國土資源動態(tài)監(jiān)測研究
——以南京市“慧眼守土”項目為例

黃 鋒，徐蘇維，唐 華

（南京市國土資源信息中心，江蘇 南京 210003）

0 引言

近年來，國家土地等國土資源遭受違法濫用現(xiàn)象突出，各種土地不合理利用問題日益嚴(yán)峻。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、各類資源供應(yīng)緊張的形勢下，國家國土資源的合理充分利用，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的重要一步。如何讓土地資源得到合理保護(hù)，需要深入研究；如何正確處理土地合理利用和違法用地、違法建筑、亂砍濫伐的關(guān)系，保護(hù)好環(huán)境及其有效預(yù)防自然災(zāi)害的發(fā)生；如何準(zhǔn)確、實時、快速履行土地高效監(jiān)管，有效進(jìn)行土地管理，保證突發(fā)事件的高效運作，顯得尤為重要和緊迫。因此，深入研究國土資源動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，建立國土資源動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，成為必然選擇。

1 國土資源動態(tài)監(jiān)測研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)國土資源監(jiān)測取得了豐富的監(jiān)測成果，監(jiān)測對象主要包括土地利用、地質(zhì)災(zāi)害、地下水、礦山地質(zhì)環(huán)境等。但是，存在監(jiān)測點布設(shè)不合理、監(jiān)測手段相對落后、數(shù)據(jù)精確程度低、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題，同時也滿足不了國土資源精細(xì)化管理需求［1］。針對監(jiān)測點布設(shè)不合理的問題，有人開展了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化相關(guān)研究，以縣域為基本空間單元，采用多目標(biāo)優(yōu)化求解方法，優(yōu)化具有國土空間代表的典型縣域監(jiān)測樣點，形成空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布局方案［2］。針對監(jiān)測手段相對落后的問題，有人開展了信息技術(shù)與國土資源監(jiān)管的研究，引入虛擬化、Saas技術(shù)、ETL技術(shù)等手段，為國土資源監(jiān)管提供了保障［3］。

常州市建設(shè)了國土資源動態(tài)監(jiān)測綜合監(jiān)管平臺，設(shè)計和構(gòu)建了多種巡查監(jiān)測手段相結(jié)合的“空地一體化”監(jiān)測模型，實現(xiàn)了對全市域國土資源動態(tài)監(jiān)測及調(diào)度管理［4］。南京市國土局將視頻監(jiān)控技術(shù)引入日常監(jiān)測管理工作中，對土地違法行為早發(fā)現(xiàn)、早研判，不僅實現(xiàn)了動態(tài)監(jiān)測的自動化，還把握了監(jiān)管主動權(quán)，提高了國土資源監(jiān)管效能［5］。

南京市于2013年建立了淺層低溫能動態(tài)監(jiān)測管理信息系統(tǒng)，在城區(qū)范圍內(nèi)選擇了3個監(jiān)測點，監(jiān)測研究不同地表深度溫度變化情況，為后期地?zé)崮茉吹氖褂么蛳铝藞詫嵒A(chǔ)。但在實際業(yè)務(wù)管理過程中存在以下問題：(1）監(jiān)測手段單一。通過攝像頭調(diào)閱視頻，監(jiān)控盲區(qū)或地形復(fù)雜地區(qū)無法覆蓋。(2）智能化程度低。執(zhí)法人員只能在發(fā)現(xiàn)違法用地行為后再進(jìn)行處理，無法提前預(yù)判。(3）無法量化分析。礦產(chǎn)管理部門不知道礦山被盜采的具體數(shù)量，只能粗略估算；地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測部門無法預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時間?？偟膩碚f，存在“看不全”“判不明”“算不準(zhǔn)”的痛點。

2 南京市“慧眼守土”建設(shè)內(nèi)容

2017年，根據(jù)江蘇省國土廳推廣“慧眼守土”國土資源綜合動態(tài)智能監(jiān)管系統(tǒng)的工作要求，南京市國土局在已建成的三大平臺基礎(chǔ)上，結(jié)合南京市實際和江寧區(qū)試點建設(shè)情況，以問題為導(dǎo)向、以提高監(jiān)管水平為原則，以“一張圖”為基礎(chǔ)，運用“互聯(lián)網(wǎng)＋”理念，依據(jù)“信息化、精細(xì)化、規(guī)范化”的要求，因地制宜地綜合采用數(shù)字?jǐn)z像和圖像識別、云服務(wù)、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，加強頂層設(shè)計，加快資源整合，全力完成南京市“慧眼守土”綜合動態(tài)智能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)工作，并以此為契機(jī)切實提高南京市國土資源監(jiān)管的信息化水平，提升監(jiān)管效能。

2.1 建立動態(tài)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)體系

項目建設(shè)前起草了《南京市“慧眼守土”綜合動態(tài)智能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)方案》并通過專家論證，建設(shè)過程中始終遵循《南京市國土資源“慧眼守土”視頻點位建設(shè)規(guī)范》《南京市國土資源“慧眼守土”視頻資源接入規(guī)范》，項目上線試運行后制定了《南京市“慧眼守土”綜合動態(tài)智能監(jiān)管系統(tǒng)管理辦法》《南京市國土資源“慧眼守土”視頻操作規(guī)范》《南京市國土資源“慧眼守土”無人機(jī)操作規(guī)范》。

2.2 建立了覆蓋“市-區(qū)-所”的三級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

“慧眼守土”三級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系如圖1所示，完成了南京市(除江寧區(qū)外）541個視頻攝像頭的安裝、調(diào)試工作，將南京市江寧區(qū)試點前期建設(shè)的165個攝像頭、共享環(huán)保138個攝像頭的視頻資源接入監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中。并基于VPN專線組網(wǎng)和中國移動“千里眼”視頻管理云平臺，初步建立了覆蓋全市域的844個“市-區(qū)-所”三級國土資源視頻監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

圖1 “慧眼守土”三級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系

通過無人機(jī)和礦山三維系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，建立了低空或地面上的點面結(jié)合、“固定＋移動”的新型慧眼守土監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，有效彌補了傳統(tǒng)方式的不足，提升了國土資源動態(tài)監(jiān)測水平。

2.3 建成南京市“慧眼守土”視頻綜合動態(tài)智能監(jiān)管平臺

通過系統(tǒng)集成，建立了集視頻集中管理、視頻遠(yuǎn)程操作及視頻地圖聯(lián)動操作、地塊變化智能分析與預(yù)警、項目視頻監(jiān)管、應(yīng)用考評考核、系統(tǒng)管理等功能于一體的南京市“慧眼守土”視頻綜合動態(tài)智能監(jiān)管平臺。一是通過集成“千里眼”平臺、無人機(jī)飛控軟件等，開發(fā)了監(jiān)控點視頻直播和回放、攝像頭定時定點拍照、用戶隨機(jī)拍照、多維度視頻瀏覽與下載、無人機(jī)視頻管理等功能，實現(xiàn)了低空及地面監(jiān)測模式下監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理和調(diào)用服務(wù)，滿足了數(shù)據(jù)瀏覽與遠(yuǎn)程操控的應(yīng)用需求。二是通過與“一張圖”平臺集成，開發(fā)了違法用地智能分析比對、無人機(jī)實時圖傳視頻直播、“以地找視頻”和“以視頻找地”、智能數(shù)據(jù)分析、自動預(yù)警報警等功能，并結(jié)合土地利用、耕地保護(hù)、執(zhí)法巡查等業(yè)務(wù)做了深度定制化開發(fā)，滿足業(yè)務(wù)人員在不同業(yè)務(wù)場景的審批需求；同時，與“移動一張圖”系統(tǒng)融合，將視頻實時播放、拍照、回放等功能延伸至移動端，打破了空間壁壘，提高了審批效率，突出了“綜合、動態(tài)、智能”的特點。三是在系統(tǒng)管理模塊實現(xiàn)視頻元數(shù)據(jù)和驗收報告的管理。

2.4 建成了南京市“慧眼守土”監(jiān)控指揮中心

建成了南京市“慧眼守土”綜合動態(tài)監(jiān)測指揮中心，監(jiān)控中心配備指揮監(jiān)測大屏和操作臺，通過配置數(shù)字矩陣，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中任意監(jiān)控點視頻信號的切換輸出到電視墻顯示。監(jiān)控指揮中心一方面接收、存儲各位置發(fā)送來的視頻、語音、位置信息，另一方面將指揮中心的信息發(fā)往各監(jiān)控終端。監(jiān)控中心的建成，可滿足領(lǐng)導(dǎo)視察匯報、重大災(zāi)情處置、重大事項會商等多場景的應(yīng)用。

3 南京市“慧眼守土”總體架構(gòu)與技術(shù)路線

“慧眼守土”總體架構(gòu)如圖2所示，以通信基站為基礎(chǔ)，搭建視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系，通過專線實現(xiàn)視頻信號到南京市國土局政務(wù)網(wǎng)的接入，同時對現(xiàn)有國土資源“一張圖”建設(shè)成果進(jìn)行升級改造，實現(xiàn)基于地圖的實時視頻瀏覽及業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖2 總體架構(gòu)

平臺及存儲設(shè)備匯聚在運營商機(jī)房，通過光纖直連至南京市國土局機(jī)房，經(jīng)過防火墻等安全設(shè)備后接入現(xiàn)有核心交換機(jī)。南京市國土分局及國土所采用移動光纖連接，用于承載監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)調(diào)用，與國土現(xiàn)有專網(wǎng)隔離，互不影響，也為現(xiàn)有專網(wǎng)線路起到備份作用。

3.1 MPLS-VPN組網(wǎng)

MPLS-VPN專線無縫地集成了IP路由技術(shù)的靈活性和ATM標(biāo)簽交換技術(shù)的簡捷性，使L2和L3技術(shù)有效地結(jié)合起來。在網(wǎng)內(nèi)使用標(biāo)簽交換，可極大地提升IP資源的利用率和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速率；“Any To Any”的連接方式，大大增強了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性，用戶可制定特殊的控制策略，以滿足不同的增值需求。

具有以下優(yōu)點：一是可容納的VPN數(shù)目更大，同一VPN中的用戶數(shù)量更多；二是具有與幀中繼和ATM VCC類似的高可靠安全性；三是能夠提供數(shù)據(jù)、語音、視頻相融合的能力；四是可以根據(jù)自己的業(yè)務(wù)需求，賦予不同的QoS等級。

3.2 “千里眼”視頻監(jiān)控云平臺

“千里眼”視頻監(jiān)控平臺是基于移動通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供圖像和各種報警信號遠(yuǎn)程采集、傳輸、儲存、處理的一種新型業(yè)務(wù)，其技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 “千里眼”技術(shù)架構(gòu)

3.3 無人機(jī)空天一體化監(jiān)管

通過給無人機(jī)安裝高清攝像機(jī)，結(jié)合衛(wèi)星測繪遙感數(shù)據(jù)，依托移動網(wǎng)絡(luò)實時回傳至后臺數(shù)據(jù)庫，通過AI等一系列智能處理手段，將違法現(xiàn)象證據(jù)留存，為快速響應(yīng)、合理處置提供依據(jù)和平臺。

無人機(jī)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量控制全面剖析無人機(jī)影像數(shù)據(jù)采集的各項誤差來源，結(jié)合當(dāng)前POS、傳感器等硬件發(fā)展水平，推導(dǎo)點云精度評價模型，制定詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量控制方法。制定詳細(xì)的無人機(jī)影像數(shù)據(jù)采集規(guī)程，包括作業(yè)條件和參數(shù)選擇、航高與航線設(shè)計、基站設(shè)計、地面控制等，保證數(shù)據(jù)源質(zhì)量。

無人機(jī)影像實景三維建模技術(shù)優(yōu)化對比分析目前國際主流的無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)的優(yōu)缺點，針對現(xiàn)有無人機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)及軟件系統(tǒng)存在的問題，進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，并研發(fā)無人機(jī)影像高效處理軟件，提高數(shù)據(jù)處理的效率、降低軟件操作的難度、拓展系統(tǒng)功能，以更好地滿足“慧眼守土”應(yīng)用的需求。

3.4 視頻監(jiān)管平臺

“慧眼守土”視頻監(jiān)管平臺接入南京全市約700個視頻監(jiān)控，共享“雪亮工程”視頻資源，主要應(yīng)用于執(zhí)法巡查、耕地保護(hù)、土地綜合整治、供后跟蹤監(jiān)管等業(yè)務(wù)，提升了管理水平?？蓪σ朁c位進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，將實時視頻影像和可視域在圖上同時展示?？蓪ΡO(jiān)控探頭拍攝照片和無人機(jī)日常飛行影像進(jìn)行管理，在發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時將現(xiàn)場情況實時傳回監(jiān)控中心。以無人機(jī)作為補充，覆蓋固定探頭不能監(jiān)控的盲區(qū)。與現(xiàn)有的“一張圖”和“四全平臺”有機(jī)結(jié)合，在實現(xiàn)視頻直播的基礎(chǔ)上將圖層融入業(yè)務(wù)審批。

4 南京市“慧眼守土”關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點

4.1 空天地網(wǎng)集成融合

在無人機(jī)上安裝高精度相機(jī)，結(jié)合衛(wèi)星影像遙感數(shù)據(jù)、地面運營商通信鐵塔上的高精度相機(jī)畫面，依托電信運營商網(wǎng)絡(luò)專線實時回傳至數(shù)據(jù)中心，通過AI等一系列智能分析技術(shù)，提取疑似違法行為，為快速響應(yīng)、合理處置提供依據(jù)和平臺。

4.2 無人機(jī)攝影準(zhǔn)實時三維實景精細(xì)建模

結(jié)合攝影測量技術(shù)，研究不同比例尺下無人機(jī)地形測繪影像數(shù)據(jù)采集方法；研究大比例尺、高效、高精度的無人機(jī)影像處理方法，建立不同比例尺無人機(jī)地形測繪的影像處理技術(shù)流程。

研發(fā)測繪3D產(chǎn)品高效生成軟件，實現(xiàn)無控制點的高精度、高效率的三維場景重建與測繪3D產(chǎn)品生成，滿足1∶1 000以下比例尺地形測繪的高精度需求。

4.3 4G網(wǎng)絡(luò)與“一張圖”系統(tǒng)集成融合

4G網(wǎng)絡(luò)與傳感器將變成現(xiàn)有國土GIS系統(tǒng)的“慧眼”，成為國土資源監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取的主要渠道之一。通過無縫集成與深度融合，實現(xiàn)地塊與視頻圖像的互操作，提高現(xiàn)有國土GIS系統(tǒng)的直觀性、時效性，提升其服務(wù)的深度和廣度，進(jìn)而提高用地預(yù)審、組卷報批、土地出讓、供后跟蹤、執(zhí)法監(jiān)察業(yè)務(wù)效率，具體如圖4、圖5所示。

圖4 與“一張圖”系統(tǒng)結(jié)合輔助業(yè)務(wù)審批

圖5 借助可視域?qū)崿F(xiàn)視頻和地圖的互操作

4.4 智能分析比對

通過獲取海量照片加強機(jī)器學(xué)習(xí)。如圖6所示，系統(tǒng)提供了兩處拍照功能，一是上午和下午分別在每一個方位拍攝一張照片，二是關(guān)聯(lián)了業(yè)務(wù)審批過程中使用到的設(shè)備，用戶可以點擊按鈕手動拍攝照片，記錄拍攝時間和位置，實現(xiàn)基于時空的圖斑變化展示，方便用戶追溯土地利用現(xiàn)狀變化情況，便于供后跟蹤監(jiān)管、執(zhí)法監(jiān)察兩類業(yè)務(wù)的使用。

圖6 智能分析比對頁面

通過智能識別算法對拍攝成果進(jìn)行智能分析。提高機(jī)器學(xué)習(xí)算法識別率，自動識別出疑似違法行為的照片，用戶結(jié)合識別照片、實時視頻、土地利用現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)審批情況綜合分析，對分析結(jié)果進(jìn)行校正，進(jìn)一步提高分析效率。

4.5 創(chuàng)新國土資源監(jiān)管模式

集成無人機(jī)視頻資源，借助無人機(jī)快速數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)創(chuàng)新國土資源監(jiān)管新模式。

使用基于4G＋無線通信的無人機(jī)視頻實時圖傳技術(shù)，在無人機(jī)飛行過程中將拍攝畫面實時傳回南京市國土局指揮中心，在發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害等緊急情況時可根據(jù)實時傳回的畫面進(jìn)行及時部署決策，提高指令傳達(dá)效率，避免更多損失。該技術(shù)路線采用2.4 GHz頻率傳輸，有效傳輸距離達(dá)1 km，具有傳輸穩(wěn)定、圖像清晰流暢、抗干擾、抗阻塞、低延時等特點。

在分析無人機(jī)攝影測量技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中存在的問題的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研發(fā)無人機(jī)影像處理和3D產(chǎn)品生成的優(yōu)化方法及軟件模塊，顯著降低了無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用門檻，提高了無人機(jī)數(shù)據(jù)處理的效率。

4.6 創(chuàng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用場景

運用“互聯(lián)網(wǎng)＋”理念，改變傳統(tǒng)監(jiān)管模式，建立以人工智能技術(shù)為導(dǎo)向的視頻監(jiān)管平臺，建成集多源攝像頭及無人機(jī)實時圖傳視頻為補充的全天候監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對國土資源實施全方位、多角度、實時、實景監(jiān)管，重點突出了綜合、動態(tài)、智能的特點，特別是在土地綜合整治和耕地保護(hù)、建設(shè)用地報批和土地利用、執(zhí)法巡查、礦山管理、衛(wèi)片核查等方面，為促進(jìn)國土資源監(jiān)管機(jī)制體制和土地利用方式轉(zhuǎn)變、基層國土資源管理深化改革提供新的探索思路。

5 結(jié)語

在機(jī)構(gòu)改革背景下，依據(jù)《自然資源信息化頂層設(shè)計》，以“互聯(lián)網(wǎng)＋”為抓手，以“自然資源云”為統(tǒng)領(lǐng)，推進(jìn)南京市綜合動態(tài)智能監(jiān)管體系再上新臺階，重點開展以下幾項工作：一是根據(jù)應(yīng)用成效與南京市各區(qū)實際應(yīng)用需求，通過優(yōu)化科學(xué)算法，增加監(jiān)控點部署密度、擴(kuò)大監(jiān)控范圍，減少視頻監(jiān)管盲區(qū)；二是結(jié)合未來5G技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化視頻播放技術(shù)，提升視頻監(jiān)控在線率，降低播放延時；三是借助云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)提高視頻監(jiān)管系統(tǒng)智能化程度，提高預(yù)警預(yù)報準(zhǔn)確率；四是加強與“一張圖”系統(tǒng)和“四全服務(wù)”平臺對接，增強系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性；五是繼續(xù)深化系統(tǒng)在各自然資源管理業(yè)務(wù)場景中的應(yīng)用；六是強化“互聯(lián)網(wǎng)＋自然資源服務(wù)”和信息安全保障體系建設(shè)工作。

南京市“慧眼守土”綜合動態(tài)智能監(jiān)管平臺實現(xiàn)了以下5個方面的轉(zhuǎn)變：一是工作模式由“靜態(tài)”向“動態(tài)”的轉(zhuǎn)變；二是監(jiān)測手段由“單一”向“綜合”轉(zhuǎn)變；三是業(yè)務(wù)管理由“平面”向“立體”轉(zhuǎn)變；四是執(zhí)法機(jī)制由“后置”向“前置”轉(zhuǎn)變；五是監(jiān)管手段由“人工”向“智能”轉(zhuǎn)變。

南京市“慧眼守土”綜合動態(tài)智能監(jiān)管平臺基于移動“千里眼”視頻監(jiān)控云平臺，構(gòu)建了高清攝像云服務(wù)，實現(xiàn)了跨地域、全域范圍的統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理、分布式存儲、資源共享，大大減少了自身的建設(shè)投資，提升了系統(tǒng)運行維護(hù)效率；實現(xiàn)了與現(xiàn)有“一張圖”的完美結(jié)合，業(yè)務(wù)審批及執(zhí)法巡查中，可以直接調(diào)用視頻設(shè)備查看實時畫面，讓業(yè)務(wù)人員在辦公室就可以直觀地了解項目現(xiàn)場的實際情況。豐富了業(yè)務(wù)辦理的手段，提高了業(yè)務(wù)辦理的效率。