基于卫星影像的自然资源疑似违法行为监测

胡海燕

（1.福建省基础地理信息中心，福建 福州 350003）

“加快建立自然资源统一调查、评价、监测制度，健全自然资源监管体制”，党的十九届四中全会《决定》释放了生态文明建设已由理性认识走向量化实践、由分类管理走向体系治理的鲜明信号[1]。卫星遥感数据因有时序性、现势性强的特点，具备服务监测工作的天然优势，已被广泛应用于自然资源、矿产资源监测工作中[2]。福建省拥有丰富的自然资源和优美的生态环境，生态文明指数居全国第一，是全国第一个国家生态文明实验区，践行“绿水青山就是金山银山”的理念，念好福建的“山海经”，迫切需要构建全覆盖、全要素的常态化自然资源遥感监测体系[3]。2019 年8 月以来，福建省充分利用陆地卫星遥感“快速、真实、准确”的优势[4]，以卫星遥感“天上看”为技术支撑，对所辖陆海国土范围的用地、用矿、用海行为实施全要素常态化监测，弥补和突破“发现难”的短板。通过高频次精准监测，实现对疑似违法行为的“早发现”，为“早制止、早处置”自然资源管理和保护提供支撑。

1 技术路线

高空间分辨率遥感数据信息真实丰富、易于判读，客观反映地物的数量、大小、形状等空间形态，空间分布及地物间的空间关系。高时间分辨率遥感数据具备强实时性、高频次特征，反映地物形态、空间分布、空间关系的时间序列变化[5-9]。依托图像处理技术对不同时相卫星遥感数据进行变化信息检测，可实现卫星影像基于时间序列的分析应用。

福建省以自然资源要素的光谱特征、空间特征、时间特征为依据，通过计算机自动识别和人机交互目视解译方法对同一区域不同时期影像数据进行变化检测，提取“基期-新期”两期遥感影像上的变化信息[10]，利用先验知识鉴定变化，去除伪变化；再将变化信息与自然资源管理相关专题数据以及与已批准或备案的用地、用矿、用海、临时用地、设施农用地等进行套合比对，依据技术指标和甄别原则的要求，分析判断变化信息是否为疑似违法图斑，并获取疑似违法图斑覆盖区域与具体类别，实现山水林田湖草自然资源全要素、全覆盖、全天候的遥感动态监测，掌握用地、用矿、用海情况，为违法处置提供线索；最终通过对疑似违法图斑数据的区域统计、空间分析、时态分析等，挖掘潜在的规律与特征，辅助自然资源监管。其总体技术路线如图1 所示。

图1 自然资源疑似违法行为监测总体技术路线

2 工作流程

围绕基于卫星影像实现自然资源疑似违法行为监测与分析，福建省构建了从数据采集与预处理、监测信息提取与验证到成果分析评价、监测报告编制的工 作流程，如图2 所示。

图2 自然资源疑似违法行为监测工作流程

2.1 数据准备与预处理

2.1.1 基期影像选择

基期影像（详见表1）是监测时间基点影像，其选择应综合考虑时相差异、分辨率、工作强度等因素。①基期影像与新期监测影像应有合适的时间间隔。时间间隔长，地物变化特征明显，利于发现变化；但时间间隔过长，地物变化信息过多，基于影像识别的变化信息呈级数增长，冗余与干扰图斑将极大地增加工作量，降低工作效率。②自然资源监测基期影像应利用高分辨率影像（本文所称中分辨率影像是指2 ～2.5 m影像，高分辨率影像是指优于1 m 影像）。疑似违法图斑监测与提取颗粒度较小，常以≥200 m2为指标，占用基本农田等现象常需监测与提取≥50 m2的违法单元，对于识别的要求较高，因此基期影像应选择较高分辨率影像。③基期影像应保持相对稳定。多时序新期影像与同一基期影像比对，能有效克服监测图斑错漏这一不足。综上，基期影像宜采用与监测新期相差0.5 a～1 a 优于1 m 分辨率的卫星影像，因此福建省选择现势性为2018 年12 月的年度遥感监测影像为首期基期影像进行图斑采集和质量检查，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（详见表1）为监测影像，其生产制作应高质高效。福建省依托高分福建中心、省级卫星中心等，日均接收中高分辨率卫星影像20～30 景，但福建因山地、近海等地域特征，卫星影像常有含云量超标等问题。一般含云量≤10%（影像获取困难区域可放宽至≤20%），倾斜角≤20°（城镇可放宽至≤25°），纹理清晰、无异常点，则视为合格影像，经波段合成、正射校正、融合、调色、镶嵌等系列操作后，获得图像清晰、地物层次分明、色调一致的正射遥感影像，并生成接合图，导入监测影像数据库，参与监测任务区计算。

2.1.3 专题数据获取与使用

自然资源疑似违法图斑发现与判读应精准、指向性强，因此应获取丰富的专题数据（详见表1）以辅助判读与归类。其一，应获取和使用用地审批数、矿权审批数据等各类审批数据作为合法范围的划定依据，减小监测作业范围避免数据冗余；其二，应获取与使用基本农田保护区、生态保护区等自然资源管理数据，准确判定违法类型，减少执法工作量。专题数据需进行格式转换、数学基础统一、属性代码等标准化规范化整理。

表1 数据资源体系

2.2 信息提取与验证

2.2.1 监测任务区计算

福建省选择乡镇为基本监测单元，以充分利用优于1 m 的高分辨率影像为原则，以影像覆盖率、时间间隔为计算因子，通过空间分析计算监测任务区。首先将影像接合图与乡镇行政区划单元进行空间叠加分析，将中分+高分影像覆盖率≥90%或高分影像覆盖率≥50%的乡镇标记为待监测乡镇；再将待监测乡镇的本期新期影像与上一轮次监测所用新期影像进行时间间隔计算，如高分辨率影像时间间隔≥30 d 或中分辨率影像时间间隔≥50 d，则将满足条件的乡镇确定为本期监测任务区。

2.2.2 监测工程创建

创建以乡镇、监测批次为标识的监测工程，利用新期影像与表1“合法范围确定依据”专题数据进行空间叠置分析，确定监测作业区域；根据作业区域范围，对作业资料进行分析，建立涵盖基期影像、新期影像、参考影像、专题数据及基础地理信息数据等的数据目录。通过统一规范的监测工程创建保障监测工程的唯一性、专题数据的一致性、监测区域的准确性。

2.2.3 疑似违法图斑提取

按照影像地物特征，结合数据时相、地域特点、地形地貌、周边环境等综合要素进行分析，采用智能识别与人机交互判读方式按类型与采集指标（如表2）发现与提取疑似违法用地、用矿、用海图斑（如图3 ～8），并基于新期影像沿新增疑似违法行为痕迹按面状图斑勾绘。为提高图斑精准度与可靠性，对特征不明显或目标判断困难的变化图斑归为存疑图斑进行跟踪，在后期监测中予以甄别与判定。

表2 疑似违法图斑类型与采集指标

2.2.4 图斑标准化处理

为便于分析评价，采集的疑似违法图斑需经系列标准化处理：①空间拓扑检查，处理自相交等问题；②以UL 空间排序方法改造要素顺序，并按照“行政区划代码+监测批次+顺序号”对监测图斑进行统一编号；③对图斑所属各级行政单元、图斑类别、基期与新期影像、采集人等属性信息，并验证属性域的正确性；④采用批处理工具，实现疑似违法图斑前后时相截图。

图3 疑似违法用地典型案例（前时相）

图4 疑似违法用地典型案例（后时相）

图5 疑似违法用矿典型案例（前时相）

图6 疑似违法用矿典型案例（后时相）

图7 疑似违法用海典型案例（前时相）

图8 疑似违法用海典型案例（后时相）

2.3 数据统计分析

监测图斑以地理信息数据的形式表达零散的各类违法行为的空间分布，需要对疑似违法行为进行统计分析，找出规律和结论，满足自然资源管理应用需求，主要开展区域分析、类型分析、专项分析与趋势分析等。

区域分析以设区市、县、乡等为统计单元，统计各级行政单元疑似违法图斑数量、计算疑似违法图斑分布密度，客观反映各级行政单元疑似违法行为总体情况，可辅助重点监测区域划定。类型分析重在统计各类疑似违法行为的数量、面积，可辅助专项监测与执法方向确定。专项分析是基于监测结果与专题数据进行数据挖掘分析，掌握疑似违法图斑的专项情况，如监测结果与耕地、基本农田数据进行空间叠置分析，可计算各类疑似违法违法行为占用耕地、占用基本农田的数量、面积、分布等，为最严格的耕地保护提供支持。趋势分析重在分析各类疑似违法行为基于时间维度的数量、面积与密度变化，检验持续监测的成效。

2.4 监测报告编制

监测报告是面向管理部门的最终成果，重点在于基于数据将有价值的信息分类、汇总、统计，同时将大量的数据以更直观、美观的方式展示出来，让管理者快速获取聚焦方向。报告主要包括监测任务总体情况，疑似图斑成果统计情况、分布情况、占用耕地情况、占用基本农田情况以及疑似图斑变化情况等。

3 监测成果与分析

3.1 监测成果可靠性

2019 年8 月至2020 年7 月，福建省开展了12 期用地用矿监测，31 期用海监测，监测陆域总面积56.3 万km2（全省面积的4.5 倍），约92.58% 的省域实现三轮次以上监测。监测海岸线及海岛岸线约7.5 万km，实现全省大陆海岸线与海岛岸线的10 轮次以上监测覆盖。经实地核查验证与地市核查反馈，基于卫星影像发现与提取的疑似违法图斑，实地有变化明确为违法用地的比例约为17.7%，实地有变化暂定合法地但需补充提供有效证明手续的比例为14%，实地有变化但类型为临时用地、设施农用地、农村道路用地、光伏用地等其他用地类型的比例为58%，实地未变化的伪变化图斑比例为8.3%。因此，卫星遥感“天上看”监测工作能够较为可靠地发现违法变化图斑，但仍需持续提高图斑识别提取的精准度和时效性。

3.2 监测成果分析

3.2.1 区域分布特征

疑似违法图斑分布呈东高西低并向城市带集中趋势（如图9）。东部沿海城市多期累计发现与提取疑似违法图斑平均密度为0.585 宗/km2，个别市县累计图斑密度大于1 宗/km2；内陆城市多期累计发现与提取疑似违法图斑平均密度为0.236 宗/km2（如图10）。疑似违法图斑分布与经济发展程度密切相关，东部沿海地区、县市主城区因经济社会发展用地需求旺盛以致疑似违法图斑密度较高。

图9 疑似违法图斑分布热力图

图10 疑似违法图斑分布密度分级图

3.2.2 趋势变化分析

单位面积的疑似违法图斑数量、面积密度总体呈下降趋势（如图11、12）。疑似违法图斑数量、面积密度前两期相对较高，第3 期开始呈明显下降趋势，自第4 期起，疑似违法图斑数量密度保持在0.1 宗/km2以下，面积密度保持在1 亩/km2以下。统计数据显示通过常态化监测，管理部门及时掌握各地违法用地、用矿、用海总体情况，适时通过行政手段遏制违法态势，震慑效应渐显。

图11 多期疑似违法图斑数量密度变化图

图12 多期疑似违法图斑面积密度变化图

3.2.3 占用耕地与基本农田分析

疑似违法图斑与耕地、基本农田数据进行空间叠置分析，检索与计算落入其中的图斑数量与面积。经多期监测，疑似违法图斑占用耕地、基本农田现象仍有发生，因此，落实最严格耕地保护制度对常态化监测的需求迫切。

4 结 语

福建省利用卫星遥感影像变化检测技术分析提取疑似违法图斑，通过数据挖掘分析掌握违法行为的空间分布特征与变化趋势，适时利用行政手段加强监管，基本实现对疑似违法行为 “发现更快，反应更快，处置更快”的目标，初步形成省级自然资源现代治理体系与运行机制。下一步将充分利用卫星数据，发挥多源卫星数据综合能力，提升技术方法与完善工作机制，服务自然资源管理。将建立影像快速处理机制，引进集群化环境加快影像处理效率，提高执法监测资料时效性；细化疑似违法图斑提取指标，提高监测图斑精准度；探索自然资源智能监测技术、构建影像智能解译分析系统，建立福建特色的样本库，快速发现特定时间、区域、面积内的自然资源类别变化，向快速化、智能化、一体化、精准化方向转型；建立疑似违法图斑全生命周期，实现对疑似违法图斑的追踪管理，确保自然资源疑似违法行为监测取得实效。