5G全生態(tài)智慧國土感知平臺建設(shè)實踐

方良君

（中國移動通信集團海南有限公司，海南 ?？?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(fā)展難、保護資源難的局面。隨意占用基本農(nóng)田保護區(qū)、私挖盜采礦產(chǎn)資源、隨意建設(shè)破壞地質(zhì)等違法行為層出不窮，致使自然資源管理形勢日趨嚴(yán)峻。面對更加隱蔽多樣的違法形為，使用傳統(tǒng)的人工方式開展管理，已逐漸難以適應(yīng)新形勢下履行職責(zé)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(zhí)法監(jiān)督規(guī)定》第四條指出：“縣級以上國士資源主管部門應(yīng)當(dāng)強化遙感監(jiān)測、視頻監(jiān)控等科技和信息化手段的應(yīng)用，也可以通過購買社會服務(wù)等方式，發(fā)揮現(xiàn)代科技對執(zhí)法監(jiān)督工作的支撐作用，提升執(zhí)法監(jiān)督效能?！睘閯?chuàng)新自然資源管理方式提供了信息化建設(shè)思路。海南移動基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)立高空瞭望高清攝像頭，聯(lián)合第三方企業(yè)創(chuàng)新開發(fā)視頻分析算法，結(jié)合東方市資源和規(guī)劃局生產(chǎn)工作管理需求，建設(shè)了5G全生態(tài)智慧國土感知平臺，通過在自然資源管理區(qū)域建立“空、天、地”一體化的感知網(wǎng)絡(luò)，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(gòu)建“天上看、地上查、網(wǎng)上管”的管理機制，使土地綜合整治監(jiān)管更加直觀透明，私挖盜采管控更加科學(xué)合理，地災(zāi)監(jiān)測預(yù)防更加規(guī)范精準(zhǔn)，以期建設(shè)一個以預(yù)測預(yù)警為核心，以實時視頻數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)為驅(qū)動，智能協(xié)同、全景即時感知的智慧監(jiān)管系統(tǒng)，助力自然資源部門進行山、水、林、田、湖、草、城全要素智能監(jiān)管。利用新技術(shù)，應(yīng)用新方法，有力解決了國土資源和生態(tài)環(huán)保等社會治理中的痛點難點問題。

1 建設(shè)思路

1.1 建設(shè)自然資源全生態(tài)智能感知體系

1.1.1 構(gòu)建智能感知網(wǎng)絡(luò)

建設(shè)無死角、全覆蓋的智能感知網(wǎng)絡(luò)。

（1）衛(wèi)星照片一張圖。系統(tǒng)可套合各級自然資源部門下發(fā)的衛(wèi)星照片，包括新增建設(shè)圖斑、農(nóng)用地變化圖斑、圍填海圖斑、以及原建設(shè)用地、設(shè)施農(nóng)用地及單獨圖層拆除變化圖斑等。

（2）自動換電無人機。系統(tǒng)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(jīng)實現(xiàn)7×24小時不間斷無人化自動作業(yè)、自動返回?zé)o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(tǒng)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(fā)現(xiàn)。

1.1.2 打造“空天地網(wǎng)”立體管理體系

綜合應(yīng)用“天上看、視頻探、地上查、網(wǎng)上管”，破解自然資源管理難題。

（1）解決自然資源數(shù)據(jù)整合難、查找難、可視化難問題。系統(tǒng)響應(yīng)“—張圖”工程要求，實現(xiàn)在遙感影像及實時視頻中準(zhǔn)確套合各類自然資源圖層，并衍伸實現(xiàn)多圖對比、地塊分析等功能，助力自然資源監(jiān)管部門便捷、直觀查看地塊規(guī)劃、利用、審批現(xiàn)狀。

（2）解決自然資源違法、險情發(fā)現(xiàn)難問題。系統(tǒng)可將前端感知設(shè)備（以高點攝像頭為主，無人機、傳感器為輔）采集的實時數(shù)據(jù)，與后端基于自然資源業(yè)務(wù)邏輯的人工智能Al算法相結(jié)合，進而對指定區(qū)域進行7×24小時不間斷自動巡航、智能預(yù)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(zhǔn)度低、調(diào)度難問題。管理人員可將系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的危情險情對點派發(fā)至巡查人員的手機App，可對重大危情進行實時態(tài)勢模擬、精準(zhǔn)調(diào)度。巡查人員可通過手機App準(zhǔn)確了解現(xiàn)場情況，并通過系統(tǒng)內(nèi)置導(dǎo)航準(zhǔn)確到達(dá)指定地點進行處置，有效提高巡查效率、提升協(xié)同作業(yè)能力。

（4）解決自然資源管理取證難、證據(jù)留存難問題。建立全業(yè)務(wù)網(wǎng)上跟蹤系統(tǒng)，及時對違法行為、災(zāi)情險情的發(fā)現(xiàn)和處置進行取證。系統(tǒng)也可對需要進行批后建設(shè)、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(jù)留存水平。

1.1.3 科技賦能管理升級

由二維靜態(tài)向三維動態(tài)升級，由人工主導(dǎo)向科技主導(dǎo)升級。

（1）升級前，僅有二維圖層數(shù)據(jù)，巡查主要依賴人工，事后處置難度較大，證據(jù)無法妥善留存，業(yè)務(wù)系統(tǒng)冗雜繁多。

（2）升級后，攻克空間定位及坐標(biāo)打通技術(shù)，實現(xiàn)實時視頻中自然資源圖層疊加、套合，并基于此實現(xiàn)視圖聯(lián)動調(diào)度、視頻中地塊分析等功能，使數(shù)據(jù)更直觀，使用更便捷。研發(fā)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(guī)、危情險情標(biāo)志物、標(biāo)志場景，大大提升管理效率，變事后處置為事前預(yù)防。構(gòu)建基于自然資源業(yè)務(wù)邏輯的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，集自主巡查、自動取證、狀況預(yù)警、任務(wù)下發(fā)、資源調(diào)度、證據(jù)留存于一體，降低管理人員工作難度和煩瑣度。

2 系統(tǒng)構(gòu)架和核心技術(shù)

2.1 平臺構(gòu)架

整個系統(tǒng)采用開放式體系建設(shè)，即通過前端感知系統(tǒng)和基礎(chǔ)平臺的統(tǒng)一建設(shè)和模塊化功能部署，構(gòu)建一個能支撐自然資源、生態(tài)環(huán)境、林草、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等行業(yè)應(yīng)用解決方案運行及數(shù)據(jù)集中處理的整體系統(tǒng)。將基礎(chǔ)支撐功能與具體應(yīng)用分開的系統(tǒng)架構(gòu)方式，既能降低政府在自然生態(tài)領(lǐng)域的建設(shè)投入，又能實現(xiàn)政府在城市治理方面對自然資源管理數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、自然災(zāi)害數(shù)據(jù)等信息資產(chǎn)的集約化管理，還可以滿足同一數(shù)據(jù)對自然資源、生態(tài)環(huán)境、林草、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等部門具體場景化應(yīng)用的統(tǒng)一支撐。系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖

自底向上分別為物聯(lián)感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺能力層，應(yīng)用服務(wù)層[1]。

（1）物聯(lián)感知層。通過各類前端感知設(shè)備實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)采集。主要包括物聯(lián)感知、衛(wèi)星感知、航空感知以及其他部門建設(shè)的各類相關(guān)感知設(shè)備。

（2）基礎(chǔ)設(shè)施層。通過租用運營商網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建專網(wǎng)，廣泛整合新建點位資源、已有點位資源，實現(xiàn)資源的跨部門共享。

①基礎(chǔ)設(shè)施：包括CPU計算資源、GPU計算資源、存儲資源。

②基礎(chǔ)視頻能力：實現(xiàn)視頻設(shè)備、智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入及聯(lián)網(wǎng)共享，并提供流媒體、電視墻管理、云鏡控制等服務(wù)。

③數(shù)據(jù)能力中心：將所需要的智能數(shù)據(jù)全部匯聚，構(gòu)建各類業(yè)務(wù)應(yīng)用專題庫，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)支撐。

（3）平臺能力層。

①AI能力中心：實現(xiàn)多種智能算法的統(tǒng)一管理及調(diào)度，實現(xiàn)多種硬件平臺的兼容，有效解決算法多、設(shè)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(yīng)用提供各類智能服務(wù)。

②通用能力：提供地圖、權(quán)限管理、校時、配置等服務(wù)。

③管理調(diào)度能力：實現(xiàn)所有資源的統(tǒng)一管理調(diào)度。

④開放API：平臺層提供開放的服務(wù)，以開放API的形式開放出去，可供多廠家應(yīng)用平臺調(diào)用。在這樣的開放架構(gòu)下，可以不斷生成智能化的應(yīng)用。

⑤應(yīng)用服務(wù)層。綜合應(yīng)用包括監(jiān)測預(yù)警、環(huán)境監(jiān)管、決策支撐、應(yīng)急響應(yīng)、監(jiān)管執(zhí)法、綜合分析和公眾服務(wù)。

⑥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。對于系統(tǒng)建設(shè)流程管理、質(zhì)量管理、人員管理和風(fēng)險控制等方面，需要符合本項目實際情況的制度規(guī)程。對于關(guān)鍵的應(yīng)用和數(shù)據(jù)，需要按照國家、政府相關(guān)部門出臺的統(tǒng)一開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、編碼標(biāo)準(zhǔn)、聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和接口標(biāo)準(zhǔn)等進行。

⑦安全保障體系。信息系統(tǒng)自下而上貫穿整個系統(tǒng)，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)安全、區(qū)域邊界安全、計算環(huán)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(shè)綜合監(jiān)控與運維系統(tǒng)：一是建設(shè)綜合監(jiān)控運維系統(tǒng)，實現(xiàn)視頻及IT基礎(chǔ)設(shè)備資源的綜合監(jiān)控與管理，實現(xiàn)信息的展現(xiàn)與異常報警。二是建立系統(tǒng)運維隊伍、工作機制、考核辦法、運維模式等。

2.2 資源構(gòu)架

2.2.1 計算資源池

（1）架構(gòu)設(shè)計。本項目設(shè)計的計算資源池邏輯自下而上劃分為設(shè)備層、資源層、服務(wù)層、接口層。計算資源池邏輯架構(gòu)如圖2所示。

圖2 計算資源池邏輯架構(gòu)圖

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

②資源層：對多種類型的計算設(shè)備進行統(tǒng)一管理，動態(tài)實現(xiàn)計算資源的調(diào)度。提供GPU類資源，服務(wù)于高性能、高實時性的解析應(yīng)用；提供CPU類資源，服務(wù)于應(yīng)用系統(tǒng)軟件或組件的部署。

③服務(wù)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(xiàn)資源能力的開放，滿足與視頻圖像應(yīng)用平臺的對接開發(fā)。

（2）功能設(shè)計。

①虛擬化基礎(chǔ)功能。通過虛擬機生命周期管理，實現(xiàn)虛擬機創(chuàng)建、控制、備份、克隆、鏡像管理功能。

②虛擬機資源分配和調(diào)度。實現(xiàn)虛擬機CPU和內(nèi)存資源的按需分配和動態(tài)調(diào)整、虛擬機HA和動態(tài)遷移、存儲動態(tài)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(tǒng)管理。實現(xiàn)虛擬機狀態(tài)監(jiān)控、故障告警、權(quán)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(xiàn)對物理服務(wù)器的管理。物理服務(wù)器可以像虛擬機一樣進行操作系統(tǒng)安裝、開機、關(guān)機等相關(guān)操作。

⑤網(wǎng)絡(luò)。提供虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，提供獨立的網(wǎng)絡(luò)平面；支持創(chuàng)建多個虛擬化網(wǎng)絡(luò)，支持SR-IOV、VLAN、VXLAN、虛擬交換機等多種網(wǎng)絡(luò)模型。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的接入、邏輯存儲的創(chuàng)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(jù)業(yè)務(wù)需要自動調(diào)整計算資源實例，提升資源利用率、節(jié)省基礎(chǔ)設(shè)施成本。支持視頻組件的彈性伸縮，可以將視頻高并發(fā)的組件進行自動擴展或者刪除，保證視頻業(yè)務(wù)的穩(wěn)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(guān)系。

⑧提供GPU計算服務(wù)，實現(xiàn)AI智能分析。

（3）計算資源配置。

①虛擬化CPU資源。基礎(chǔ)應(yīng)用平臺、運維服務(wù)中心、資源管理調(diào)度中心（部分）、視頻云存儲部分管理服務(wù)器等系統(tǒng)采用虛擬機部署。

②裸金屬CPU資源。資源管理調(diào)度中心（部分）、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、視頻云存儲管理服務(wù)器等系統(tǒng)采用物理機部署。

③GPU資源。根據(jù)AI能力中心對視頻、圖片結(jié)構(gòu)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(shè)

智能解析服務(wù)由算法倉庫提供[4][5]。算法倉庫由智能任務(wù)調(diào)度服務(wù)、算法管理服務(wù)、智能基礎(chǔ)服務(wù)三部分組成，三者協(xié)同工作，為用戶提供大規(guī)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(jù)用戶場景需求，通過調(diào)度平臺靈活調(diào)度、加載各種算法，由算法倉庫推送至部署基礎(chǔ)智能服務(wù)框架的智能設(shè)備上完成任務(wù)處理。算法倉庫體系架構(gòu)使得智能分析能力不再固化在產(chǎn)品中，實現(xiàn)“一套平臺，多種算法”，具有系統(tǒng)高可用、資源高利用率、算法靈活開放等優(yōu)勢。算法倉庫體系架構(gòu)如圖3所示。

圖3 算法倉庫體系架構(gòu)示意圖

2.2.3 AI能力設(shè)計

2.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

項目通過視頻安全接入、移動安全接入和安全認(rèn)證管理系統(tǒng)[6][7][8]實現(xiàn)前端攝像機、平板終端等的視頻與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸安全；視頻與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在進入內(nèi)網(wǎng)前，先通過網(wǎng)閘和防火墻（根據(jù)局方要求，利舊原有設(shè)備），確保傳輸安全[9][10]。

在進入內(nèi)網(wǎng)后，視頻與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進入業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行分析統(tǒng)計利用，同時與系統(tǒng)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)進入備份系統(tǒng)和共享系統(tǒng)，方便查詢、共享。

2.4 核心技術(shù)

2.4.1 采用空間實時定位算法建立坐標(biāo)聯(lián)系

公司自主研發(fā)的映射算法，可建立三維視頻傾斜坐標(biāo)與2000國家大地坐標(biāo)系的精準(zhǔn)對應(yīng)聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)動態(tài)視頻數(shù)據(jù)與自然資源底層數(shù)據(jù)融合疊加，實時發(fā)現(xiàn)自然資源利用動態(tài)變化，掌握自然資源動態(tài)大數(shù)據(jù)，進而應(yīng)用于執(zhí)法監(jiān)察、城市建設(shè)等領(lǐng)域。

2.4.2 基于深度學(xué)習(xí)的AI視頻識別技術(shù)

公司自主研發(fā)基于業(yè)務(wù)邏輯的自然資源AI識別算法，能夠自主識別動態(tài)視頻中指定區(qū)域自然資源違法標(biāo)志物/行為，并與自然資源底圖進行實時對比，當(dāng)判定有重要變化時向管理者發(fā)出預(yù)警報警，輔助管理者決策。

2.4.3 基于AR智能標(biāo)簽的BIM實景融合技術(shù)

以山水林田湖草編制網(wǎng)格碼為基礎(chǔ)空間參考體系，將現(xiàn)場動態(tài)視頻流信息和BIM靜態(tài)模型結(jié)合，形成基于AR的現(xiàn)場實體信息與BIM+GIS虛擬信息融合應(yīng)用模式，實現(xiàn)靜態(tài)三維數(shù)據(jù)建模到動態(tài)BIM監(jiān)管應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。

3 應(yīng)用場景

在全生態(tài)智慧感知監(jiān)管核心場景中，主要實現(xiàn)衛(wèi)片、林斑聯(lián)動監(jiān)測、智能識別預(yù)警、自然資源全景巡查、圖像檔案、違規(guī)記錄等行業(yè)應(yīng)用功能，有效解決森林督察、海洋督察、農(nóng)村建房亂占耕地、別墅清查、衛(wèi)片執(zhí)法、礦山私挖盜采等違法行為發(fā)現(xiàn)難、發(fā)現(xiàn)不及時、取證困難等問題。

3.1 兩違監(jiān)管

（1）農(nóng)村亂占耕地建房。將高空視頻和衛(wèi)片、資源圖層結(jié)合，實現(xiàn)圖斑動態(tài)監(jiān)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(xiàn)場情況，實現(xiàn)智能識別預(yù)警。通過電子圍欄功能鎖定證據(jù)，若出現(xiàn)新增違法情況即時預(yù)警，實時記錄違法動工現(xiàn)狀。

（2）違章搭蓋建筑。系統(tǒng)自動巡查、識別違規(guī)搭蓋建筑，自動報警，報警坐標(biāo)在遙感影像上顯示。通過預(yù)警信息提供的對應(yīng)攝像頭查看實時視頻，復(fù)核現(xiàn)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(yè)全過程。

3.2 耕地保護

保護基本農(nóng)田，遏制農(nóng)地非農(nóng)化。系統(tǒng)可在遙感影像圖中套合基本農(nóng)田數(shù)據(jù)圖層，通過前端攝像頭自動巡航，可自主識別基本農(nóng)田撂荒、違章搭建工棚、建筑垃圾堆放等行為。對已發(fā)現(xiàn)的疑似違法行為，可調(diào)用附近攝像頭對現(xiàn)場情況進行遠(yuǎn)程查看。對已確認(rèn)的違法行為，一方面可通過派發(fā)任務(wù)至基層執(zhí)法人員精準(zhǔn)執(zhí)法，另一方面可以將相關(guān)位置信息及發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場圖片發(fā)送至該塊基本農(nóng)田對應(yīng)行政責(zé)任人，切實落實責(zé)任到人。

3.3 礦山綜合監(jiān)管

運用綜合管理手段精細(xì)管理無主礦和有主礦，實現(xiàn)有證礦山越界開采監(jiān)管、無證礦山私挖盜采監(jiān)管和夜間私挖盜采監(jiān)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(jiān)管，提升土地利用率。

3.5 實現(xiàn)森林防火“災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后”全流程掌控

煙火識別及空間定位。系統(tǒng)內(nèi)置的AI識別算法可準(zhǔn)確識別煙火并立即報警。由于攻克了空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)，系統(tǒng)可在遙感地圖上準(zhǔn)確定位火情位置，實現(xiàn)將火情現(xiàn)場照片和火情定位同時推送至管理中心。

3.6 河流海洋監(jiān)管

對圍填海、盜采河海砂、違規(guī)作業(yè)進行智能管控。

3.7 生態(tài)紅線監(jiān)管

全面監(jiān)控生態(tài)紅線內(nèi)資源環(huán)境狀況，保護生態(tài)安全。

4 結(jié)束語

5G全生態(tài)智能國土感知監(jiān)管平臺以執(zhí)法監(jiān)察社會化服務(wù)為切入點，通過5G視頻實時感知和人工智能大數(shù)據(jù)分析，改變傳統(tǒng)的衛(wèi)星和人員巡查的執(zhí)法模式，實時、精準(zhǔn)打擊秸稈焚燒、河湖水污染、違法占用農(nóng)田、森林亂砍濫伐、毀林種茶、礦產(chǎn)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(xiàn)“發(fā)現(xiàn)在初始，解決在萌芽”，有效降低執(zhí)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(yīng)急調(diào)度、綜合透明執(zhí)法等社會綜合治理領(lǐng)域，真正實現(xiàn)社會綜合治理一網(wǎng)通?！?/p>