基于衛星影像的自然資源疑似違法行為監測

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一調查、評價、監測制度，健全自然資源監管體制”，黨的十九屆四中全會《決定》釋放了生態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]。衛星遙感數據因有時序性、現勢性強的特點，具備服務監測工作的天然優勢，已被廣泛應用于自然資源、礦產資源監測工作中[2]。福建省擁有豐富的自然資源和優美的生態環境，生態文明指數居全國第一，是全國第一個國家生態文明實驗區，踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，念好福建的“山海經”，迫切需要構建全覆蓋、全要素的常態化自然資源遙感監測體系[3]。2019 年8 月以來，福建省充分利用陸地衛星遙感“快速、真實、準確”的優勢[4]，以衛星遙感“天上看”為技術支撐，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化監測，彌補和突破“發現難”的短板。通過高頻次精準監測，實現對疑似違法行為的“早發現”，為“早制止、早處置”自然資源管理和保護提供支撐。

1 技術路線

高空間分辨率遙感數據信息真實豐富、易于判讀，客觀反映地物的數量、大小、形狀等空間形態，空間分布及地物間的空間關系。高時間分辨率遙感數據具備強實時性、高頻次特征，反映地物形態、空間分布、空間關系的時間序列變化[5-9]。依托圖像處理技術對不同時相衛星遙感數據進行變化信息檢測，可實現衛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，通過計算機自動識別和人機交互目視解譯方法對同一區域不同時期影像數據進行變化檢測，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據以及與已批準或備案的用地、用礦、用海、臨時用地、設施農用地等進行套合比對，依據技術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域與具體類別，實現山水林田湖草自然資源全要素、全覆蓋、全天候的遙感動態監測，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據的區域統計、空間分析、時態分析等，挖掘潛在的規律與特征，輔助自然資源監管。其總體技術路線如圖1 所示。

圖1 自然資源疑似違法行為監測總體技術路線

2 工作流程

圍繞基于衛星影像實現自然資源疑似違法行為監測與分析，福建省構建了從數據采集與預處理、監測信息提取與驗證到成果分析評價、監測報告編制的工 作流程，如圖2 所示。

圖2 自然資源疑似違法行為監測工作流程

2.1 數據準備與預處理

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，利于發現變化；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于1 m 影像）。疑似違法圖斑監測與提取顆粒度較小，常以≥200 m2為指標，占用基本農田等現象常需監測與提取≥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定。多時序新期影像與同一基期影像比對，能有效克服監測圖斑錯漏這一不足。綜上，基期影像宜采用與監測新期相差0.5 a～1 a 優于1 m 分辨率的衛星影像，因此福建省選擇現勢性為2018 年12 月的年度遙感監測影像為首期基期影像進行圖斑采集和質量檢查，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）為監測影像，其生產制作應高質高效。福建省依托高分福建中心、省級衛星中心等，日均接收中高分辨率衛星影像20～30 景，但福建因山地、近海等地域特征，衛星影像常有含云量超標等問題。一般含云量≤10%（影像獲取困難區域可放寬至≤20%），傾斜角≤20°（城鎮可放寬至≤25°），紋理清晰、無異常點，則視為合格影像，經波段合成、正射校正、融合、調色、鑲嵌等系列操作后，獲得圖像清晰、地物層次分明、色調一致的正射遙感影像，并生成接合圖，導入監測影像數據庫，參與監測任務區計算。

2.1.3 專題數據獲取與使用

自然資源疑似違法圖斑發現與判讀應精準、指向性強，因此應獲取豐富的專題數據（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、礦權審批數據等各類審批數據作為合法范圍的劃定依據，減小監測作業范圍避免數據冗余；其二，應獲取與使用基本農田保護區、生態保護區等自然資源管理數據，準確判定違法類型，減少執法工作量。專題數據需進行格式轉換、數學基礎統一、屬性代碼等標準化規范化整理。

表1 數據資源體系

2.2 信息提取與驗證

2.2.1 監測任務區計算

福建省選擇鄉鎮為基本監測單元，以充分利用優于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測任務區。首先將影像接合圖與鄉鎮行政區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%的鄉鎮標記為待監測鄉鎮；再將待監測鄉鎮的本期新期影像與上一輪次監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，則將滿足條件的鄉鎮確定為本期監測任務區。

2.2.2 監測工程創建

創建以鄉鎮、監測批次為標識的監測工程，利用新期影像與表1“合法范圍確定依據”專題數據進行空間疊置分析，確定監測作業區域；根據作業區域范圍，對作業資料進行分析，建立涵蓋基期影像、新期影像、參考影像、專題數據及基礎地理信息數據等的數據目錄。通過統一規范的監測工程創建保障監測工程的唯一性、專題數據的一致性、監測區域的準確性。

2.2.3 疑似違法圖斑提取

按照影像地物特征，結合數據時相、地域特點、地形地貌、周邊環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）發現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“行政區劃代碼+監測批次+順序號”對監測圖斑進行統一編號；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 數據統計分析

監測圖斑以地理信息數據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計分析，找出規律和結論，滿足自然資源管理應用需求，主要開展區域分析、類型分析、專項分析與趨勢分析等。

區域分析以設區市、縣、鄉等為統計單元，統計各級行政單元疑似違法圖斑數量、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，可輔助重點監測區域劃定。類型分析重在統計各類疑似違法行為的數量、面積，可輔助專項監測與執法方向確定。專項分析是基于監測結果與專題數據進行數據挖掘分析，掌握疑似違法圖斑的專項情況，如監測結果與耕地、基本農田數據進行空間疊置分析，可計算各類疑似違法違法行為占用耕地、占用基本農田的數量、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量、面積與密度變化，檢驗持續監測的成效。

2.4 監測報告編制

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

3 監測成果與分析

3.1 監測成果可靠性

2019 年8 月至2020 年7 月，福建省開展了12 期用地用礦監測，31 期用海監測，監測陸域總面積56.3 萬km2（全省面積的4.5 倍），約92.58% 的省域實現三輪次以上監測。監測海岸線及海島岸線約7.5 萬km，實現全省大陸海岸線與海島岸線的10 輪次以上監測覆蓋。經實地核查驗證與地市核查反饋，基于衛星影像發現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的比例為14%，實地有變化但類型為臨時用地、設施農用地、農村道路用地、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，衛星遙感“天上看”監測工作能夠較為可靠地發現違法變化圖斑，但仍需持續提高圖斑識別提取的精準度和時效性。

3.2 監測成果分析

3.2.1 區域分布特征

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現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；內陸城市多期累計發現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濟發展程度密切相關，東部沿海地區、縣市主城區因經濟社會發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量、面積密度總體呈下降趨勢（如圖11、12）。疑似違法圖斑數量、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。統計數據顯示通過常態化監測，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勢，震懾效應漸顯。

圖11 多期疑似違法圖斑數量密度變化圖

圖12 多期疑似違法圖斑面積密度變化圖

3.2.3 占用耕地與基本農田分析

疑似違法圖斑與耕地、基本農田數據進行空間疊置分析，檢索與計算落入其中的圖斑數量與面積。經多期監測，疑似違法圖斑占用耕地、基本農田現象仍有發生，因此，落實最嚴格耕地保護制度對常態化監測的需求迫切。

4 結 語

福建省利用衛星遙感影像變化檢測技術分析提取疑似違法圖斑，通過數據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管，基本實現對疑似違法行為 “發現更快，反應更快，處置更快”的目標，初步形成省級自然資源現代治理體系與運行機制。下一步將充分利用衛星數據，發揮多源衛星數據綜合能力，提升技術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，引進集群化環境加快影像處理效率，提高執法監測資料時效性；細化疑似違法圖斑提取指標，提高監測圖斑精準度；探索自然資源智能監測技術、構建影像智能解譯分析系統，建立福建特色的樣本庫，快速發現特定時間、區域、面積內的自然資源類別變化，向快速化、智能化、一體化、精準化方向轉型；建立疑似違法圖斑全生命周期，實現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測取得實效。