談北斗系統(tǒng)在耕地保護中的應(yīng)用★

鮑旭輝,楊 旭,鮑立平

(1.內(nèi)蒙古測繪地理信息中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000； 2.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣西 南寧 530000)

1 北斗系統(tǒng)現(xiàn)狀

今年，國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布《新時代的中國北斗》白皮書。白皮書指出，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，可以賦能各行各業(yè)，可以融入基礎(chǔ)設(shè)施，進入了大眾應(yīng)用領(lǐng)域，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式，成為經(jīng)濟社會發(fā)展的時空基石，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更好的服務(wù)全球、造福人類貢獻了中國智慧和力量。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由中國自主建造和運營。其建設(shè)和應(yīng)用旨在滿足國家安全和社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。旨在為全球用戶提供全天候的高精度定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。它是中國重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施。2020年7月31日，第三代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球成功組網(wǎng)，其衛(wèi)星相對定位精度與第二代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)相比大幅提高，亞太地區(qū)北斗衛(wèi)星數(shù)量也大幅增加，標志著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在最后階段的成功。隨著北斗三號全球系統(tǒng)的開通，目前有45顆北斗衛(wèi)星在軌道上提供服務(wù)。我國的空間和地面基礎(chǔ)設(shè)施具有相對完善的服務(wù)能力，北斗產(chǎn)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)已基本形成，這也為中國數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展注入了強大的活力。

北斗系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用于交通、農(nóng)業(yè)、森林、水利、海洋、物流和電力系統(tǒng)等多個行業(yè)，并且逐漸深入到智能手機、智能穿戴設(shè)備等智能化、小型化領(lǐng)域創(chuàng)新開發(fā)。日前隨著5G基站建設(shè)、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等方面國家相關(guān)政策的陸續(xù)出臺，國家將進一步加大力度對相關(guān)產(chǎn)業(yè)建設(shè)和發(fā)展的政策支持，北斗系統(tǒng)將與新一代各種新技術(shù)深度融合，不斷創(chuàng)新，深入融合，服務(wù)人類，讓北斗服務(wù)更加貼近生活。

2 耕地保護傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用問題

2021年12月28日～29日，習(xí)近平總書記在中央農(nóng)村工作會議強調(diào)，要采取“長牙齒”的硬措施，落實最嚴格的耕地保護制度。習(xí)近平總書記在第二十次全國代表大會上再次指出要全方位夯實糧食安全根基，牢牢守住十八億畝耕地紅線，確保中國人的飯碗牢牢端在自己手中。

耕地保護刻不容緩，但是傳統(tǒng)的耕地保護方式存在線索掌握不全，占用耕地行為難以精細化，主要存在以下幾方面問題。

2.1 傳統(tǒng)檢測手段監(jiān)測占耕問題效率不高

執(zhí)法監(jiān)督工作是自然資源管理的重要內(nèi)容，在耕地保護和合理利用方面發(fā)揮著不可替代的作用。土地管理法明確規(guī)定禁止占用耕地進行建窯、建墳或者擅自在耕地上建房、挖砂、采石、采礦、取土等行為。但隨著違法占用耕地的不斷增加，傳統(tǒng)手段越來越難以全面支持耕地執(zhí)法督察工作。傳統(tǒng)的執(zhí)法監(jiān)督方式主要依托人工巡查、舉報等方式，基層執(zhí)法人員在遇到疑似違規(guī)占用耕地問題時，只能依托傳統(tǒng)的測量尺、測距儀、全站儀等工具進行外業(yè)測量，然后根據(jù)測量結(jié)果回到內(nèi)業(yè)與自然資源現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、審批數(shù)據(jù)等進行疊加，進行是否存在違法違規(guī)行為的判斷。在這個過程中存在著多種不足：1)執(zhí)法空白，由于人工檢查范圍和周期有限，僅靠人工檢查、舉報等方式尋找疑似違法線索會漏掉大量違法占用耕地問題，無法全面、及時地發(fā)現(xiàn)違法占用耕地問題，群眾對自然資源現(xiàn)狀和規(guī)劃情況不了解，造成舉報的數(shù)量和質(zhì)量都相對較低。2)執(zhí)法成本高，因為發(fā)現(xiàn)周期長，執(zhí)法人員發(fā)現(xiàn)違規(guī)行為時已形成違法事實，違建拆遷過程無形中提升了執(zhí)法成本。3)執(zhí)法效率不高，在判斷違規(guī)行為時，只能對違規(guī)面積進行尺碼、測距儀的測量，而全站儀雖然能夠測出準確的絕對位置，但至少需要兩個人以上進行測量，而手持機等設(shè)備絕對精度不高。對于疑似違法面積比較大的圖斑，使用傳統(tǒng)的測量方式往往需要數(shù)日甚至十幾天才能完成外部業(yè)務(wù)的測量。外部業(yè)務(wù)測量和內(nèi)部業(yè)務(wù)判斷的周期較長，效率不高。

2.2 耕地“非糧化”監(jiān)測不到位

耕地“非糧化”是指耕地應(yīng)該用于糧食、棉、油、糖、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品的種植與生產(chǎn)，而嚴格控制耕地轉(zhuǎn)變用地屬性變?yōu)榱值?、園地、建設(shè)用地等其他類型的地類。近年來，由于種植糧食的經(jīng)濟效益不高導(dǎo)致我國耕地“非糧化”現(xiàn)象呈現(xiàn)逐步擴大趨勢。一些耕地“非糧化”問題例如耕地轉(zhuǎn)換為林地、園地等其他農(nóng)用地的情況在傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感影像上的影像特征相似度較高導(dǎo)致難以進行有效的區(qū)分：1)種植非糧食性的農(nóng)作物，包括茶葉、水果、花卉、藥材等產(chǎn)品。2)占用耕地進行綠化造林，包括景觀林、綠化帶、人工草坪等。3)由于耕地質(zhì)量下降或耕地距離過遠等關(guān)系造成的“撂荒地”等問題。造成耕地“非糧化”監(jiān)控不到位，導(dǎo)致大量耕地過度“非糧化”，動搖國家的糧食安全。

2.3 地下礦山占耕無法實現(xiàn)有效監(jiān)測

礦產(chǎn)資源在國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮了不可替代的作用，帶動了經(jīng)濟社會的發(fā)展，但是不法分子在利益的驅(qū)使下超過采礦許可范圍進行超層越界開采。礦山開采就會引起環(huán)境破壞,耕地減少,水資源污染甚至枯竭,地表沉陷,植被減少,土地荒漠化等等。其中地下礦山的開采尤其具有隱蔽性，造成監(jiān)管部門難以察覺，傳統(tǒng)的地下測量檢查方式耗時長，造價高難以形成常規(guī)性的監(jiān)測流程。而地下礦山的超層越界開采行為往往占地較大達到幾百畝甚至上千畝。其中占用耕地的情況也較為突出。礦山資源的過度開采會破壞自然環(huán)境，造成大量水土流失，會嚴重影響自然的營養(yǎng)環(huán)境。造成大面積的耕地質(zhì)量急劇下降，對耕地造成永久性傷害。對地下礦山進行常規(guī)性監(jiān)測，能提高礦山開發(fā)法律意識,減少違法開行行為,減輕礦山開采對耕地的影響,使耕地資源得到充分利用是可持續(xù)發(fā)展[1]。

3 北斗技術(shù)在耕地保護中的應(yīng)用

北斗系統(tǒng)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是我國重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是我國信息化建設(shè)的重要保證，利用“北斗+”和“+北斗”融合創(chuàng)新應(yīng)用發(fā)展，可以更好的應(yīng)用該技術(shù)，也可以更好的服務(wù)社會，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在中國的逐步成熟和完善，應(yīng)用北斗技術(shù)提高耕地保護水平成為可能。主要有如下幾方面應(yīng)用。

3.1 北斗+圖像識別技術(shù)應(yīng)用于耕地違法線索提取

“北斗+高分”系統(tǒng)是我國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星和高分遙感衛(wèi)星的綜合應(yīng)用，高分遙感衛(wèi)星可以提供耕地各個時段的影像數(shù)據(jù)，是可以作為耕地保護工作的基礎(chǔ)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，可對遙感影像顯示的內(nèi)容進行高精度、高可靠性的定位[2]。衛(wèi)星影像經(jīng)過糾正、融合等遙感影像專業(yè)流程處理，形成具有高精度位置信息和色彩信息的正射圖像成果，主要操作步驟如下：

第一步先將某一時段監(jiān)測地區(qū)的正射影像成果確定為基底影像數(shù)據(jù)，然后每天或固定時間頻率根據(jù)可獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)跟基底數(shù)據(jù)進行比較，運用人工智能圖像識別技術(shù)自動提取發(fā)生變化的區(qū)域范圍圖斑，生成基于影像信息變化的疑似變化圖斑矢量文件。

第二步根據(jù)前后兩期影像數(shù)據(jù)和疑似圖斑范圍矢量文件套合，結(jié)合人工分析進行判斷，確認變化情況，濾除掉明顯的影像偽變化，疊加土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、審批數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)以及基本農(nóng)田等數(shù)據(jù)成果，最終確定疑似亂占耕地違法圖斑，交由執(zhí)法監(jiān)察部門進行外業(yè)核實，最終確定是否存在亂占耕地行為。

由北斗與圖像識別技術(shù)為依托的耕地保護模式可以有效獲取疑似違法線索，較快的獲得變化的區(qū)域，可以彌補單純靠人力資源勘查的短板、填補傳統(tǒng)耕地保護工作中的執(zhí)法空白。只要實地發(fā)生違法行為，就可以在短時間內(nèi)被發(fā)現(xiàn)進而被及時制止，根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)進行處罰。有極大的可能在違法行為尚未完全實施時，將其制止在違法初期，大大降低執(zhí)法成本，從而實現(xiàn)耕地保護。由于采用了北斗高精度定位技術(shù)，衛(wèi)星影像具備高精度位置信息，亞米級分辨率的正射影像成果在大部分場景下定位與面積測量已經(jīng)可以達到執(zhí)法需求，不需要進行二次測繪工作，可進一步減少執(zhí)法人員的人力資源等方面投入，提高執(zhí)法效率。在需要進行高精度測量和大面積測量的違法問題，還可以輔助RTK或無人機測量，即可全面實現(xiàn)信息化輔助耕地保護工作。

3.2 北斗+高光譜遙感應(yīng)用于耕地“非糧化”判定

近年來高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)源不斷增多，使得利用北斗+高光譜遙感進行植被分類進而實現(xiàn)耕地“非糧化”判定成為可能。隨著傳感器的發(fā)展，多光譜影像的空間分辨率雖然在不斷提高，但是光譜分辨率依然較低，在農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地塊破碎地區(qū)的分類精度仍然不高，目前還難以實現(xiàn)對農(nóng)作物品種的分類研究[3]。而高光譜數(shù)據(jù)憑借光譜分辨率高，可以更為全面、細致地獲取地物光譜特征及其差異性等優(yōu)點，可以為農(nóng)作物類型識別提供新的技術(shù)手段[4]。以高光譜影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，以北斗技術(shù)做高精度定位即可實現(xiàn)地表植被的分類定位，實現(xiàn)耕地“非糧化”的合法性判定，主要操作步驟如下：

首先可以根據(jù)區(qū)域特征建立各地的高光譜數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，建立植被的算法模型，系統(tǒng)可根據(jù)實時高光譜遙感數(shù)據(jù)與高光譜數(shù)據(jù)庫的模型匹配，實現(xiàn)地表植被的初始定性。

第二步將定性結(jié)果與高分辨率的正射影像進行疊加匹配，以北斗技術(shù)做高精度定位，確定植被的準確邊界。

最后將各類植被與耕地矢量數(shù)據(jù)進行疊加分析，確定耕地“非糧化”區(qū)域，從而確定是否存在耕地“非糧化”行為。

3.3 北斗+InSAR應(yīng)用于地下礦山變化監(jiān)測

地下礦山的開采會造成地面發(fā)生微小沉降，其過程緩慢且不可逆，利用北斗技術(shù)可以獲取地面高精度三維坐標，用于地面固定點位的沉降監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)地面的沉降，但單純依靠北斗系統(tǒng)需要在待監(jiān)測區(qū)布設(shè)臺站，受接收機數(shù)量和密度限制，只能在重點部位布設(shè)分散、不連續(xù)的監(jiān)測點，無法獲取高空間密度的地表形變信息[5]。而地下礦山的沉降監(jiān)測不僅需要連續(xù)的高程變化，還需要通過連續(xù)的形變圖像來判斷是否存在地下礦山的沉降情況。

InSAR(合成孔徑雷達干涉測量)技術(shù)是指利用同一地區(qū)不同時相的干涉影像以及高精度數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，做兩軌法D-InSAR干涉處理，經(jīng)過基線估算、干涉圖生成、自適應(yīng)濾波及相干性計算、相位解纏、軌道精煉等一系列步驟得到形變結(jié)果。同時利用北斗系統(tǒng)三維高精度特征提取特征點對InSAR技術(shù)形成的形變數(shù)據(jù)進行檢驗，確定沉降結(jié)果是否準確。最后疊加光學(xué)影像、礦權(quán)范圍，排除明顯的露天沉降因素、水體周圍、建筑區(qū)沉降等因素影響，將排除后的沉降區(qū)域列為地下礦山疑似越界采礦區(qū)。

地下礦山占耕相對比較隱蔽，但造成的損失很大，所以首先運用InSAR技術(shù)初步確定地下礦山疑似越界采礦區(qū)，然后在區(qū)域內(nèi)應(yīng)用北斗技術(shù)精確定位，從而確定底下礦山是否存在過度開挖占用耕地情況[6]。

4 結(jié)論與展望

隨著北斗導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，專業(yè)技術(shù)人員在不斷開發(fā)和創(chuàng)新北斗系統(tǒng)的擴展服務(wù)，將北斗與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)情監(jiān)測與耕地保護等深度融合。其中北斗技術(shù)與各類遙感技術(shù)的融合應(yīng)用將極大的改善傳統(tǒng)耕地保護中線索提取效率低下、耕地保護執(zhí)法成本高的現(xiàn)狀。目前北斗技術(shù)的擴展服務(wù)應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成績，但仍然也存在一些不足，需要進一步研究發(fā)展：

1)遙感影像數(shù)據(jù)源不足。目前采用國產(chǎn)衛(wèi)星對正射影像圖的生產(chǎn)進行監(jiān)測，同一地塊國產(chǎn)衛(wèi)星拍攝周期一般在30 d～60 d，而違法占用耕地行為在這個周期內(nèi)有很大概率已經(jīng)形成，執(zhí)法成本較高。需要進一步補充數(shù)據(jù)源，縮短遙感影像生產(chǎn)周期。

2)各地未建立高光譜數(shù)據(jù)庫。利用高光譜進行植被判別需根據(jù)地域植被特征進行匹配，需各地建立獨立的高光譜數(shù)據(jù)庫。而目前高光譜數(shù)據(jù)庫的研究正在發(fā)展階段，還未進行大規(guī)模應(yīng)用，需在研究基礎(chǔ)上推廣應(yīng)用。

3)干涉影像目前以國外數(shù)據(jù)源為主，存在造價高，周期長的缺點。國內(nèi)對于地表沉降與地下開采的影響因素研究還有欠缺，目前只能作為執(zhí)法線索，需要將各項影響因子研究確認，提高執(zhí)法線索的準確率。