鮑旭輝,楊 旭,鮑立平

(1.內(nèi)蒙古測(cè)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(guó)務(wù)院新聞辦公室發(fā)布《新時(shí)代的中國(guó)北斗》白皮書(shū)。白皮書(shū)指出，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)實(shí)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(jìn)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(jì)社會(huì)發(fā)展的時(shí)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(xiàn)了中國(guó)智慧和力量。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由中國(guó)自主建造和運(yùn)營(yíng)。其建設(shè)和應(yīng)用旨在滿足國(guó)家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)服務(wù)。它是中國(guó)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(duì)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(biāo)志著中國(guó)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(hào)全球系統(tǒng)的開(kāi)通，目前有45顆北斗衛(wèi)星在軌道上提供服務(wù)。我國(guó)的空間和地面基礎(chǔ)設(shè)施具有相對(duì)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(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展注入了強(qiáng)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(gè)行業(yè)，并且逐漸深入到智能手機(jī)、智能穿戴設(shè)備等智能化、小型化領(lǐng)域創(chuàng)新開(kāi)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(guó)家相關(guān)政策的陸續(xù)出臺(tái)，國(guó)家將進(jìn)一步加大力度對(duì)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(hù)傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題

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

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

2.1 傳統(tǒng)檢測(cè)手段監(jiān)測(cè)占耕問(wèn)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(hù)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(jìn)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(lái)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(bào)等方式，基層執(zhí)法人員在遇到疑似違規(guī)占用耕地問(wèn)題時(shí)，只能依托傳統(tǒng)的測(cè)量尺、測(cè)距儀、全站儀等工具進(jìn)行外業(yè)測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)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(jìn)行疊加，進(jìn)行是否存在違法違規(guī)行為的判斷。在這個(gè)過(guò)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(bào)等方式尋找疑似違法線索會(huì)漏掉大量違法占用耕地問(wèn)題，無(wú)法全面、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)違法占用耕地問(wèn)題，群眾對(duì)自然資源現(xiàn)狀和規(guī)劃情況不了解，造成舉報(bào)的數(shù)量和質(zhì)量都相對(duì)較低。2)執(zhí)法成本高，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)周期長(zhǎng)，執(zhí)法人員發(fā)現(xiàn)違規(guī)行為時(shí)已形成違法事實(shí)，違建拆遷過(guò)程無(wú)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(shí)，只能對(duì)違規(guī)面積進(jìn)行尺碼、測(cè)距儀的測(cè)量，而全站儀雖然能夠測(cè)出準(zhǔn)確的絕對(duì)位置，但至少需要兩個(gè)人以上進(jìn)行測(cè)量，而手持機(jī)等設(shè)備絕對(duì)精度不高。對(duì)于疑似違法面積比較大的圖斑，使用傳統(tǒng)的測(cè)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(cè)量。外部業(yè)務(wù)測(cè)量和內(nèi)部業(yè)務(wù)判斷的周期較長(zhǎng)，效率不高。

2.2 耕地“非糧化”監(jiān)測(cè)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(yán)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(lái)，由于種植糧食的經(jīng)濟(jì)效益不高導(dǎo)致我國(guó)耕地“非糧化”現(xiàn)象呈現(xiàn)逐步擴(kuò)大趨勢(shì)。一些耕地“非糧化”問(wèn)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(jìn)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(jìn)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(guò)遠(yuǎn)等關(guān)系造成的“撂荒地”等問(wèn)題。造成耕地“非糧化”監(jiān)控不到位，導(dǎo)致大量耕地過(guò)度“非糧化”，動(dòng)搖國(guó)家的糧食安全。

2.3 地下礦山占耕無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)

礦產(chǎn)資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了不可替代的作用，帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，但是不法分子在利益的驅(qū)使下超過(guò)采礦許可范圍進(jìn)行超層越界開(kāi)采。礦山開(kāi)采就會(huì)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(kāi)采尤其具有隱蔽性，造成監(jiān)管部門(mén)難以察覺(jué)，傳統(tǒng)的地下測(cè)量檢查方式耗時(shí)長(zhǎng)，造價(jià)高難以形成常規(guī)性的監(jiān)測(cè)流程。而地下礦山的超層越界開(kāi)采行為往往占地較大達(dá)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(guò)度開(kāi)采會(huì)破壞自然環(huán)境，造成大量水土流失，會(huì)嚴(yán)重影響自然的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境。造成大面積的耕地質(zhì)量急劇下降，對(duì)耕地造成永久性傷害。對(duì)地下礦山進(jìn)行常規(guī)性監(jiān)測(cè)，能提高礦山開(kāi)發(fā)法律意識(shí),減少違法開(kāi)行行為,減輕礦山開(kāi)采對(duì)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(hù)中的應(yīng)用

北斗系統(tǒng)是國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是我國(guó)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(huì)，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在中國(guó)的逐步成熟和完善，應(yīng)用北斗技術(shù)提高耕地保護(hù)水平成為可能。主要有如下幾方面應(yīng)用。

3.1 北斗+圖像識(shí)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(guó)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(gè)時(shí)段的影像數(shù)據(jù)，是可以作為耕地保護(hù)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(shí)服務(wù)，可對(duì)遙感影像顯示的內(nèi)容進(jìn)行高精度、高可靠性的定位[2]。衛(wèi)星影像經(jīng)過(guò)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(shí)段監(jiān)測(cè)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(shí)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(jìn)行比較，運(yùn)用人工智能圖像識(shí)別技術(shù)自動(dòng)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(jìn)行判斷，確認(rèn)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(mén)進(jìn)行外業(yè)核實(shí)，最終確定是否存在亂占耕地行為。

由北斗與圖像識(shí)別技術(shù)為依托的耕地保護(hù)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(bǔ)單純靠人力資源勘查的短板、填補(bǔ)傳統(tǒng)耕地保護(hù)工作中的執(zhí)法空白。只要實(shí)地發(fā)生違法行為，就可以在短時(shí)間內(nèi)被發(fā)現(xiàn)進(jìn)而被及時(shí)制止，根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)進(jìn)行處罰。有極大的可能在違法行為尚未完全實(shí)施時(shí)，將其制止在違法初期，大大降低執(zhí)法成本，從而實(shí)現(xiàn)耕地保護(hù)。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(jí)分辨率的正射影像成果在大部分場(chǎng)景下定位與面積測(cè)量已經(jīng)可以達(dá)到執(zhí)法需求，不需要進(jìn)行二次測(cè)繪工作，可進(jìn)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(jìn)行高精度測(cè)量和大面積測(cè)量的違法問(wèn)題，還可以輔助RTK或無(wú)人機(jī)測(cè)量，即可全面實(shí)現(xiàn)信息化輔助耕地保護(hù)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(lái)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(jìn)行植被分類進(jìn)而實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(xì)致地獲取地物光譜特征及其差異性等優(yōu)點(diǎn)，可以為農(nóng)作物類型識(shí)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(shí)現(xiàn)地表植被的分類定位，實(shí)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(kù)系統(tǒng)，建立植被的算法模型，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)高光譜遙感數(shù)據(jù)與高光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的模型匹配，實(shí)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(jìn)行疊加匹配，以北斗技術(shù)做高精度定位，確定植被的準(zhǔn)確邊界。

最后將各類植被與耕地矢量數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)

地下礦山的開(kāi)采會(huì)造成地面發(fā)生微小沉降，其過(guò)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(biāo)，用于地面固定點(diǎn)位的沉降監(jiān)測(cè)，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(cè)區(qū)布設(shè)臺(tái)站，受接收機(jī)數(shù)量和密度限制，只能在重點(diǎn)部位布設(shè)分散、不連續(xù)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，無(wú)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(cè)不僅需要連續(xù)的高程變化，還需要通過(guò)連續(xù)的形變圖像來(lái)判斷是否存在地下礦山的沉降情況。

InSAR(合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量)技術(shù)是指利用同一地區(qū)不同時(shí)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(guò)基線估算、干涉圖生成、自適應(yīng)濾波及相干性計(jì)算、相位解纏、軌道精煉等一系列步驟得到形變結(jié)果。同時(shí)利用北斗系統(tǒng)三維高精度特征提取特征點(diǎn)對(duì)InSAR技術(shù)形成的形變數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，確定沉降結(jié)果是否準(zhǔn)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?chē)⒔ㄖ^(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(duì)比較隱蔽，但造成的損失很大，所以首先運(yùn)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(guò)度開(kāi)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(kāi)發(fā)和創(chuàng)新北斗系統(tǒng)的擴(kuò)展服務(wù)，將北斗與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)情監(jiān)測(cè)與耕地保護(hù)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(hù)中線索提取效率低下、耕地保護(hù)執(zhí)法成本高的現(xiàn)狀。目前北斗技術(shù)的擴(kuò)展服務(wù)應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但仍然也存在一些不足，需要進(jìn)一步研究發(fā)展：

1)遙感影像數(shù)據(jù)源不足。目前采用國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星對(duì)正射影像圖的生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同一地塊國(guó)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(gè)周期內(nèi)有很大概率已經(jīng)形成，執(zhí)法成本較高。需要進(jìn)一步補(bǔ)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(kù)。利用高光譜進(jìn)行植被判別需根據(jù)地域植被特征進(jìn)行匹配，需各地建立獨(dú)立的高光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。而目前高光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的研究正在發(fā)展階段，還未進(jìn)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(guó)外數(shù)據(jù)源為主，存在造價(jià)高，周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)對(duì)于地表沉降與地下開(kāi)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(xiàng)影響因子研究確認(rèn)，提高執(zhí)法線索的準(zhǔn)確率。