动态遥感监测在补充耕地项目中的应用研究

王平平

（河南省自然资源监测和国土整治院，河南 郑州 450016）

0 引言

2020年，自然资源部发布《自然资源调查监测体系构建总体方案》，提出对我国范围内的自然资源定期开展全覆盖动态遥感监测。自然资源监测的主要目标是全面掌握全国耕地、林草、湿地、水及其他自然资源和人工建（构）筑物的类型、面积、范围、分布和变化等情况［1］。其中，耕地资源是我国的宝贵资源，关乎国家粮食安全，更是关系到十几亿人吃饭的大事，必须要保护好，绝不能有任何闪失。国家明确禁止违规占用耕地的行为包括违规占用耕地进行绿化造林、在耕地上超标准建设绿色通道、在耕地上挖湖造景和从事非农建设等［2］。利用遥感影像对耕地的利用状况进行动态遥感监测，可及时掌握耕地的变化情况，以便能快速发现问题，并督促整改。补充耕地遥感监测是实现耕地全时段、全方位监测监管，防止耕地“非农化”“非粮化”，切实做到耕地数量、质量和生态三位一体保护的重要手段［3-4］。因此，高效利用遥感监测能快速发现耕地“非农化”问题。

近年来，遥感技术的应用范围越来越大，深入到生产生活各个领域中，如农业、智慧城市、地理、地质、水文、海洋、气象环境监测和军事侦察等方面［5］。在农业监测方面，遥感技术发挥着重要作用。例如，农作物与植被的光谱特征较为相似，可根据农作物的图形结构、色调及特定的位置特征，通过遥感技术来区分农作物与植被。农作物主要分布在地理位置较为平坦的平原、盆地和河谷。遥感影像也能精准获取地面的农作物信息，将获取到的信息用于农作物生长、自然灾害防治等方面。我国是农业大国，为了使农作物保持健康的生长状态，可在农业生产过程中广泛使用遥感技术。遥感技术可监测农作物的分布情况，从而为我国农业的健康发展奠定坚实的基础。因此，将遥感技术应用于农业生产过程中显得尤为重要。

补充耕地项目是新增耕地的重要来源，是农业发展的基石。党中央和国务院都十分重视对耕地的保护，连续出台一系列保护耕地的政策，但部分地区仍存在违规占用耕地的现象，如常见的建设占用、绿化造林、坑塘和撂荒等。这对补充耕地项目造成极大的冲击，自然资源部对此高度重视，国家自然资源督察济南局多次开展耕地保护督察。遥感监测是对地面目标物变化进行监测的重要手段。本研究针对上述四类违规占用耕地问题，基于高分辨率卫星遥感影像、补充耕地项目坐标等数据，来探索解决违规占用耕地问题遥感解译标志和遥感监测的技术路线。

1 遥感数据源

本研究使用的遥感数据源较为丰富，种类较多，能有效解决遥感数据区域覆盖不充分的问题，使用的数据为高分一号、高分二号、高分六号、资源三号和北京二号等高分辨率卫星影像以及补充耕地项目坐标。遥感影像的空间分辨率多为2 m，部分为亚米级，空间分辨率较高，可满足补充耕地遥感监测的需求。本研究通过坐标转换、数据融合等方式对遥感数据进行预处理，同时对数据的规范性和完整性进行检查。

2 遥感解译标志

各种目标地物在遥感图像中不同的色、形、位差异构成可供识别的目标地物特征，即遥感解译标志，其是遥感目视解译的关键。建立遥感解译标志对补充耕地项目遥感监测工作来说是至关重要的。建立相对准确、具备指导意义的遥感解译标志是利用遥感影像批量提取违规占用耕地图斑的基础。

在遥感图像中，目标地物特征是地物电磁波辐射在遥感影像上的典型差异表现［6］。按照不同的表现形式，可分为“色”“形”“位”三大类。“色”是指目标地物在遥感影像中的颜色，包括目标地物的色调、颜色和阴影等；“形”是指目标地物在遥感影像上的形状，包括目标地物的形状、纹理、大小和图形等；“位”是指目标地物在遥感影像中的空间位置，包括目标地物空间位置的分布情况等。本研究主要对色调、颜色和纹理遥感目视解译特点进行研究。色调标志是指全色遥感图像中从白到黑的密度比例，也称灰度；颜色标志是彩色遥感图像中识别目标地物的基本依据；地物对可见光入射光进行选择性吸收，反射到人眼中形成颜色，其是不同地物反射或发射电磁波辐射能量差异的综合体现。人眼具有较高的区分色彩的能力，遥感影像可充分体现地物之间的颜色差异，如人眼看上去农作物和植被的颜色相似，同为绿色，但二者间依然存在微小色差，经验丰富的解译人员可将二者区分开。地物内部的色调规则变化呈现的结构特征称为纹理，纹理表现为地物表面的质感，特征通常表现为平滑或粗糙，如农田在遥感影像中的条带状纹理特征。纹理是判断地物性质的重要标志。

根据上述遥感目视解译标志的特点，本研究结合违规占用耕地的遥感影像特征，同时辅以野外验证，建立建设占用、绿化造林、坑塘、撂荒的遥感解译标志，其主要特征如下。

2.1 建设占用

建设占用在遥感影像中的特征明显，颜色多为蓝色、白色等，形状为规则立体，纹理光滑细腻，与周围耕地在颜色和纹理方面的差异较大。在遥感影像中，建设占用地与周围耕地能很好地区分开来，见图1。

图1 建设占用在遥感影像与无人机航拍中的特征对比

2.2 绿化造林

林木在遥感影像中的颜色比耕地深，多呈深绿色，且纹理特征明显，有较为致密的颗粒感和粗糙感，与周围耕地的颜色和细腻纹理特征有明显的区别，见图2。

图2 绿化造林在遥感影像与无人机航拍中的特征对比

2.3 坑塘

坑塘为水体的一种，其在遥感影像中的颜色通常为深黑色调，表面的纹理均匀细腻，形状规则，边界清晰，与周围地物有较大的区别，见图3。

图3 坑塘在遥感影像与无人机航拍中的特征对比

2.4 撂荒

撂荒地是指连续两个及以上种植季未种植的耕地。正常耕种的土地农作物生长状况具有明显的季节性特征，植被覆盖度时序特征显著，而撂荒地的地表覆盖的是裸地或有杂草生长，大多数的生长状况明显弱于有农作物生长的耕地［7］。撂荒地常与坡耕地相伴，周围被坡耕地包围。撂荒地在遥感影像中的颜色多呈土黄色，颜色与周围农作物差异较大，形状规则边界明显，且有较细腻的纹理特征，见图4。

图4 撂荒在遥感影像与无人机航拍中的特征对比

3 遥感监测技术路线

本研究根据建立的建设占用、绿化造林、坑塘、撂荒的遥感解译标志，将补充耕地项目坐标与遥感影像结合，并通过人机交互解译的方式来提取以上四类违规占用耕地的疑似图斑。将提取到的疑似图斑进行统计汇总，形成问题预警信息，并上报业务处室，下发至市县自然资源管理部门［8］。地方自然资源部门对下发的疑似图斑进行核实举证，发现有问题的，要及时进行整改或核减。基于上述方式，形成常态化补充耕地项目动态监测监管机制，建立违规占用耕地图斑动态变化数据库，编制动态遥感监测报告。本研究使用的遥感影像数据具有更新速度快、空间分辨率高的特点，通常以7 d为时间间隔来更新获取的遥感数据。综上所述，本研究采取周监测、周统计、月报告、季度报告、半年报告和年度报告的方式，建立的动态遥感监测数据库采取类似时间间隔方式，全方位实时监测补充耕地项目的变化情况，为补充耕地项目和粮食安全提供强有力的保障［9］。补充耕地项目动态遥感监测技术路线图如图5所示。

图5 遥感监测技术路线图

4 结语

在耕地保护越来越严格的背景下，如何有效快速发现违规占用耕地问题，有针对性地监督和保护耕地，是自然资源部门的重点任务。本研究针对违规占用耕地的问题，利用高分辨率卫星影像，补充耕地项目坐标，从色调、颜色和纹理3个方面出发，重点分析违规占用耕地情况的遥感影像特征，并初步进行解译，同时辅以野外验证，建立建设占用、绿化造林、坑塘和撂荒等违规占用耕地问题的遥感解译标志。通过建立的遥感解译标志来提取补充耕地项目违规占用耕地的疑似图斑，下发市县自然资源部门，并开展核实举证整改工作。最终形成补充耕地项目违规占用耕地图斑遥感监测数据库和遥感监测报告，实现遥感技术监测补充耕地项目动态变化情况的目标，并建立补充耕地项目遥感监测技术路线，为补充耕地项目遥感监测提供新思路新方法，从而保障国家粮食安全。