物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在土地工程中的應(yīng)用預(yù)想

孫 路

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075;3.國(guó)土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075;4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

1 引言

我國(guó)推進(jìn)新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和綠色化的“五化”協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持。土地工程是加速城鎮(zhèn)化進(jìn)程、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、改善生態(tài)環(huán)境的有效措施。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與土地工程的結(jié)合對(duì)實(shí)現(xiàn)“五化”協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的促進(jìn)意義。

自2008年黨的十七屆三中全會(huì)召開以來(lái)，國(guó)家一直大力提倡科學(xué)合理的實(shí)施土地工程。“土地工程”是指以“土體有機(jī)重構(gòu)”理論為核心，把未利用土地變?yōu)榭捎猛恋鼗虬岩牙猛恋剡M(jìn)行高效利用，能動(dòng)協(xié)調(diào)人地關(guān)系和諧發(fā)展的過(guò)程，是集土地資源的調(diào)查、評(píng)價(jià)、規(guī)劃、開發(fā)、整治、利用、保護(hù)各項(xiàng)工程于一體的一門綜合性學(xué)科[2]。土地工程實(shí)施離不開對(duì)土地資源的獲取，傳統(tǒng)的獲取方式信息的方式非常有限，一般是通過(guò)野外勘探、行業(yè)資料調(diào)查、室內(nèi)檢測(cè)等人工方式來(lái)獲取土地資源的相關(guān)信息，人工獲取信息的方式耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，獲取信息的效率低。隨著科技的不斷進(jìn)步，土地資源信息的獲取方式也在不斷進(jìn)步，現(xiàn)代土地資源信息的獲取方式主要是結(jié)合“3S”、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大大提高信息獲取的效率。土地工程信息獲取的方式下一步必將向著自動(dòng)化和智能化邁進(jìn)。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將在土地工程信息的建設(shè)中起著關(guān)鍵的作用，如應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)收集土地利用現(xiàn)狀、填方挖方量、降雨量、溫度、土壤水分含量、土壤養(yǎng)分及鹽分含量等信息。通過(guò)系統(tǒng)分析收集到的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地資源的科學(xué)判斷和預(yù)測(cè)，從而幫助土地工作者，科學(xué)合理的實(shí)施土地工程，提高土地工程的科學(xué)性和效率。

2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是指物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。提出的初期主要是用于標(biāo)識(shí)物品的特征，概念經(jīng)過(guò)不斷擴(kuò)展，延伸為經(jīng)過(guò)射頻辨別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)施，按商定的協(xié)議，把待識(shí)別物體與互聯(lián)網(wǎng)銜接，進(jìn)行信息交流和通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，具備感知性、傳遞性、智能處理三大特點(diǎn)[3]。這種技術(shù)被認(rèn)為是世界信息技術(shù)的新一次科技革命，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展勢(shì)不可擋。

3 土地工程信息物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)架預(yù)想

土地工程體系依據(jù)施工設(shè)計(jì)流程，分為3個(gè)層次，基礎(chǔ)層、技術(shù)層和工程層。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)層，是揭示項(xiàng)目區(qū)的本質(zhì)和規(guī)律，包括調(diào)查所有相關(guān)要素；技術(shù)層，是基于基礎(chǔ)層結(jié)果，研究如何解決的問(wèn)題，工程層則是，運(yùn)用技術(shù)層實(shí)現(xiàn)低消耗、低成本、高質(zhì)量、高效益的土地工程施工[4]。土地工程體系3個(gè)層次之間層層相扣，相輔相成。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分層的基本模型理論原理，土地工程信息物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)架可分為4個(gè)層次：基礎(chǔ)感知層、數(shù)據(jù)交換層、信息整合層、工程應(yīng)用層。

基礎(chǔ)感知層是通過(guò)RFID(射頻識(shí)別)讀寫器和標(biāo)簽、傳感器及傳感網(wǎng)、GPS、攝像頭、M2M(機(jī)器對(duì)機(jī)器通信的簡(jiǎn)稱)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)土地工程對(duì)象信息的感知和數(shù)據(jù)獲取，是物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的基礎(chǔ)。基礎(chǔ)感知層的技術(shù)歸為四大技術(shù)：自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)、定位技術(shù)、傳感網(wǎng)技術(shù)，技術(shù)的難點(diǎn)在于精確感知和識(shí)別物體，采集和捕獲土體相關(guān)信息，需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題在于提高土體信息的感知、智能傳輸能力。

數(shù)據(jù)交換層是利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括有線的、無(wú)線的、固定的、移動(dòng)的以及傳感等網(wǎng)絡(luò)，可以提供快捷、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸能力。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前發(fā)展相對(duì)成熟，但網(wǎng)絡(luò)的管理和運(yùn)營(yíng)能力還有待進(jìn)一步提升[5]。如何精確、高效的獲取基礎(chǔ)感知層的數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確無(wú)誤的傳輸給信息整合層，這是數(shù)據(jù)交換層重點(diǎn)研究方向。數(shù)據(jù)交換層起的是數(shù)據(jù)橋梁作用，融合上層和下層的鏈接。

信息整合層是利用智能處理、云計(jì)算、圖像視頻處理、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的重組、分類、融合，將數(shù)據(jù)整合為土地工程建設(shè)所需的組合；信息整合層的重點(diǎn)關(guān)注方向是如何解決數(shù)據(jù)信息一致性和信息語(yǔ)言，因?yàn)閿?shù)據(jù)和信息分布于不同的系統(tǒng)，兩者的結(jié)構(gòu)、格式和語(yǔ)義均不同。另外，要重點(diǎn)解決的問(wèn)題是，海量、動(dòng)態(tài)、分布性等數(shù)據(jù)信息如何進(jìn)行科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的整合與管理。土地工程大數(shù)據(jù)的體系[6]提出，是對(duì)信息整合層的有力支撐。

工程應(yīng)用層是經(jīng)過(guò)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)、專家系統(tǒng)等將信息轉(zhuǎn)化為土地工程行業(yè)內(nèi)容，從而為土地工程行業(yè)提供服務(wù)。它是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與土地工程專業(yè)技術(shù)相融合的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)土地工程實(shí)施、管理智能化。工程應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)，對(duì)土地工程行業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。該層需要關(guān)注的焦點(diǎn)是保障土地工程信息的共享和土地工程實(shí)施信息的安全問(wèn)題(圖1)。

圖1 土地工程信息物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)架

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在土地工程中的應(yīng)用展望

4.1 物聯(lián)網(wǎng)在土地工程信息采集中的應(yīng)用

土地工程實(shí)施前，要對(duì)工程實(shí)施場(chǎng)地的自然和社會(huì)環(huán)境、土質(zhì)以及水文等條件進(jìn)行調(diào)查和勘察，以便為土地工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)依據(jù)[4]。比如水、土樣信息的傳統(tǒng)的收集方式是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集樣品帶回室內(nèi)檢測(cè)，從而得到相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，樣品從采集到檢測(cè)的過(guò)程較長(zhǎng)，不僅影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、浪費(fèi)大量的人力物力，而且拖延了項(xiàng)目工程的實(shí)施進(jìn)度。傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)的感知層，近年來(lái)，在土樣采集和指標(biāo)檢測(cè)及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)面發(fā)展迅速，出現(xiàn)了多種傳感器，例如水質(zhì)參數(shù)傳感器[7]、土壤溫度傳感器[8]、土壤水分傳感器[9]、土壓力傳感器[10]等。

總的來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)與土地工程信息的采集技術(shù)相結(jié)合，替代了以人力為主的監(jiān)測(cè)技術(shù)，盡可能小的降低了人為因素對(duì)土壤原生態(tài)的破壞，提高了信息采集的效率和準(zhǔn)確性。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)在土地工程信息儲(chǔ)存中的應(yīng)用

土地工程大數(shù)據(jù)中心，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在土地工程信息儲(chǔ)存中的具體應(yīng)用。大數(shù)據(jù)，是指在限定的時(shí)間范圍內(nèi)不能用常規(guī)軟件工具進(jìn)行捕獲、管理和處理的數(shù)據(jù)集合，需要新處理方式才能具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長(zhǎng)率和多樣化的信息資產(chǎn)。大數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)集成、信息融合、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)五大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。建立土地工程大數(shù)據(jù)中心的戰(zhàn)略意義不僅能夠儲(chǔ)存龐大的數(shù)據(jù)信息，而且能對(duì)數(shù)據(jù)根據(jù)需求進(jìn)行專業(yè)化整理或處理。形象的來(lái)說(shuō)，土地工程大數(shù)據(jù)是土地工程數(shù)據(jù)的加工廠，賦予了數(shù)據(jù)的市場(chǎng)價(jià)值。

目前，由陜西地建集團(tuán)牽頭，聯(lián)合曙光公司大數(shù)據(jù)平臺(tái)產(chǎn)品，成功打造了土地工程行業(yè)內(nèi)的首個(gè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用中心。中心構(gòu)建了專題分析、模擬仿真、決策分析三大模塊，為土地工程研究與發(fā)展提供大數(shù)據(jù)模型的準(zhǔn)確分析與輔助決策支持。該平臺(tái)運(yùn)行包括五大步驟： TB級(jí)數(shù)據(jù)分布式爬取獲取數(shù)據(jù)、專題庫(kù)管理和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、多類型數(shù)據(jù)在空間范圍內(nèi)碰撞-融合分析、建立模型-可視化呈現(xiàn)、向?qū)饺藱C(jī)交互過(guò)程-精準(zhǔn)的決策報(bào)告。以大數(shù)據(jù)產(chǎn)品促進(jìn)土地工程的可持續(xù)發(fā)展，將是土地工程目前以及未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)在土地工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

土地工程質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)是土地工程質(zhì)量和安全是否合格的主要判定依據(jù)，土地工程質(zhì)量檢測(cè)的真實(shí)性和及時(shí)性具有重要的意義。

物聯(lián)網(wǎng)在土地工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用歸結(jié)為：將各類感應(yīng)器裝到相對(duì)于的檢測(cè)設(shè)備中[10]，例如，土壤養(yǎng)分傳感器、土壤質(zhì)地傳感器、土壓力傳感器、土壤污染檢測(cè)傳感器等，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，將土地工程的相關(guān)信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸?shù)劫|(zhì)量檢測(cè)信息管理平臺(tái)，土地工程質(zhì)量檢測(cè)信息管理平臺(tái)主要工作就是將工程上傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式要求進(jìn)行整理、歸類和存檔，根據(jù)用戶的需求出具相對(duì)于的報(bào)告。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，提高了土地工程檢測(cè)的效率、規(guī)范了土地工程質(zhì)量的監(jiān)測(cè)行為、構(gòu)建了土地工程質(zhì)量檢測(cè)管理平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)土地工程質(zhì)量檢測(cè)的全自動(dòng)化。

4.4 物聯(lián)網(wǎng)在土地工程監(jiān)管中的應(yīng)用

土地工程監(jiān)管是土地工程質(zhì)量監(jiān)督和管理的簡(jiǎn)稱，指運(yùn)用一整套質(zhì)量管理體系、手段和方法對(duì)土地工程進(jìn)行系統(tǒng)的管理活動(dòng)，以確保土地工程質(zhì)量。土地工程項(xiàng)目類型多，主要有新增耕地項(xiàng)目、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目、綜合整治項(xiàng)目、城中村改造項(xiàng)目等，監(jiān)管內(nèi)容包含項(xiàng)目的批復(fù)、實(shí)施、驗(yàn)收、后期管護(hù)及資金的投入及使用，表現(xiàn)為土地工程信息的收集、傳輸、分析與處理、應(yīng)用及決策的有效監(jiān)管。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，構(gòu)建土地工程質(zhì)量監(jiān)管平臺(tái)，將土地工程項(xiàng)目監(jiān)管中的耕地質(zhì)量、工程進(jìn)度及質(zhì)量、資金流轉(zhuǎn)及使用等信息利用紅外傳感器、衛(wèi)星遙感系統(tǒng)、電磁感應(yīng)傳感器、光譜傳感器等專用傳感器，按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸設(shè)備，將土地工程質(zhì)量中的相關(guān)信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸?shù)奖O(jiān)管平臺(tái)，從而對(duì)項(xiàng)目施工進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)、全方面的監(jiān)管，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，為土地工程質(zhì)量監(jiān)管提供決策依據(jù)。監(jiān)管平臺(tái)的建立，降低了信息的傳輸和使用成本，減少了工程監(jiān)管部門的軟件開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了土地工程施工中的標(biāo)準(zhǔn)化管理，提高了土地工程質(zhì)量監(jiān)管效率。

5 結(jié)語(yǔ)

合理的土地資源開發(fā)、利用和保護(hù)是世界經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人類社會(huì)發(fā)展的必然要求。土地工程概念提出的時(shí)間不長(zhǎng)，基本理論還在不斷完善當(dāng)中，但是土地工程的核心思想已經(jīng)得到了學(xué)者們的廣泛認(rèn)可，2015年我國(guó)首次將“土地整治工程技術(shù)人員”列入國(guó)家職業(yè)系列中，同年全國(guó)首個(gè)土地工程學(xué)院在西安正式成立。土地工程信息起步晚，要想趕上世界潮流，就要搭乘物聯(lián)網(wǎng)高科技列車，才能快速成長(zhǎng)。通過(guò)先進(jìn)的傳感器感知技術(shù)、信息整合提取技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建土地工程大數(shù)據(jù)中心、檢測(cè)管理平臺(tái)，從而建立區(qū)縣、全國(guó)乃至全世界的土地工程信息化平臺(tái)，將土地工程從勘探、決策、施工到監(jiān)管及評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、智能、實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)，將對(duì)土地工程快速、可持續(xù)發(fā)展意義重大。綜上所述，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在土地工程中的應(yīng)用進(jìn)行更加全面、深入地研究，是土地工程學(xué)者目前乃至未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的研究焦點(diǎn)課題之一。