空天地網一體化智慧監測體系在耕地保護執法監管平臺中的應用

王莉，尋知鋒*，鄭美麗，王安邦，劉曉，崔鑫超

(1.日照市自然資源和規劃局，山東 日照 276800；2.浙江臻善科技股份有限公司，浙江 杭州 310012；3.濰坊市勘察測繪研究院，山東 濰坊 261000)

0 引言

近年來，隨著我國新型工業化、城鎮化建設的深入發展，耕地后備資源不斷減少，違法違規占用耕地現象呈現出多樣化和復雜化，耕地保護、土地執法監察工作面臨新的考驗[1-2]。目前，全國各地自然資源部門主要利用航空航天遙感影像數據[3]，結合人工實地巡查的方法進行自然資源監管，這些技術手段在日常監管工作中發揮了重要作用，但在高效性、便利性、準確性等方面仍存在一些不足[4]。

空天地一體化立體監測是指從空、天、地三個角度進行監測，“空”即低空無人機監測，“天”即衛星遙感監測，“地”即地面監測[5]，此種監測方式具有監測面積大、范圍廣的特點，可以結合行業應用構建全天候、全天時、全覆蓋的監測體系，從而保障行業健康發展。國內諸多領域的專家學者對其進行了較多的應用研究[6-8]，使空天地一體化監測技術在監控應用領域逐漸走向成熟。張凱等[6]提出了傳統高精度測量與現代高效快速大范圍測量相結合的空天地一體化監測技術，建立了集數據采集、數據處理及結果展示為一體的空天地一體化監測體系。裴小龍等[7]依托黑河流域現有觀測研究基礎，以13個觀測站為依托，圍繞資源類型，開展航天和無人機遙感協同觀測，并結合人工樣地調查，對其數據進行相互比對、驗證和集成處理，初步構建起基于空天地一體化的黑河流域自然資源要素綜合觀測網絡。曹波等[8]利用空中無人機、天基國產衛星高分2號為主的遙感數據、陸基手段的移動采集設備以及傳統監測站點，構成岸線持續滾動、定期更新、實時響應的多層次、多時間頻度的先進對地觀測體系，并結合管理信息系統，實現岸線的動態監測與管理。

物聯網、移動互聯網、大數據分析應用、云計算等新一代信息技術的快速發展為監測監管帶來了新的思路。王軍[9]提出運用新一代信息技術建立生態環境空天地一體化管理系統、完善綜合防汛預警體系、健全黃河供水區水資源管控體系、加快流域內產業結構優化調整、建立完整的流域產業鏈等。本文以山東省日照市市域范圍內的耕地保護作為研究對象，依托新一代信息技術，嘗試提出“空天地網”一體化智慧監測體系，并在日照市耕地保護執法監管平臺進行應用實踐。

1 空天地網一體化智慧監測體系

1.1 體系框架

空天地網一體化智慧監測是基于“早發現、早制止、嚴查處”的自然資源工作機制，以耕地保護為對象，構建完善的空(衛星遙感)、天(無人機遙感、視頻監控)、地(地面移動巡查)、網(物聯監測設備、大數據分析和互聯網協同查處)一體化的智慧監測網絡，實現三維立體、全域全覆蓋、全時全天候、協同高效處置的動態監測監管，促進耕地的永久保護，及時發現和查處耕地違法行為，牢牢守住耕地保護紅線，保好“飯田碗”。

空天地網一體化智慧監測體系的主要內容包括遙感衛星、無人機、視頻監控、田長(網格員)等終端對耕地違法信息的實時采集、處理、上報，然后利用大數據進行分析，基于互聯網進行協同查處。旨在形成衛星遙感“天上看”，視頻監控、無人機遙感“實時看”，田長負責“實時管”，網格員“實時巡”，公眾參與“隨手拍”，物聯網、互聯網、大數據分析“智能管”的一體化、智慧化耕地動態監測新格局。

1.2 關鍵技術與制度

1.2.1 基于3S的空間數據采集與處理技術

3S技術是對衛星遙感(RS)、全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)三種技術的簡稱，在自然資源監測方面得到廣泛的應用，主要包括進行空間數據的采集、處理、存儲、分析應用。3S技術的集成應用為監測信息獲取、處理分析、可視化表達提供基礎，全面獲取信息的能力可以及時對區域建設實施、規劃管控和日常監管情況進行動態監測，處理分析能力能對監測信息進行針對性分析、評價和預測，可視化表達能力能將各類信息通過地圖等多種形式對外發布[10]。在耕地保護的空天地網一體化智慧監測體系中，采用由遙感衛星(航空監測)、無人機遙感(航天監測)對監測范圍進行定期拍攝，獲取影像數據，然后通過一系列的融合、矯正、鑲嵌、分類、解譯等影像處理技術，提取關鍵信息，識別違法占用、使用耕地的行為。再利用GIS技術進行數據處理、數據庫建設，建立疑似違法圖斑庫，根據后期處置情況不斷更新圖斑庫數據[11]。同時，在進行現場核查核實過程中，可利用GPS實現違法現場的快速定位、巡查軌跡的實時記錄[12]，更高效的輔助耕地違法行為的查處、監管。

1.2.2 基于田長制的移動巡查監管

制度創新也在不斷豐富耕地保護新機制，日前，全國各地自然資源政府部門都在不斷探索怎么利用田長制進行耕地保護。山東省出臺《關于推行耕地保護“田長制”的指導意見》，提出建立村集體經濟組織日常管護機制，實現“橫向到邊，縱向到底”的耕地保護責任全覆蓋；要求各市要因地制宜，分類施策，指導本區域內田長制的建立，明確“田長”職責設置及縣、鄉兩級政府與村集體經濟組織在耕地保護工作中的職責分工，并將田長制實施情況納入耕地保護責任目標自查體系，不定期調度轄區內田長制工作推動情況。例如：天津市武清區根據當地實際情況因地制宜的推行田長制，取得了較好的成效。吉林省梨樹縣也出臺了田長制，使得耕地保護的責任更加明確。

在空天地網一體化智慧監測體系中，地面移動巡查是其中“地上巡”的重要組成部分，能夠更好地服務各級田長和公眾，并為自然資源相關職能部門的外業巡查管理提供了有力支撐，實現巡查記錄、問題反饋、拍照上傳、信息查詢等功能[13]。移動巡查只是工具，支撐“地上巡”高效運轉的長效機制是田長制的設立，通常采用技術輔助制度落實的方式，結合當地耕地保護實際情況，基于田長制設立分級管理責任制。利用移動巡查技術，開發相應的App系統，各級田長可通過手機、平板電腦等移動終端[14]，結合GPS定位功能實現違法現場的快速、精準定位、巡田軌跡的全程實時記錄，成為田長工作的“得力助手”。

1.2.3 基于物聯網的智能感知與分析技術

物聯網是通過先進的信息傳感技術，按照約定要求，依據實際需要進行物與物相互聯系的網絡連接，在互聯互通的過程中，物與物通過互換信息和通信，形成智能化識別、管理、監控、定位和跟蹤的智能網絡系統[15]。傳感器技術和射頻識別技術(RFID)分別是物聯網運行的基礎、發展的關鍵技術，通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器、氣體感應器等信息傳感設備[16]及時獲取感知數據，基于網絡準確傳送后利用智能技術對數據進行分析處理，然后應用于業務場景中。

在耕地保護領域中所使用的物聯網監測設備主要包括低功耗網絡球機、聲光警戒攝像機、圖像傳感器(衛星遙感)等。受網絡、費用等軟硬件條件的限制，一般應用在重點區域，比如高標準農田保護區、永久基本農田保護區、需重點關注或監測的地區，結合AI、GPS、互聯網等技術實現非法使用耕地的識別、精準定位、執法監管平臺彈窗預警、執法程序啟動。通過在事件多發地塊設置周界監測預警設備，出現異常人車現場進行聲光警示，同時在監管平臺進行彈窗報警，生成核查任務，與田長移動巡查系統進行聯動，實現田長高效巡田、疑似違法行為精準核查。運用物聯網技術還可以對永久基本農田保護區周邊道路車輛進行管控，通過對周邊道路斷面的監控全覆蓋，輔以云計算、大數據分析等技術，實現對進出車輛的行駛軌跡還原、統計、查詢、異常分析，從而達到自動監測耕地違法行為。

2 耕地保護執法監管平臺設計

2.1 平臺框架設計

依托以視頻物聯+AI智能、3S、互聯網為核心的“空天地網”一體化智慧監測體系，結合云計算、大數據等新一代信息技術，基于田長制移動巡查監管，構建日照市耕地保護執法監管平臺，實現設備整合、數據、流程、系統及分析展示，打造統一的、高效的耕地保護監管與執法平臺，實現耕地保護工作的智能化、協同化、精細化管理。基于“空天地網”一體化智慧監測體系的日照市耕地保護執法監管平臺框架由感知層、網絡層、數據層、分析管理層、應用層5層組成(圖1)。

圖1 平臺總體框架圖

(1)感知層：是“空天地網”一體化智慧監測體系應用于耕地保護執法監管平臺的重要基礎和支撐，依托強大的適應力、擴容力實現對違法占用、使用、損害耕地的一系列行為進行立體監測、智能監測、全天候全天時監測。感知層的設備主要包括遙感衛星、無人機、熱成像卡口攝像機/球機視頻監控、田長移動巡查App等。

(2)網絡層：是保障感知層得以發揮作用的重要中介，主要是將“空天地網”一體化智慧監測體系中的各種監測數據實時、高效、準確的傳輸，從而形成可靠的全覆蓋的數據傳輸網絡。能夠將“航天衛星、中低空無人機和監控、田間巡查”的監測數據實時傳回平臺進行分析管理，構建全面的監測網絡。主要包括的網絡類型或通訊設備有北斗通訊衛星、窄帶互聯網、4G/5G網絡、互聯網、光纖專網等。

(3)數據層：將各類數據組織和存儲，實現資源按需分配，為分析管理提供數據支撐，以更好的滿足場景應用需求。包括由現狀數據、規劃數據、管理數據等構成的自然資源一張圖數據，分析與存儲感知層的監測數據、田長制數據組成的專題數據，以及對接國土空間基礎信息平臺、日照城市大腦、日照政通App、國土空間規劃一張圖實施監督系統的接口數據。

(4)分析管理層：運用AI、大數據、云計算、數據挖掘、可視化分析等技術對感知層的實時監測數據、歷史數據進行分析，從而形成高質量、標準化、高智能的耕地違法監測數據供給源，達到準確識別是否存在耕地違法行為、違法現場快速定位的目的，為違法行為快速核查確認、違法案件多部門高效協同處置等提供支撐。

(5)應用層：包括網格化移動巡查管理子系統、領導駕駛艙、網格化執法子系統，是“空天地網”一體化智慧監測體系應用于耕地保護執法監管平臺的應用場景。是依托基礎數據，結合業務需求，對物聯感知監測數據充分利用的具體體現。

2.2 功能設計

2.2.1 執法監管平臺(PC端)

執法監管平臺PC端是耕地保護監督執法的管理中心、指揮調度中心，基于“空天地網”一體化智慧監測體系成果，整合監測信息、基礎數據、業務數據，融合信息報送、巡田監管、違法案件處理、考核4個工作機制。平臺主要有5個功能模塊：

(1)執法一張圖。充分利用現有的國土空間基礎信息平臺數據，利用電子地圖空間呈現優勢，梳理農田、田長巡查、執法監察案件等相關信息，實現關鍵信息的查詢、統計與可視化管理，為政府分析決策提供有力支撐。

(2)執法監察。與“空天地網”一體化智慧監測設備對接，通過AI、云計算、大數據等新一代信息技術，完成對機械工程車輛闖入、違法建設等疑似耕地違法情況的自動識別、自動上報、預警彈窗，并與移動巡查系統聯動實現任務自動生成、智能派發。根據現場核查確認成果，將核實后的位置、事件等信息推送相關執法監察人員，并全程記錄執法監察信息，為多部門聯動、協同高效處置耕地違法行為提供平臺。

(3)巡田任務。對監測的巡田任務、固定周期的巡田任務以及執法核查下發的巡田任務進行統一管理。包括田長信息的維護、任務的分配、巡查結果的審核與管理等功能。

(4)監督考評。一是實現對田長、田管員的監督評價；二是對執法監察的立案數量、辦理時限、未辦結案件、辦理過程資料等情況進行綜合監督；三是實現上級田長依據考核指標體系對相應下一級田長進行考核，考核評估結果匯總。

(5)日常管理。提供各種類型的通知公告的發布，并實現通知公告的推送和查閱功能。提供耕地保護執法監管領導小組、組織實施機構等工作狀態發布及查看功能。

2.2.2 移動巡查子系統(執法監管平臺App端)

該系統是“空天地網”一體化智慧監測成果與耕地保護業務管理融合的體現，是基于田長制的移動巡查監管手段，巡查的線索來源于衛星遙感、無人機遙感、視頻等物聯網監測數據采集后利用AI識別、云計算、大數據分析的結果。

(1)網格設置：根據《日照市人民政府辦公室關于印發〈日照市耕地和永久基本農田保護“田長制”實施方案〉的通知》，結合日照市耕地保護實際情況，在全市設置一級田長7名，二級田長53名，二級網格員447名，三級田長2757名，在三級田長下設置田管員6196名，實現耕地和永久基本農田保護的精細化。

(2)系統業務流程與功能：按照“多級監督、多級指揮、多級處置”的運行模式，為各級田長及網格員、田管員提供移動辦公和移動巡查功能。該系統功能有6個：一是對巡查任務的管理，提供任務接收、預警、查詢、辦理狀態等功能，任務來源包括基于“空天地網”一體化智慧監測網絡分析后自動生成、派發的和基于田長定期生成的；二是記錄巡田軌跡、巡田圖片與視頻成果；三是依托移動設備，采用無線網絡傳輸技術，實現耕地保護問題的GPS定位，文本、圖像、聲音和位置信息等巡田成果的上報；四是提供對不確定問題的暫存處理；五是對歷史記錄的查詢功能；六是實現耕地保護“一張圖”數據在移動端的展示，讓信息查詢、匯報和展示更加機動靈活。

2.2.3 耕地保護駕駛艙

依托軟硬件配套設施設備，整合“空天地網”一體化智慧監測源數據、管理數據、在線互聯調度等核心業務的各項關鍵數據，面向各級領導，根據不同權限，實現多類型多維度呈現。依托VR技術，足不出戶可將現場帶回家，包括田長及網格員數量與分布、巡查業績排名、巡田路徑展示、案件數量統計、案件類型統計、區域統計、案件處理進度、視頻監控等物聯網數據，以縮略圖、扇形圖、柱狀圖、表單等形式進行智能化展示，如圖2所示，為主管部門提供全面、準確的信息及決策支持。

圖2 耕地保護駕駛艙

3 平臺應用效果

基于“空天地網”一體化智慧監測體系建立的日照市耕地保護執法監管平臺自2021年9月正式運行以來，累計巡田次數58452次，巡田里程73015km，下發核實衛片圖斑共209個，田長上報疑似違法案件十余起，提高了耕保執法公信力、實現了耕保執法的節約化和便捷化[17]，與傳統監測方式相比在及時性、便利性、科學性等方面優勢明顯，為確保耕地數量不減少，質量不降低提供了強大助力。

(1)變被動管理為主動發現，更及時。改變以往在耕地保護中單純依靠人員按期巡田、檢查上報的方式，綜合運用移動端App、AI技術等，為各級田長及網格員、田管員提供移動辦公和移動巡查功能，為領導主動推送耕地保護的第一手信息，達到24小時實時智能監控、主動發現違法用地的效果。

(2)變單一低效為閉環互動，更高效。實現耕地保護多方協同、閉環管理。由田管員進行巡田管理，發現并上報違法案件，由上級田長協同執法部門進行聯合執法，確保每一件問題都能得到妥善的處理，做到事事有回應，件件有著落。

(3)變經驗決策為數據輔助，更科學。建立一套將不同維度的數據進行統計分析，以縮略圖、扇形圖、柱狀圖、表單等形式進行智能化、立體化展示，為領導的決策提供全方位的信息支撐，使領導決策有據可依。

4 結語

本文從日照市耕地保護執法監管的實際出發，以自然資源“一張圖”、耕地保護專題數據庫等數據為基礎，以田長制為制度保障，采用3S等地理空間技術，依托物聯網、云計算、AI識別、大數據分析等新一代信息技術構建了基于“空天地網”一體化智慧監測體系的耕地保護執法監管平臺。

基于“空天地網”一體化智慧監測體系建立的日照市耕地保護執法監管平臺自正式運行以來，能夠及時發現耕地違法行為，并進行高效閉環處置，實現了耕地保護的精準高效管理，同時也能滿足領導決策支撐需求。“空天地網”一體化監測體系應用于耕地保護執法監管平臺的思路可行有效，能夠助力耕地數量、質量、生態的守護。