以安徽省為例探析遙感技術(shù)在耕地保護(hù)工作中的應(yīng)用

金 磊，吳 冕，支俊俊，劉王兵，王 進(jìn)，龐韶鵬

（1.安徽省國土空間規(guī)劃研究院，安徽合肥 230088；2.自然資源部江淮耕地資源保護(hù)與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230088；3.安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，安徽蕪湖 241002）

耕地是糧食生產(chǎn)的基礎(chǔ)，耕地保護(hù)是全球面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)，它關(guān)乎糧食安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展等諸多方面。同時(shí)，耕地保護(hù)是我國保障農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一，對(duì)于保障糧食安全和維護(hù)農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定具有重要意義。然而，由于自然環(huán)境變化和人類活動(dòng)的影響，耕地資源的面積和質(zhì)量面臨著巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，我國已實(shí)行最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度，要求堅(jiān)決守牢耕地保護(hù)紅線和糧食安全底線，強(qiáng)調(diào)要像保護(hù)大熊貓一樣保護(hù)耕地。因此，保護(hù)耕地，防止耕地流失，提高耕地質(zhì)量，是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)[1]。

遙感技術(shù)，特別是衛(wèi)星遙感技術(shù)，能夠提供大范圍、多時(shí)相的土地利用信息，對(duì)于及時(shí)掌握耕地利用現(xiàn)狀信息、監(jiān)測(cè)耕地動(dòng)態(tài)變化、評(píng)估耕地保護(hù)效果等方面都具有重要意義。通過對(duì)遙感影像的解譯和分析，可以獲取土地利用類型、土壤類型、植被覆蓋情況等信息，為耕地保護(hù)提供科學(xué)技術(shù)支撐。本文旨在結(jié)合實(shí)際案例介紹遙感技術(shù)在土地整治、耕地“非農(nóng)化”“非糧化”監(jiān)測(cè)、耕地地力變化、生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)以及耕地監(jiān)督檢查等方面的實(shí)際應(yīng)用，以期為進(jìn)一步推動(dòng)遙感技術(shù)在耕地保護(hù)工作中的應(yīng)用提供參考。

1 遙感技術(shù)在土地整治中的應(yīng)用

遙感技術(shù)，特別是無人機(jī)遙感技術(shù)和高分辨率衛(wèi)星遙感影像，能夠提供精細(xì)至地塊的精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)信息，已經(jīng)在土地整治方面發(fā)揮了重要作用。此外，遙感與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，能夠自動(dòng)對(duì)遙感影像信息進(jìn)行快速準(zhǔn)確的處理和分析，為科學(xué)高效開展土地整治工作提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

1.1 無人機(jī)遙感技術(shù)

無人機(jī)遙感技術(shù)具有應(yīng)用靈活性高、成本低、數(shù)據(jù)獲取快速等優(yōu)點(diǎn)，可提供高分辨率、高精度的影像數(shù)據(jù)。該類影像數(shù)據(jù)不僅可以用于土地整治前的詳細(xì)勘察，還可以用于整治過程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和整治后的效果評(píng)估。通過無人機(jī)遙感技術(shù)，可以獲取土地表面的詳細(xì)信息，包括精準(zhǔn)地提取土地的微地形、植被覆蓋情況、土地利用等信息，從而為土地整治規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的制訂提供依據(jù)[2]。例如，在土地整治前期，通過無人機(jī)拍攝的高清圖片和視頻，可以分析待整治區(qū)域內(nèi)各種自然條件（如地形、植被覆蓋情況等）和人為因素（如建筑物、道路等）對(duì)土地整治可能產(chǎn)生的影響，從而科學(xué)規(guī)劃涉及土地整治項(xiàng)目工程。在土地整治過程中，通過定期進(jìn)行無人機(jī)航測(cè)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工程進(jìn)展情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題。土地整治完成后，通過整治項(xiàng)目實(shí)施前后遙感影像的變化對(duì)比，可以直觀反映工程的竣工情況，并且還可以對(duì)已實(shí)施的土地整治項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。1）利用無人機(jī)采集不同時(shí)期的土地高分辨率影像，提取無人機(jī)影像在光譜和紋理等方面的特征，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法開展土地利用自動(dòng)化分類，如分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地等類型。2）通過不同時(shí)期影像的對(duì)比，當(dāng)土地利用類型發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)發(fā)生變化的類型識(shí)別土地整治項(xiàng)目。例如，當(dāng)土地利用類型由非耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢r(shí)，可識(shí)別為補(bǔ)充耕地項(xiàng)目，并可根據(jù)不同來源的土地利用類型進(jìn)一步識(shí)別為林地復(fù)墾、坑塘水面復(fù)墾等農(nóng)用地整治項(xiàng)目；若由建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀瑒t識(shí)別為建設(shè)用地復(fù)墾項(xiàng)目；還可以根據(jù)耕地的不同類型，如旱地向水田的轉(zhuǎn)變，識(shí)別“旱改水”等農(nóng)用地質(zhì)量提升項(xiàng)目。3）根據(jù)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證自動(dòng)化分類的準(zhǔn)確性和可靠性。該方法可以獲得高精度的識(shí)別結(jié)果，同時(shí)可以提升監(jiān)測(cè)效率。

1.2 衛(wèi)星高分辨率遙感影像

衛(wèi)星高分辨率遙感影像可以提供更大范圍的土地覆蓋信息。通過對(duì)這些影像的解譯和分析，可以提取土地利用現(xiàn)狀、地形地貌、土壤侵蝕程度、水土流失情況等詳細(xì)信息，為土地整治提供科學(xué)依據(jù)。高分辨率遙感影像還可以用于大范圍監(jiān)測(cè)土地整治工程的實(shí)施效果，評(píng)估整治措施的效益。在具體研究中，不少學(xué)者通過對(duì)遙感影像進(jìn)行自動(dòng)分類，并引入景觀格局指標(biāo)開展景觀格局分析，提取土地整治區(qū)域的要素空間特征[3]。

1.3 深度學(xué)習(xí)技術(shù)

深度學(xué)習(xí)作為一種先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，在遙感影像自動(dòng)分類識(shí)別中發(fā)揮了重要作用。通過構(gòu)建深度學(xué)習(xí)模型，可以自動(dòng)識(shí)別和分類遙感影像中的各種地物，包括建筑物、道路、水體、植被等，同時(shí)能夠大幅提高遙感影像解譯的效率和準(zhǔn)確率。在土地整治中，深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以用于自動(dòng)識(shí)別受損土地、裸露土壤、侵蝕溝壑等，為土地整治提供精確的空間位置和定量信息。深度學(xué)習(xí)技術(shù)在此過程中能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用，對(duì)于了解土地利用現(xiàn)狀、評(píng)估土地整治效果、預(yù)測(cè)土地利用變化趨勢(shì)等方面都具有重要意義[4]。此外，深度學(xué)習(xí)技術(shù)可用于識(shí)別和監(jiān)測(cè)土地整治過程中需要提取的各類地物信息。例如，通過對(duì)遙感圖像進(jìn)行深度學(xué)習(xí)分析，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)土地退化、水土流失、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，并據(jù)此制定相應(yīng)的整治措施。同時(shí)，通過對(duì)整治實(shí)施成效進(jìn)行深度學(xué)習(xí)評(píng)估，可以及時(shí)掌握整治工作的效果，為后續(xù)工作提供參考。

2 遙感技術(shù)在耕地“非農(nóng)化”“非糧化”監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

耕地“非農(nóng)化”“非糧化”是指耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地或其他農(nóng)用地的行為。遙感技術(shù)在耕地“非農(nóng)化”“非糧化”監(jiān)測(cè)中具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)不同時(shí)相的遙感影像進(jìn)行對(duì)比分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)土地利用變化，判斷其是否轉(zhuǎn)化為非農(nóng)用地或非糧食生產(chǎn)用途。此外，遙感技術(shù)可以結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）和深度學(xué)習(xí)技術(shù)等，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析和綜合評(píng)估，為制定相關(guān)防治措施提供科學(xué)依據(jù)。

例如，在安徽省補(bǔ)充耕地項(xiàng)目“大起底”專項(xiàng)核查整治工作中，遙感技術(shù)在補(bǔ)充耕地“非農(nóng)化”“非糧化”監(jiān)測(cè)工作中取得了良好的應(yīng)用效果。該項(xiàng)工作的具體內(nèi)容包括補(bǔ)充耕地信息獲取、樣本集的構(gòu)建、自研深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建、問題圖斑識(shí)別，以及省級(jí)下發(fā)核查等（見圖1）。在該項(xiàng)工作中，根據(jù)具體樣本空間位置將樣本分別構(gòu)建為訓(xùn)練樣本集和驗(yàn)證樣本集，利用GIS 空間分析方法和自研深度學(xué)習(xí)遙感影像自動(dòng)分類算法對(duì)補(bǔ)充耕地地塊數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并提取出疑似問題地塊，這些地塊被賦予問題類別（非農(nóng)化、非糧化、水田返旱、撂荒等類型）。在遙感自動(dòng)識(shí)別結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步整理歸檔，制作數(shù)據(jù)庫[5]。然后，將疑似問題地塊信息以表格形式下發(fā)到市縣進(jìn)行核實(shí)、舉證。對(duì)于確認(rèn)存在問題的地塊，制定分類處置措施及時(shí)序安排，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成整改。

圖1 安徽省補(bǔ)充耕地項(xiàng)目“大起底”專項(xiàng)核查整治項(xiàng)目遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)流程圖

3 遙感技術(shù)在耕地生態(tài)保護(hù)與生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

隨著科技的發(fā)展，遙感技術(shù)已成為地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的重要工具。遙感技術(shù)可以提供大范圍、周期性、實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)，為生態(tài)保護(hù)和生態(tài)修復(fù)提供重要的決策依據(jù)。此外，遙感技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合可以更好地發(fā)揮其在生態(tài)保護(hù)和修復(fù)中的作用，如與GIS 和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等技術(shù)結(jié)合，可以更好地管理和分析遙感數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測(cè)和評(píng)估的準(zhǔn)確性[6]。

3.1 農(nóng)田生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)

應(yīng)用遙感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)。通過獲取高分辨率的遙感影像，可以對(duì)農(nóng)田的植被覆蓋、土壤質(zhì)量、水體分布等進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量和分析。這為農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的評(píng)估和保護(hù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有助于發(fā)現(xiàn)和解決存在的生態(tài)環(huán)境問題，及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整和改善。例如，如果發(fā)現(xiàn)某區(qū)域農(nóng)田的植被覆蓋度降低，可能意味著該區(qū)域的土壤質(zhì)量下降或水資源短缺，需要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行改善。

3.2 農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警

遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警中也發(fā)揮了重要作用。例如，通過遙感技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田的水分狀況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)農(nóng)田水分含量低于正常水平時(shí)，可以及時(shí)發(fā)出干旱預(yù)警，為農(nóng)民提供及時(shí)的應(yīng)對(duì)措施。此外，遙感技術(shù)可以通過對(duì)氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和分析，預(yù)測(cè)未來的氣候趨勢(shì)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供氣候預(yù)測(cè)和預(yù)警。

3.3 退化土地修復(fù)

遙感技術(shù)在退化土地修復(fù)方面具有廣泛的應(yīng)用。例如，通過遙感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田土地的精細(xì)評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果制訂針對(duì)性的修復(fù)方案。對(duì)于土壤質(zhì)量下降的區(qū)域，可以通過增加有機(jī)肥、實(shí)施輪作等措施改善土壤質(zhì)量；對(duì)于水資源短缺的區(qū)域，可以通過修建水利設(shè)施、推廣節(jié)水灌溉技術(shù)等措施提高水資源利用效率。

3.4 污染土地修復(fù)

遙感技術(shù)在污染土地修復(fù)方面也具有較大的應(yīng)用潛力。通過對(duì)污染土地的高分辨率遙感影像進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出污染物的分布和濃度，為污染治理提供依據(jù)。例如，對(duì)于重金屬污染的土地，可以通過遙感技術(shù)檢測(cè)出污染的程度和范圍，然后采取相應(yīng)的治理措施。此外，遙感技術(shù)可以用于監(jiān)測(cè)污染治理的效果，為污染治理提供反饋和調(diào)整的依據(jù)。

4 遙感技術(shù)在耕地地力變化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

地力變化是指土壤肥力的變化，是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。遙感技術(shù)在地力變化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方法主要包括光譜分析和圖像處理。光譜分析是通過分析地物的光譜特征，了解土壤的肥力狀況和變化趨勢(shì)[7]。圖像處理則是通過對(duì)遙感影像的處理和分析，提取地物的空間信息和形態(tài)特征，進(jìn)而評(píng)估土壤的肥力狀況。例如，結(jié)合土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)碳含量的變化監(jiān)測(cè)。具體技術(shù)方法（見圖2）包括：以2020 年安徽省耕地土壤調(diào)查工作獲得的6 435 個(gè)土壤表層樣點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在Google Earth Engine 遙感云計(jì)算平臺(tái)上獲取不同時(shí)期的10 m 分辨率Sentinel-2影像、氣候因子數(shù)據(jù)、30 m 分辨率的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)等，提取歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）、植被指數(shù)、氣溫、降水量、高程、坡度等特征指標(biāo)，利用隨機(jī)森林算法構(gòu)建土壤-景觀模型，從而建立土壤有機(jī)碳含量與特征指標(biāo)之間的定量關(guān)系，得到不同時(shí)期的土壤有機(jī)碳含量空間分布圖，通過對(duì)比分析，進(jìn)一步得到不同時(shí)期土壤有機(jī)碳含量的變化信息。

圖2 安徽省耕地土壤有機(jī)碳含量變化監(jiān)測(cè)技術(shù)流程圖

遙感技術(shù)在地力變化監(jiān)測(cè)中同樣取得了顯著的應(yīng)用效果。例如，利用高光譜遙感技術(shù)可以獲取土壤的多種化學(xué)成分和物理性質(zhì)，進(jìn)而評(píng)估土壤的肥力狀況。通過對(duì)不同時(shí)期遙感影像的比較和分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)地力變化的情況，為采取相應(yīng)的農(nóng)業(yè)措施提供依據(jù)[8]。此外，遙感技術(shù)可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供重要的決策支持。

5 遙感技術(shù)在耕地保護(hù)監(jiān)督檢查中的應(yīng)用

為了保護(hù)耕地資源，需要采取有效的措施進(jìn)行監(jiān)督檢查。遙感技術(shù)作為一種先進(jìn)的空間信息技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于耕地保護(hù)監(jiān)督檢查，具體應(yīng)用包括耕地利用狀況監(jiān)測(cè)、耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)、耕地資源保護(hù)政策制定等方面。

5.1 耕地利用狀況監(jiān)測(cè)

應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)土地利用狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和掌握耕地變化情況，為耕地保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。利用遙感影像技術(shù)，可以獲取耕地的面積、位置、利用類型等信息，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)耕地的動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和制止非法占用耕地行為。例如，通過遙感影像解析出城市周邊地區(qū)的土地利用類型，對(duì)于非法占用耕地的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為相關(guān)部門提供決策支持。

5.2 耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)

應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)土壤理化性質(zhì)、植被覆蓋度等因子，評(píng)估耕地的質(zhì)量狀況。通過對(duì)遙感影像的解譯和分析，可以獲取耕地的土壤類型、肥力、水分等指標(biāo)，同時(shí)可以通過對(duì)植被覆蓋度的監(jiān)測(cè)了解耕地的生產(chǎn)能力。這些信息對(duì)于制定耕地保護(hù)政策、提高耕地利用效率具有重要意義。例如，通過對(duì)遙感影像的解譯和分析，評(píng)估不同地區(qū)的耕地質(zhì)量狀況，為制定差異化的耕地保護(hù)政策提供依據(jù)。

5.3 耕地資源保護(hù)政策制定

應(yīng)用遙感技術(shù)可以為耕地資源保護(hù)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)和支持。通過對(duì)耕地面積、分布、利用狀況等信息的獲取和分析，可以了解耕地的現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)，為政策制定提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，可以應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)、評(píng)估政策實(shí)施效果，為政策的調(diào)整和完善提供參考。例如，通過對(duì)遙感影像的解析和分析，掌握新增耕地和生態(tài)退耕等政策的實(shí)施效果，為政策的調(diào)整和完善提供依據(jù)。

6 結(jié)語

遙感技術(shù)具有大范圍、動(dòng)態(tài)、快速和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)能力，在耕地保護(hù)工作中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，可為土地整治、耕地“非農(nóng)化”“非糧化”監(jiān)測(cè)、耕地地力變化、耕地生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)及監(jiān)督檢查等方面提供重要的技術(shù)支持。

未來，遙感技術(shù)將在耕地保護(hù)工作中發(fā)揮更大的作用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，遙感數(shù)據(jù)的精度和分辨率將進(jìn)一步提高，能夠更準(zhǔn)確地提取地物信息和評(píng)估耕地質(zhì)量。同時(shí)，隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，將遙感數(shù)據(jù)與文本、監(jiān)控視頻等多模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，結(jié)合先進(jìn)數(shù)據(jù)挖掘算法有望更加快速精準(zhǔn)地獲取耕地信息，從而更高質(zhì)量地服務(wù)于耕地保護(hù)工作。