國土資源動態監測研究
——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象突出，各種土地不合理利用問題日益嚴峻。在經濟高速發展、各類資源供應緊張的形勢下，國家國土資源的合理充分利用，是實現可持續發展戰略中的重要一步。如何讓土地資源得到合理保護，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、亂砍濫伐的關系，保護好環境及其有效預防自然災害的發生；如何準確、實時、快速履行土地高效監管，有效進行土地管理，保證突發事件的高效運作，顯得尤為重要和緊迫。因此，深入研究國土資源動態監測技術，建立國土資源動態監測網絡體系，成為必然選擇。

1 國土資源動態監測研究現狀

目前，國內國土資源監測取得了豐富的監測成果，監測對象主要包括土地利用、地質災害、地下水、礦山地質環境等。但是，存在監測點布設不合理、監測手段相對落后、數據精確程度低、數據標準不統一等問題，同時也滿足不了國土資源精細化管理需求［1］。針對監測點布設不合理的問題，有人開展了監測網絡布局優化相關研究，以縣域為基本空間單元，采用多目標優化求解方法，優化具有國土空間代表的典型縣域監測樣點，形成空間監測網絡優化布局方案［2］。針對監測手段相對落后的問題，有人開展了信息技術與國土資源監管的研究，引入虛擬化、Saas技術、ETL技術等手段，為國土資源監管提供了保障［3］。

常州市建設了國土資源動態監測綜合監管平臺，設計和構建了多種巡查監測手段相結合的“空地一體化”監測模型，實現了對全市域國土資源動態監測及調度管理［4］。南京市國土局將視頻監控技術引入日常監測管理工作中，對土地違法行為早發現、早研判，不僅實現了動態監測的自動化，還把握了監管主動權，提高了國土資源監管效能［5］。

南京市于2013年建立了淺層低溫能動態監測管理信息系統，在城區范圍內選擇了3個監測點，監測研究不同地表深度溫度變化情況，為后期地熱能源的使用打下了堅實基礎。但在實際業務管理過程中存在以下問題：(1）監測手段單一。通過攝像頭調閱視頻，監控盲區或地形復雜地區無法覆蓋。(2）智能化程度低。執法人員只能在發現違法用地行為后再進行處理，無法提前預判。(3）無法量化分析。礦產管理部門不知道礦山被盜采的具體數量，只能粗略估算；地質環境監測部門無法預測地質災害發生時間?？偟膩碚f，存在“看不全”“判不明”“算不準”的痛點。

2 南京市“慧眼守土”建設內容

2017年，根據江蘇省國土廳推廣“慧眼守土”國土資源綜合動態智能監管系統的工作要求，南京市國土局在已建成的三大平臺基礎上，結合南京市實際和江寧區試點建設情況，以問題為導向、以提高監管水平為原則，以“一張圖”為基礎，運用“互聯網＋”理念，依據“信息化、精細化、規范化”的要求，因地制宜地綜合采用數字攝像和圖像識別、云服務、無線通信、物聯網、移動互聯、大數據等先進技術，加強頂層設計，加快資源整合，全力完成南京市“慧眼守土”綜合動態智能監管系統建設工作，并以此為契機切實提高南京市國土資源監管的信息化水平，提升監管效能。

2.1 建立動態監測標準建設體系

項目建設前起草了《南京市“慧眼守土”綜合動態智能監管系統建設方案》并通過專家論證，建設過程中始終遵循《南京市國土資源“慧眼守土”視頻點位建設規范》《南京市國土資源“慧眼守土”視頻資源接入規范》，項目上線試運行后制定了《南京市“慧眼守土”綜合動態智能監管系統管理辦法》《南京市國土資源“慧眼守土”視頻操作規范》《南京市國土資源“慧眼守土”無人機操作規范》。

2.2 建立了覆蓋“市-區-所”的三級監測網絡

“慧眼守土”三級監測網絡體系如圖1所示，完成了南京市(除江寧區外）541個視頻攝像頭的安裝、調試工作，將南京市江寧區試點前期建設的165個攝像頭、共享環保138個攝像頭的視頻資源接入監測網絡中。并基于VPN專線組網和中國移動“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-所”三級國土資源視頻監測網絡。

圖1 “慧眼守土”三級監測網絡體系

通過無人機和礦山三維系統的技術創新與應用，建立了低空或地面上的點面結合、“固定＋移動”的新型慧眼守土監測網絡，有效彌補了傳統方式的不足，提升了國土資源動態監測水平。

2.3 建成南京市“慧眼守土”視頻綜合動態智能監管平臺

通過系統集成，建立了集視頻集中管理、視頻遠程操作及視頻地圖聯動操作、地塊變化智能分析與預警、項目視頻監管、應用考評考核、系統管理等功能于一體的南京市“慧眼守土”視頻綜合動態智能監管平臺。一是通過集成“千里眼”平臺、無人機飛控軟件等，開發了監控點視頻直播和回放、攝像頭定時定點拍照、用戶隨機拍照、多維度視頻瀏覽與下載、無人機視頻管理等功能，實現了低空及地面監測模式下監測數據的集中統一管理和調用服務，滿足了數據瀏覽與遠程操控的應用需求。二是通過與“一張圖”平臺集成，開發了違法用地智能分析比對、無人機實時圖傳視頻直播、“以地找視頻”和“以視頻找地”、智能數據分析、自動預警報警等功能，并結合土地利用、耕地保護、執法巡查等業務做了深度定制化開發，滿足業務人員在不同業務場景的審批需求；同時，與“移動一張圖”系統融合，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、智能”的特點。三是在系統管理模塊實現視頻元數據和驗收報告的管理。

2.4 建成了南京市“慧眼守土”監控指揮中心

建成了南京市“慧眼守土”綜合動態監測指揮中心，監控中心配備指揮監測大屏和操作臺，通過配置數字矩陣，實現網絡中任意監控點視頻信號的切換輸出到電視墻顯示。監控指揮中心一方面接收、存儲各位置發送來的視頻、語音、位置信息，另一方面將指揮中心的信息發往各監控終端。監控中心的建成，可滿足領導視察匯報、重大災情處置、重大事項會商等多場景的應用。

3 南京市“慧眼守土”總體架構與技術路線

“慧眼守土”總體架構如圖2所示，以通信基站為基礎，搭建視頻監控網絡體系，通過專線實現視頻信號到南京市國土局政務網的接入，同時對現有國土資源“一張圖”建設成果進行升級改造，實現基于地圖的實時視頻瀏覽及業務應用。

圖2 總體架構

平臺及存儲設備匯聚在運營商機房，通過光纖直連至南京市國土局機房，經過防火墻等安全設備后接入現有核心交換機。南京市國土分局及國土所采用移動光纖連接，用于承載監控視頻數據調用，與國土現有專網隔離，互不影響，也為現有專網線路起到備份作用。

3.1 MPLS-VPN組網

MPLS-VPN專線無縫地集成了IP路由技術的靈活性和ATM標簽交換技術的簡捷性，使L2和L3技術有效地結合起來。在網內使用標簽交換，可極大地提升IP資源的利用率和數據轉發速率；“Any To Any”的連接方式，大大增強了網絡的靈活性和可擴展性，用戶可制定特殊的控制策略，以滿足不同的增值需求。

具有以下優點：一是可容納的VPN數目更大，同一VPN中的用戶數量更多；二是具有與幀中繼和ATM VCC類似的高可靠安全性；三是能夠提供數據、語音、視頻相融合的能力；四是可以根據自己的業務需求，賦予不同的QoS等級。

3.2 “千里眼”視頻監控云平臺

“千里眼”視頻監控平臺是基于移動通信網絡為用戶提供圖像和各種報警信號遠程采集、傳輸、儲存、處理的一種新型業務，其技術架構如圖3所示。

圖3 “千里眼”技術架構

3.3 無人機空天一體化監管

通過給無人機安裝高清攝像機，結合衛星測繪遙感數據，依托移動網絡實時回傳至后臺數據庫，通過AI等一系列智能處理手段，將違法現象證據留存，為快速響應、合理處置提供依據和平臺。

無人機數據采集質量控制全面剖析無人機影像數據采集的各項誤差來源，結合當前POS、傳感器等硬件發展水平，推導點云精度評價模型，制定詳細的數據采集與質量控制方法。制定詳細的無人機影像數據采集規程，包括作業條件和參數選擇、航高與航線設計、基站設計、地面控制等，保證數據源質量。

無人機影像實景三維建模技術優化對比分析目前國際主流的無人機攝影測量系統的優缺點，針對現有無人機數據處理技術及軟件系統存在的問題，進行技術優化，并研發無人機影像高效處理軟件，提高數據處理的效率、降低軟件操作的難度、拓展系統功能，以更好地滿足“慧眼守土”應用的需求。

3.4 視頻監管平臺

“慧眼守土”視頻監管平臺接入南京全市約700個視頻監控，共享“雪亮工程”視頻資源，主要應用于執法巡查、耕地保護、土地綜合整治、供后跟蹤監管等業務，提升了管理水平。可對視點位進行遠程操控，將實時視頻影像和可視域在圖上同時展示。可對監控探頭拍攝照片和無人機日常飛行影像進行管理，在發生地質災害時將現場情況實時傳回監控中心。以無人機作為補充，覆蓋固定探頭不能監控的盲區。與現有的“一張圖”和“四全平臺”有機結合，在實現視頻直播的基礎上將圖層融入業務審批。

4 南京市“慧眼守土”關鍵技術與創新點

4.1 空天地網集成融合

在無人機上安裝高精度相機，結合衛星影像遙感數據、地面運營商通信鐵塔上的高精度相機畫面，依托電信運營商網絡專線實時回傳至數據中心，通過AI等一系列智能分析技術，提取疑似違法行為，為快速響應、合理處置提供依據和平臺。

4.2 無人機攝影準實時三維實景精細建模

結合攝影測量技術，研究不同比例尺下無人機地形測繪影像數據采集方法；研究大比例尺、高效、高精度的無人機影像處理方法，建立不同比例尺無人機地形測繪的影像處理技術流程。

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

4.3 4G網絡與“一張圖”系統集成融合

4G網絡與傳感器將變成現有國土GIS系統的“慧眼”，成為國土資源監測數據獲取的主要渠道之一。通過無縫集成與深度融合，實現地塊與視頻圖像的互操作，提高現有國土GIS系統的直觀性、時效性，提升其服務的深度和廣度，進而提高用地預審、組卷報批、土地出讓、供后跟蹤、執法監察業務效率，具體如圖4、圖5所示。

圖4 與“一張圖”系統結合輔助業務審批

圖5 借助可視域實現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器學習。如圖6所示，系統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，二是關聯了業務審批過程中使用到的設備，用戶可以點擊按鈕手動拍攝照片，記錄拍攝時間和位置，實現基于時空的圖斑變化展示，方便用戶追溯土地利用現狀變化情況，便于供后跟蹤監管、執法監察兩類業務的使用。

圖6 智能分析比對頁面

通過智能識別算法對拍攝成果進行智能分析。提高機器學習算法識別率，自動識別出疑似違法行為的照片，用戶結合識別照片、實時視頻、土地利用現狀和業務審批情況綜合分析，對分析結果進行校正，進一步提高分析效率。

4.5 創新國土資源監管模式

集成無人機視頻資源，借助無人機快速數據采集和處理技術創新國土資源監管新模式。

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

在分析無人機攝影測量技術在生產應用中存在的問題的基礎上，創新研發無人機影像處理和3D產品生成的優化方法及軟件模塊，顯著降低了無人機技術應用門檻，提高了無人機數據處理的效率。

4.6 創新業務應用場景

運用“互聯網＋”理念，改變傳統監管模式，建立以人工智能技術為導向的視頻監管平臺，建成集多源攝像頭及無人機實時圖傳視頻為補充的全天候監測網絡，對國土資源實施全方位、多角度、實時、實景監管，重點突出了綜合、動態、智能的特點，特別是在土地綜合整治和耕地保護、建設用地報批和土地利用、執法巡查、礦山管理、衛片核查等方面，為促進國土資源監管機制體制和土地利用方式轉變、基層國土資源管理深化改革提供新的探索思路。

5 結語

在機構改革背景下，依據《自然資源信息化頂層設計》，以“互聯網＋”為抓手，以“自然資源云”為統領，推進南京市綜合動態智能監管體系再上新臺階，重點開展以下幾項工作：一是根據應用成效與南京市各區實際應用需求，通過優化科學算法，增加監控點部署密度、擴大監控范圍，減少視頻監管盲區；二是結合未來5G技術的發展，優化視頻播放技術，提升視頻監控在線率，降低播放延時；三是借助云計算、大數據、人工智能等技術提高視頻監管系統智能化程度，提高預警預報準確率；四是加強與“一張圖”系統和“四全服務”平臺對接，增強系統關聯性；五是繼續深化系統在各自然資源管理業務場景中的應用；六是強化“互聯網＋自然資源服務”和信息安全保障體系建設工作。

南京市“慧眼守土”綜合動態智能監管平臺實現了以下5個方面的轉變：一是工作模式由“靜態”向“動態”的轉變；二是監測手段由“單一”向“綜合”轉變；三是業務管理由“平面”向“立體”轉變；四是執法機制由“后置”向“前置”轉變；五是監管手段由“人工”向“智能”轉變。

南京市“慧眼守土”綜合動態智能監管平臺基于移動“千里眼”視頻監控云平臺，構建了高清攝像云服務，實現了跨地域、全域范圍的統一監控、統一管理、分布式存儲、資源共享，大大減少了自身的建設投資，提升了系統運行維護效率；實現了與現有“一張圖”的完美結合，業務審批及執法巡查中，可以直接調用視頻設備查看實時畫面，讓業務人員在辦公室就可以直觀地了解項目現場的實際情況。豐富了業務辦理的手段，提高了業務辦理的效率。