遥感技术在耕地保护督察中的应用初探

童 彤

(上海市测绘院,上海 200063)

0 引 言

遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线,对目标进行探测和识别的技术。自60年代在航空摄影和影像判读的基础上发展起来后,随着航空、航天技术和电子计算机技术的飞速发展,目前遥感技术已广泛用于军事侦察、导弹预警、海洋监视、气象观测等。在民用方面,遥感技术也在地球资源普查、植被分类、土地利用规划、农作物病虫害、环境污染监测等方面发挥着重要作用。但目前,将遥感技术应用于耕地保护督察的研究还相对较少,耕地保护督察的工作方式也较少涉及新的遥感技术。本文重点探讨将数字表面模型、高光谱遥感、无人机无人值守三项遥感技术应用于耕地保护督察的可行性,设计合理有效、便于操作的技术路径提高督察工作效率。

1 耕地保护督察概述

1.1 耕地保护督察的主要任务

习近平总书记多次强调,耕地红线要严防死守,要像保护大熊猫一样保护耕地。新修订的《土地管理法实施条例》中明确,国家自然资源督察机构根据授权对省、自治区、直辖市人民政府以及国务院确定的城市人民政府的耕地保护情况进行督察。自2019年起,督察机构每年组织开展耕地保护督察,对违法占用耕地“零容忍”,坚决遏制耕地“非农化”、严格管控“非粮化”,为国家粮食安全保驾护航。

1.2 遥感技术应用现状

现阶段,在耕地保护督察过程中运用的遥感技术通常仅依靠数字正射影像(DOM),主要使用0.5 m到2 m分辨率的卫星影像,通过不同年度的影像、数据叠加比对以及人眼过屏的方式,提取疑似问题线索。督察工作效率极大受制于疑似问题线索提取的速度、准确度,以及需要开展实地核查的问题数量,而遥感技术便捷、智能、高效的优势尚未得到充分的发挥。

随着遥感技术不断的更新迭代,多光谱、高光谱、激光点云等遥感技术已逐步应用于地理国情监测[1]、林业调查[2]等自然资源相关领域,因此遥感技术与耕地保护督察的深度融合,是迫切需要,更是必然趋势。

2 遥感技术在耕地保护督察中的应用分析

2.1 数字表面模型(DSM)

2.1.1 督察应用需求

耕地保护督察,顾名思义凡是破坏耕地的行为都是督察的内容,包括违法违规占用耕地建房、挖田造湖等。尽管利用卫星遥感影像监测违法用地在督察实践中运用广泛[3],但是现有算法自动解译的准确性与可靠性十分有限,最终仍然需要进行大量的人工目视解译辅以人工实地巡查,费时费力、效率低下。同时,卫星影像存在空间分辨率相对较低(0.5～2 m)、影像质量参差不齐等问题,对面积较小的违法用地监测比较困难。航空影像相对于卫星影像最大的优势在于可以通过立体像对构建数字表面模型(DSM)[4],获得地表物体准确的高度信息,为违法用地自动化监测提供数据和技术支撑。此外,航空影像利用航空飞机搭载光学相机对地表进行拍摄,其影像分辨率远高于卫星影像,可达到分米级。

2.1.2 技术路径

数字表面模型(DSM)是指地表按一定间距排列的规则格网上的高程数据集,包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程数据,表示的是最真实的地面起伏情况,通常利用航空立体影像密集匹配算法自动生成。利用不同时相的DSM成果,通过差分的方法获得两时相地表地物的高度变化信息。在实际生产中,将两个时相的DSM进行差分运算,获取变化图斑,然后将检测结果叠加前后两个时相的正射影像,删除由干扰和噪声引起的变化图斑,将变化检测成果与耕地图斑叠加分析,如果变化检测图斑落入耕地图斑,则将属性标记为疑似问题图斑。

使用DSM自动变化检测技术可快速定位高度变化区域,同时结合高分辨率航空影像,有助于提高内业判读的准确性,为高效发现违法用地提供数据支撑。后期可针对变化区域进行实地核实,避免无目标的实地巡查工作,减少外业工作量,节省人力物力和时间成本,提高耕地保护督察效率。2022年,上海市测绘院首次实现了全市范围机载激光扫描点云数据获取(图1),基于点云数据全自动生成DSM数据,数据获取的及时性能够保障督察工作需求。

2.1.3 应用实践

DSM差分技术已应用于上海轨道交通安全保护区全域巡检项目,该项目利用两期不同时相的DSM数据,通过设置变化检测的高度变化(0.8 m)与面积大小(20 m2)的阈值,自动发现监测区域内两期地物的高度变化的图斑(图2)。配合人工筛选,剔除巡查无须关注的图斑,最后针对筛选后的变化图斑赋予属性信息,包括区间段、位置坐标及变化类型,最终完成了上海轨交全线路约760 km范围的变化检测,共检测出1 741处地物发生变化的图斑。与人工巡查相比,遥感技术不仅提高作业效率,还能够规避人工不可进入区域、视线阻挡、地形起伏不明显、快速拆除的临时性建(构)筑物等方面的劣势,有效辅助外业巡查工作,提升轨交安全巡检的监测成效。

图2 基于前后两期DSM自动识别地物标高变化示意图

2.2 高光谱遥感

2.2.1 督察应用需求

自2020年底国务院办公厅印发《关于防止耕地“非粮化”稳定粮食生产的意见》以来,耕地保护督察就将地方政府耕地“非粮化”职责落实情况列入督察重点内容。但是通过对土地年度变更调查、地理国情、卫片执法图斑进行对比分析和去重处理后,提取的疑似问题图斑数量巨大,2021年仅浙江省图斑数就有近1.5万个,且大部分“非粮化”通过影像难以用肉眼进行准确判断,给外业核查造成很大压力。耕地保护督察对通过高光谱遥感实现作物识别和精细分类的技术需求相当迫切。

2.2.2 技术路径

通过高光谱卫星或者搭载高光谱传感器进行航飞,在获取地表空间图像的同时, 能够得到每个地物的连续光谱信息, 从而实现对物质成分的定量分析,自动完成地物的精细分类与识别,再与耕地图斑叠加,形成耕地“非粮化”疑似问题线索(图3)根据需要针对重点小面积区域,利用无人机搭载高光谱传感器和地物光谱仪开展必要的补充光谱测量,用于地表反射率产品的精度评定。

图3 作业流程图

2.2.3 应用实践

上海市测绘院的长三角一体化示范区高光谱数据采集项目,完成了从0级原始数据到5级匀色校正的高光谱数据处理,借助航空高光谱影像高空间分辨率和高光谱分辨率的特性,使用统一多尺度学习高光谱影像分类框架实现了一体化示范区先行启动区范围内的地物自动分类,获得了先行启动区典型地物类别高精度分类图(图4)。采用用户精度对分类精度进行评价,地物精细分类建模总体精度达83.46%,Kappa系数达80.88%。

图4 先行启动区生态用地分类图

2.3 无人机无人值守

2.3.1 督察应用需求

耕地保护督察发现的问题以《督察意见书》的形式交省级人民政府,原则上要求在1年内组织整改到位。督察机构对重点督办的典型问题将全程跟进整改,并在整改到期后进行全面核查。由于一个督察机构负责3到4个省级人民政府的耕地保护督察工作,而督察发现的问题遍布全省各个市县,因此对问题整改情况的跟进在及时性上存在比较大的困难。

2.3.2 技术路径

无人机无人值守定期巡航技术的最大优势是能够针对固定线路进行高频率巡查。根据无人机的巡航范围,在需要定期关注整改情况的地块附近布设无人机机库,预先规划航线、设置飞行频率任务,无人机定时起飞自动拍照回传影像,真正实现实时监控。此外,通过机载激光点云能够快速匹配进行绝对定位,可以实现获取飞行数据后12 h内完成监测数据处理,在时效性方面完全可以满足督察工作的需求。

2.3.3 应用实践

上海市测绘院以上海轨交15号线监测项目作为试点,在15号线元江路站附近布设机库。飞机的可监测范围覆盖半径可达5 km(图5),自2023年1月16日至 2月22日共飞行16次,数据成果包括正射影像图、DSM以及地物变化检测成果等,形成了无人机高频率监测的作业模式,为相关监测管理部门提供了重要的数据支撑。

图5 试点基站和飞行范围示意图

3 遥感技术广泛应用于耕地保护督察存在的困难和前景展望

3.1 存在的困难

DSM数据一般可以通过卫星影像立体像对进行制作,但现有卫星影像立体像对较少,且分辨率难以满足督察需求,而航空摄影的成本较高。

高光谱遥感对“非粮化”问题的自动判断在理论上是可行的,但在行业应用中,尚未形成针对高光谱数据的业务应用流程,在数据处理模型研发等方面缺少积累,较少开展自然资源定量化监测应用工作,同时还存在卫星高光谱分辨率不够,航空高光谱成本高,光谱库尚未建立等问题。

无人机无人值守技术目前在飞行范围和续航能力方面均有待提高,同时机库布设的安全性问题难以保障。

3.2 前景展望

大范围机载激光扫描点云数据获取技术的发展,使高精度的DSM数据能够基于点云数据全自动生成,数据获取便捷度的提升,极大的提高了该数据在耕地保护督察中得以广泛运用的可能性。

随着光谱库的建立和完善以及新算法的引入,高光谱遥感判断耕地“非粮化”问题的准确度将得到极大的提升,而生产成本将逐步降低[5],必然成为耕地保护督察的支撑和保障。

无人机逐步将在城市管理方面实现广泛部署和统筹使用[6],当机库布设在城市实现网格化分布时,数据可以共享,保障督察实时调用。

4 结 语

随着“三区三线”的划定和国土空间规划的落地,国家对耕地的保护会越来越严格,耕地保护督察工作的开展也会随之更加深入,而快速有效的发现问题是提高督察效率的必然需求。因此本文提出将数字表面模型、高光谱遥感、无人机无人值守3项遥感技术与耕地保护督察充分结合,以提高疑似问题精准度,减少外业工作量。未来遥感技术必将更加广泛的应用于耕地保护督察,引领督察向自动化、智能化方向不断前进。