耕地數量、質量、生態三位一體綜合監管體系研究

張 超 喬 敏 鄖文聚 劉佳佳 朱德海 楊建宇

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 2.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室， 北京 100035；3.國土資源部土地整治中心， 北京 100035)

耕地數量、質量、生態三位一體綜合監管體系研究

張 超1,2喬 敏1鄖文聚2,3劉佳佳1朱德海1,2楊建宇1,2

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 2.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室， 北京 100035；3.國土資源部土地整治中心， 北京 100035)

耕地是糧食安全的基礎，是立國之本。為了綜合、立體地監管我國耕地，結合我國國情，從系統論和公共管理的視角，對耕地數量、質量、生態三位一體綜合監管體系進行了初步研究。通過文獻分析法，結合前沿技術手段，對目前較為成熟的耕地數量、質量監管理論體系進一步完善，對生態監管理論進行探索性研究，分別構建耕地數量、質量和生態監管指標，并以此為基礎綜合構建三位一體綜合指標體系。通過航空、航天遙感技術、物聯網、互聯網采集數據系統實時獲取耕地相關的多源數據，經過數據清理整合，構建服務于耕地監管的云數據庫。研究耕地監管指標快速計算技術，搭建基于多源海量數據、分布式面向服務的耕地三位一體綜合監管體系。本文構建的耕地三位一體監管體系可為我國耕地的監管、養護提供技術支撐。

耕地； 數量； 質量； 生態； 三位一體； 監管

引言

耕地是糧食安全的基礎，耕地保護是我國需要長期堅持的一項基本國策。“十一五”規劃綱要提到2010年末全國耕地面積必須堅守18億畝耕地紅線。2013年中央經濟工作會議、中央城鎮化工作會議、中央農村工作會議明確耕地紅線必須堅守，耕地數量、質量都要保證。隨著我國經濟發展，工業化引發的環境污染、農業過度施用化肥農藥引發的面源污染等問題突出，耕地質量、結構等發生變化，耕地保護工作面臨多重挑戰[1]。2015年5月，《中共中央國務院關于加快推進生態文明建設的意見》提出國土是生態文明建設的空間載體。重點推進國土資源數量、質量、生態三位一體綜合管理和國土資源、資產、資本三位一體協同管理，才能有效緩解耕地數量不足、質量不高、生態環境不斷退化等帶來的危機，從而確保人民安定和國家安全[2]。因此，我國對耕地監管逐漸由數量監管，數量、質量雙重監管，向數量、質量、生態三位一體監管轉變。

耕地數量保護是確保耕地數量可以持續滿足區域人口健康生存的需要，耕地紅線一定要守住，千萬不能突破，也不能變通突破。紅線包括數量，也包括質量[1]。全國第二次土地調查摸清了我國土地利用，特別是耕地數量基本情況，此后每年在“二調”基礎上，利用全覆蓋的高空間分辨率遙感影像數據，結合外業調查，開展年度土地利用變更調查監測與核查。耕地質量針對耕地土地質量，耕地質量保護是借助行政、經濟、法律等手段保證耕地的總體質量和生產能力不下降[3]。美國國家資源清單(National resources inventory, NRI)項目[4]對我國耕地質量監測有很好的借鑒作用。我國于1999—2009年歷經10年完成了第一輪全國農用地分等工作，出臺《農用地質量分等規程》[5]并于2012開展耕地質量等別年度更新評價。我國在耕地的數量、質量監管方面已有較完善的方法技術體系。

耕地生態保護是維持耕地生態平衡，使生態環境保持健康狀態，以保證耕地可持續利用[6-7]。國外學者主要將耕地生態安全與可持續利用相結合進行系統研究。RASUAL等[8]從農業生態環境、社會經濟方面構建了評價指標體系，分析了孟加拉國的耕地可持續利用與生態狀況；BRUNBJERG等[9]構建景觀結構、野生動物棲息地、稀有和瀕危物種分布等耕地生態評價指標，并應用于丹麥政府農業補貼制度上；HAZEU等[10]提出了從衛星遙感圖像識別高自然價值農田方法，包括高自然價值農田的識別和高自然價值農田的變化檢測；MILENOV等[11]以農田被荒廢風險，有效評估歐盟共同農業政策對環境和社會經濟影響；BEESLEY等[12]指出，在農用地保護中，耕地生態價值與安全越來越受到農場主的認可與關注。國內學者關于耕地生態安全的研究主要集中在耕地生態安全內涵、耕地生態安全評價、耕地生態安全影響因素以及耕地生態安全調控對策等[13]。總體來看，耕地生態監測與評價方面的研究尚屬起步階段，定性分析較多、定量較少。

因此，創新耕地全方位立體監管理論和技術，形成耕地數量、質量、生態三位一體綜合監管體系具有重要的現實意義。本文整合多源數據，結合前沿技術，著重討論耕地生態監管理論，梳理如何開展耕地三位一體綜合監管，以期為我國耕地監測、評價、保護和管理工作提供科技支撐。

1 耕地三位一體監管體系

通過文獻分析法，分別構建耕地數量監測指標體系、耕地質量監測指標體系以及耕地生態監管指標體系，進一步整合成耕地數量、質量、生態三位一體監管指標體系。利用航天、航空遙感技術構建耕地監管遙感采集數據系統；通過近景攝像和傳感器網構建地面物聯網采集數據系統；通過互聯網公眾服務數據和社會輿情數據構建互聯網數據采集系統。結合現有的歷史數據庫和實地調研補充數據庫，經過數據清理和整合，構成海量數據的耕地監測云數據庫。在構建耕地三位一體監管指標體系基礎上，最終形成復制性強、易于推廣的耕地三位一體監管技術體系。基于耕地監管云數據庫實時獲取監管指標，實現多個監管功能模塊，搭建耕地三位一體監管平臺。具體如圖1所示。

圖1 技術路線圖Fig.1 Flow chart of technology

2 耕地三位一體監管技術體系

2.1 耕地數量監管技術體系

針對耕地數量監管，國土資源部以高空間分辨率衛星遙感影像為主要數據基礎，結合GPS接收機等先進的外業調查設備，已經形成了完備的“十年一詳查，每年一更新”技術體系。隨著互聯網以及移動通訊技術的發展，將具有定位、攝像功能的智能手機、平板電腦等移動終端設備運用到外業調查當中，通過移動通訊網絡，與數據中心進行實時通訊，提高外業調查工作效率，調查數據實時傳遞，便于數據處理和核實，實現更為智能化、準確的耕地數據更新方式。目前我國已經形成了遙感技術與移動互聯技術相結合的耕地數量監管體系。

2.2 耕地質量監管技術體系

根據我國耕地質量及其變化情況，國土資源部形成了“十年一評價，每年一更新”的監管體系。對于耕地質量緩變區域，采樣耕地質量監測網絡布控技術方法，全國布設樣點監測。對于土地整治區等耕地質量突變區域，及時進行調查和評價。針對區域突變耕地和緩變耕地的質量變化特點，在繼承農用地分等及指標區劃分方法的基礎上，從上到下：劃分全國監測分區—選取監測縣—縣內劃定監測控制區—控制區內布設監測樣區；從下到上：采集監測樣區數據—監測控制區內質量變化—監測縣內質量變化—全國監測分區內質量變化—全國耕地質量變化。將全國劃分為不同監測分區，確定靜態監測縣，圍繞靜態監測縣確定動態監測縣，靜態縣每年監測，動態縣每5年輪換一次。

2.3 耕地生態監管技術體系

雖然耕地資源的生態監測和管護問題目前還處于探索階段，但是土地生態安全和耕地保護面臨的嚴峻形勢，以及國土資源“三位一體”的綜合管理要求，亟需科學的監管體系提供技術支撐。耕地生態監管技術體系從生態管理的層面以保障國土生態安全為基礎，以可持續發展為目標，以耕地為主體的農田生態系統作為管理對象進行生態管護[14]。從生態管護的內容層面應該針對農田生態系統的特點，結合區域資源和環境條件，對耕地的生產性、保護性、穩定性和持續性指標進行綜合監測，同時針對土地退化和耕地污染等問題進行專項監測[15-17]。從生態監管的技術層面，以現有的國土資源管理平臺為基礎，通過天、地、空一體化的監測網絡，建設耕地生態動態監測系統，整合多源數據，建設數據庫管理系統，通過評價模型集成和專家支持系統整合建設決策支持系統，實現耕地保護的生態監控和預警[18-19]。

3 耕地三位一體監管數據庫

3.1 多源數據采集系統

用于耕地監管的數據來源廣泛，數據類型復雜，具有多源、多點、多指標、動態的特點。多源指數據來源于衛星遙感、航空遙感、無人機、傳感器、地面調查、視頻、互聯網等，多點指全國耕地監測點數量大，多指標指用于耕地監管的指標體系龐大，動態指耕地的類型、質量、生態等變化速度快。將衛星影像、無人機影像、動態視頻、傳感器數據、公眾服務、社會輿情等信息融入到耕地資源數據庫中，并構建一套多類型、多時態、多尺度的耕地監管數據庫系統。

耕地資源監管數據庫是耕地監管的重要基礎數據庫，包括基礎空間數據和專題空間數據。基礎空間數據主要包括地質、地形、遙感影像、土地利用現狀和土地利用規劃、農用地分等數據、耕地生態監測數據等。專題空間數據則是由基礎空間數據派生的專項業務數據。具體如表1所示。

遙感具有實時性強、觀測尺度大等優勢，成為耕地監管中重要的數據源。高空間分辨率遙感影像可提供清晰的空間信息和紋理信息，可以開展耕地變化、基礎設施等監測；微波遙感影像具有全天候、穿透性觀測優勢，可用于多云霧地區耕地監管；高光譜遙感影像可以提供豐富的光譜信息，獲取更深入的地物信息，可用于耕地質量和生態指標的監測。航空遙感特別是無人機遙感技術，借助其機動靈活的觀測方式也逐漸應用到耕地監管中。

表1 耕地資源監管數據庫
Tab.1 Cultivated land resource regulatory database

采集系統數據類別可測因素遙感航天遙感影像航空遙感影像坡度、坡向、空間信息、溝渠、灌溉保證率、耕地作物類別、地表溫度、地表濕度、田塊形狀、通達度、林網密度等物聯網傳感器數據地表水、地下水、水質、土壤含水率、有機質含量、土壤pH值、土壤肥力、土壤微量元素含量攝像頭視頻全程監測攝像頭范圍內耕地狀況互聯網公眾服務數據問卷調查、數據統計、信息反饋社會輿情數據群眾對耕地保護和監管政策等公眾事件的態度、群眾訴求

在耕地監管中，物聯網技術也大有用武之地，利用空間分析平臺實現耕地監管傳感器布設選址。通過傳感器網絡和無線傳輸等技術手段，對耕地實時監測。突破傳統質量監測的技術制約，形成基于低成本、高效、快速、精準、精確的耕地基礎地力感知技術，實現耕地質量基礎地力快速獲取、精準識別。

隨著互聯網技術的不斷發展，借助網絡爬蟲等技術手段，從公眾服務和社會輿情數據中挖掘有關耕地的信息，如通過公眾號進行問卷調查，通過網絡論壇獲取耕地利用情況信息，通過輿情分析獲取群眾對當前耕地監管體系的觀點、意見等。

3.2 構建耕地監管云數據庫

3.2.1 數據清理與整合

耕地數量、質量和生態監管不僅有大量結構化的耕地資源數據，同時包括新興的物聯網、互聯網產生的非結構化數據。因此，對耕地監管大數據清理、整合，是耕地云數據庫的構建以及數據應用的重要基礎工作。應將傳統的結構型國土數據與非結構型的物聯網、互聯網數據相結合，靜態數據和動態的視頻數據、手機等移動互聯數據相融合，基礎數據和專題數據相融合。只有通過開展信息的清洗與抽取、時空匹配和信息融合，才能將這些具有現勢性特性的數據與傳統的耕地監管數據相結合，實現耕地大數據的實時接入、時空關聯和內容融合[20]。

3.2.2 耕地監管云數據庫搭建

可服務于耕地監管的數據量極為龐大，需要部署到安全、隔離的“云”基礎設施之上，通過“云”模式的計算能夠實現海量空間數據的并行處理，并以彈性的、按需獲取的方式向用戶提供高質量的、基于Web的耕地信息服務。通過統籌遙感、物聯網、互聯網獲取的數據，深度挖掘海量耕地資源數據，形成服務于耕地三位一體監管的云數據庫，實現從“數字國土”向“智慧國土”的跨越轉變，提高耕地監管科學化水平，推動耕地監管轉型[21-22]。耕地監管云數據庫如圖2所示。

圖2 耕地監管云數據庫Fig.2 Construction of cultivated land monitoring and management cloud database

4 耕地三位一體監管平臺搭建

以耕地三位一體監管技術體系為基礎，以信息技術為手段，以法律法規為依據，搭建服務于耕地三位一體監管平臺。平臺以耕地三位一體監管云數據庫為基礎數據庫，以耕地數量、質量、生態三位一體監管模型為基礎模型，以數據挖掘技術和分布式計算為主要技術手段，通過圖形訪問引擎和數據庫訪問層，實現數據檢查服務功能、耕地數量監管功能、耕地質量監管功能、耕地生態監管功能和耕地三位一體綜合監管功能等5大功能模塊(圖3)，完成耕地數量、質量、生態三位一體綜合監管平臺[23-24]。

圖3 耕地三位一體監管平臺Fig.3 Construction of trinity comprehensive cultivated land monitoring and management platform

平臺以現有數據為基礎，應用軟件、網絡、信息安全等技術手段，融合耕地監管自身要求和監管部門信息化的需求，把分散的信息整合在統一的平臺上。實現監管部門自動化收集、共享和管理這些信息，為決策及整體優化資源提供數據支撐；實現耕地情況備案統計工作，為監管部門準確高效工作提供途徑；實現耕地三位一體綜合監管和預警，對耕地實時、全面監管，為監管部門決策提供科學技術支持，為社會提供數據信息服務。

5 結論

開展耕地資源數量、質量、生態監管，是實現國土資源管理方式轉變的重要技術支撐，建立耕地三位一體監管指標體系，搭建耕地三位一體監管平臺具有重要的現實意義。未來需要重點研究的領域有：

(1)對當前耕地監管思路和技術方法進行梳理和完善。耕地監管不僅僅是對數量、質量的監管，生態問題也是耕地監管的重要方面。

(2)對多源數據整合為服務于耕地三位一體監管的云數據庫。充分利用現有的遙感、物聯網、互聯網技術，在已有數據的基礎上，借助互聯網優勢，有效整合數據，為耕地三位一體監管提供保障。

(3)搭建耕地三位一體監管平臺，借助分布式計算、互聯網技術，將耕地三位一體監管理論變為成品，服務于政府部門和監管決策。

(4)耕地全方位監測監管需與已有的其他部門和行業的監測成果相銜接，在國土資源部已經開展相關工作的基礎上進行拓展，實現優勢互補。隨著社會的發展，人類對耕地功能認識的提升，如進一步加入文化、娛樂功能，不斷完善耕地監管的指標，同時體現地區的差異。

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Trinity Comprehensive Regulatory System about Quantity, Quality and Ecology of Cultivated Land

ZHANG Chao1,2QIAO Min1YUN Wenju2,3LIU Jiajia1ZHU Dehai1,2YANG Jianyu1,2

(1.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.KeyLaboratoryforAgriculturalLandQuality,MonitoringandControl,MinistryofLandandResources,Beijing100035,China
3.LandConsolidationandRehabilitationCenter,MinistryofLandandResources,Beijing100035,China)

The cultivated land is the basis of food security and the foundation of state. In order to regulate the cultivated land in China synthetically and three-dimensionally, according to Chinese national conditions, trinity comprehensive regulatory system about the quantity, quality and ecology of the cultivated land was studied from the perspective of system theory and public administration. Through literature analysis method combined with cutting-edge technology, the ecological regulation theory was improved based on the current relatively mature theory of cultivated land quantity, quality supervision system, the innovation of ecological regulation theory was researched, the index of cultivated land quantity, quality and ecology was constructed, and then a trinity comprehensive index system was built on this basis. Through data acquisition system of remote sensing technology, the internet of things and the internet to real-timely acquire multi-source data, and through cleansing and integration, to build cloud database that is a supervision technology system can be promoted and easy to replicate in the test points all over the country. Researching regulatory index rapid computing technology, the trinity comprehensive regulatory system was set up based on multi-source data, distributed service-oriented cultivated land. The cultivated land trinity supervision platform was constructed, it would make idea into a finished product, and provided service for government depatrments and regulatory decisions. The trinity supervision system of the cultivated land can provide technical support for the regulation and maintenance of the cultivated land in China.

cultivated land; quantity; quality; ecology; trinity; monitoring and management

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.001

2016-12-12

2016-12-21

國土資源部公益性行業科研專項(201511010-06)和國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2013AA10230103)

張超(1972—)，男，教授，博士生導師，主要從事農業與國土資源遙感監測研究，E-mail: zhangchaobj@cau.edu.cn

鄖文聚(1963—)，男，研究員，博士生導師，主要從事土地利用工程、評價、整治和管理研究，E-mail: yunwenju@vip.sina.com

F301.21； X82

A

1000-1298(2017)01-0001-06