5G全生態智慧國土感知平臺建設實踐

方良君

（中國移動通信集團海南有限公司，海南 海口 570100）

近年來，由于土地資源需求上升、資源供給受剛性制約，自然資源管理面臨保障發展難、保護資源難的局面。隨意占用基本農田保護區、私挖盜采礦產資源、隨意建設破壞地質等違法行為層出不窮，致使自然資源管理形勢日趨嚴峻。面對更加隱蔽多樣的違法形為，使用傳統的人工方式開展管理，已逐漸難以適應新形勢下履行職責的需要，管理部門亟須使用科技手段輔助工作。

中華人民共和國自然資源部令第79號《國士資源執法監督規定》第四條指出：“縣級以上國士資源主管部門應當強化遙感監測、視頻監控等科技和信息化手段的應用，也可以通過購買社會服務等方式，發揮現代科技對執法監督工作的支撐作用，提升執法監督效能。”為創新自然資源管理方式提供了信息化建設思路。海南移動基于5G網絡技術，設立高空瞭望高清攝像頭，聯合第三方企業創新開發視頻分析算法，結合東方市資源和規劃局生產工作管理需求，建設了5G全生態智慧國土感知平臺，通過在自然資源管理區域建立“空、天、地”一體化的感知網絡，強化自然資源用途管制，切實維護自然資源管理和利用秩序。構建“天上看、地上查、網上管”的管理機制，使土地綜合整治監管更加直觀透明，私挖盜采管控更加科學合理，地災監測預防更加規范精準，以期建設一個以預測預警為核心，以實時視頻數據、空間數據為驅動，智能協同、全景即時感知的智慧監管系統，助力自然資源部門進行山、水、林、田、湖、草、城全要素智能監管。利用新技術，應用新方法，有力解決了國土資源和生態環保等社會治理中的痛點難點問題。

1 建設思路

1.1 建設自然資源全生態智能感知體系

1.1.1 構建智能感知網絡

建設無死角、全覆蓋的智能感知網絡。

（1）衛星照片一張圖。系統可套合各級自然資源部門下發的衛星照片，包括新增建設圖斑、農用地變化圖斑、圍填海圖斑、以及原建設用地、設施農用地及單獨圖層拆除變化圖斑等。

（2）自動換電無人機。系統配適的自動換電無人機可以搭配多元傳感器載荷吊艙，其已經實現7×24小時不間斷無人化自動作業、自動返回無人機巢換電，可搭載多種載荷工具支持不同場景工作。

（3）高位攝像頭。依托40米通信鐵塔搭建高點攝像頭，可7×24小時進行視域10平方千米的自動巡查。

（4）多源傳感器。系統可接入雨量傳感器、地表位移傳感器、智慧界樁等多源傳感器，助力隱蔽情況及時發現。

1.1.2 打造“空天地網”立體管理體系

綜合應用“天上看、視頻探、地上查、網上管”，破解自然資源管理難題。

（1）解決自然資源數據整合難、查找難、可視化難問題。系統響應“—張圖”工程要求，實現在遙感影像及實時視頻中準確套合各類自然資源圖層，并衍伸實現多圖對比、地塊分析等功能，助力自然資源監管部門便捷、直觀查看地塊規劃、利用、審批現狀。

（2）解決自然資源違法、險情發現難問題。系統可將前端感知設備（以高點攝像頭為主，無人機、傳感器為輔）采集的實時數據，與后端基于自然資源業務邏輯的人工智能Al算法相結合，進而對指定區域進行7×24小時不間斷自動巡航、智能預警，突破人工巡查的時間、空間局限性。

（3）解決自然資源巡查精準度低、調度難問題。管理人員可將系統發現的危情險情對點派發至巡查人員的手機App，可對重大危情進行實時態勢模擬、精準調度。巡查人員可通過手機App準確了解現場情況，并通過系統內置導航準確到達指定地點進行處置，有效提高巡查效率、提升協同作業能力。

（4）解決自然資源管理取證難、證據留存難問題。建立全業務網上跟蹤系統，及時對違法行為、災情險情的發現和處置進行取證。系統也可對需要進行批后建設、土地整治的地塊進行定點定時拍照取證及存儲，助力管理部門加強證據留存水平。

1.1.3 科技賦能管理升級

由二維靜態向三維動態升級，由人工主導向科技主導升級。

（1）升級前，僅有二維圖層數據，巡查主要依賴人工，事后處置難度較大，證據無法妥善留存，業務系統冗雜繁多。

（2）升級后，攻克空間定位及坐標打通技術，實現實時視頻中自然資源圖層疊加、套合，并基于此實現視圖聯動調度、視頻中地塊分析等功能，使數據更直觀，使用更便捷。研發基于自然資源邏輯的人工智能算法，能夠自主識別違法違規、危情險情標志物、標志場景，大大提升管理效率，變事后處置為事前預防。構建基于自然資源業務邏輯的業務系統，集自主巡查、自動取證、狀況預警、任務下發、資源調度、證據留存于一體，降低管理人員工作難度和煩瑣度。

2 系統構架和核心技術

2.1 平臺構架

整個系統采用開放式體系建設，即通過前端感知系統和基礎平臺的統一建設和模塊化功能部署，構建一個能支撐自然資源、生態環境、林草、農業農村等行業應用解決方案運行及數據集中處理的整體系統。將基礎支撐功能與具體應用分開的系統架構方式，既能降低政府在自然生態領域的建設投入，又能實現政府在城市治理方面對自然資源管理數據、環境數據、自然災害數據等信息資產的集約化管理，還可以滿足同一數據對自然資源、生態環境、林草、農業農村等部門具體場景化應用的統一支撐。系統平臺架構如圖1所示。

圖1 系統平臺架構圖

自底向上分別為物聯感知層、基礎設施層、平臺能力層，應用服務層[1]。

（1）物聯感知層。通過各類前端感知設備實現多維數據采集。主要包括物聯感知、衛星感知、航空感知以及其他部門建設的各類相關感知設備。

（2）基礎設施層。通過租用運營商網絡，構建專網，廣泛整合新建點位資源、已有點位資源，實現資源的跨部門共享。

①基礎設施：包括CPU計算資源、GPU計算資源、存儲資源。

②基礎視頻能力：實現視頻設備、智能設備、物聯網設備的接入及聯網共享，并提供流媒體、電視墻管理、云鏡控制等服務。

③數據能力中心：將所需要的智能數據全部匯聚，構建各類業務應用專題庫，為業務應用提供數據服務支撐。

（3）平臺能力層。

①AI能力中心：實現多種智能算法的統一管理及調度，實現多種硬件平臺的兼容，有效解決算法多、設備雜、能力單一、算法與硬件耦合度高、算法升級維護困難等問題，為上層應用提供各類智能服務。

②通用能力：提供地圖、權限管理、校時、配置等服務。

③管理調度能力：實現所有資源的統一管理調度。

④開放API：平臺層提供開放的服務，以開放API的形式開放出去，可供多廠家應用平臺調用。在這樣的開放架構下，可以不斷生成智能化的應用。

⑤應用服務層。綜合應用包括監測預警、環境監管、決策支撐、應急響應、監管執法、綜合分析和公眾服務。

⑥標準規范體系。對于系統建設流程管理、質量管理、人員管理和風險控制等方面，需要符合本項目實際情況的制度規程。對于關鍵的應用和數據，需要按照國家、政府相關部門出臺的統一開發標準、編碼標準、聯網標準和接口標準等進行。

⑦安全保障體系。信息系統自下而上貫穿整個系統，實現通信網絡安全、區域邊界安全、計算環境安全和管理安全等方面的安全保障[2][3]。

⑧運維管理體系。建設綜合監控與運維系統：一是建設綜合監控運維系統，實現視頻及IT基礎設備資源的綜合監控與管理，實現信息的展現與異常報警。二是建立系統運維隊伍、工作機制、考核辦法、運維模式等。

2.2 資源構架

2.2.1 計算資源池

（1）架構設計。本項目設計的計算資源池邏輯自下而上劃分為設備層、資源層、服務層、接口層。計算資源池邏輯架構如圖2所示。

圖2 計算資源池邏輯架構圖

①設備層：提供智能計算及各類平臺所需的基礎的物理計算資源，包括通用服務器（X86）、智能分析服務器（嵌入式GPU芯片）。

②資源層：對多種類型的計算設備進行統一管理，動態實現計算資源的調度。提供GPU類資源，服務于高性能、高實時性的解析應用；提供CPU類資源，服務于應用系統軟件或組件的部署。

③服務層：提供GPU計算資源、物理裸機資源，以及計算資源。

④接口層：計算資源池提供了良好的擴展性，提供RESTfulAPI接口，實現資源能力的開放，滿足與視頻圖像應用平臺的對接開發。

（2）功能設計。

①虛擬化基礎功能。通過虛擬機生命周期管理，實現虛擬機創建、控制、備份、克隆、鏡像管理功能。

②虛擬機資源分配和調度。實現虛擬機CPU和內存資源的按需分配和動態調整、虛擬機HA和動態遷移、存儲動態均衡、共享存儲擴容、分布式虛擬交換機、VLAN劃分等功能。

③虛擬化系統管理。實現虛擬機狀態監控、故障告警、權限管理、日志管理、版本和補丁升級、時間同步等功能。

④物理機管理。實現對物理服務器的管理。物理服務器可以像虛擬機一樣進行操作系統安裝、開機、關機等相關操作。

⑤網絡。提供虛擬網絡功能，提供獨立的網絡平面；支持創建多個虛擬化網絡，支持SR-IOV、VLAN、VXLAN、虛擬交換機等多種網絡模型。實現網絡虛擬化、多租戶隔離等功能。

⑥存儲資源管理。支持多種存儲方式，包括多種后端存儲設備的接入、邏輯存儲的創建和管理，并且向用戶展示存儲資源池的使用情況。

⑦彈性伸縮。支持資源彈性伸縮功能，根據業務需要自動調整計算資源實例，提升資源利用率、節省基礎設施成本。支持視頻組件的彈性伸縮，可以將視頻高并發的組件進行自動擴展或者刪除，保證視頻業務的穩定運行。

警察也懷疑侯大同，在湯翠家門口守了一夜。事情明擺著，侯大同對無花果樹的鐘愛肯定與下面埋著的尸骨有關系。

⑧提供GPU計算服務，實現AI智能分析。

（3）計算資源配置。

①虛擬化CPU資源。基礎應用平臺、運維服務中心、資源管理調度中心（部分）、視頻云存儲部分管理服務器等系統采用虛擬機部署。

②裸金屬CPU資源。資源管理調度中心（部分）、數據服務中心、視頻云存儲管理服務器等系統采用物理機部署。

③GPU資源。根據AI能力中心對視頻、圖片結構化分析的需求，按照N+1的集群部署模式。

2.2.2 智能解析中心建設

智能解析服務由算法倉庫提供[4][5]。算法倉庫由智能任務調度服務、算法管理服務、智能基礎服務三部分組成，三者協同工作，為用戶提供大規模視頻圖像智能分析能力。在該體系中，各種智能算法注冊至算法倉庫，根據用戶場景需求，通過調度平臺靈活調度、加載各種算法，由算法倉庫推送至部署基礎智能服務框架的智能設備上完成任務處理。算法倉庫體系架構使得智能分析能力不再固化在產品中，實現“一套平臺，多種算法”，具有系統高可用、資源高利用率、算法靈活開放等優勢。算法倉庫體系架構如圖3所示。

圖3 算法倉庫體系架構示意圖

2.2.3 AI能力設計

2.3 網絡架構

項目通過視頻安全接入、移動安全接入和安全認證管理系統[6][7][8]實現前端攝像機、平板終端等的視頻與業務數據傳輸安全；視頻與業務數據在進入內網前，先通過網閘和防火墻（根據局方要求，利舊原有設備），確保傳輸安全[9][10]。

在進入內網后，視頻與業務數據進入業務系統進行分析統計利用，同時與系統生產的數據進入備份系統和共享系統，方便查詢、共享。

2.4 核心技術

2.4.1 采用空間實時定位算法建立坐標聯系

公司自主研發的映射算法，可建立三維視頻傾斜坐標與2000國家大地坐標系的精準對應聯系。在此基礎上實現動態視頻數據與自然資源底層數據融合疊加，實時發現自然資源利用動態變化，掌握自然資源動態大數據，進而應用于執法監察、城市建設等領域。

2.4.2 基于深度學習的AI視頻識別技術

公司自主研發基于業務邏輯的自然資源AI識別算法，能夠自主識別動態視頻中指定區域自然資源違法標志物/行為，并與自然資源底圖進行實時對比，當判定有重要變化時向管理者發出預警報警，輔助管理者決策。

2.4.3 基于AR智能標簽的BIM實景融合技術

以山水林田湖草編制網格碼為基礎空間參考體系，將現場動態視頻流信息和BIM靜態模型結合，形成基于AR的現場實體信息與BIM+GIS虛擬信息融合應用模式，實現靜態三維數據建模到動態BIM監管應用的轉變。

3 應用場景

在全生態智慧感知監管核心場景中，主要實現衛片、林斑聯動監測、智能識別預警、自然資源全景巡查、圖像檔案、違規記錄等行業應用功能，有效解決森林督察、海洋督察、農村建房亂占耕地、別墅清查、衛片執法、礦山私挖盜采等違法行為發現難、發現不及時、取證困難等問題。

3.1 兩違監管

（1）農村亂占耕地建房。將高空視頻和衛片、資源圖層結合，實現圖斑動態監測、土地全域化、可視化管理。通過自動巡查、識別施工機械、圍擋及建筑材料，通過攝像頭查看報警現場情況，實現智能識別預警。通過電子圍欄功能鎖定證據，若出現新增違法情況即時預警，實時記錄違法動工現狀。

（2）違章搭蓋建筑。系統自動巡查、識別違規搭蓋建筑，自動報警，報警坐標在遙感影像上顯示。通過預警信息提供的對應攝像頭查看實時視頻，復核現場情況是否真實違法。通過電子圍欄功能對制定地塊定點、定時抓拍，記錄違法作業全過程。

3.2 耕地保護

保護基本農田，遏制農地非農化。系統可在遙感影像圖中套合基本農田數據圖層，通過前端攝像頭自動巡航，可自主識別基本農田撂荒、違章搭建工棚、建筑垃圾堆放等行為。對已發現的疑似違法行為，可調用附近攝像頭對現場情況進行遠程查看。對已確認的違法行為，一方面可通過派發任務至基層執法人員精準執法，另一方面可以將相關位置信息及發現現場圖片發送至該塊基本農田對應行政責任人，切實落實責任到人。

3.3 礦山綜合監管

運用綜合管理手段精細管理無主礦和有主礦，實現有證礦山越界開采監管、無證礦山私挖盜采監管和夜間私挖盜采監管。

3.4 土地全生命周期綜合管理

對批而未供、供而未建土地進行監管，提升土地利用率。

3.5 實現森林防火“災前、災中、災后”全流程掌控

煙火識別及空間定位。系統內置的AI識別算法可準確識別煙火并立即報警。由于攻克了空間坐標轉換技術，系統可在遙感地圖上準確定位火情位置，實現將火情現場照片和火情定位同時推送至管理中心。

3.6 河流海洋監管

對圍填海、盜采河海砂、違規作業進行智能管控。

3.7 生態紅線監管

全面監控生態紅線內資源環境狀況，保護生態安全。

4 結束語

5G全生態智能國土感知監管平臺以執法監察社會化服務為切入點，通過5G視頻實時感知和人工智能大數據分析，改變傳統的衛星和人員巡查的執法模式，實時、精準打擊秸稈焚燒、河湖水污染、違法占用農田、森林亂砍濫伐、毀林種茶、礦產資源私采濫挖等侵占、濫用、破壞資源的違法行為，變處罰后置為管理前置，真正實現“發現在初始，解決在萌芽”，有效降低執法成本，保障國家耕地紅線。下一步，依托豐富的高位瞭望視頻資源和功能強大的AI算法分析識別能力，該平臺還可將功能拓展到社會應急調度、綜合透明執法等社會綜合治理領域，真正實現社會綜合治理一網通。■