空天地网一体化智慧监测体系在耕地保护执法监管平台中的应用

王莉，寻知锋*，郑美丽，王安邦，刘晓，崔鑫超

(1.日照市自然资源和规划局，山东 日照 276800；2.浙江臻善科技股份有限公司，浙江 杭州 310012；3.潍坊市勘察测绘研究院，山东 潍坊 261000)

0 引言

近年来，随着我国新型工业化、城镇化建设的深入发展，耕地后备资源不断减少，违法违规占用耕地现象呈现出多样化和复杂化，耕地保护、土地执法监察工作面临新的考验[1-2]。目前，全国各地自然资源部门主要利用航空航天遥感影像数据[3]，结合人工实地巡查的方法进行自然资源监管，这些技术手段在日常监管工作中发挥了重要作用，但在高效性、便利性、准确性等方面仍存在一些不足[4]。

空天地一体化立体监测是指从空、天、地三个角度进行监测，“空”即低空无人机监测，“天”即卫星遥感监测，“地”即地面监测[5]，此种监测方式具有监测面积大、范围广的特点，可以结合行业应用构建全天候、全天时、全覆盖的监测体系，从而保障行业健康发展。国内诸多领域的专家学者对其进行了较多的应用研究[6-8]，使空天地一体化监测技术在监控应用领域逐渐走向成熟。张凯等[6]提出了传统高精度测量与现代高效快速大范围测量相结合的空天地一体化监测技术，建立了集数据采集、数据处理及结果展示为一体的空天地一体化监测体系。裴小龙等[7]依托黑河流域现有观测研究基础，以13个观测站为依托，围绕资源类型，开展航天和无人机遥感协同观测，并结合人工样地调查，对其数据进行相互比对、验证和集成处理，初步构建起基于空天地一体化的黑河流域自然资源要素综合观测网络。曹波等[8]利用空中无人机、天基国产卫星高分2号为主的遥感数据、陆基手段的移动采集设备以及传统监测站点，构成岸线持续滚动、定期更新、实时响应的多层次、多时间频度的先进对地观测体系，并结合管理信息系统，实现岸线的动态监测与管理。

物联网、移动互联网、大数据分析应用、云计算等新一代信息技术的快速发展为监测监管带来了新的思路。王军[9]提出运用新一代信息技术建立生态环境空天地一体化管理系统、完善综合防汛预警体系、健全黄河供水区水资源管控体系、加快流域内产业结构优化调整、建立完整的流域产业链等。本文以山东省日照市市域范围内的耕地保护作为研究对象，依托新一代信息技术，尝试提出“空天地网”一体化智慧监测体系，并在日照市耕地保护执法监管平台进行应用实践。

1 空天地网一体化智慧监测体系

1.1 体系框架

空天地网一体化智慧监测是基于“早发现、早制止、严查处”的自然资源工作机制，以耕地保护为对象，构建完善的空(卫星遥感)、天(无人机遥感、视频监控)、地(地面移动巡查)、网(物联监测设备、大数据分析和互联网协同查处)一体化的智慧监测网络，实现三维立体、全域全覆盖、全时全天候、协同高效处置的动态监测监管，促进耕地的永久保护，及时发现和查处耕地违法行为，牢牢守住耕地保护红线，保好“饭田碗”。

空天地网一体化智慧监测体系的主要内容包括遥感卫星、无人机、视频监控、田长(网格员)等终端对耕地违法信息的实时采集、处理、上报，然后利用大数据进行分析，基于互联网进行协同查处。旨在形成卫星遥感“天上看”，视频监控、无人机遥感“实时看”，田长负责“实时管”，网格员“实时巡”，公众参与“随手拍”，物联网、互联网、大数据分析“智能管”的一体化、智慧化耕地动态监测新格局。

1.2 关键技术与制度

1.2.1 基于3S的空间数据采集与处理技术

3S技术是对卫星遥感(RS)、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)三种技术的简称，在自然资源监测方面得到广泛的应用，主要包括进行空间数据的采集、处理、存储、分析应用。3S技术的集成应用为监测信息获取、处理分析、可视化表达提供基础，全面获取信息的能力可以及时对区域建设实施、规划管控和日常监管情况进行动态监测，处理分析能力能对监测信息进行针对性分析、评价和预测，可视化表达能力能将各类信息通过地图等多种形式对外发布[10]。在耕地保护的空天地网一体化智慧监测体系中，采用由遥感卫星(航空监测)、无人机遥感(航天监测)对监测范围进行定期拍摄，获取影像数据，然后通过一系列的融合、矫正、镶嵌、分类、解译等影像处理技术，提取关键信息，识别违法占用、使用耕地的行为。再利用GIS技术进行数据处理、数据库建设，建立疑似违法图斑库，根据后期处置情况不断更新图斑库数据[11]。同时，在进行现场核查核实过程中，可利用GPS实现违法现场的快速定位、巡查轨迹的实时记录[12]，更高效的辅助耕地违法行为的查处、监管。

1.2.2 基于田长制的移动巡查监管

制度创新也在不断丰富耕地保护新机制，日前，全国各地自然资源政府部门都在不断探索怎么利用田长制进行耕地保护。山东省出台《关于推行耕地保护“田长制”的指导意见》，提出建立村集体经济组织日常管护机制，实现“横向到边，纵向到底”的耕地保护责任全覆盖；要求各市要因地制宜，分类施策，指导本区域内田长制的建立，明确“田长”职责设置及县、乡两级政府与村集体经济组织在耕地保护工作中的职责分工，并将田长制实施情况纳入耕地保护责任目标自查体系，不定期调度辖区内田长制工作推动情况。例如：天津市武清区根据当地实际情况因地制宜的推行田长制，取得了较好的成效。吉林省梨树县也出台了田长制，使得耕地保护的责任更加明确。

在空天地网一体化智慧监测体系中，地面移动巡查是其中“地上巡”的重要组成部分，能够更好地服务各级田长和公众，并为自然资源相关职能部门的外业巡查管理提供了有力支撑，实现巡查记录、问题反馈、拍照上传、信息查询等功能[13]。移动巡查只是工具，支撑“地上巡”高效运转的长效机制是田长制的设立，通常采用技术辅助制度落实的方式，结合当地耕地保护实际情况，基于田长制设立分级管理责任制。利用移动巡查技术，开发相应的App系统，各级田长可通过手机、平板电脑等移动终端[14]，结合GPS定位功能实现违法现场的快速、精准定位、巡田轨迹的全程实时记录，成为田长工作的“得力助手”。

1.2.3 基于物联网的智能感知与分析技术

物联网是通过先进的信息传感技术，按照约定要求，依据实际需要进行物与物相互联系的网络连接，在互联互通的过程中，物与物通过互换信息和通信，形成智能化识别、管理、监控、定位和跟踪的智能网络系统[15]。传感器技术和射频识别技术(RFID)分别是物联网运行的基础、发展的关键技术，通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备[16]及时获取感知数据，基于网络准确传送后利用智能技术对数据进行分析处理，然后应用于业务场景中。

在耕地保护领域中所使用的物联网监测设备主要包括低功耗网络球机、声光警戒摄像机、图像传感器(卫星遥感)等。受网络、费用等软硬件条件的限制，一般应用在重点区域，比如高标准农田保护区、永久基本农田保护区、需重点关注或监测的地区，结合AI、GPS、互联网等技术实现非法使用耕地的识别、精准定位、执法监管平台弹窗预警、执法程序启动。通过在事件多发地块设置周界监测预警设备，出现异常人车现场进行声光警示，同时在监管平台进行弹窗报警，生成核查任务，与田长移动巡查系统进行联动，实现田长高效巡田、疑似违法行为精准核查。运用物联网技术还可以对永久基本农田保护区周边道路车辆进行管控，通过对周边道路断面的监控全覆盖，辅以云计算、大数据分析等技术，实现对进出车辆的行驶轨迹还原、统计、查询、异常分析，从而达到自动监测耕地违法行为。

2 耕地保护执法监管平台设计

2.1 平台框架设计

依托以视频物联+AI智能、3S、互联网为核心的“空天地网”一体化智慧监测体系，结合云计算、大数据等新一代信息技术，基于田长制移动巡查监管，构建日照市耕地保护执法监管平台，实现设备整合、数据、流程、系统及分析展示，打造统一的、高效的耕地保护监管与执法平台，实现耕地保护工作的智能化、协同化、精细化管理。基于“空天地网”一体化智慧监测体系的日照市耕地保护执法监管平台框架由感知层、网络层、数据层、分析管理层、应用层5层组成(图1)。

图1 平台总体框架图

(1)感知层：是“空天地网”一体化智慧监测体系应用于耕地保护执法监管平台的重要基础和支撑，依托强大的适应力、扩容力实现对违法占用、使用、损害耕地的一系列行为进行立体监测、智能监测、全天候全天时监测。感知层的设备主要包括遥感卫星、无人机、热成像卡口摄像机/球机视频监控、田长移动巡查App等。

(2)网络层：是保障感知层得以发挥作用的重要中介，主要是将“空天地网”一体化智慧监测体系中的各种监测数据实时、高效、准确的传输，从而形成可靠的全覆盖的数据传输网络。能够将“航天卫星、中低空无人机和监控、田间巡查”的监测数据实时传回平台进行分析管理，构建全面的监测网络。主要包括的网络类型或通讯设备有北斗通讯卫星、窄带互联网、4G/5G网络、互联网、光纤专网等。

(3)数据层：将各类数据组织和存储，实现资源按需分配，为分析管理提供数据支撑，以更好的满足场景应用需求。包括由现状数据、规划数据、管理数据等构成的自然资源一张图数据，分析与存储感知层的监测数据、田长制数据组成的专题数据，以及对接国土空间基础信息平台、日照城市大脑、日照政通App、国土空间规划一张图实施监督系统的接口数据。

(4)分析管理层：运用AI、大数据、云计算、数据挖掘、可视化分析等技术对感知层的实时监测数据、历史数据进行分析，从而形成高质量、标准化、高智能的耕地违法监测数据供给源，达到准确识别是否存在耕地违法行为、违法现场快速定位的目的，为违法行为快速核查确认、违法案件多部门高效协同处置等提供支撑。

(5)应用层：包括网格化移动巡查管理子系统、领导驾驶舱、网格化执法子系统，是“空天地网”一体化智慧监测体系应用于耕地保护执法监管平台的应用场景。是依托基础数据，结合业务需求，对物联感知监测数据充分利用的具体体现。

2.2 功能设计

2.2.1 执法监管平台(PC端)

执法监管平台PC端是耕地保护监督执法的管理中心、指挥调度中心，基于“空天地网”一体化智慧监测体系成果，整合监测信息、基础数据、业务数据，融合信息报送、巡田监管、违法案件处理、考核4个工作机制。平台主要有5个功能模块：

(1)执法一张图。充分利用现有的国土空间基础信息平台数据，利用电子地图空间呈现优势，梳理农田、田长巡查、执法监察案件等相关信息，实现关键信息的查询、统计与可视化管理，为政府分析决策提供有力支撑。

(2)执法监察。与“空天地网”一体化智慧监测设备对接，通过AI、云计算、大数据等新一代信息技术，完成对机械工程车辆闯入、违法建设等疑似耕地违法情况的自动识别、自动上报、预警弹窗，并与移动巡查系统联动实现任务自动生成、智能派发。根据现场核查确认成果，将核实后的位置、事件等信息推送相关执法监察人员，并全程记录执法监察信息，为多部门联动、协同高效处置耕地违法行为提供平台。

(3)巡田任务。对监测的巡田任务、固定周期的巡田任务以及执法核查下发的巡田任务进行统一管理。包括田长信息的维护、任务的分配、巡查结果的审核与管理等功能。

(4)监督考评。一是实现对田长、田管员的监督评价；二是对执法监察的立案数量、办理时限、未办结案件、办理过程资料等情况进行综合监督；三是实现上级田长依据考核指标体系对相应下一级田长进行考核，考核评估结果汇总。

(5)日常管理。提供各种类型的通知公告的发布，并实现通知公告的推送和查阅功能。提供耕地保护执法监管领导小组、组织实施机构等工作状态发布及查看功能。

2.2.2 移动巡查子系统(执法监管平台App端)

该系统是“空天地网”一体化智慧监测成果与耕地保护业务管理融合的体现，是基于田长制的移动巡查监管手段，巡查的线索来源于卫星遥感、无人机遥感、视频等物联网监测数据采集后利用AI识别、云计算、大数据分析的结果。

(1)网格设置：根据《日照市人民政府办公室关于印发〈日照市耕地和永久基本农田保护“田长制”实施方案〉的通知》，结合日照市耕地保护实际情况，在全市设置一级田长7名，二级田长53名，二级网格员447名，三级田长2757名，在三级田长下设置田管员6196名，实现耕地和永久基本农田保护的精细化。

(2)系统业务流程与功能：按照“多级监督、多级指挥、多级处置”的运行模式，为各级田长及网格员、田管员提供移动办公和移动巡查功能。该系统功能有6个：一是对巡查任务的管理，提供任务接收、预警、查询、办理状态等功能，任务来源包括基于“空天地网”一体化智慧监测网络分析后自动生成、派发的和基于田长定期生成的；二是记录巡田轨迹、巡田图片与视频成果；三是依托移动设备，采用无线网络传输技术，实现耕地保护问题的GPS定位，文本、图像、声音和位置信息等巡田成果的上报；四是提供对不确定问题的暂存处理；五是对历史记录的查询功能；六是实现耕地保护“一张图”数据在移动端的展示，让信息查询、汇报和展示更加机动灵活。

2.2.3 耕地保护驾驶舱

依托软硬件配套设施设备，整合“空天地网”一体化智慧监测源数据、管理数据、在线互联调度等核心业务的各项关键数据，面向各级领导，根据不同权限，实现多类型多维度呈现。依托VR技术，足不出户可将现场带回家，包括田长及网格员数量与分布、巡查业绩排名、巡田路径展示、案件数量统计、案件类型统计、区域统计、案件处理进度、视频监控等物联网数据，以缩略图、扇形图、柱状图、表单等形式进行智能化展示，如图2所示，为主管部门提供全面、准确的信息及决策支持。

图2 耕地保护驾驶舱

3 平台应用效果

基于“空天地网”一体化智慧监测体系建立的日照市耕地保护执法监管平台自2021年9月正式运行以来，累计巡田次数58452次，巡田里程73015km，下发核实卫片图斑共209个，田长上报疑似违法案件十余起，提高了耕保执法公信力、实现了耕保执法的节约化和便捷化[17]，与传统监测方式相比在及时性、便利性、科学性等方面优势明显，为确保耕地数量不减少，质量不降低提供了强大助力。

(1)变被动管理为主动发现，更及时。改变以往在耕地保护中单纯依靠人员按期巡田、检查上报的方式，综合运用移动端App、AI技术等，为各级田长及网格员、田管员提供移动办公和移动巡查功能，为领导主动推送耕地保护的第一手信息，达到24小时实时智能监控、主动发现违法用地的效果。

(2)变单一低效为闭环互动，更高效。实现耕地保护多方协同、闭环管理。由田管员进行巡田管理，发现并上报违法案件，由上级田长协同执法部门进行联合执法，确保每一件问题都能得到妥善的处理，做到事事有回应，件件有着落。

(3)变经验决策为数据辅助，更科学。建立一套将不同维度的数据进行统计分析，以缩略图、扇形图、柱状图、表单等形式进行智能化、立体化展示，为领导的决策提供全方位的信息支撑，使领导决策有据可依。

4 结语

本文从日照市耕地保护执法监管的实际出发，以自然资源“一张图”、耕地保护专题数据库等数据为基础，以田长制为制度保障，采用3S等地理空间技术，依托物联网、云计算、AI识别、大数据分析等新一代信息技术构建了基于“空天地网”一体化智慧监测体系的耕地保护执法监管平台。

基于“空天地网”一体化智慧监测体系建立的日照市耕地保护执法监管平台自正式运行以来，能够及时发现耕地违法行为，并进行高效闭环处置，实现了耕地保护的精准高效管理，同时也能满足领导决策支撑需求。“空天地网”一体化监测体系应用于耕地保护执法监管平台的思路可行有效，能够助力耕地数量、质量、生态的守护。