基于衛(wèi)星影像的自然資源疑似違法行為監(jiān)測

胡海燕

（1.福建省基礎地理信息中心，福建 福州 350003）

“加快建立自然資源統(tǒng)一調(diào)查、評價、監(jiān)測制度，健全自然資源監(jiān)管體制”，黨的十九屆四中全會《決定》釋放了生態(tài)文明建設已由理性認識走向量化實踐、由分類管理走向體系治理的鮮明信號[1]。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)因有時序性、現(xiàn)勢性強的特點，具備服務監(jiān)測工作的天然優(yōu)勢，已被廣泛應用于自然資源、礦產(chǎn)資源監(jiān)測工作中[2]。福建省擁有豐富的自然資源和優(yōu)美的生態(tài)環(huán)境，生態(tài)文明指數(shù)居全國第一，是全國第一個國家生態(tài)文明實驗區(qū)，踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，念好福建的“山海經(jīng)”，迫切需要構(gòu)建全覆蓋、全要素的常態(tài)化自然資源遙感監(jiān)測體系[3]。2019 年8 月以來，福建省充分利用陸地衛(wèi)星遙感“快速、真實、準確”的優(yōu)勢[4]，以衛(wèi)星遙感“天上看”為技術(shù)支撐，對所轄陸海國土范圍的用地、用礦、用海行為實施全要素常態(tài)化監(jiān)測，彌補和突破“發(fā)現(xiàn)難”的短板。通過高頻次精準監(jiān)測，實現(xiàn)對疑似違法行為的“早發(fā)現(xiàn)”，為“早制止、早處置”自然資源管理和保護提供支撐。

1 技術(shù)路線

高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)信息真實豐富、易于判讀，客觀反映地物的數(shù)量、大小、形狀等空間形態(tài)，空間分布及地物間的空間關系。高時間分辨率遙感數(shù)據(jù)具備強實時性、高頻次特征，反映地物形態(tài)、空間分布、空間關系的時間序列變化[5-9]。依托圖像處理技術(shù)對不同時相衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行變化信息檢測，可實現(xiàn)衛(wèi)星影像基于時間序列的分析應用。

福建省以自然資源要素的光譜特征、空間特征、時間特征為依據(jù)，通過計算機自動識別和人機交互目視解譯方法對同一區(qū)域不同時期影像數(shù)據(jù)進行變化檢測，提取“基期-新期”兩期遙感影像上的變化信息[10]，利用先驗知識鑒定變化，去除偽變化；再將變化信息與自然資源管理相關專題數(shù)據(jù)以及與已批準或備案的用地、用礦、用海、臨時用地、設施農(nóng)用地等進行套合比對，依據(jù)技術(shù)指標和甄別原則的要求，分析判斷變化信息是否為疑似違法圖斑，并獲取疑似違法圖斑覆蓋區(qū)域與具體類別，實現(xiàn)山水林田湖草自然資源全要素、全覆蓋、全天候的遙感動態(tài)監(jiān)測，掌握用地、用礦、用海情況，為違法處置提供線索；最終通過對疑似違法圖斑數(shù)據(jù)的區(qū)域統(tǒng)計、空間分析、時態(tài)分析等，挖掘潛在的規(guī)律與特征，輔助自然資源監(jiān)管。其總體技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 自然資源疑似違法行為監(jiān)測總體技術(shù)路線

2 工作流程

圍繞基于衛(wèi)星影像實現(xiàn)自然資源疑似違法行為監(jiān)測與分析，福建省構(gòu)建了從數(shù)據(jù)采集與預處理、監(jiān)測信息提取與驗證到成果分析評價、監(jiān)測報告編制的工 作流程，如圖2 所示。

圖2 自然資源疑似違法行為監(jiān)測工作流程

2.1 數(shù)據(jù)準備與預處理

2.1.1 基期影像選擇

基期影像（詳見表1）是監(jiān)測時間基點影像，其選擇應綜合考慮時相差異、分辨率、工作強度等因素。①基期影像與新期監(jiān)測影像應有合適的時間間隔。時間間隔長，地物變化特征明顯，利于發(fā)現(xiàn)變化；但時間間隔過長，地物變化信息過多，基于影像識別的變化信息呈級數(shù)增長，冗余與干擾圖斑將極大地增加工作量，降低工作效率。②自然資源監(jiān)測基期影像應利用高分辨率影像（本文所稱中分辨率影像是指2 ～2.5 m影像，高分辨率影像是指優(yōu)于1 m 影像）。疑似違法圖斑監(jiān)測與提取顆粒度較小，常以≥200 m2為指標，占用基本農(nóng)田等現(xiàn)象常需監(jiān)測與提取≥50 m2的違法單元，對于識別的要求較高，因此基期影像應選擇較高分辨率影像。③基期影像應保持相對穩(wěn)定。多時序新期影像與同一基期影像比對，能有效克服監(jiān)測圖斑錯漏這一不足。綜上，基期影像宜采用與監(jiān)測新期相差0.5 a～1 a 優(yōu)于1 m 分辨率的衛(wèi)星影像，因此福建省選擇現(xiàn)勢性為2018 年12 月的年度遙感監(jiān)測影像為首期基期影像進行圖斑采集和質(zhì)量檢查，并每隔0.5 a 左右更新一次。

2.1.2 新期影像制作

新期影像（詳見表1）為監(jiān)測影像，其生產(chǎn)制作應高質(zhì)高效。福建省依托高分福建中心、省級衛(wèi)星中心等，日均接收中高分辨率衛(wèi)星影像20～30 景，但福建因山地、近海等地域特征，衛(wèi)星影像常有含云量超標等問題。一般含云量≤10%（影像獲取困難區(qū)域可放寬至≤20%），傾斜角≤20°（城鎮(zhèn)可放寬至≤25°），紋理清晰、無異常點，則視為合格影像，經(jīng)波段合成、正射校正、融合、調(diào)色、鑲嵌等系列操作后，獲得圖像清晰、地物層次分明、色調(diào)一致的正射遙感影像，并生成接合圖，導入監(jiān)測影像數(shù)據(jù)庫，參與監(jiān)測任務區(qū)計算。

2.1.3 專題數(shù)據(jù)獲取與使用

自然資源疑似違法圖斑發(fā)現(xiàn)與判讀應精準、指向性強，因此應獲取豐富的專題數(shù)據(jù)（詳見表1）以輔助判讀與歸類。其一，應獲取和使用用地審批數(shù)、礦權(quán)審批數(shù)據(jù)等各類審批數(shù)據(jù)作為合法范圍的劃定依據(jù)，減小監(jiān)測作業(yè)范圍避免數(shù)據(jù)冗余；其二，應獲取與使用基本農(nóng)田保護區(qū)、生態(tài)保護區(qū)等自然資源管理數(shù)據(jù)，準確判定違法類型，減少執(zhí)法工作量。專題數(shù)據(jù)需進行格式轉(zhuǎn)換、數(shù)學基礎統(tǒng)一、屬性代碼等標準化規(guī)范化整理。

表1 數(shù)據(jù)資源體系

2.2 信息提取與驗證

2.2.1 監(jiān)測任務區(qū)計算

福建省選擇鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本監(jiān)測單元，以充分利用優(yōu)于1 m 的高分辨率影像為原則，以影像覆蓋率、時間間隔為計算因子，通過空間分析計算監(jiān)測任務區(qū)。首先將影像接合圖與鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃單元進行空間疊加分析，將中分+高分影像覆蓋率≥90%或高分影像覆蓋率≥50%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)標記為待監(jiān)測鄉(xiāng)鎮(zhèn)；再將待監(jiān)測鄉(xiāng)鎮(zhèn)的本期新期影像與上一輪次監(jiān)測所用新期影像進行時間間隔計算，如高分辨率影像時間間隔≥30 d 或中分辨率影像時間間隔≥50 d，則將滿足條件的鄉(xiāng)鎮(zhèn)確定為本期監(jiān)測任務區(qū)。

2.2.2 監(jiān)測工程創(chuàng)建

創(chuàng)建以鄉(xiāng)鎮(zhèn)、監(jiān)測批次為標識的監(jiān)測工程，利用新期影像與表1“合法范圍確定依據(jù)”專題數(shù)據(jù)進行空間疊置分析，確定監(jiān)測作業(yè)區(qū)域；根據(jù)作業(yè)區(qū)域范圍，對作業(yè)資料進行分析，建立涵蓋基期影像、新期影像、參考影像、專題數(shù)據(jù)及基礎地理信息數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)目錄。通過統(tǒng)一規(guī)范的監(jiān)測工程創(chuàng)建保障監(jiān)測工程的唯一性、專題數(shù)據(jù)的一致性、監(jiān)測區(qū)域的準確性。

2.2.3 疑似違法圖斑提取

按照影像地物特征，結(jié)合數(shù)據(jù)時相、地域特點、地形地貌、周邊環(huán)境等綜合要素進行分析，采用智能識別與人機交互判讀方式按類型與采集指標（如表2）發(fā)現(xiàn)與提取疑似違法用地、用礦、用海圖斑（如圖3 ～8），并基于新期影像沿新增疑似違法行為痕跡按面狀圖斑勾繪。為提高圖斑精準度與可靠性，對特征不明顯或目標判斷困難的變化圖斑歸為存疑圖斑進行跟蹤，在后期監(jiān)測中予以甄別與判定。

表2 疑似違法圖斑類型與采集指標

2.2.4 圖斑標準化處理

為便于分析評價，采集的疑似違法圖斑需經(jīng)系列標準化處理：①空間拓撲檢查，處理自相交等問題；②以UL 空間排序方法改造要素順序，并按照“行政區(qū)劃代碼+監(jiān)測批次+順序號”對監(jiān)測圖斑進行統(tǒng)一編號；③對圖斑所屬各級行政單元、圖斑類別、基期與新期影像、采集人等屬性信息，并驗證屬性域的正確性；④采用批處理工具，實現(xiàn)疑似違法圖斑前后時相截圖。

圖3 疑似違法用地典型案例（前時相）

圖4 疑似違法用地典型案例（后時相）

圖5 疑似違法用礦典型案例（前時相）

圖6 疑似違法用礦典型案例（后時相）

圖7 疑似違法用海典型案例（前時相）

圖8 疑似違法用海典型案例（后時相）

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

監(jiān)測圖斑以地理信息數(shù)據(jù)的形式表達零散的各類違法行為的空間分布，需要對疑似違法行為進行統(tǒng)計分析，找出規(guī)律和結(jié)論，滿足自然資源管理應用需求，主要開展區(qū)域分析、類型分析、專項分析與趨勢分析等。

區(qū)域分析以設區(qū)市、縣、鄉(xiāng)等為統(tǒng)計單元，統(tǒng)計各級行政單元疑似違法圖斑數(shù)量、計算疑似違法圖斑分布密度，客觀反映各級行政單元疑似違法行為總體情況，可輔助重點監(jiān)測區(qū)域劃定。類型分析重在統(tǒng)計各類疑似違法行為的數(shù)量、面積，可輔助專項監(jiān)測與執(zhí)法方向確定。專項分析是基于監(jiān)測結(jié)果與專題數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘分析，掌握疑似違法圖斑的專項情況，如監(jiān)測結(jié)果與耕地、基本農(nóng)田數(shù)據(jù)進行空間疊置分析，可計算各類疑似違法違法行為占用耕地、占用基本農(nóng)田的數(shù)量、面積、分布等，為最嚴格的耕地保護提供支持。趨勢分析重在分析各類疑似違法行為基于時間維度的數(shù)量、面積與密度變化，檢驗持續(xù)監(jiān)測的成效。

2.4 監(jiān)測報告編制

監(jiān)測報告是面向管理部門的最終成果，重點在于基于數(shù)據(jù)將有價值的信息分類、匯總、統(tǒng)計，同時將大量的數(shù)據(jù)以更直觀、美觀的方式展示出來，讓管理者快速獲取聚焦方向。報告主要包括監(jiān)測任務總體情況，疑似圖斑成果統(tǒng)計情況、分布情況、占用耕地情況、占用基本農(nóng)田情況以及疑似圖斑變化情況等。

3 監(jiān)測成果與分析

3.1 監(jiān)測成果可靠性

2019 年8 月至2020 年7 月，福建省開展了12 期用地用礦監(jiān)測，31 期用海監(jiān)測，監(jiān)測陸域總面積56.3 萬km2（全省面積的4.5 倍），約92.58% 的省域?qū)崿F(xiàn)三輪次以上監(jiān)測。監(jiān)測海岸線及海島岸線約7.5 萬km，實現(xiàn)全省大陸海岸線與海島岸線的10 輪次以上監(jiān)測覆蓋。經(jīng)實地核查驗證與地市核查反饋，基于衛(wèi)星影像發(fā)現(xiàn)與提取的疑似違法圖斑，實地有變化明確為違法用地的比例約為17.7%，實地有變化暫定合法地但需補充提供有效證明手續(xù)的比例為14%，實地有變化但類型為臨時用地、設施農(nóng)用地、農(nóng)村道路用地、光伏用地等其他用地類型的比例為58%，實地未變化的偽變化圖斑比例為8.3%。因此，衛(wèi)星遙感“天上看”監(jiān)測工作能夠較為可靠地發(fā)現(xiàn)違法變化圖斑，但仍需持續(xù)提高圖斑識別提取的精準度和時效性。

3.2 監(jiān)測成果分析

3.2.1 區(qū)域分布特征

疑似違法圖斑分布呈東高西低并向城市帶集中趨勢（如圖9）。東部沿海城市多期累計發(fā)現(xiàn)與提取疑似違法圖斑平均密度為0.585 宗/km2，個別市縣累計圖斑密度大于1 宗/km2；內(nèi)陸城市多期累計發(fā)現(xiàn)與提取疑似違法圖斑平均密度為0.236 宗/km2（如圖10）。疑似違法圖斑分布與經(jīng)濟發(fā)展程度密切相關，東部沿海地區(qū)、縣市主城區(qū)因經(jīng)濟社會發(fā)展用地需求旺盛以致疑似違法圖斑密度較高。

圖9 疑似違法圖斑分布熱力圖

圖10 疑似違法圖斑分布密度分級圖

3.2.2 趨勢變化分析

單位面積的疑似違法圖斑數(shù)量、面積密度總體呈下降趨勢（如圖11、12）。疑似違法圖斑數(shù)量、面積密度前兩期相對較高，第3 期開始呈明顯下降趨勢，自第4 期起，疑似違法圖斑數(shù)量密度保持在0.1 宗/km2以下，面積密度保持在1 畝/km2以下。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示通過常態(tài)化監(jiān)測，管理部門及時掌握各地違法用地、用礦、用海總體情況，適時通過行政手段遏制違法態(tài)勢，震懾效應漸顯。

圖11 多期疑似違法圖斑數(shù)量密度變化圖

圖12 多期疑似違法圖斑面積密度變化圖

3.2.3 占用耕地與基本農(nóng)田分析

疑似違法圖斑與耕地、基本農(nóng)田數(shù)據(jù)進行空間疊置分析，檢索與計算落入其中的圖斑數(shù)量與面積。經(jīng)多期監(jiān)測，疑似違法圖斑占用耕地、基本農(nóng)田現(xiàn)象仍有發(fā)生，因此，落實最嚴格耕地保護制度對常態(tài)化監(jiān)測的需求迫切。

4 結(jié) 語

福建省利用衛(wèi)星遙感影像變化檢測技術(shù)分析提取疑似違法圖斑，通過數(shù)據(jù)挖掘分析掌握違法行為的空間分布特征與變化趨勢，適時利用行政手段加強監(jiān)管，基本實現(xiàn)對疑似違法行為 “發(fā)現(xiàn)更快，反應更快，處置更快”的目標，初步形成省級自然資源現(xiàn)代治理體系與運行機制。下一步將充分利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)，發(fā)揮多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)綜合能力，提升技術(shù)方法與完善工作機制，服務自然資源管理。將建立影像快速處理機制，引進集群化環(huán)境加快影像處理效率，提高執(zhí)法監(jiān)測資料時效性；細化疑似違法圖斑提取指標，提高監(jiān)測圖斑精準度；探索自然資源智能監(jiān)測技術(shù)、構(gòu)建影像智能解譯分析系統(tǒng)，建立福建特色的樣本庫，快速發(fā)現(xiàn)特定時間、區(qū)域、面積內(nèi)的自然資源類別變化，向快速化、智能化、一體化、精準化方向轉(zhuǎn)型；建立疑似違法圖斑全生命周期，實現(xiàn)對疑似違法圖斑的追蹤管理，確保自然資源疑似違法行為監(jiān)測取得實效。