構(gòu)建天空地一體化的農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測體系研究

董春巖

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部信息中心，北京100125）

0 引言

農(nóng)村人居環(huán)境整治是實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要任務(wù)，也是一項長期性工作。自2018年1 月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動方案》以來，全國各地深入推進農(nóng)村生活垃圾、廁所糞污、農(nóng)村生活污水的治理，提升了村容村貌，強化了村莊規(guī)劃管理，農(nóng)村人居環(huán)境得到了極大改善，生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風(fēng)文明、治理有效的總要求正在逐步實現(xiàn)，農(nóng)民群眾增強了獲得感和幸福感，農(nóng)民生活正悄然發(fā)生著變化［1-3］。截至2019 年底，全國90%以上的村莊開展了清潔行動，農(nóng)村衛(wèi)生廁所普及率超過60%，農(nóng)村生活垃圾收運處置體系已覆蓋全國84%以上的行政村，86%的非正規(guī)垃圾堆放點已完成整治，約30%農(nóng)戶生活污水得到有效管控，農(nóng)村廁所改好了、垃圾清理了、河塘變清了。

農(nóng)村人居環(huán)境整治工作成效得益于《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動方案》的有序推進、全國各地的通力協(xié)作以及農(nóng)民群眾的大力支持［4］。2020 年是農(nóng)村人居環(huán)境整治3 年行動的收官之年，對農(nóng)村人居環(huán)境整治的成效檢驗尤為關(guān)鍵，這關(guān)乎整治工作的持續(xù)全面實施。在整治成效基礎(chǔ)上，形成全國農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測體系，查找整治中群眾反映的問題和意見，了解社情民意，及時進行整改，有利于讓農(nóng)村人居環(huán)境整治工作發(fā)揮實效。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，遙感、人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)可以對農(nóng)村人居環(huán)境整治成果進行實時監(jiān)督，對各類農(nóng)村人居環(huán)境舉報問題進行初步核實，有助于構(gòu)建天空地一體化的農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測體系。因此，現(xiàn)代信息化技術(shù)將是農(nóng)村人居環(huán)境整治成效監(jiān)測的重要技術(shù)手段，也是農(nóng)村人居環(huán)境整治工作的重要發(fā)展方向［5-6］。

文章以農(nóng)村人居環(huán)境整治工作成效監(jiān)測作為切入點，提出了對農(nóng)村人居環(huán)境整治成果監(jiān)測思路，結(jié)合工作實際，闡述了構(gòu)建天空地一體化的農(nóng)村人居環(huán)境大數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺的方法［7］，梳理了構(gòu)建農(nóng)村人居環(huán)境數(shù)據(jù)資源庫、監(jiān)測系統(tǒng)、舉報核查系統(tǒng)、評估系統(tǒng)的流程，總結(jié)了農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測工作的有關(guān)政策建議和下一步工作展望?；谶b感、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，構(gòu)建天空地一體化的農(nóng)村人居環(huán)境大數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對農(nóng)村人居環(huán)境的實時監(jiān)測、應(yīng)急管理和可視化展示，將對農(nóng)村人居環(huán)境整治成效進行有效的監(jiān)督和核查，實現(xiàn)整治效果全過程的在線監(jiān)督，充分發(fā)揮信息化助力農(nóng)村人居環(huán)境整治工作的獨特作用，這對推動農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展、持續(xù)改善農(nóng)村人居環(huán)境至關(guān)重要［8］。

1 天空地一體化的農(nóng)村人居環(huán)境大數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺構(gòu)建

農(nóng)村人居環(huán)境整治是一項長期工作，需要借助遙感、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，實現(xiàn)農(nóng)村人居環(huán)境全要素、全方位、全覆蓋監(jiān)測及監(jiān)測結(jié)果在線化，才有利于不斷鞏固整治成果和成效。該文設(shè)計利用3～5 年時間，以亞米級衛(wèi)星遙感和厘米級無人機航攝影像資源，建成全國農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測體系。綜合考慮當(dāng)前遙感數(shù)據(jù)源的滿足程度、技術(shù)水平，可以利用高分衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為主、村莊本底調(diào)查為輔，在1～2年時間內(nèi)建設(shè)遙感抽樣與統(tǒng)計調(diào)查相結(jié)合的全國農(nóng)村人居環(huán)境本底一張圖，并逐步構(gòu)建全要素、全方位、全覆蓋的亞米或厘米級遙感監(jiān)測體系，加強農(nóng)村人居環(huán)境整治成果的監(jiān)督和核查，構(gòu)建天空地一體化的農(nóng)村人居環(huán)境大數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺。

1.1 構(gòu)建農(nóng)村人居環(huán)境數(shù)據(jù)資源庫

以2 m 以上高分辨率遙感影像為主，構(gòu)建以全國農(nóng)村人居環(huán)境空間分布一張圖為核心的農(nóng)村人居環(huán)境數(shù)據(jù)資源庫。以國產(chǎn)高分2 米空間分辨率遙感影像為主，以亞米級衛(wèi)星影像、厘米級無人機航攝影像為輔，獲取全國農(nóng)村人居環(huán)境空間分布一張圖，每年對一張圖進行更新，結(jié)合監(jiān)控攝像頭、人工調(diào)查等多種采集方式，獲取農(nóng)村人居環(huán)境數(shù)據(jù)資源，建設(shè)農(nóng)村人居環(huán)境數(shù)據(jù)資源庫，包括影像數(shù)據(jù)庫、本底數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。影像數(shù)據(jù)庫包括高分系列2 m 級遙感影像、亞米級遙感影像、無人機航攝影像等；本底數(shù)據(jù)庫包括居民點空間分布數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃、基礎(chǔ)地理信息、地名地址等內(nèi)容，并逐步完善基本農(nóng)田及道路、池塘、養(yǎng)殖場、垃圾堆放地等農(nóng)村基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫包括舉報信息和污染源信息等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其中舉報信息包含時間、地點、經(jīng)緯度、照片、語音、文字描述等屬性信息。

1.2 建設(shè)農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

借助語義、語音以及遙感分析、機器學(xué)習(xí)等手段，自動識別出農(nóng)村人居環(huán)境問題舉報地區(qū)、事件發(fā)生地區(qū)，將分析結(jié)果通過地圖、圖表綜合展示。

（1）利用遙感技術(shù)實現(xiàn)主動監(jiān)測。針對農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測中的舉報熱點區(qū)域，根據(jù)農(nóng)村垃圾點的紋理、空間及光譜等特征，構(gòu)建高分辨率遙感影像垃圾提取模型，同時利用遙感技術(shù)反演水體葉綠素、水體懸浮物及水體飽和度等指數(shù)，構(gòu)建基于光譜的水污染識別模型。通過垃圾提取、水污染識別等遙感計算模型，實現(xiàn)舉報熱點區(qū)域的垃圾、水體污染狀況可視化分析展示，以此為依據(jù)，評估農(nóng)村人居環(huán)境垃圾和水污染的狀況，核查舉報信息是否真實。

（2）基于抽樣點的主動監(jiān)測。利用無人機航測、視頻監(jiān)控及人工采集等技術(shù)手段，在試點范圍內(nèi)建立農(nóng)村水體、垃圾和廁所定點抽樣監(jiān)測制度，快速精細(xì)獲取農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測主體更新情況，供相關(guān)部門進行月度、季度及年度人居環(huán)境改善情況考核。依托農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以“精準(zhǔn)測、按時報、高效管”為行動原則，實現(xiàn)全國行政區(qū)四級管理的農(nóng)村人居環(huán)境定點抽樣主動監(jiān)測體系，為宏觀決策提供支持。

（3）建立污染源舉報信息一張圖。針對農(nóng)村人居環(huán)境整治舉報的問題進行實時采集，基于國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村時空數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，直觀展示全國范圍內(nèi)的農(nóng)村人居環(huán)境問題分布，包括污染源定位（地名地址、坐標(biāo)位置、舉報時間等）、污染源屬性（污染類別、涉及范圍、嚴(yán)重程度等）；按照垃圾、廁所糞污、污水三種污染源分類，對時間、空間、主體、污染程度等不同維度進行多維分析，建立全國污染源舉報信息熱力分布圖，直觀顯示農(nóng)村垃圾、廁所糞污和污水等問題重點發(fā)生區(qū)域。

1.3 建設(shè)農(nóng)村人居環(huán)境舉報核查系統(tǒng)

針對農(nóng)村人居環(huán)境群眾舉報系統(tǒng)中的農(nóng)村生活垃圾、水體污染、廁所改造3 類信息，采用衛(wèi)星遙感、無人機等多源數(shù)據(jù)，利用人工智能技術(shù)，開展對3 類舉報信息的驗證工作。針對全國農(nóng)村生活垃圾、污染水體、農(nóng)村廁所舉報信息的驗證結(jié)果，采用大數(shù)據(jù)分析可視化技術(shù)，形成農(nóng)村人居環(huán)境舉報核查一張圖，并實時更新和動態(tài)發(fā)布。

（1）舉報信息AI 智能識別。針對手機APP 上報的農(nóng)村污染數(shù)據(jù)，根據(jù)其類別劃分為語音、圖像及文本信息，分別采用語音識別系統(tǒng)、圖像分類系統(tǒng)和自然語言處理模型，對舉報信息數(shù)據(jù)進行智能識別。語音數(shù)據(jù)方面，直接抓取舉報電話中的地理位置，將語音信息轉(zhuǎn)成語譜圖，利用模型系統(tǒng)對電話舉報信息進行分類，確定污染類型及污染程度。圖像數(shù)據(jù)方面，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對圖像數(shù)據(jù)進行分類，判斷舉報區(qū)域是否被污染，抓取圖中被污染區(qū)域進行智能識別（圖1）。針對舉報的文本信息，采用智能分詞技術(shù)，提取文本信息中污染位置、污染類型與污染程度等信息。

（2）農(nóng)村水體污染遙感核查。針對農(nóng)村水體污染舉報信息，采用高空間分辨率和高光譜分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于遙感光譜的水污染識別模型，通過工程化大批量遙感數(shù)據(jù)處理及機器學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)農(nóng)村水體污染的快速解譯和水體污染等級的自動化劃分，為核查水污染舉報信息真實性提供決策依據(jù)。

圖1 智能識別垃圾圖像Fig.1 Intelligent recognition of garbage image

（3）農(nóng)村生活垃圾遙感核查。針對農(nóng)村生活垃圾舉報信息，采用高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用目標(biāo)探測法，實現(xiàn)農(nóng)村生活垃圾的自動定位、自動識別，核查垃圾舉報信息真實性（圖2）。

圖2 遙感技術(shù)核實垃圾影像Fig.2 Remote sensing technology to verify garbage image

（4）無人機遙感核查。使用無人機遙感數(shù)據(jù)進行大、中規(guī)模污染核查，無人機數(shù)據(jù)相比于手機圖像視野更加開闊，單張圖像中可能包括多種污染類型，每種污染類型可能覆蓋多處?；跀?shù)據(jù)特點，采用計算機視覺技術(shù)對無人機數(shù)據(jù)進行污染類別劃分，判斷無人機遙感數(shù)據(jù)中每個像素點所屬污染類別，并對圖像中每個像素進行標(biāo)注，可直接計算出各類污染所占比例，得出污染嚴(yán)重程度等相關(guān)數(shù)據(jù)，方便進一步核查。

1.4 農(nóng)村人居環(huán)境整治評估系統(tǒng)

舉報信息得到驗證后，需要對農(nóng)村生活垃圾、水體污染、廁所改造3 類信息整改過程進行持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)督整改進度、評估整改效果，推進生態(tài)宜居鄉(xiāng)村建設(shè)。

（1）農(nóng)村水體污染整治評估。基于高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)構(gòu)建基于光譜的水污染識別模型，選擇治理前和治理后的不同時相遙感影像數(shù)據(jù)，通過工程化大批量遙感數(shù)據(jù)處理及機器學(xué)習(xí)算法，評估治理前污染等級及治理后的污染程度，實現(xiàn)對農(nóng)村水體污染整治過程與結(jié)果的全程監(jiān)測。

（2）農(nóng)村生活垃圾整治評估。利用高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，有針對性選擇治理前和治理后的不同時相遙感影像數(shù)據(jù)，通過工程化大批量遙感數(shù)據(jù)處理及機器學(xué)習(xí)算法，對于整改前后的信息進行遙感監(jiān)測對比分析核實，評估整改結(jié)果（圖3）。

（3）開展績效考核。利用農(nóng)村人居環(huán)境整治評估結(jié)果，對各地區(qū)農(nóng)村人居環(huán)境整治工作進行績效考核，形成農(nóng)村人居環(huán)境整治成效紅黑名單制度，及時向社會進行通報，對各地好經(jīng)驗好做法進行及時推介。

圖3 整改效果全程評估監(jiān)測過程Fig.3 The whole process evaluation and monitoring of rectification effect

2 政策建議

農(nóng)村人居環(huán)境整治工作應(yīng)該強化責(zé)任落實，做好農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測體系的人才隊伍建設(shè)，加強天空地一體化的農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研發(fā)、推廣和應(yīng)用，強化農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測工作的資金支持力度，發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用，全社會共同努力做好農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測體系建設(shè)。

（1）做好農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測體系人才培養(yǎng)。農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測工作人才是關(guān)鍵，要強化農(nóng)村生活垃圾和生活污水的治理監(jiān)測，做好本地監(jiān)測人員的技能培訓(xùn)，充分發(fā)揮手機是農(nóng)民新農(nóng)具的作用，利用手機移動端采集、上傳治理情況，結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)分析研判農(nóng)村人居環(huán)境治理成效，做好監(jiān)督檢查。要加強交流合作，通過農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測案例評選、監(jiān)測技術(shù)交流、監(jiān)測人才評價等方式，選拔一批監(jiān)測體系完善、監(jiān)測工作到位的帶頭人和先進典型，推動全國農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測體系健康發(fā)展。

（2）加大對農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)力度。農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測工作技術(shù)是核心，我國幅員遼闊，行政村數(shù)量多、分布廣、類型復(fù)雜，宜居要素分布規(guī)律、分布規(guī)模差異大，要逐步構(gòu)建亞米級衛(wèi)星影像為主、厘米級無人機航攝影像為輔的全國農(nóng)村人居環(huán)境全要素、全方位、全覆蓋的遙感監(jiān)測技術(shù)體系，加快建設(shè)天空地一體化的農(nóng)村人居環(huán)境大數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測評估、比對、核實及全過程管理。

（3）加強農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測工作的資金保障。農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測工作需要持續(xù)的資金保障，政府部門不但要抓好整治工作成效，更要做好農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測所需的資金保障，要充分發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用，激活企業(yè)參與農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測工作的內(nèi)生動力，鼓勵有條件的地方建設(shè)區(qū)域級監(jiān)測體系，并與國家農(nóng)村人居環(huán)境大數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺對接，對監(jiān)測體系完善、監(jiān)測成效顯著的村鎮(zhèn)，政府部門應(yīng)適當(dāng)給予獎勵，同時要做好監(jiān)測資金的管控，防止資金跑冒滴漏，確保?？顚Ｓ谩?/p>

（4）制定農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測長效機制。2020 年是農(nóng)村人居環(huán)境整治3 年行動方案的收官之年，國家和地方都出臺了一系列的政策措施確保收官之年取得實效，同時要對農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測工作常抓不懈，建議國家和地方出臺農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測制度，構(gòu)建天空地一體化的農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測體系，確保農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測工作制度化、規(guī)范化、常態(tài)化。

3 結(jié)論與討論

農(nóng)村人居環(huán)境整治是一項長期性工作，構(gòu)建農(nóng)村人居環(huán)境數(shù)據(jù)資源庫、監(jiān)測系統(tǒng)、舉報核查系統(tǒng)、整治評估系統(tǒng)，形成天空地一體化的農(nóng)村人居環(huán)境大數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，從而實現(xiàn)農(nóng)村人居環(huán)境全要素、全方位、全覆蓋監(jiān)測及監(jiān)測結(jié)果在線化，應(yīng)用前景可期。隨著3 年行動方案的有效實施，農(nóng)村人居環(huán)境整治工作取得了一定成績，要持續(xù)鞏固并拓展整治成效，運用遙感、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，對整治工作中的重點、難點、堵點進行監(jiān)測和回頭看，不斷加強農(nóng)村人居環(huán)境整治成果的監(jiān)督和核查。

黨的十九大報告中明確提出實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，改善農(nóng)村人居環(huán)境、建設(shè)美麗宜居的鄉(xiāng)村是落實十九大精神，實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的一項重要任務(wù)，事關(guān)廣大農(nóng)民群眾的根本利益。農(nóng)村人居環(huán)境整治工作是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要全社會共同努力，不斷開展好農(nóng)村人居環(huán)境監(jiān)測體系的人才隊伍建設(shè)、加強監(jiān)測技術(shù)研發(fā)、強化資金支持力度、充分發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用，推動農(nóng)業(yè)高質(zhì)、高效、綠色可持續(xù)發(fā)展。