動態遙感監測在補充耕地項目中的應用研究

王平平

（河南省自然資源監測和國土整治院，河南 鄭州 450016）

0 引言

2020年，自然資源部發布《自然資源調查監測體系構建總體方案》，提出對我國范圍內的自然資源定期開展全覆蓋動態遙感監測。自然資源監測的主要目標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）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，關乎國家糧食安全，更是關系到十幾億人吃飯的大事，必須要保護好，絕不能有任何閃失。國家明確禁止違規占用耕地的行為包括違規占用耕地進行綠化造林、在耕地上超標準建設綠色通道、在耕地上挖湖造景和從事非農建設等［2］。利用遙感影像對耕地的利用狀況進行動態遙感監測，可及時掌握耕地的變化情況，以便能快速發現問題，并督促整改。補充耕地遙感監測是實現耕地全時段、全方位監測監管，防止耕地“非農化”“非糧化”，切實做到耕地數量、質量和生態三位一體保護的重要手段［3-4］。因此，高效利用遙感監測能快速發現耕地“非農化”問題。

近年來，遙感技術的應用范圍越來越大，深入到生產生活各個領域中，如農業、智慧城市、地理、地質、水文、海洋、氣象環境監測和軍事偵察等方面［5］。在農業監測方面，遙感技術發揮著重要作用。例如，農作物與植被的光譜特征較為相似，可根據農作物的圖形結構、色調及特定的位置特征，通過遙感技術來區分農作物與植被。農作物主要分布在地理位置較為平坦的平原、盆地和河谷。遙感影像也能精準獲取地面的農作物信息，將獲取到的信息用于農作物生長、自然災害防治等方面。我國是農業大國，為了使農作物保持健康的生長狀態，可在農業生產過程中廣泛使用遙感技術。遙感技術可監測農作物的分布情況，從而為我國農業的健康發展奠定堅實的基礎。因此，將遙感技術應用于農業生產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，是農業發展的基石。黨中央和國務院都十分重視對耕地的保護，連續出臺一系列保護耕地的政策，但部分地區仍存在違規占用耕地的現象，如常見的建設占用、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南局多次開展耕地保護督察。遙感監測是對地面目標物變化進行監測的重要手段。本研究針對上述四類違規占用耕地問題，基于高分辨率衛星遙感影像、補充耕地項目坐標等數據，來探索解決違規占用耕地問題遙感解譯標志和遙感監測的技術路線。

1 遙感數據源

本研究使用的遙感數據源較為豐富，種類較多，能有效解決遙感數據區域覆蓋不充分的問題，使用的數據為高分一號、高分二號、高分六號、資源三號和北京二號等高分辨率衛星影像以及補充耕地項目坐標。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測的需求。本研究通過坐標轉換、數據融合等方式對遙感數據進行預處理，同時對數據的規范性和完整性進行檢查。

2 遙感解譯標志

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

在遙感圖像中，目標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［6］。按照不同的表現形式，可分為“色”“形”“位”三大類?！吧笔侵改繕说匚镌谶b感影像中的顏色，包括目標地物的色調、顏色和陰影等；“形”是指目標地物在遙感影像上的形狀，包括目標地物的形狀、紋理、大小和圖形等；“位”是指目標地物在遙感影像中的空間位置，包括目標地物空間位置的分布情況等。本研究主要對色調、顏色和紋理遙感目視解譯特點進行研究。色調標志是指全色遙感圖像中從白到黑的密度比例，也稱灰度；顏色標志是彩色遙感圖像中識別目標地物的基本依據；地物對可見光入射光進行選擇性吸收，反射到人眼中形成顏色，其是不同地物反射或發射電磁波輻射能量差異的綜合體現。人眼具有較高的區分色彩的能力，遙感影像可充分體現地物之間的顏色差異，如人眼看上去農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，經驗豐富的解譯人員可將二者區分開。地物內部的色調規則變化呈現的結構特征稱為紋理，紋理表現為地物表面的質感，特征通常表現為平滑或粗糙，如農田在遙感影像中的條帶狀紋理特征。紋理是判斷地物性質的重要標志。

根據上述遙感目視解譯標志的特點，本研究結合違規占用耕地的遙感影像特征，同時輔以野外驗證，建立建設占用、綠化造林、坑塘、撂荒的遙感解譯標志，其主要特征如下。

2.1 建設占用

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

圖1 建設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膩紋理特征有明顯的區別，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，表面的紋理均勻細膩，形狀規則，邊界清晰，與周圍地物有較大的區別，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

撂荒地是指連續兩個及以上種植季未種植的耕地。正常耕種的土地農作物生長狀況具有明顯的季節性特征，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，大多數的生長狀況明顯弱于有農作物生長的耕地［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，顏色與周圍農作物差異較大，形狀規則邊界明顯，且有較細膩的紋理特征，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 遙感監測技術路線

本研究根據建立的建設占用、綠化造林、坑塘、撂荒的遙感解譯標志，將補充耕地項目坐標與遙感影像結合，并通過人機交互解譯的方式來提取以上四類違規占用耕地的疑似圖斑。將提取到的疑似圖斑進行統計匯總，形成問題預警信息，并上報業務處室，下發至市縣自然資源管理部門［8］。地方自然資源部門對下發的疑似圖斑進行核實舉證，發現有問題的，要及時進行整改或核減?；谏鲜龇绞剑纬沙B化補充耕地項目動態監測監管機制，建立違規占用耕地圖斑動態變化數據庫，編制動態遙感監測報告。本研究使用的遙感影像數據具有更新速度快、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據。綜上所述，本研究采取周監測、周統計、月報告、季度報告、半年報告和年度報告的方式，建立的動態遙感監測數據庫采取類似時間間隔方式，全方位實時監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］。補充耕地項目動態遙感監測技術路線圖如圖5所示。

圖5 遙感監測技術路線圖

4 結語

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