基于實體的耕地資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)探討

金 健，黃景金*，郭偉立，李新東，陳湘楠，韋忠揚，楊鄭貝，黃 妤

（1. 廣西壯族自治區(qū)自然資源調(diào)查監(jiān)測院，廣西 南寧 530023；2. 北部灣經(jīng)濟區(qū)自然資源監(jiān)測評價工程技術(shù)創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530219）

新中國成立以來，我國涉及耕地資源調(diào)查監(jiān)測工作主要由2個部門負責(zé)（見表1），一是國土資源主管部門開展的以資源管理為目的的耕地（土地）調(diào)查監(jiān)測工作；二是農(nóng)業(yè)主管部門開展的以服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為目的的耕地（土地）調(diào)查評價工作[1-2]。耕地資源的調(diào)查監(jiān)測始終存在分頭獨立組織、指標(biāo)重復(fù)矛盾、先進技術(shù)支撐不足、結(jié)果共享難等困境。

表1 我國涉及耕地資源的調(diào)查監(jiān)測工作開展基本情況

為解決上述問題，2018年機構(gòu)改革后，自然資源部提出構(gòu)建自然資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測體系，逐步明確以自然資源實體為單元構(gòu)建自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫模型，并論述自然資源的實體模型、粒度、尺度、語義等理論和整合轉(zhuǎn)換方，同時以地理場景支撐三維立體時空數(shù)據(jù)建設(shè)；并正式提出使用自然資源實體概念，通過構(gòu)建相關(guān)模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化處理、知識圖譜職能分析，將調(diào)查監(jiān)測成果數(shù)據(jù)在實景三維場景下進行展示、分析和評價，這為耕地資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測指明了方向，提供了技術(shù)指導(dǎo)[3-5]。

許多專家學(xué)者也在積極地開展耕地資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測的實踐和探索，如苗前軍[6-8]等提出目前耕地及各類自然資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測技術(shù)體系中要集中攻關(guān)解決的關(guān)鍵技術(shù)。這些前沿的技術(shù)發(fā)展水平及政策理論研究給耕地資源管理帶來了變革的可能性，也為今后耕地的實體統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測指明了方向。

1 耕地實體基本概念

耕地資源的核心本質(zhì)是孕育作物生長的土壤，其自然屬性（空間位置、質(zhì)量水平等）、經(jīng)濟屬性（稀缺性、區(qū)域性等）、社會屬性（融入社會勞動）、生態(tài)屬性（生態(tài)環(huán)境功能）等隨著人口不斷增多，耕地逐漸減少，其內(nèi)涵也愈加明晰[2-3]。而“實體”是對特定對象的一切屬性信息的集合體，具有屬性相對穩(wěn)定、邊界明確且可識別等特征[9-11]。

因此耕地實體可初步概括為：在繼承了傳統(tǒng)耕地資源管理涉及的必要屬性的同時，以點、線、面、體等組合模式，依照可唯一識別的編碼規(guī)則（分類規(guī)則、位置規(guī)則等），按照一定尺度粒度（目前以同一權(quán)利人、相同種植屬性、相同質(zhì)量的最小范圍來劃分）及一定三維立體空間排序的數(shù)據(jù)組織模型，以土壤物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)、社會屬性等信息為核心，同時包括所處生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等多維屬性特征信息的集合體，能最直觀、最精簡、最大程度地滿足多部門、多對象的應(yīng)用需求[9-11]。

2 基于耕地實體的調(diào)查監(jiān)測關(guān)鍵方法討論

2.1 屬性分類的繼承與創(chuàng)新

構(gòu)建耕地實體，就是要重構(gòu)耕地資源調(diào)查監(jiān)測的屬性分類，從辯證的角度出發(fā)，在原有成果的基礎(chǔ)上，著力解決概念不統(tǒng)一、內(nèi)容有交叉、指標(biāo)相矛盾等問題。

首先，繼承傳統(tǒng)各類耕地資源調(diào)查監(jiān)測的基礎(chǔ)共性屬性（如空間位置、坡度坡向、耕層厚度等），并根據(jù)屬性內(nèi)涵進行合理的合并、統(tǒng)一，最大限度地去除數(shù)據(jù)采集的重復(fù)投入及相互矛盾。同時，根據(jù)實際管理需求，篩選耕地資源的各類相異的特征屬性項，進行整合、完善。

其次，根據(jù)耕地資源產(chǎn)生、發(fā)育、演化和利用的全過程，創(chuàng)新以立體空間位置作為組織和聯(lián)系耕地資源實體的基本紐帶，以基礎(chǔ)測繪成果為框架，以數(shù)字高程模型為基底，以高分辨率遙感影像為背景，對耕地資源實體的屬性信息進行重構(gòu)，形成一個完整的支撐生產(chǎn)、生活、生態(tài)的耕地資源分層分類立體時空模型[3]。同時在耕地資源屬性分類理論、分類維度、分類方法、技術(shù)手段等方面通過繼承、創(chuàng)新，不斷迭代，從源頭上保障耕地資源屬性信息的邏輯性和統(tǒng)一性，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)精細化管控和數(shù)據(jù)價值最大化。

2.2 調(diào)查監(jiān)測的分工與協(xié)同

在耕地實體概念、屬性信息組織模型逐漸明晰的基礎(chǔ)上，針對耕地資源調(diào)查監(jiān)測的多樣化業(yè)務(wù)需求，通過統(tǒng)籌組織各級各部門，以符合一定編碼規(guī)則、尺度粒度的實體為基本單元，從三維立體時空的整體角度出發(fā)，形成耕地資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測技術(shù)手段的分工協(xié)作：共性化屬性由自然資源主管部門采用航天航空遙感觀技術(shù)、借助地面各類觀測技術(shù)進行實時采集與智能測量，實現(xiàn)統(tǒng)一組織調(diào)查；專業(yè)化屬性由各相關(guān)專業(yè)部門借助地面各類專業(yè)觀測技術(shù)，并整合各級專業(yè)團隊、檢測儀器，實現(xiàn)多部門協(xié)作開展；同時，由各相關(guān)部門利用地面實時采集與智能測量、公眾協(xié)同采集APP、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同數(shù)據(jù)獲取等主要技術(shù)手段，整合各級專業(yè)團隊力量、社會大眾資源協(xié)作開展耕地資源監(jiān)測、更新[12]。

基于耕地資源屬性分類，針對目前耕地資源管理的各類需求，設(shè)計“邏輯統(tǒng)一，物理分散”的屬性信息共享模式，形成耕地資源調(diào)查監(jiān)測成果應(yīng)用服務(wù)的分工協(xié)同。通過多元屬性項的抽取、組合等方式，共性信息采取本地實體化存儲，差異的專業(yè)性調(diào)查成果通過掛接、調(diào)用查詢；通過信息快速索引鏈接，建立耕地實體信息共享模式；最終將管理對象、調(diào)查成果、自然資源管理有機銜接，將各類屬性信息、管理信息與實體目標(biāo)一一對應(yīng)[13-14]。

3 耕地資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)支撐

3.1 耕地實體時空數(shù)據(jù)組織管理

近年，雖然在土地、測繪等方面建立了一批基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，但其屬性信息的組織管理仍存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、尺度多樣、成果矛盾等問題。經(jīng)不完全統(tǒng)計，自然資源部門、農(nóng)業(yè)部門、林草部門等所開展的各類項目共涉及耕地資源屬性72項，涵蓋了耕地資源的理化屬性、管理屬性、經(jīng)濟屬性等。其中，重復(fù)調(diào)查的屬性達30余項，需各部門二次處理（等級劃分或質(zhì)量評定）的屬性23余項。

本研究充分收集自然資源部門、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門、林草部門等涉及各類耕地資源調(diào)查監(jiān)測的屬性信息，從法理、行政、技術(shù)邏輯等角度提煉耕地實體的深層內(nèi)涵，對耕地資源屬性進行優(yōu)化與重構(gòu)。按照自然界客觀三維立體空間對耕地資源屬性項進行分層分類，依次建立管理層、地表覆蓋層、地表基質(zhì)層及其他層[3]。

同時進行合理分類，將各部門各項目間進行調(diào)整：①將調(diào)查內(nèi)容相同的屬性項進行合并；②將調(diào)查內(nèi)容一致，而分級標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)查技術(shù)手段不一致的屬性內(nèi)容進行區(qū)分、標(biāo)定；③將調(diào)查內(nèi)容相異的屬性項進行整合。

主要以農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門、地調(diào)部門等專業(yè)團隊的專項調(diào)查技術(shù)方法、專業(yè)儀器設(shè)備為依據(jù)，僅保留實地調(diào)查的客觀情況及檢測數(shù)值。各級應(yīng)用部門可根據(jù)實際要求對各類屬性值進行分級分等，最大限度地去除數(shù)據(jù)采集的重復(fù)投入及相互矛盾，提高耕地資源調(diào)查成果數(shù)據(jù)的流通性、復(fù)用率。

優(yōu)化后的耕地實體屬性共38 項，比優(yōu)化前減少34 項。包括：管理層屬性7項，地表覆蓋層屬性9項，地表基質(zhì)層屬性16 項，其他層屬性6 項。如表2～5所示。

表2 耕地實體地表覆蓋層屬性表

表3 耕地實體管理層屬性表

表4 耕地實體地表基質(zhì)層屬性表

表5 耕地實體其他層屬性表

3.2 多維協(xié)同信息采集技術(shù)應(yīng)用

傳統(tǒng)的耕地資源調(diào)查監(jiān)測通常只由某一部門采用單一感知技術(shù)、單一平臺，基于二維圖斑，按照不同的尺度及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對耕地資源進行土壤理化性質(zhì)、地表種植情況、位置面積等割裂式的信息采集，往往復(fù)用率低，存在重復(fù)采集、采集有漏洞、設(shè)備資源閑置、數(shù)據(jù)采集成本高、成果數(shù)據(jù)匯交不徹底等情況。

本研究提出各級各部門協(xié)同組織、各類調(diào)查監(jiān)測設(shè)備協(xié)同應(yīng)用的模式，通過光學(xué)、高光譜等遙感衛(wèi)星觀測網(wǎng)，結(jié)合多載荷航空協(xié)同以及無人機組網(wǎng)對耕地的種植類型、種植情況等地表覆蓋屬性進行大范圍、快速調(diào)查監(jiān)測[4]；利用地面定點專項觀測站（網(wǎng)）、各類樣點（樣地、樣方、樣帶）、車載移動測量、專業(yè)儀器裝備、移動終端等地面采集手段精準(zhǔn)地獲取田塊破碎程度、田間道路條件、水源補給情況、灌溉能力、排水能力、年積溫等屬性信息調(diào)查；通過專業(yè)團隊現(xiàn)場問巡耕作方式、種植栽培技術(shù)、物料投入使用情況、產(chǎn)能、產(chǎn)量比等屬性信息，并采用專業(yè)設(shè)備調(diào)查地表巖石露頭度、耕層厚度、有效土層厚度、地下水埋深、土壤剖面構(gòu)型等屬性；同時結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”、移動終端等公眾資源進行作物病蟲害、農(nóng)田小氣候條件、農(nóng)田輸配電等情況收集。

耕地資源涉及的土壤質(zhì)地、土壤容重、碳排放量、有機質(zhì)含量、土壤含鹽量、土壤含水量、土壤PH 值、土壤生物量、土壤有機污染物比例、土壤重金屬污染物比例等理化屬性由自然資源主管部門負責(zé)，聯(lián)合地調(diào)部門等專業(yè)團隊，通過觀測臺站、定點觀測傳感網(wǎng)、專業(yè)檢測儀器等手段實施調(diào)查，并統(tǒng)一計量單位，記錄真實檢測值。

自然資源部門、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門、林草部門可根據(jù)實際管理需求，對土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)含量、土壤含鹽量、土壤含水量、土壤PH 值等進行等級劃分或質(zhì)量評定。

4 總結(jié)與展望

本研究在提出耕地實體時空數(shù)據(jù)組織管理模式、多維協(xié)同信息采集技術(shù)的同時也對時空數(shù)據(jù)的處理能力、時效性等方面提出了更高的要求。但受技術(shù)條件限制，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)開展基于耕地實體的統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測仍處于初級階段，定量化處理精度、自動化處理速度與應(yīng)用要求仍不匹配，大范圍工程自動化組織實施依然耗時耗力。同時，對于耕地資源的基礎(chǔ)調(diào)查監(jiān)測、專項調(diào)查監(jiān)測之間的數(shù)據(jù)集成整合、綜合分析評價等工程技術(shù)梳理不夠透徹，應(yīng)進一步厘清各項業(yè)務(wù)之間的技術(shù)邊界與銜接關(guān)系，通過整合分析與重構(gòu)研究，提出一體化耕地實體調(diào)查監(jiān)測的工程化方法與生產(chǎn)型技術(shù)，有效支撐耕地實體統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測的生產(chǎn)實踐[15-17]。

下一步將繼續(xù)提高內(nèi)外業(yè)協(xié)同自動化處理水平，充分利用云存儲、高性能計算、人工智能等新技術(shù)，提升信息處理的效率與水平，實現(xiàn)調(diào)查監(jiān)測的自然資源要素自動分類和變化智能提取、自然資源統(tǒng)一數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和真實性驗證等。