談北斗系統在耕地保護中的應用★

鮑旭輝,楊 旭,鮑立平

(1.內蒙古測繪地理信息中心，內蒙古 呼和浩特 010000； 2.廣西農業職業技術大學，廣西 南寧 530000)

1 北斗系統現狀

今年，國務院新聞辦公室發布《新時代的中國北斗》白皮書。白皮書指出，北斗衛星導航系統在全球范圍內實現廣泛應用，可以賦能各行各業，可以融入基礎設施，進入了大眾應用領域，深刻改變著人們的生產生活方式，成為經濟社會發展的時空基石，為衛星導航系統更好的服務全球、造福人類貢獻了中國智慧和力量。

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

北斗系統目前廣泛應用于交通、農業、森林、水利、海洋、物流和電力系統等多個行業，并且逐漸深入到智能手機、智能穿戴設備等智能化、小型化領域創新開發。日前隨著5G基站建設、大數據中心、人工智能、互聯網等方面國家相關政策的陸續出臺，國家將進一步加大力度對相關產業建設和發展的政策支持，北斗系統將與新一代各種新技術深度融合，不斷創新，深入融合，服務人類，讓北斗服務更加貼近生活。

2 耕地保護傳統技術應用問題

2021年12月28日～29日，習近平總書記在中央農村工作會議強調，要采取“長牙齒”的硬措施，落實最嚴格的耕地保護制度。習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 傳統檢測手段監測占耕問題效率不高

執法監督工作是自然資源管理的重要內容，在耕地保護和合理利用方面發揮著不可替代的作用。土地管理法明確規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，傳統手段越來越難以全面支持耕地執法督察工作。傳統的執法監督方式主要依托人工巡查、舉報等方式，基層執法人員在遇到疑似違規占用耕地問題時，只能依托傳統的測量尺、測距儀、全站儀等工具進行外業測量，然后根據測量結果回到內業與自然資源現狀數據、審批數據等進行疊加，進行是否存在違法違規行為的判斷。在這個過程中存在著多種不足：1)執法空白，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、及時地發現違法占用耕地問題，群眾對自然資源現狀和規劃情況不了解，造成舉報的數量和質量都相對較低。2)執法成本高，因為發現周期長，執法人員發現違規行為時已形成違法事實，違建拆遷過程無形中提升了執法成本。3)執法效率不高，在判斷違規行為時，只能對違規面積進行尺碼、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，使用傳統的測量方式往往需要數日甚至十幾天才能完成外部業務的測量。外部業務測量和內部業務判斷的周期較長，效率不高。

2.2 耕地“非糧化”監測不到位

耕地“非糧化”是指耕地應該用于糧食、棉、油、糖、蔬菜等農產品的種植與生產，而嚴格控制耕地轉變用地屬性變為林地、園地、建設用地等其他類型的地類。近年來，由于種植糧食的經濟效益不高導致我國耕地“非糧化”現象呈現逐步擴大趨勢。一些耕地“非糧化”問題例如耕地轉換為林地、園地等其他農用地的情況在傳統衛星遙感影像上的影像特征相似度較高導致難以進行有效的區分：1)種植非糧食性的農作物，包括茶葉、水果、花卉、藥材等產品。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)由于耕地質量下降或耕地距離過遠等關系造成的“撂荒地”等問題。造成耕地“非糧化”監控不到位，導致大量耕地過度“非糧化”，動搖國家的糧食安全。

2.3 地下礦山占耕無法實現有效監測

礦產資源在國民經濟發展中發揮了不可替代的作用，帶動了經濟社會的發展，但是不法分子在利益的驅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，造成監管部門難以察覺，傳統的地下測量檢查方式耗時長，造價高難以形成常規性的監測流程。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境，造成大量水土流失，會嚴重影響自然的營養環境。造成大面積的耕地質量急劇下降，對耕地造成永久性傷害。對地下礦山進行常規性監測，能提高礦山開發法律意識,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發展[1]。

3 北斗技術在耕地保護中的應用

北斗系統是國家戰略性新興產業，是我國重要的信息基礎設施之一，也是我國信息化建設的重要保證，利用“北斗+”和“+北斗”融合創新應用發展，可以更好的應用該技術，也可以更好的服務社會，隨著北斗衛星導航系統在中國的逐步成熟和完善，應用北斗技術提高耕地保護水平成為可能。主要有如下幾方面應用。

3.1 北斗+圖像識別技術應用于耕地違法線索提取

“北斗+高分”系統是我國北斗導航衛星和高分遙感衛星的綜合應用，高分遙感衛星可以提供耕地各個時段的影像數據，是可以作為耕地保護工作的基礎，北斗導航系統可以提供定位、導航和授時服務，可對遙感影像顯示的內容進行高精度、高可靠性的定位[2]。衛星影像經過糾正、融合等遙感影像專業流程處理，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測地區的正射影像成果確定為基底影像數據，然后每天或固定時間頻率根據可獲取的衛星數據跟基底數據進行比較，運用人工智能圖像識別技術自動提取發生變化的區域范圍圖斑，生成基于影像信息變化的疑似變化圖斑矢量文件。

第二步根據前后兩期影像數據和疑似圖斑范圍矢量文件套合，結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，疊加土地利用現狀數據、審批數據、規劃數據以及基本農田等數據成果，最終確定疑似亂占耕地違法圖斑，交由執法監察部門進行外業核實，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域，可以彌補單純靠人力資源勘查的短板、填補傳統耕地保護工作中的執法空白。只要實地發生違法行為，就可以在短時間內被發現進而被及時制止，根據相關法律法規進行處罰。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，大大降低執法成本，從而實現耕地保護。由于采用了北斗高精度定位技術，衛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可以達到執法需求，不需要進行二次測繪工作，可進一步減少執法人員的人力資源等方面投入，提高執法效率。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，即可全面實現信息化輔助耕地保護工作。

3.2 北斗+高光譜遙感應用于耕地“非糧化”判定

近年來高光譜衛星數據源不斷增多，使得利用北斗+高光譜遙感進行植被分類進而實現耕地“非糧化”判定成為可能。隨著傳感器的發展，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，在農作物種植結構復雜、地塊破碎地區的分類精度仍然不高，目前還難以實現對農作物品種的分類研究[3]。而高光譜數據憑借光譜分辨率高，可以更為全面、細致地獲取地物光譜特征及其差異性等優點，可以為農作物類型識別提供新的技術手段[4]。以高光譜影像為基礎數據源，以北斗技術做高精度定位即可實現地表植被的分類定位，實現耕地“非糧化”的合法性判定，主要操作步驟如下：

首先可以根據區域特征建立各地的高光譜數據庫系統，建立植被的算法模型，系統可根據實時高光譜遙感數據與高光譜數據庫的模型匹配，實現地表植被的初始定性。

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

最后將各類植被與耕地矢量數據進行疊加分析，確定耕地“非糧化”區域，從而確定是否存在耕地“非糧化”行為。

3.3 北斗+InSAR應用于地下礦山變化監測

地下礦山的開采會造成地面發生微小沉降，其過程緩慢且不可逆，利用北斗技術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測，可以發現地面的沉降，但單純依靠北斗系統需要在待監測區布設臺站，受接收機數量和密度限制，只能在重點部位布設分散、不連續的監測點，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測不僅需要連續的高程變化，還需要通過連續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)技術是指利用同一地區不同時相的干涉影像以及高精度數字高程模型數據，做兩軌法D-InSAR干涉處理，經過基線估算、干涉圖生成、自適應濾波及相干性計算、相位解纏、軌道精煉等一系列步驟得到形變結果。同時利用北斗系統三維高精度特征提取特征點對InSAR技術形成的形變數據進行檢驗，確定沉降結果是否準確。最后疊加光學影像、礦權范圍，排除明顯的露天沉降因素、水體周圍、建筑區沉降等因素影響，將排除后的沉降區域列為地下礦山疑似越界采礦區。

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技術初步確定地下礦山疑似越界采礦區，然后在區域內應用北斗技術精確定位，從而確定底下礦山是否存在過度開挖占用耕地情況[6]。

4 結論與展望

隨著北斗導航技術的發展，專業技術人員在不斷開發和創新北斗系統的擴展服務，將北斗與農業生產、農情監測與耕地保護等深度融合。其中北斗技術與各類遙感技術的融合應用將極大的改善傳統耕地保護中線索提取效率低下、耕地保護執法成本高的現狀。目前北斗技術的擴展服務應用已經取得了一定的成績，但仍然也存在一些不足，需要進一步研究發展：

1)遙感影像數據源不足。目前采用國產衛星對正射影像圖的生產進行監測，同一地塊國產衛星拍攝周期一般在30 d～60 d，而違法占用耕地行為在這個周期內有很大概率已經形成，執法成本較高。需要進一步補充數據源，縮短遙感影像生產周期。

2)各地未建立高光譜數據庫。利用高光譜進行植被判別需根據地域植被特征進行匹配，需各地建立獨立的高光譜數據庫。而目前高光譜數據庫的研究正在發展階段，還未進行大規模應用，需在研究基礎上推廣應用。

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