物联网在国土资源管理中的研究与应用*

陈 斌 ，艾浩军 ，李京生

（1.湖北省国土资源厅信息中心 武汉 430070；2.武汉大学计算机学院 武汉 430072；3.新华通讯社 北京 100001）

1 引言

随着我国用地范围越来越大，土地管理涉及的内容越来越多，如地籍管理、土地利用规划和土地资源调查等，过去传统的土地管理模式已经很难满足实际工作的需要，为了实现土地管理的科学化和规范化，建立一种高效和现代化的土地管理模式，必须利用信息技术进行土地管理。这同时也是土地管理工作者在今后工作中所要面临的一项艰巨而紧迫的任务。

物联网（internet of things，IoT）是当今世界信息技术发展的趋势和潮流，大力推进物联网在国土资源管理上的应用，是推进区域现代化建设全局的战略举措和破解发展难题的重要手段。物联网在国土资源管理方面的应用仍处在探索阶段，物联网的应用面、技术水平和服务深度仍面临着挑战。

2 物联网

当前，物联网没有统一的概念，较为公认的物联网的定义是：通过射频识别（RFID）、功能感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把世界上任何物品与互联网连接起来，进行物体与网络之间的信息交换和通信，以实现物体智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络[1]。

物联网的特征包括：全面感知，即利用RFID、功能传感器、二维码阅读器等感知设备随时随地获取物体的信息；可靠传递，即通过传感网与互联网的融合，实现采集信息实时准确的传递；智能处理，即利用云计算、数据挖掘、模糊识别等人工智能技术对采集的大数据进行分析与处理，实现对物体的智能控制[2]。三大特征对应物联网的3个层次，分别为用于感知数据的感知层、用于数据传输处理的网络层、用于与行业需求结合的应用层[3]。

3 国土资源管理的主要内容

国土资源管理的主要内容可以分为土地规划、土地利用、地籍管理三大方面。

3.1 土地规划

土地利用规划亦称土地规划，是指在土地利用过程中，为达到一定的目标，对各类用地的结构和布局进行调整或配置的长期计划；是根据土地开发利用的自然和社会经济条件、历史基础和现状特点、国民经济发展的需要等，对一定地区范围内的土地资源进行合理的组织利用和经营管理的一项综合性的技术经济措施。

土地规划是对土地利用的构想和设计，任务在于根据国民经济和社会发展计划，依据因地制宜的原则，运用组织土地利用的专业知识，合理地规划、利用全部土地资源，以促进生产的发展。具体包括：查清土地资源、监督土地利用；确定土地利用的方向和任务；合理协调各部门用地，调整用地结构，消除不合理土地利用现象；落实各项土地利用任务，包括用地指标的落实以及土地开发、整理、复垦指标的落实；保护土地资源，协调经济效益、社会效益和生态效益之间的关系，协调城乡用地之间的关系，协调耕地保护和促进经济发展之间的关系。

土地规划的内容应包含：土地利用现状分析和评价、土地利用潜力分析、土地供给与需求预测、土地供需平衡和土地利用结构优化、土地利用规划分区和重点用地项目布局、城乡居民点用地规划、交通运输用地规划、水利工程用地规划、农业用地规划、生态环境建设用地规划、土地利用专项规划、土地利用费用效益分析和规划实施。

3.2 土地利用

土地利用是由土地质量特性和社会土地需求协调所决定的土地功能过程。不同学科以不同方式研究土地利用对于实现人地和谐、促进经济的重要作用[4]。

土地利用包含两方面的含义：一是指人类根据土地质量特性开发，利用土地创造财富，以满足人类生产和生活的需要；二是指利用土地改善环境，以满足人类生存的需要。从系统论观点，土地利用的实质是土地自然生态子系统和土地社会经济子系统以人口子系统为纽带和接口耦合而成的土地生态经济系统，即土地利用系统。

3.3 地籍管理

地籍是国家登记土地隶属关系的簿册，即土地的户籍，记载土地基本信息（包括位置、界限、数量、质量、权属、地价、地类等），反映土地（含地上附着物）的自然、社会、经济和法律的基本状况（包括权属、位置、质量、数量和利用现状）。基础地籍资料包括地籍图、地籍册和地籍登记档案[5]。

自然资源和生产资源的土地为地籍管理对象，土地权属问题则是地籍管理的核心。现阶段，中国地籍管理有土地调查、土地登记、土地统计、土地定级与档案管理5个基本内容，土地管理的内容将随着经济社会的发展和国家对地籍资料需求的增长，而不断调整扩充。地籍管理工作一般以国家规定的管理制度为基础，以保证地籍资料的连贯性与系统性、可靠性与精确性、概括性与完整性[6]。

4 基于物联网技术的国土资源管理

目前业界普遍认为，物联网的关键技术包括射频识别、传感网、两化融合和M2M技术。在国土资源管理问题中，如何将监测到的数据与互联网相结合，这4项技术起到关键的作用。

4.1 物联网的国土应用领域

4.1.1 土地开发整治监管工程

土地开发整治涉及大量空间信息，主要包括整理区范围的确定，整理潜力的分析，整理区田块高程、水系、水工建筑物、道路、村庄和土地利用类型等要素数据的获取，项目方案的确定，规划图的编制，项目验收、评价等。土地整治项目是一项复杂的综合工程，包含现状复测、填方碾压及土方综合平衡等多方面的控制[7]。

土地整治项目的监管在运用遥感 （remote sensing，RS）、全球定位系统（global positioning system，GPS）和地理信息系统（geography information system，GIS）等先进技术后，取得了一定的成效，但要实现国土资源天、地、网络三位一体的监管目标还有很多工作要做[8]。随着物联网技术的发展，土地开发整治监管工程可借助物联网的实时感知、无线传输以及其强大的数据分析能力，对土地开发整治过程中涉及的大量空间信息，进行获取、存储、分析、管理和应用，为科学地进行土地整理规划设计提供数据基础，为土地整理工程监管提供决策依据。具体建设内容包括以下几点。

（1）农业资源感知系统

利用GPS、传感器技术实时获取整理项目区域内每个地块的土壤与作物信息，及时了解耕地状态信息，如地块连片程度、耕地土壤有机物、水分、湿度、温度和产量分布等情况，利用埋在地块表层的无线网络传输节点设备，进行数据的无线传输，进而为土地整理项目中的土地平整、农田水利等工程的科学规划与合理布局提供信息基础。研究土地整治领域的感知数据标准、物联网共性技术平台、信息处理与分析等基于物联网的农用地资源监测与管理方面的关键技术。

（2）耕地质量监控系统

建立基于物联网的土地整治耕地质量监控标准流程。对土地整理过程中的耕地质量情况进行实时监控，包括耕地的养分、盐渍化、土壤肥力、土层、土地污染程度等方面的特性。利用专业的土地监测传感器对上述耕地质量因子进行随机取样并获取数据，感知数据经无线传感网录入项目监管部门的业务系统，系统再将原始数据经移动通信网传输到专业土壤检测机构的服务器上，进行智能处理与分析，结果实时反馈到监管部门的系统。

（3）重大工程监管平台

物联网环境下，土地整治重大工程的智能监控体系由感知层、网络层与应用层3个层次构成。利用红外、光谱等专用传感器及卫星遥感系统采集项目，监管涉及的耕地质量、工程质量与进度、资金利用等信息，按照统一的数据采集标准将采集信息经网络层传输至应用层。

建立项目区域信息网，对土壤湿度和紧实度、道路的修建长度等大量可感知的信息进行智能处理，在应用层只需少量的人工进行调整和控制工作，从而提高重大工程监管平台的智能化与科学化水平。

4.1.2 耕地保护智能监控工程

耕地保护关乎国家粮食安全、经济发展与社会稳定大局。我国现阶段的土地资源需求伴随着我国经济社会的快速发展而迅速上升。而我国人多地少、耕地资源少的土地资源国情，使我国耕地保护形势严峻。依托土地利用动态遥感监测工程和计算机网络综合监管平台，我国已初步建立地方政府耕地保护责任目标考核及评价预警系统。具体建设内容包括以下几点。

（1）智能视频监控

在一些耕地区域内设立监控杆体，安装长焦距变焦镜头实现大范围距离的监控，配备太阳能供电系统实现设备能源供应。采集的视频由编码器编码后经移动通信网传送到监管中心，进行集中存储和实时显示。

（2）无线网络传输

无线传感网由低功耗、低成本的密集型节点构成，具备自组织性与容错能力，部分节点受损不会导致网络出现崩溃。目前无线传感网主要用于国土安全保护、边境监视等领域。

（3）耕地保护移动执法

针对土地违法整治快速、有效的要求，需给相关土地执法人员配备移动执法终端，该终端可以直接获取控制中心信息，及时查询相关区域的土地监控情况，同时可灵活地接收指挥中心指令。土地执法动态巡查系统结合PDA、GPS和GPRS通信技术，能实时将现场信息传输到管理中心的业务系统，为领导决策分析提供依据。土地执法动态巡查系统一般由GPS坐标采集、PDA信息采集、土地规划与应用3个业务模块构成[9]。

4.1.3 国土产权电子标签工程

国土产权是土地的身份证，是对土地及其附属权利进行法律登记的过程。土地产权登记有效地记录了土地的自然属性、社会经济属性和权利人的状况，是对人地关系进行确认的法律手段。

随着社会对土地信息需求的日益增大，纸质证照的记载项所反映的为一块宗地最基本的内容，信息量相对较少，不能完全满足社会的需求，并且无法实现土地产权信息的快速网络共享与交换。应构建省级负责发证的矿产资源、土地资源产权、地质灾害等电子证照信息库，实现证照数据采集、电子签章、在线实时验证和共享传输等功能，进而逐步减少纸质证照的使用，节约社会成本，同时实现证照信息共享及远程传输，提高政府行政效率，推进政务公开。具体建设内容包括以下4个方面。

（1）产权信息在线采集系统

建立权利人身份在线采集系统，将电子标签植入产权证，通过读卡器读取电子标签内的存储信息，对权利人身份信息进行采集，识别产权证所代表的地块和权利人，并将其与对应的宗地信息（如宗地的位置、面积、权属界线、土地等级、土地价格、利用状况、权利状况、权属状况、使用年限等各种宗地的自然和社会经济信息）以及宗地图和相关的法律依据等进行叠加，共同录入土地电子产权证。由此减少人工采集所造成的大量人力成本，提高产权信息采集的效率，实现人地信息的快速采集。

（2）多源数据集成系统

国土产权电子标签具有可复用、可复写的优点，可以将多源土地信息数据叠加存储于土地权利证书中。土地规划部门录入土地利用数据，土地利用部门录入土地等级和土地价值数据，地籍部门录入土地坐落、面积等数据。电子标签将成为地块、权利等对象的属性信息载体，使原先集中存储在各级国土资源管理行政部门土地数据中心的地块相关信息，被拷贝至地块产权证书专属的电子标签上，该地块拥有自身可移动的专属“数据中心”，信息的共享模式从集中式共享转变为集中式与分布式共享并存，有效地均衡了数据信息和事务信息，大大分担了数据中心的负载；同时，由于产权电子标签内的信息由多个经授权的部门和机构共同写入，各个原本相互独立的政务系统内的信息得到有机整合，信息“孤岛”被自然打破。

（3）数据加密系统

构建产权信息数据保密机制，从标识、网络、应用系统和后台数据库入手，对产权信息感知、传输、访问等多项环节进行保护。在信息传感网内部构建有效的密钥管理机制，用于保障传感网内部通信的安全；建立网络层端到端和节点到节点的安全认证机制；产权数据涉及用户的隐私保护问题，因此要建立有效的产权数据库访问控制和内容筛选机制、叛逆追踪和其他信息泄露追踪机制、有效的产权取证机制等；建立严格的数据管理制度，让用户和工作人员充分意识到产权信息安全的重要性以及正确的操作方式，采用严谨的科学管理方法将信息安全隐患降到最低。

（4）在线实时验证和共享传输平台

利用互联网，能够有效、快捷地对土地进行“身份识别”。利用物联网的感知层、网络层对土地产权信息进行共享和传输，并通过产权信息管理平台对产权信息进行管理。建立物联网环境下的统一产权信息标准体系，在数据采集的过程中即对产权的各项内容进行标准化，并结合下一代网络提高数据共享的效率。在发生土地权利变更时，可通过互联网、移动网络等对标准化的产权信息进行传输，使相关人员能够实时获取土地产权信息。

4.2 智慧国土信息决策平台的构建

4.2.1 总体思路

智慧国土信息决策平台是基于“数字框架”的信息共享控制平台，在国土资源“一张图”、“一张网”的基础上，建立一个集调查监测、执法监察、灾害应急、政务管理、保护宣传等于一体的国土物联网应用平台，统筹规划国土资源信息应用、资源监管与决策，促进信息化与业务深度融合，提升国土资源管理水平与效能。

本平台采用总体架构的思想，引入面向服务的架构（service-oriented architecture，SOA），基 于 应 用 集 成 框 架（LIFERAY），实现3层技术确保性能。其基本构成包括3层，最底层为在线检测仪表和传感器组成的数据采集端，分为耕地保护智能监控网络、地质灾害无线感知网络、土地治理设施感知网络等智慧化监测平台；中层为以采集数据传输为主，兼顾处理、存储、管理的网络传输层；上层为各类国土物联信息系统，构成智慧国土物联信息决策平台，为全省范围内的土地监察与决策提供应用支持。

4.2.2 体系架构

国土信息决策平台的构建，包括建设智慧国土物联信息决策综合数据库、智慧国土动态分析模型库、物联信息决策综合分析与查询统计系统和4个物联网应用系统，如图1所示。

·基础设施层：作为信息平台的软硬件运行环境，包含物联网设施、构建物联网数据中心所需的服务器等硬件环境以及操作系统、数据库管理系统、网络协议等软件环境。

图1 智慧国土物联信息决策平台

·数据资源层：作为信息平台的数据存储仓库，包含土地利用、土地规划、违法占地等土地信息库，矿产勘查、矿产规划、采矿权管理等矿产信息库，地质灾害调查、地质遗迹、矿区环境等地质信息库3类业务数据以及目录库、基础地理数据库、基础数据库、人员组织数据库等常用数据。

·支撑平台层：为信息平台和应用系统提供业务辅助功能，包含RDIF中间件、流程服务中间件、安全中间件、通信中间件、M2M物联网中间件、嵌入式中间件以及物联网数据交换平台等，以简化业务系统开发。

·应用层：是信息平台的核心部分，实现信息平台的核心业务逻辑，通过定制各种业务流程并调用支撑平台层中可复用的业务中间件，实现各种应用。

通过对智慧国土物联信息决策平台的研究，提出两个物联网基础工程：一个是智慧国土感知网络，包括感应器、摄像头、RFID等感知体系，通过高精准地籍测绘基准点网络，实现多网络对接、融合传输体系；另一个是智慧国土物联数据中心，建立感知信息目录体系总体框架、物联数据中心统一管理系统、物联网信息资源安全监管平台和数据容灾备份体系。

4.2.3 建设内容

智慧国土物联信息决策平台的应用系统主要包含国土资源监控物联网应用系统、国土资源执法监察物联网系统、灾害应急物联网应用系统、政务管理服务物联网应用系统四大应用系统。

（1）国土资源监控物联网应用系统

基于物联网技术对国土资源状况的实时监控，包括耕地的养分、盐渍化、土壤肥力、土层、土地污染程度等方面特性以及矿场的地质情况等信息。利用专业的土地监测传感器对上述耕地质量因子进行随机取样并获取数据，感知数据经无线传感网录入项目监管部门的业务系统，系统再将原始数据经移动通信网传输到专业土壤检测机构的服务器上进行智能处理与分析，结果实时反馈到监管部门的系统，以减少人工调整和控制工作量，从而提升国土资源监管平台的智能化与科学化水平。

（2）国土资源执法监察物联网应用系统

主要针对土地违法整治快速、有效的要求，基于PDA、GPS和GPRS通信技术，以GPS坐标采集、PDA信息采集、土地规划与应用3个业务模块为核心，执法人员采用配备的移动执法终端，直接获取控制中心信息，及时查询相关区域的土地监控情况，实时将现场信息传输到管理中心的业务系统，为领导决策分析提供依据，全面提升动态执法和快速反应能力。

（3）灾害应急物联网应用系统

主要基于传感器、RS、GIS和GPS及地质灾害监测技术，以一定范围（区域）的滑坡、泥石流及崩塌等地质灾变体为监测对象，通过在地质灾变易发区域部署一定密度的传感器节点，采集所需的环境信息数据，对其在时空域的变形破坏信息和灾变诱发因素信息实施动态监测（侧重于时间域动态信息的获取）。通过对变形因素、相关因素及诱导因素信息的相关分析处理，对灾变体的稳定状态和变化趋势做出判断，揭示滑坡、泥石流、崩塌的空间分布规律，对未来可能发生灾害的地段（点）做出预测，从而综合提升地质灾变监测与应急处置能力。

（4）政务管理服务物联网应用系统

主要通过建立一卡通子系统为工作人员的考勤、门禁、消费以及会议室等公共资源的使用，提供有效的管理和服务手段；建立基于无线传感网的大楼基础装备和环境实时监测子系统，为国土资源管理工作人员创造绿色、低碳、舒适的工作环境；建立以二代身份证为基础的访客接待系统，实现高度自动化的预约、接待与后台管理功能，从而为国土资源行政管理提供一个安全、高效、舒适、便利、节能、环保、健康的办公环境。

5 结束语

物联网技术应用于国土资源领域，可实现土地开发整治智能监管、耕地保护智能监控、国土产权电子标签管理等国土资源管理的智慧化。构建基于物联网技术的智慧国土信息平台，有助于提升国土资源管理的信息化水平，增强国土资源配置的科学性，形成国土资源管理的新格局。本文在描述物联网概念以及国土资源管理内容的基础上，深入分析物联网技术在国土资源管理领域的应用方法和重要内容，提出了智慧国土信息决策平台的总体设计思路、体系架构和建设内容，旨在为国土资源的科学可持续发展提供参考。

1 党梅梅.泛在网网络架构与国际标准化现状.通信技术与标准泛在网专刊,2010(1)：8~12

2 艾浩军,单志广,张安定等.物联网技术与产业发展.北京:人民邮电出版社,2011

3 吴余龙,艾浩军.智慧城市 (物联网背景下的现代城市建设之道).北京:电子工业出版社,2011

4 王万茂.土地利用规划学.北京:北京师范大学出版集团,2010

5 叶公强.地籍管理.北京:中国农业出版社,2002

6 林增杰,严星,谭峻.地籍管理.北京:中国人民大学出版社,2001

7 刘耀林.土地信息学.北京:科学出版社,2007

8 黄德霖.物联网该怎么用——对土地整治项目监理的思考.中国土地,2012(5)

9 周曦,鞠建荣,刘广霞.基于PDA的土地执法动态巡查系统设计与实现.城市勘测,2010(6)