析決策信息。這些農業(yè)數(shù)字化的建設離不開遙感基礎數(shù)據的應用。

3. 遙感技術支撐數(shù)字鄉(xiāng)村空間規(guī)劃

鄉(xiāng)村作為國土中重要不可分割的一部分，將大數(shù)據、智慧化的技術融入鄉(xiāng)村建設空間規(guī)劃。鄉(xiāng)村建設規(guī)劃設計不同于城市規(guī)劃，它需要在完善鄉(xiāng)村功能和合理產業(yè)布局的基礎上，考慮農業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性和鄉(xiāng)村景觀布局。現(xiàn)階段的國土空間規(guī)劃是數(shù)據信息時代的產物，它將實現(xiàn)國土空間的統(tǒng)一協(xié)調管理，城鄉(xiāng)土地利用不再是對立面，而是實現(xiàn)國土空間規(guī)劃“一張圖”。

遙感技術應用在數(shù)字鄉(xiāng)村規(guī)劃中的優(yōu)勢體現(xiàn)在，與攝影測量技術的融合極大提高了測量精度和效率[24]。遙感技術在數(shù)字鄉(xiāng)村建設規(guī)劃中發(fā)揮著最基礎、最核心的作用，在劃定“三區(qū)三線”以及永久基本農田保護紅線時，遙感技術準確直觀地為劃定給予有力數(shù)據保障。另一方面，遙感技術較常規(guī)管理技術方法能全面、及時了解鄉(xiāng)村規(guī)劃區(qū)具體規(guī)劃的實施狀況，并針對熱點、重點區(qū)域進行全方位監(jiān)測，實現(xiàn)準確、客觀的動態(tài)監(jiān)測鄉(xiāng)村建設全過程。通過對不同時相遙感數(shù)據進行分析，能夠實時發(fā)現(xiàn)鄉(xiāng)村各種地物的變化過程，及時發(fā)現(xiàn)鄉(xiāng)村建設過程中亂搭亂建、違章建筑、農田侵占等現(xiàn)象并予以糾正。遙感影像與規(guī)劃圖件的疊加分析能夠迅速查找問題，實現(xiàn)建設用地位置、界限、內容等以及“兩證一書”的一致性檢查。因此，在數(shù)字鄉(xiāng)村建設規(guī)劃的過程中，遙感技術是規(guī)劃的有力執(zhí)行者和監(jiān)督者，為實現(xiàn)數(shù)字鄉(xiāng)村建設的快速發(fā)展保駕護航。

4．遙感技術全面監(jiān)測鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境

遙感技術一直用于大氣環(huán)境、水環(huán)境和陸地生態(tài)方面的監(jiān)測，利用其較好的對地觀測能力，為鄉(xiāng)村生態(tài)文明建設做好支撐[25]。環(huán)境遙感最早主要是利用Landsat /TM、Terra和Aqua /MODIS或環(huán)境一號（HJ-1）等衛(wèi)星影像數(shù)據結合GIS分析功能對土壤水土流失、土地退化等生態(tài)問題進行觀測。隨著遙感技術和分析手段的發(fā)展，科學家們逐漸利用中高分辨率衛(wèi)星（如Landsat-8、SPOT-6/7等）進行大氣成分、生態(tài)環(huán)境、水質參數(shù)以及土壤污染物等這些微觀元素的遙感監(jiān)測[26]。特別是近幾年我國高分系列衛(wèi)星的發(fā)射，在PM2.5濃度、濕地、土壤水分等一些生態(tài)環(huán)境關注的重點領域都得到了較好應用。

鄉(xiāng)村環(huán)境越來越受到人們的重視，在數(shù)字鄉(xiāng)村建設中，遙感技術能夠對鄉(xiāng)村環(huán)境做到科學、高效和便捷地全面實時動態(tài)監(jiān)測，具體表現(xiàn)為：①鄉(xiāng)村土地及土壤狀況監(jiān)測。利用遙感技術能夠實時了解鄉(xiāng)村土地的環(huán)境狀況，特別是一些濕地資源、自然保護區(qū)等植被類型及覆蓋狀況，了解土地退化、水土流失等問題。同時，遙感技術還能結合一些協(xié)同反演模型針對土壤中水分或者污染物（如重金屬）進行監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)源頭，做好污染防控措施。②鄉(xiāng)村水資源監(jiān)測。利用遙感技術監(jiān)測水資源狀況的技術較為成熟、穩(wěn)定，在環(huán)境領域應用十分廣泛，其中利用多光譜數(shù)據對水體葉綠素、懸浮物的監(jiān)測精度通常達到90%以上；利用遙感模型對于水體的富營養(yǎng)化程度（如總磷濃度）以及水質監(jiān)測方面也具有較高的精度。③鄉(xiāng)村大氣監(jiān)測。遙感技術不光能夠監(jiān)測大氣的溫度、降雨和風速等氣象信息，還能測定大氣的成分如氣溶膠、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO2）等具體成分的含量。另外，高時間分辨率的衛(wèi)星還能及時發(fā)現(xiàn)鄉(xiāng)村秸稈焚燒的具體位置和影響范圍，對于一些高能耗、高排放的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)進行實時監(jiān)控[27]。以上三個方面是數(shù)字鄉(xiāng)村建設過程中亟需關注的環(huán)境問題，通過遙感技術全面、實時地對鄉(xiāng)村土地、水和大氣資源的健康狀況進行監(jiān)測，從源頭上進行管制并遵循自然規(guī)律加以利用和修復，才能實現(xiàn)鄉(xiāng)村的綠色發(fā)展。

四、結語

數(shù)字鄉(xiāng)村建設是一個復雜而龐大的系統(tǒng)工程，它需要在傳統(tǒng)鄉(xiāng)村建設的基礎上融入數(shù)字信息，這個數(shù)字化建設不僅僅是將現(xiàn)實的或紙質的物體變成數(shù)字產品，還是3S、智能傳感網、物聯(lián)網、云計算和人工智能等一系列信息化技術的綜合集成平臺建設。遙感技術作為一項不斷革新的數(shù)據采集手段，能夠為鄉(xiāng)村數(shù)字化提供實時、準確、豐富的各種地理信息，全面推動數(shù)字鄉(xiāng)村的建設。因此，隨著遙感技術逐步應用于數(shù)字鄉(xiāng)村建設，未來的數(shù)字鄉(xiāng)村建設從提高土地綜合效益、綜合利用農業(yè)資源和保障生態(tài)景觀環(huán)境三個方面全面發(fā)展，勢必會推進我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的建設和實施。